一種基于不完全估計信息的分布式天線系統跨層設計方法

一種基于不完全估計信息的分布式天線系統跨層設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于不完全估計信息的分布式天線系統跨層設計方法。在服務質量即目標誤包率的約束條件下，聯合物理層自適應調制與數據鏈路層自動重傳請求協議，給出分布式天線系統中基于不完全信道估計信息時的跨層設計方案，該方案可實現高的頻譜效率(SE)，而且考慮實際中路經損耗和瑞利衰落以及不完全反饋信息，有著好的實用性。基于此，利用數值分析和計算，給出系統在復合瑞利衰落信道下平均誤包率(PER)和平均SE的計算方法，可實現對有著不完全估計信息時分布式天線系統進行性能有效評估，系統的PER和SE性能將隨著估計誤差或者路徑損耗的增大而逐漸變差。而且所給方法也可用于完全信道信息下系統PER和SE性能有效評估。
【專利說明】
-種基于不完全估計信息的分布式天線系統跨層設計方法
技術領域
[0001 ]本發明屬于移動通信領域，設及移動通信的跨層設計方法，特別是設及一種基于 不完全估計信息的分布式天線系統跨層設計方法。
【背景技術】
[0002] 分布式天線系統(DAS)是當前公共無線接入網絡的一種新結構，它可W看作是多 輸入多輸出系統的擴展，包含裝設多個無線的無線鏈路一端和多個地理上分開的接入點， 運些接入點是鏈路的另一端，每個接入點也都裝有天線。由于系統在空間上分開多個天線， 分布式天線系統可W得到宏觀的分集增益，從而提高信號傳輸質量，提升系統容量，增強覆 蓋范圍。在分布式天線系統中，小尺度衰落變化較快，發送端得到的估計信道狀態信息 (CSI)將存在誤差，因此考慮不完全CSI更符合實際情況。
[0003] 傳統的分層網絡協議對有線網絡是非常成功的，但是在無線通信環境中，接入沖 突、用戶間干擾、信號衰落情況遠遠比有線網絡嚴重，因此在運種情況下提出了跨層設計方 法。跨層設計方法突破了傳統有線網絡開放式系統互聯(0SI)設計，將原來被割裂的網絡各 層作為統一的整體進行設計和優化。協議找的各層之間協調工作和交互，從而能夠根據無 線環境的變化來實現對資源的自適應優化配置。在眾多跨層設計方案中，一般只考慮物理 層和數據鏈路層運兩層的跨層設計，并將此作為無線跨層設計的基本組成部分。為了提高 無線通信系統的頻譜效率，在物理層提出自適應調制(AM)技術，使信息傳輸速率與時變的 信道相匹配。然而要在物理層達到高的可靠性，就要降低調制速率。一種提高系統傳輸可靠 性的辦法就是引入鏈路層的自動重傳請求(ARQ)機制，接收端在接收數據包出錯的時候，請 求發送端重發，但重傳次數增多將會降低系統頻譜效率。為了解決信息傳輸速率和可靠性 之間的矛盾，將聯合物理層的AM和鏈路層的ARQ進行跨層設計，有效提高頻譜資源及功率資 源利用率。考慮到在實際應用中，由于接收端的信道估計誤差，很難得到完全準確的信道信 息。因此，引入不完全信道，研究分布式天線系統中基于不完全估計信息的跨層設計方法， 對于更實際地分析系統性能是非常必要的。
[0004] 現有的文獻對基于不完全估計信息的跨層設計方法進行了研究。文獻UQingwen Liu，Shengli Zhou，G.B.Giannakis，et al.Combining Adaptive Modulation and Coding with Truncated ARQ Enhances Throughput[C].Proceedings of 4th Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications，2003:110-114.))]尋物理層 的自適應調制技術與鏈路層的自動重發請求協議結合，提出了物理層和鏈路層的聯合優化 機制D文南犬2(Ghassane Aniba，SoniaAissa.Cross-Layer Designed Adaptive Modulation Algorithm with Packet Combining and Truncated A民Q over ΜΙΜΟ Nakagami Fading Channels.IEEE Transaction on Wireless Communications,2011,10(4)：1026-1031. 出在Nakagami衰藩信道中ΜΙΜΟ系統的跨層設計，且分析了信道衰藩相關系數對系統平均 頻譜效率的影響，但沒有考慮信道估計誤差對性能的影響。文獻3(Xiangbin Yu，Yan Liu， Yun 民ui，et al. Cross-layer Design for ΜΙΜΟ Systems with Transmit Antenna Selection and Imperfect CSI[J].Frequenz，2013,67(5):169-175.)研究了ΜΙΜΟ系統基 于不完全CSI的跨層設計方案，給出了該系統平均誤包率(PER)和平均系統頻譜效率(SE)的 閉式表達式。然而，上述研究均是針對集中式SIS0/MIM0系統進行設計，而對DAS進行跨層設 計卻很少，尤其是考慮不完全CSI的跨層設計方案還沒有。
