CN102271363B - 移动卫星通信系统中自适应调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动卫星通信系统中自适应调制方法，本发明通过总结大量实验数据，从概率角度出发，利用接收平均信噪比来确定每种调制方式被选择的边界阈值，并给出了一个经验总结参数表格，根据对应关系可得出相应情况下需要采用的调制方式。本发明这种卫星通信信道的自适应调制算法提高了频谱的利用率及误码率性能。

Description

移动卫星通信系统中自适应调制方法

技术领域

本发明涉及一种自适应调制方法，特别是涉及一种移动卫星通信系统中自适应调制方法。

背景技术

卫星信道是一种具有多径效应、多普勒效应和阴影效应的信道，恶劣情况下将严重影响信号传输的可靠性。要求移动卫星通信的双方采用可靠性高的信号调制方式，并具备较强的信号纠错能力。考虑到卫星接收机移动工作的需求，由于以上不利因素，如果采用一般的固定调制方式，将对性能产生较大影响。因此，有必要根据信道的实际情况，采用自适应调制方式来适应各种衰落分布情况。

国内外现有研究常用的卫星信道模型主要有：C.Loo模型、Corazza模型、Lutz模型、Nakagami模型等，前三个模型比较常用，已经有了大量研究，反映实际信道情况的效果也比较好。缺点在于仿真过程相对复杂。而相比于其他信道模型，由于Nakagami分布只需要三个参数，且在绝大部分情况下能够给出更好的性能，如在开阔地区Nakagami模型(只需要三个参数)能达到和Lutz模型(需要六个参数)一样好的性能，并使仿真研究更容易实现。并且，Nakagami分布是比Rayleigh、Rice以及对数正态分布都更加符合实际的衰落信道模型，而上述几种模型主要是基于这三种分布的组合得出的。因此，本发明研究的基于Nakagami信道模型下的自适应调制系统，能够接近真实的移动卫星信道条件。

传统的自适应调制方式主要是根据信道状况来决定需要采用的调制方式，虽然能够比较即时地反映信道的实时状态，但由于信道的时变性以及时延，上一时刻反馈回来的信道状况并不能完全准确地适用于下一时刻调制方式的选择，这样将影响系统整体性能的稳定性且实现较为复杂。

发明内容

为避免以上现有技术的不足，本发明提出了移动卫星通信系统中自适应调制方法，以提供一种更适合于移动卫星通信系统的自适应调制算法来提高频谱利用率及误码率性能。

本发明的技术方案如下：

移动卫星通信系统中自适应调制方法，该方法包括如下步骤：

1)确定本方法采用的移动卫星通信系统的信道模型，即该卫星信道下接收信号的幅度服从公式(1)的分布，

用R表示接收到的衰落信号幅度，其概率密度函数为

$P_R\left(r\right)=\frac{2}{\mathrm{\Γ}\left(m\right)}{\left(\frac{m}{\mathrm{\Ω}}\right)}^m{r}^{2m-1}{e}^{-{\mathrm{mr}}^2/\mathrm{\Ω}}---\left(1\right)$

其中，Ω＝E(R²)，E(·)表示数学期望；m为衰落指数，

用γ表示接收信噪比SNR，则γ服从的概率密度函数PDF可由下式给出

$p_{\mathrm{\γ}}\left(\mathrm{\γ}\right)={\left(\frac{m}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}\right)}^m\frac{{\mathrm{\γ}}^{m+1}}{\mathrm{\Γ}\left(m\right)}\exp (-m\frac{\mathrm{\γ}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}),$ γ≥0         (2)

其中，Γ(m)是Gamma函数，Γ(m)＝(m-1)！

2)设置自适应调制所选择的调制模式数量，并分别给出各种模式下相应的参数值；

3)求得每种模式的被选择概率，其中每种模式n的概率按如下公式计算：

$P_r\left(n\right)=\underset{{\mathrm{\γ}}_n}{\overset{{\mathrm{\γ}}_{n+1}}{\∫}}{p}_{\mathrm{\γ}}\left(\mathrm{\γ}\right)\mathrm{d\γ}$

