一種基于功率分配的分布式天線系統中高能效自適應調制方法與流程

技術領域：
：本發明屬于移動通信領域，涉及移動通信系統的物理層傳輸方案設計，尤其是涉及一種基于功率分配的分布式天線系統中高能效自適應調制方法。
背景技術：
：：隨著移動通信技術的不斷發展，移動通信設備的數目和用戶的數目迅猛增加，移動通信系統所消耗的能源也呈指數型增長。面對全球能源日益緊張的局面，國內外研究機構正不斷地尋求有著更高能量效率(ee,energyefficiency)的信息傳輸技術，“綠色通信”也成為人們廣泛關注的話題。找到一種能有效提高系統能量效率的傳輸技術正成為未來無線通信的趨勢。分布式天線系統(das,distributedantennasystem)是一種將多個發送天線布置在小區不同位置的通信系統，系統中的每個發送天線通過光纖、同軸電纜或無線鏈路與小區的中央處理器相連。研究表明，das解決方案可以提高頻譜效率，降低信號傳輸的成本。相較于傳統集中式天線系統，das系統在容量、能耗和覆蓋范圍方面有著巨大的優勢。在相同頻譜效率下,分布式天線系統能有效地減少移動臺所需的接入距離，即擴大基站的覆蓋范圍，降低系統發送端的發射功率。分布式天線系統不論在提高系統容量、降低發射功率、提高分集度，還是在減少切換次數，降低中斷概率等方面都顯出了傳統蜂窩系統不可比擬的優勢，被認為是傳統蜂窩系統的理想替代方案之一。功率分配一直是分布式天線系統的研究熱點之一。由于用戶到各個發送天線之間的距離不等，因此每個天線到用戶之間的信道條件也不一樣。為提高能量效率，das系統的天線不一定都用來發送信號給用戶，可以有選擇的讓用戶和若干個發送天線進行通信，即根據每個天線到用戶的信道情況，分配給每個天線不同的發送功率。這樣能提高系統整體的能量效率，減少不必要的功率開銷。文獻1(xinchen,xiaodongxu,xiaofengtao.energyefficientpowerallocationingeneralizeddistributedantennasystem[j].ieeecommunicationsletters,2012,16(7):1022-1025.)把該問題當作分式規劃問題，用一般的優化求解方法得到了一個迭代算法。文獻2(heejinkim,sang-rimlee,changicksong,kyoung-jaelee,inkyulee,optimalpowerallocationschemeforenergyefficiencymaximizationindistributedantennasystems[j].ieeetransactionsoncommunications,2015,63(2):431-440.)則利用karush-kuhn-tucker(kkt)條件求得了功率分配問題的閉式形式，并根據朗伯函數給出了閉式解。除了功率分配能提高das系統能效以外，自適應調制(am,adaptivemodulation)也是一種很有效的方法。能效自適應調制能根據系統當前的信道信息條件自適應地改變信號的調制方式，在保證目標誤比特率的前提下，最大限度地提高系統的能效。在目前的研究中，很少有直接以能量效率作為優化目標進行自適應調制的系統，自適應調制在大多數時候都用在提高頻譜效率方面。因為能效不僅和調制方式有關，也和功率有關。如果僅對調制方式進行自適應而不對功率進行自適應，這和頻效自適應沒有什么區別。文獻3(xiangbinyu,wentingtan,binbinwu,yangli.discrete-rateadaptivemodulationwithvariablethresholdfordistributedantennasysteminthepresenceofimperfectcsi[j].chinacommunications,2014,11(13):31-39.)研究了在不完全信道信息條件下分布式天線系統離散率自適應調制的傳輸方案及其性能，優化的目標是頻譜效率。本專利目標是優化das系統的能量效率，將同時對功率和調制方式進行自適應。功率分配是功率在空間上的自適應，自適應調制是信號調制方式的自適應。