[0005] 因此目前還沒有成熟的技術能夠解決基于不完全估計信息的分布式天線系統跨 層設計問題。

【發明內容】

[0006] 發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明針對分布式天線系統，聯合物 理層自適應調制和數據鏈路層的自動重傳請求，提出一種基于不完全估計信息的跨層設計 方案，并設計系統性能評估方案，即利用性能分析和數值計算，給出評價系統性能指標即平 均P邸和總體平均SE的有效計算方法。
[0007] 技術方案:為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為：
[0008] -種基于不完全估計信息的分布式天線系統跨層設計方法，包括如下步驟：
[0009] 步驟1:針對單小區分布式天線系統，有著Nt根遠程天線，運些天線分布式放置在 小區的不同地理位置上，每根天線通過同軸電纜或光纖分別與小區的中央處理器相連。基 于該系統模型，考慮分布式天線系統實際衰落特性，建立復合衰落信道模型。考慮到分布式 天線系統中小尺度衰落變化較快，發送端得到的估計信道狀態信息(CSI)將存在誤差。為此 建立不完全估計模型，根據反饋的不完全CSI，得到第i根遠程天線和移動終端之間的估計 信噪比為義。
[0010] 步驟2:發射端采用天線選擇技術，選取估計信噪比盧,最大的那根遠程天線來發送 信號。確立遠程發送天線后，可W得到移動終端的接收信號W及最大估計信噪比盧的累積分 布函數（CDF)巧(巧。
[0011] 步驟3:物理層采用自適應調制(AM)技術。通過設定物理層目標陽R為PERobj，把瞬 時信噪比劃分為若干個區間，當瞬時信噪比介于第η個區間時，系統將選擇具有星座尺寸為 Μη的調制方式。然后采用步驟2選擇的天線進行傳輸，得到完整的自適應調制方案。
[0012] 步驟4:數據鏈路層采用停等式ARQ(T-ARQ)技術，限定最大重傳次數為ΛΓ'。由于 系統服務質量(QoS)的限定，設定鏈路層目標丟包率化R為PiDss，當達到最大重傳次數時仍 沒有正確接收，則將包丟棄。聯合步驟3中的物理層進行跨層設計，得到物理層目標PER為 PER"y = 71、/'""4^采用瞬時?61?約束，令加性高斯噪聲信道下精確1-941調制方式的口61? (用per。?表示)等于PERow，可W得到對應的第η種調制方式的固定準確切換口限。由于 運種口限計算方法比較復雜，為此運里對原pm?公式進行擬合，得到近似的pm?公式，進而得 到相應的近似切換口限值。
[0013] 步驟5:在步驟3物理層自適應調制方案、步驟4鏈路層ARQ設計方案W及口限求解 的基礎上，給出系統性能評估方案，即通過理論分析和數值計算，給出系統平均pm?和總體 平均SE的計算方法。系統平均pm?可通過計算平均誤包數與總的傳輸包數的比值得到。系統 總體平均SE為總體平均有效傳輸速率，可通過物理層頻譜效率和平均重傳次數獲得。
[0014] 有益效果:本發明提供的一種基于不完全估計信息的分布式天線系統跨層設計方 法:本發明所設及的分布式天線系統跨層設計方法，根據反饋的發射端不完全CSI，聯合物 理層自適應調制(AM)和數據鏈路層的自動重傳請求(ARQ)進行跨層優化設計。本發明還提 供了性能評估方法，即給出系統性能指標平均P邸和總體平均SE的有效計算方法。當信道估 計完全時，該計算方法也可用于完全信道信息情況下系統性能評估。
【附圖說明】
[0015] 圖1為基于不完全估計信息的分布式天線系統跨層設計原理結構圖
[0016] 圖2為結合自適應調制和自動重傳請求的跨層設計分布式天線系統模型
[0017] 圖3為不同估計誤差情況下分布式天線系統的平均誤包率PER
[0018] 圖4為不同估計誤差情況下分布式天線系統總體平均頻譜效率SE [0019]表1擬合陽R公式的調制方式參數