$=\frac{\mathrm{\Γ}(m,\frac{{\mathrm{m\γ}}_n}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}})-\mathrm{\Γ}(m,\frac{{\mathrm{m\γ}}_{n+1}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}})}{\mathrm{\Γ}\left(m\right)}---\left(3\right)$

其中，

是对不完整Gamma函数的一个补充；

4)计算每种调制模式下接收信噪比的边界值，从而确定每种调制模式被选择时，其相应接收信噪比需要落入的阈值范围；

每种调制模式下接收信噪比边界值如下：

γ₀＝0，

γ_n＝(M_nK_n)/b_n，n＝1，2，...，N                    (4)

γ_N+1＝∞

其中K_n＝-ln(BER₀/a_n)，BER₀为所需的目标误比特率；

当接收信噪比落入γ∈[γ_n，γ_n+1]范围时，选择调制模式n。

本发明的优点为：

与传统调制方式准则，如利用瞬时信道状态信息反馈来选择自适应调制方式相比，本发明采用的自适应调制系统整体而言有着更低的误比特率，同时，由于采用的是整个系统的平均信噪比，因此更能从整体上体现性能优势。

附图说明

图1：本发明调制方法流程图；

图2：本发明调制方法仿真结果图。

具体实施方式

目前调制方式转换准则大体分两类，构建代价函数使系统的传输效率和可靠性达到平衡，或者在维持一定传输可靠性的前提下优化传输效率等。本发明采用第二种准则，即在维持系统目标误比特率情况下，使系统的频谱利用率得到优化。对一般的自适应调制方法进行了改进，并应用到了移动卫星通信系统中。

自适应调制实现过程的基本步骤是建立信噪比(SNR，Signal to Noise Ratio)与调制编码方案(MCS，Modulation and Coding Scheme)的映射关系。门限值的选择也有固定门限和门限调制两种，为了研究方便本发明选用固定门限的情况。通常选择目标误码率为10^-3，此时对应的SNR作为门限值。由于门限值固定，因此影响自适应系统性能的主要因素是SNR的计算方法和调制方式选择的准则。

本发明从整体出发，通过总结大量实验数据，从概率角度出发，利用接收平均信噪比来确定每种调制方式被选择的边界阈值，并给出了一个经验总结参数表格，根据对应关系可得出相应情况下需要采用的调制方式。

下面结合图1本发明调制方法的程序流程图，说明本发明调制方法的具体步骤。

步骤(1)：确定本方法采用的移动卫星通信系统的信道模型。公式(1)给出了经过该卫星信道后的接收信号的幅度所服从的分布，即在这种卫星信道下接收信号服从的概率分布。从而推出相应的接收信噪比公式(2)。

如采用比较适合的Nakagami分布作为卫星信道模型，用R表示接收到的衰落信号幅度，其概率密度函数为

$P_R\left(r\right)=\frac{2}{\mathrm{\Γ}\left(m\right)}{\left(\frac{m}{\mathrm{\Ω}}\right)}^m{r}^{2m-1}{e}^{-{\mathrm{mr}}^2/\mathrm{\Ω}}---\left(1\right)$

其中，Ω＝E(R²)，E(·)表示数学期望；m为衰落指数，

用γ表示接收信噪比SNR，则γ服从的概率密度函数PDF可由下式给出

$p_{\mathrm{\γ}}\left(\mathrm{\γ}\right)={\left(\frac{m}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}\right)}^m\frac{{\mathrm{\γ}}^{m+1}}{\mathrm{\Γ}\left(m\right)}\exp (-m\frac{\mathrm{\γ}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}),$ γ≥0                 (2)

其中，Γ(m)是Gamma函数，Γ(m)＝(m-1)！。

步骤(2)：设置自适应调制的选择模式数。下面以目标误比特率为10^-3时举例，a_n和b_n的参数取值如表1所示，其中，n代表选择的模式，各个模式的参数a_n，b_n和γ_pn依赖于各个调制模式n∈{1，2，3，4}，且M_n＝2ⁿ⁺¹，代表M_n-QAM星座。

表1目标信噪比为10^-3时，a_n和b_n的参数取值

n	Mn	an	bn	γpn[dB]
					1	4	896.0704	10.7367	7.1
2	8	404.4353	6.8043	11.8
					3	16	996.5492	8.7345	14.0
4	64	443.1272	8.2282	17.0