因此，本專利所提出的方法是一種能根據當前信道信息自適應地調整各個遠程天線的發送功率和信號調制方式的方法。技術實現要素：：為提高分布式天線系統的能量效率，本發明提出一種基于功率分配的分布式天線系統中高能效自適應調制方法，該方法利用各個分布式天線到用戶之間的信道增益與噪聲功率比，以計算得到系統分配給每個分布式天線的功率和信號所采用的調制方式。本發明所采用的技術方案有：一種基于功率分配的分布式天線系統中高能效自適應調制方法，包括以下步驟：(1)確定備選信號調制方式的集合，在一定的目標誤比特率要求下，計算相應的自適應切換門限；(2)獲取分布式天線系統中每個遠程天線到用戶的信道增益與噪聲功率比，并按降序排列：建立對應的待優化功率向量：其中nt為遠程天線個數；(3)根據步驟(1)中自適應調制的切換門限和步驟(2)中各個遠程天線到用戶的信道增益與噪聲功率比，找出備選信號調制方式集合中可行的調制方式；(4)對于步驟(3)中每個可行的調制方式，分別給出其功率分配方案，并計算相應的能量效率；(5)根據步驟(4)計算得到的能量效率，選出其中最大的一項，其所對應的功率分配方案就是系統采用的功率分配方案，所對應的調制方式就是系統采用的調制方式。進一步地，所述步驟(1)中備選調制方式集合由n種不同的格雷碼方式編碼的qam調制組成，其對應的切換門限由以下式子得到ρn＝[erfc-1(ber0/an)]2/bn其中ber0是目標誤比特率，an和bn是第n個調制方式的參數，n∈{1,2,...,n}。進一步地，所述步驟(3)選擇可行調制方式的步驟為：計算其中pmax,i為第i根天線所能分配的最大功率，所有對應切換門限值不大于的調制方式組成可行調制方式集合，如果該集合為空，則系統信號傳輸中斷。進一步地，所述步驟(4)中計算第n種調制方式對應的功率分配步驟為：(a)令m＝1,pm＝pmax,m，如果且m＜nt執行步驟(b)，否則執行步驟(c)；(b)m＝m+1,pm＝pmax,m，如果且m＜nt重復執行步驟(b)，否則執行步驟(c)；(c)(d)各個天線的功率分配為p＝[pmax,1,...pmax,m-1,pm,0,...,0]t；(e)根據步驟(d)得到的功率，計算能量效率其中mn是第n種調制方式對應的信息速率，pc是系統環路功率消耗。本發明具有如下有益效果：本發明能獲得能量效率的最大化，通過采用特定的調制方式并給各個遠程天線分配特定的功率，使得系統的能量效率盡可能地得到提高。方法計算過程簡單，沒有復雜的函數計算。對于可行調制方式的判斷有效地避免了一些不必要的計算，降低了查找次數。附圖說明：圖1為本發明實施例的流程圖。圖2為本發明實施例中分布式天線系統的模型圖。圖3為實施例的頻譜效率圖。圖4為實施例的能量效率圖。具體實施方式：為了闡明本發明的技術方案及技術目的，下面結合附圖及具體實施方式對本發明做進一步的介紹。本發明基于功率分配的分布式天線系統中高能效自適應調制方法中涉及到的硬件裝置包括分布在小區不同位置的遠程天線、和每個遠程天線相連接的中央處理單元(cpu,centralprocessingunit)、小區內接受服務的移動臺(ms,mobilestation)。在本實施方式中，如附圖2所示，有nt個分散放置在小區內的遠程天線，記為rai,i＝1,...,nt。每個遠程天線配有1根天線，并通過特定傳輸通道連接到中央處理單元。小區內移動臺(ms)有一根或多個天線。定義hi為第i根遠程天線到移動臺的信道衰落系數，定義為移動臺復高斯白噪聲的功率。本發明的一種基于功率分配的分布式天線系統中高能效自適應調制方法，包括以下步驟：步驟1確定備選信號調制方式的集合，計算對應的自適應切換門限。備選調制方式采用n種不同的格雷碼方式編碼的qam調制。在本實施例中假設為{bpsk,4qam,8qam,16qam,32qam,64qam}。對于第n種調制方式，它在高斯白噪聲信道中的誤比特率可以近似表示成:其中，參數an和bn在表1中給出。