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步的說明。
[0021 ] 1)建立分布式天線系統模型和信道模型：
[0022] 附圖1為基于不完全估計信息的分布式天線系統跨層設計原理結構圖。將小區單 元建模為一個半徑為R的圓形區域，小區內有Nt根遠程天線(RA)分別分散在小區的不同位 置，記為RAi(i = l，2,......，Nt)，通過特定傳輸通道(比如光針)連接到一個中央處理單元。 移動終端裝備有Nr根接收天線。選取第i根遠程天線RAi用來發射信號。小尺度衰落服從瑞利 分布，大尺度衰落包括路徑損耗和陰影衰落，其中陰影衰落服從對數正態分布。結合自適應 調制和自動重傳請求技術的跨層系統模型和相應的信道模型見圖2。
[0023] 根據W上分析，可W得到最大合并比之后的輸出信噪比為丫 1。考慮到分布式天線 系統中小尺度衰落變化較快，發送端得到的估計信道狀態信息(CSI)將很難完全獲得。為此 建立不完全估計模型，根據最大比合并接收原則，得到第i根遠程天線和移動終端之間的估 計信噪比為戶。
[0024] 2)分布式天線系統天線選擇：
[00巧]發射端采用天線選擇技術，選取估計信噪比最大的那根遠程天線來發送信號。 天線選擇的準則為?^ = max^，...乂,；(，最大估計信噪比盧的CDF為：

[0028] 3)分布式天線系統中物理層自適應調制W及相應切換口限設計：
[0029] 附圖2為基于跨層設計的分布式天線系統模型，其中包含物理層自適應調制設計 部分。通過設定目標PER為PERobj，把瞬時信噪比丫劃分為N+1個區間，即[丫 n，丫 n+i)，n = 1，. . .，N，其中丫0 = 0, 丫n+i = °°，N為系統調制方式的總數目。離散M-QAM星座尺寸為Μη,當瞬 時信嗓比介于[丫η · 丫n+l)區間時，系統將選擇第η種調制方式，相應的數據傳輸速率bn = log2lnbit/s,b0 = 00
[0030] 加性高斯噪聲(AWGN)信道下，精確Mn-QAM調制方式的陽R公式可W表示為：
[0031]
(2)
[003^ 其中
為互補誤差函數，{?".,，0。.,，巧的)}是與具 體調制方式η有關的參數，Np為每個數據包所包含的比特數。采用瞬時pm?約束，將設定 為陽RdW，可W得到相應的第η個調制方式的口限f部；.（')為，的反 函數。由于erfc( ·)的反函數沒有辦法直接求取，可W根據擬合法，給出原pm?公式的擬合 表達式，即：
[0033]
(3)
[0034] 其中參數{an，gn，丫 pn}是與第η種調制方式有關的系數，具體參數見表UPERdW需 小于1，丫pn為滿足此條件的最小值。通過令(3)式的等于peRdw，可W得到系統近似切 換口限值：
[0035] 丫 n'a郵= -In(P邸。bj/an)/gn (4)
[0036] 4)分布式天線系統中鏈路層的ARQ技術方案：
[0037] 附圖2為基于跨層設計的分布式天線系統模型，包含數據鏈路層的設計部分。在數 據鏈路層，采用選擇重傳 ARQ協議進行重傳，當接收端檢測到錯誤包時，通過反饋信道發送 重傳請求。本發明中采用停等式ARQ(T-ARQ)，即發送端發送數據包至接收端，并不急于發 送下一個數據包，而是等待接收方反饋報告，若狀態顯示數據包發送成功，則接下來發送下 一個數據包，否則重新發送該數據包。由于實際情況中，系統能夠容忍的延時是有限的，因 此必須限制信息數據包的最大傳輸次數（ΛΤ")。如果信息數據包在wr次傳輸之后仍然不 能正確譯碼，則丟棄此信息數據包并且記錄丟包率。另一方面，在數據鏈路層預先設置系統 容許的丟包率即目標PLR(Pidss)，則對應的物理層的目標誤包率為。聯合3) 和4)，設計自適應調制和混合自動重傳方案，能同時滿足數據鏈路層的丟包率和最大重傳 次數要求。
[0038] 5)本發明基于不完全估計信息的分布式天線系統跨層設計性能評估方法，即系統 平均P邸和總體平均SE的計算方法。
[0039] 5.1)跨層設計方法中物理層平均頻譜效率(SE):
[0040] 物理層平均SE定義為N個信噪比區間數據傳輸速率與相應區間選中概率的乘積之 和，可求得物理層平均SE為：
[0041 ]
(5)
[00創其中，Rn=l0g2(Mn)，Rn為信息速率。
[0043] 5.2)跨層設計方法中的系統平均PER
[0044] 在物理層，采用自適應調制之后系統的平均P邸可表示為：
[0045]
(6)
[0046] 其中瓦瓦表示第η種調制方式的平均PER,它可W采用下面的公式推導得出：