当目标误比特率为其他时，相应的信噪比阈值会有所变化，依据的也是公式(4)，此处不再给出具体参数取值。

步骤(3)：求得每个模式的被选择概率。选择每个模式n的概率可按如下公式计算：

$P_r\left(n\right)=\underset{{\mathrm{\γ}}_n}{\overset{{\mathrm{\γ}}_{n+1}}{\∫}}{p}_{\mathrm{\γ}}\left(\mathrm{\γ}\right)\mathrm{d\γ}$

$=\frac{\mathrm{\Γ}(m,\frac{{\mathrm{m\γ}}_n}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}})-\mathrm{\Γ}(m,\frac{{\mathrm{m\γ}}_{n+1}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}})}{\mathrm{\Γ}\left(m\right)}---\left(3\right)$

其中，

是对不完整Gamma函数的一个补充。

步骤(4)：计算每种调制模式下接收信噪比的边界值，从而确定每种调制模式被选择时，其相应接收信噪比需要落入的阈值范围。。

每种调制模式下接收信噪比边界值如下：

γ₀＝0，

γ_n＝(M_nK_n)/b_n，n＝1，2，...，N                 (4)

γ_N+1＝∞

其中K_n＝-ln(BER₀/a_n)。BER₀为所需的目标误比特率。

当接收信噪比落入γ∈[γ_n，γ_n+1]范围时，选择调制模式n。

本发明采用的自适应调制方法将整体的SNR范围分成N+1段，利用一定的目标误比特率得到相应的信噪比阈值，边界点为

当γ∈[γ_n，γ_n+1]时，选择的调制模式为n。

当选择了相应调制模式后，需要计算每种调制模式下得到的系统性能。本方法利用系统的误比特率以及频谱利用率来体现。每种模式下的误比特率的计算公式如下：

${\mathrm{BER}}_n\left(\mathrm{\&gamma;}\right)\&ap;\left\{\begin{array}{c}\mathrm{1,0}<\mathrm{\&gamma;}<{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{pn}}\\ a_n\exp \left(\frac{{-b}_n\mathrm{\&gamma;}}{M_n}\right),\mathrm{\&gamma;}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{pn}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

调制模式都循环结束后，需要再计算系统整体的平均误比特率，从而才能体现出系统采用自适应调制后整体的平均性能较好。

令

代表模式n的平均误比特率，则可以得到

$\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{BER}}_n}=\frac{1}{P_r\left(n\right)}\underset{{\mathrm{\&gamma;}}_n}{\overset{{\mathrm{\&gamma;}}_{n+1}}{\&Integral;}}{\mathrm{BER}}_n\left(\mathrm{\&gamma;}\right)p_{\mathrm{\&gamma;}}\left(\mathrm{\&gamma;}\right)\mathrm{d\&gamma;}---\left(6\right)$

根据数值分析及推导，可得到每种调制模式的平均BER性能计算如下：

$\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{BER}}_n}=\frac{1}{P_r\left(n\right)}\underset{{\mathrm{\&gamma;}}_n}{\overset{{\mathrm{\&gamma;}}_{n+1}}{\&Integral;}}{\mathrm{BER}}_n\left(\mathrm{\&gamma;}\right)p_{\mathrm{\&gamma;}}\left(\mathrm{\&gamma;}\right)\mathrm{d\&gamma;}$

$=\frac{1}{P_r\left(n\right)}\underset{{\mathrm{\&gamma;}}_n}{\overset{{\mathrm{\&gamma;}}_{n+1}}{\&Integral;}}{a}_n\exp \left(\frac{{-b}_n\mathrm{\&gamma;}}{M_n}\right)p_{\mathrm{\&gamma;}}\left(\mathrm{\&gamma;}\right)\mathrm{d\&gamma;}---\left(7\right)$

$=\frac{1}{P_r\left(n\right)}\frac{a_n}{\mathrm{\&Gamma;}\left(m\right)}{\left(\frac{m}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}\right)}^m\&times;\frac{\mathrm{\&Gamma;}(m,g_n{\mathrm{\&gamma;}}_n)-\mathrm{\&Gamma;}\left({m,g}_n{\mathrm{\&gamma;}}_{n+1}\right)}{{\left(g_n\right)}^m}$