表1bpsk4qam8qam16qam32qam64qaman1/21/25/123/813/407/24bn11/21/61/101/261/42令該近似表達式等于目標誤比特率ber0，自適應調制的切換門限可以根據以下式子得到：ρn＝[erfc-1(ber0/an)]2/bn步驟2通過獲取每根遠程天線到移動臺的信道衰落系數和移動臺復高斯白噪聲的功率，分布式天線系統計算得到每根遠程天線到移動臺的信道增益與噪聲功率比，計算公式如下：其中，hi一般由大尺度衰落和小尺度衰落共同決定，即hi＝giωi。gi表示小尺度衰落，常用的小尺度衰落模型有瑞利衰落和賴斯衰落等。ωi表示大尺度衰落，一般包括路徑損耗和陰影衰落。分布式天線系統的信號處理單元將每根遠程天線到移動臺的信道增益與噪聲功率比按降序排列：信號處理單元建立一個待優化的功率分配向量其中pi和γi按順序一一對應。步驟3從備選調制方式集合中選出可行的調制方式。并不是所有調制方式都適合在當前信道條件下采用，一些不合適的調制方式可以在事先就排除掉。已知各個遠程天線到接收端的信道增益與噪聲比γi，整個系統所能取得的最大信噪比為此時所有遠程天線功率都達到其最大功率pmax,i。所有門限值大于的調制方式都可以被排除，因為系統在當前信道條件下是不可能達到那么大的信噪比的。假如所有調制方式的門限值都大于這就說明沒有合適的調制方式，系統信號傳輸就中斷。步驟4對于步驟3中每個可行的調制方式，分別給出其功率分配方案，并計算對應的能量效率。das系統在采用第n種調制方式時的能效優化問題可以寫成：0≤p≤pmax,i其中，pc為系統的環路功率消耗，mn表示當前系統所采用調制方式的信息速率。通過拉格朗日乘數法，可以證明最優功率分配一定滿足以下兩個條件：p＝[pmax,1,...,pmax,k-1,pk,0,...,0]t為了獲得滿足以上兩個條件的功率分配，可以用一種迭代計算的方法，步驟如下：(a)令m＝1,pm＝pmax,m，如果且m＜nt執行步驟(b)，否則執行步驟(c)；(b)m＝m+1,pm＝pmax,m，如果且m＜nt重復執行步驟(b)，否則執行步驟(c)；(c)(d)各個天線的功率分配為p＝[pmax,1,...pmax,m-1,pm,0,...,0]t；(e)根據步驟(d)得到的功率，計算能量效率ηee。步驟5根據步驟4得到的多種調制方式下的功率分配和能量效率，系統選出能量效率最大的那一組。其所對應的調制方式即為系統采用的調制方式，所對應的功率分配為系統采用的功率分配。為了說明本發明算法的技術進步性，通過matlab平臺模擬仿真，來獲得本發明在不同最大發送功率限制和不同目標誤比特率條件下的頻譜效率和能量效率，如圖3和圖4所示。仿真中為便于分析，設置每個遠程天線的最大發送功率都等于一個特定值pmax。附圖3中給出了分布式天線系統在不同pmax和不同目標誤比特率ber0下的頻譜效率值。仿真結果表明本發明所提出的方法能夠有效地根據系統當前的條件自適應地調整信號的調制方式。可以看到隨著pmax的增大，系統會采用更高階的調制方式，從而使系統的頻譜效率增大。在當前目標誤比特率變小時，系統頻譜效率也隨之變小。這是因為目標誤比特率越低，對系統誤比特率性能要求越高，系統會采用較低階的調制方式來降低誤比特率。附圖4中給出了分布式天線系統在不同pmax和不同目標誤比特率下的能量效率值。仿真結果表明本發明所提出的方法能夠有效地根據系統當前的條件自適應地調整天線功率和調制方式。可以看到隨著pmax的增大，系統會采用更高階的調制方式，所能采用的功率分配組合也更加的優化，從而使系統的能量效率增大。在當前目標誤比特率變小時，系統能量效率也隨之變小。這是因為目標誤比特率越低，對系統誤比特率性能要求越高，系統會采用較低階的調制方式和較保守的功率分配組合來降低誤比特率。綜上所述，本發明提出的方法能有效地獲得使能量效率達到最大的最優調制方式和功率分配，同時方法實現的步驟簡單，沒有復雜的函數計算，只有基本的加減乘除運算，算法效率能夠得到保證。這充分說明了本發明提出的一種基于功率分配的分布式天線系統中高能效自適應調制方法的有效性。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發明的保護范圍。當前第1頁12