[0化3]當估計誤差σ/等于零時，（6)式也可用于完全估計情況下分布式天線系統平均誤 包率的計算。
[0化4] 5.3)跨層設計方法中的系統平均SE
[0化引根據系統的平均PER,每個包的平均傳輸次數夫
當 #Γ=0時，對應只采用AM的情況。不考慮重傳，即只采用自適應調制，物理層的平均SE即系 統的平均SE。而ΛΤ非零時，考慮ARQ，系統的總頻譜效率為：
[0化6]
(8)
[0化7]當不存在估計誤差，即=0時，（8)式也可用于計算完全估計情況下分布式天線 系統總體平均頻譜效率。
[0058]利用ΜΑ化ΑΒ仿真平臺對本發明提出的基于不完全估計信息的分布式天線系統跨 層設計方法進行驗證，實驗結果充分證明了本發明的有效性，也體現了本發明的優點。 [0059] AM 技術方法中采用了 8?51(、9?51(、8941、16941、32941、64941、128941屯種調制方 式。附圖3和附圖4分別給出了不同估計誤差σ,2情況下分布式天線系統的平均誤包率PER和 總體平均頻譜效率SE。由圖可知，隨著的增加，理論和仿真之間有著微小的誤差，運主要 由于理論公式中利用貝塞爾函數的近似公式進行數值計算時受到計算機內存限制，會出現 不完全吻合的情況，但是理論曲線基本上是和仿真曲線一樣的，證明所給的計算公式是有 效的。由附圖3可知系統PER性能隨著估計誤差增大而變大，有時可能會超過目標PER值，因 此有效地控制估計誤差是非常必要的。由附圖4可知在低信噪比情況下，不同系統SE的 影響較小。在高信噪比情況下，當等于0.01時，SE幾乎與無誤差時的曲線完全重合，而 等于0.05與0.1時，系統性能將明顯變差，再次表明減少誤差對性能有明顯提升，故實際中 有必要控制估計精度。綜上所述，本發明提出的系統平均pm?和平均SE計算方法能夠有效評 估分布式天線系統中跨層設計性能，充分證明了本發明提出的基于不完全估計信息的分布 式天線系統跨層設計方法的有效性。
[0060] W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W做出若干改進和潤飾，運些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于不完全估計信息的分布式天線系統跨層設計方法，其特征在于 步驟1:給出單小區分布式天線系統模型，建立包含路徑損失和瑞利衰落的復合衰落信 道模型;考慮到分布式天線系統中小尺度衰落變化較快，發送端得到的估計信道狀態信息 (CSI)將存在誤差;為此建立不完全估計模型，根據反饋的不完全CSI，進行聯合物理層自適 應調制(AM)和數據鏈路層的自動重傳請求(ARQ)跨層優化設計； 步驟2:根據步驟1反饋的CSI，物理層發射端進行天線選擇，確立最好的遠程發送天線， 即選取有效信噪比最大的遠程天線來發送信號，實現性能提高； 步驟3:根據步驟1反饋的CSI，物理層發射端通過自適應切換門限選取相應的調制方式 進行信號調制，給出自適應調制設計方案，然后通過步驟2選擇的天線進行傳輸； 步驟4:鏈路層ARQ生成器根據步驟1得到的CSI，在保證系統服務質量的情況下決定最 大重傳次數和鏈路層目標丟包率，從而獲得目標誤包率(PER)，并聯合步驟4中的物理層AM 方案給出分布式天線系統跨層設計方法； 步驟5:在步驟3物理層自適應調制方案、步驟4鏈路層ARQ設計方案以及門限求解的基 礎上，設計系統性能評估方案，即通數值分析和計算，給出系統平均PER和總體平均SE的計 算方法。2. 根據權利要求1所述的一種基于不完全估計信息的分布式天線系統跨層設計方法， 其特征在于所述步驟(5)包括： (2a)系統平均PER為平均不正確接收的數據包數與平均總的發送數據包數的比值，可 由下式計算獲得，即：其中，Rn=l〇g2(Mn)，M n是離散調制方式M- QAM星座尺寸大小;充元表示采用第η種調制方式的平均PER;^^,,.是物理層的平均SE，為N個 信噪比區間內數據傳輸速率與相應區間選中概率的乘積之和； (2b)根據(2a)中獲得的系統平均PER，以及給定的最大重傳次數ΛΓ'，可以計算出每個 包的平均傳輸次數為，再由物理層的頻譜效率，可獲得系統的總 體平均SE計算方法，即：遠辦/犮。
【文檔編號】H04L1/00GK106059642SQ201610343246
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月19日
【發明人】虞湘賓, 邱賽男, 王郝, 黎寧, 儲君雅, 文犇犇
【申請人】南京航空航天大學