其中，引入

使得计算公式的表示较为简洁。则整个自适应系统的平均误比特率求解如下：

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{BER}}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_b{P}_r\left(n\right)\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{BER}}_n}}{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_n{P}_r\left(n\right)}---\left(8\right)$

而另一个性能指标频谱利用率计算公式如下：

$\stackrel{\&OverBar;}{S}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_n{P}_r\left(n\right)---\left(9\right)$

其中

可表示传输中断率，R_n＝R_c·log₂(M_n)，R_c为编码率，当不考虑编码时，可令R_c＝1。

如图2所示给出了信道服从莱斯分布的情况下，采用自适应调制编码(AMC，Adaptive Modulation and Coding)和采用固定调制方式的移动卫星通信系统性能结果。对比结果可以发现，本发明提出的应用于移动卫星通信的自适应调制方式，在满足目标误比特率的方面，比采用固定调制方式的系统有着更好的频谱利用率。且与传统调制方式准则，如利用瞬时信道状态信息反馈来选择自适应调制方式相比，本发明采用的自适应调制系统整体而言有着更低的误比特率，同时，由于采用的是整个系统的平均信噪比，因此更能从整体上体现性能优势。

Claims (1)

1.移动卫星通信系统中自适应调制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

1）确定本方法采用的移动卫星通信系统的信道模型，即该移动卫星信道下接收信号的幅度服从公式（1）的分布，

用R表示接收到的衰落信号幅度，其概率密度函数为

$P_R\left(r\right)=\frac{2}{\mathrm{\&Gamma;}\left(m\right)}{\left(\frac{m}{\mathrm{\&Omega;}}\right)}^m{r}^{2m-1}{e}^{{-\mathrm{mr}}^2/\mathrm{\&Omega;}}---\left(1\right)$

其中，Ω=E(R²),E(·)表示数学期望；m为衰落指数，

用γ表示接收信噪比SNR，则γ服从的概率密度函数PDF可由下式给出

$p_{\mathrm{\&gamma;}}\left(\mathrm{\&gamma;}\right)={\left(\frac{m}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}\right)}^m\frac{{\mathrm{\&gamma;}}^{m+1}}{\mathrm{\&Gamma;}\left(m\right)}\exp (-m\frac{\mathrm{\&gamma;}}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}),\mathrm{\&gamma;}\&GreaterEqual;0---\left(2\right)$

其中，Γ(m)是Gamma函数，Γ(m)=(m-1)!

2）设置自适应调制所选择的调制模式数量，并分别给出各种模式下相应的参数值；

3）求得每种模式的被选择概率，其中每种模式n的概率按如下公式计算：

$P_r\left(n\right)=\underset{{\mathrm{\&gamma;}}_n}{\overset{{\mathrm{\&gamma;}}_{n+1}}{\&Integral;}}{p}_{\mathrm{\&gamma;}}\left(\mathrm{\&gamma;}\right)\mathrm{d\&gamma;}$

$=\frac{\mathrm{\&Gamma;}(m,\frac{{\mathrm{m\&gamma;}}_n}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}})-\mathrm{\&Gamma;}(m,\frac{{\mathrm{m\&gamma;}}_{n+1}}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}})}{\mathrm{\&Gamma;}\left(m\right)}---\left(3\right)$

其中，

是对不完整Gamma函数的一个补充；

4）计算每种调制模式下接收信噪比的边界值，从而确定每种调制模式被选择时，其相应接收信噪比需要落入的阈值范围；

每种调制模式下接收信噪比边界值如下：

γ₀=0,

γ_n=(M_nK_n)/b_n,n=1,2,...,N            (4)

γ_N+1=∞

其中K_n=-ln(BER₀/a_n)，BER₀为所需的目标误比特率，n代表选择的模式，各个模式的参数a_n，b_n和γ_pn依赖于各个调制模式n∈{1,2,3,4}，且M_n=2ⁿ⁺¹，代表M_n-QAM星座；

当接收信噪比落入γ∈[γ_n,γ_n+1]范围时，选择调制模式n。

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