CN105187108A - 一种基于链路自适应的分布式天线系统跨层设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于链路自适应的分布式天线系统(DAS)跨层设计方法。在服务质量要求(目标误包率)约束条件下，得到固定切换门限值。基于此，设计了DAS中一种联合物理层的自适应调制和数据链路层的自动重传请求机制的跨层优化方案。为了简化门限求解的复杂度，提出两种简化计算方法获得改进门限和近似门限。在此基础上，利用数值分析和计算，给出系统平均误包率和总体平均频谱效率的有效计算方法。所提跨层设计方案可满足服务质量要求同时，获得系统频谱效率极大地提高，而且所给频谱效率和误包率计算方法可实现系统性能有效评估。

Description

一种基于链路自适应的分布式天线系统跨层设计方法

技术领域

本发明属于移动通信领域，涉及移动通信的跨层设计方法，特别是涉及一种基于链路自适应的分布式天线系统跨层设计方法。

背景技术

分布式天线系统(PAS)是当前公共无线接入网络的一种新结构，它可以看做多输入多输出(MIMO)系统的扩展，包含装设多个无线的无线链路一端和多个地理上分开的接入点，这些接入点是链路的另一端，每个接入点也都装有天线。由于系统中有在空间上分开的多个天线，分布式天线系统可以得到宏观的分级增益，从而提高信号传输质量，提升系统容量，增强覆盖范围。由于实际的信道是时变的，尤其是无线信道，受各种外界干扰及多径衰落等因素的影响，其接收信号会产生大幅度的变化。自适应技术可以使得传输方案的效率与实际信道状态保持动态匹配，从而保证在信道状况差时能够自动降低传输效率以提高纠错能力，在信道状态变好时自动提高传输效率。可见，采用链路自适应技术能够保证系统在一定传输质量的前提下，最大限度地利用信道条件，提高频带利用率。

传统的分层网络协议对有线网络是非常成功的，但是，在无线通信环境中，接入冲突、用户间干扰、信号衰落情况远远比有线网络严重，在这种情况下提出跨层设计方法。跨层设计方法突破了传统有线网络开放式系统互联(OSI)设计，可将原来被割裂的网络各层作为统一的整体进行设计和优化。协议栈的各层之间协调工作和交互，从而能够根据无线环境的变化来实现对资源的自适应优化配置。在众多跨层设计方案中，一般只考虑物理层和数据链路层这两层的跨层设计，并将此作为无线跨层设计的基本组成部分。在通常通信系统设计中，为了提高系统的频谱效率，在物理层一般会采用自适应调制(AM)技术，但为了获得可靠性，会降低速率。为此，通过引入链路层的自动重传请求(ARQ)机制，增强可靠性。即接收端在接收数据包出错的时候，请求发送端重发，但重传次数增多将会降低系统频谱效率。为了解决信息传输速率和可靠性之间的矛盾，需要将物理层的AM和链路层的ARQ有效结合，进行联合设计。基于此，设计分布式天线系统中有着链路自适应的跨层优化方法，适应无线信道的变化，在满足服务质量要求的同时获得高频谱资源将是非常有必要的。

现有的文献对基于链路自适应的跨层设计方法进行了研究。文献1(QingwenLiu，ShengliZhou，G.B.Giannakis.Cross-LayercombiningofadaptivemodulationandcodingwithtnmcatedARQoverwirelesslinks[J].IEEETransactionsonWirelessCommunication，2004，3(5)：1746-1755.)中给出了单输入单输出系统衰落信道中联合物理层中的自适应调制技术和数据链路层的自动重传请求技术的跨层设计。文献2(S.A.R.Zaidi，M.Hafeez.CrosslayerdesignfororthogonalspacetimeblockcodedopticalMIMOsystems[C].ProceedingsofIEEEFifthInternationalConferenceonWirelessandOpticalCommunicationsNetworks(WOCN′08)，May2008，1-5.)提出在Nakagami衰落信道中MIMO系统的跨层设计，且分析了信道衰落相关系数对系统平均频谱效率的影响。文献3(Performanceofcross-layerdesignfororthogonalspace-timeblockcodedMIMOsystemswithimperfectCSIinRiceanfadingchannels[J].TelecommunicationSystems，2014，57(4)：287-294.)研究了MIMO系统基于不完全信道状态信息(CSI)的跨层设计方案，给出了该系统平均误包率和平均系统频谱效率的闭式表达式。然而，上述研究均是针对集中式单天线系统或多天线系统进行设计，而对分布式天线系统进行跨层设计却没有。

因此目前还没有成熟的技术能够解决基于链路自适应的分布式天线系统跨层设计问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明针对分布式天线系统，设计一种基于链路自适应的跨层优化方案与自适应门限计算方法，在链路层的丢包率和最大重传次数的约束下，利用所设计的方案和方法可获得系统频谱效率的极大提高。

技术方案：为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于链路自适应的分布式天线系统跨层设计方法，包括如下步骤：

步骤1：给出单小区分布式天线系统模型，针对分布式天线系统特点，建立含有大尺度衰落和小尺度衰落的复合衰落信道模型。接收端基于信道估计和接收信号，获取信道状态信息并计算有效信噪比γ。一方面用于物理层接收端解调和译码，另一方面反馈到物理层发射端和链路层自动重传请求(ARQ)生成器。

步骤2：根据步骤1反馈的信道信息，以及信噪比最大选择准则，物理层选取有效信噪比最大的那根远程天线来发送信号，即确立远程发送天线，可以得到移动终端的接收信号。基于此计算有效信噪比γ的累积分布函数

步骤3：根据步骤1反馈的信道信息，在链路层瞬时丢包率满足服务质量要求条件下，通过最大化平均频谱效率来设计物理层离散率自适应调制方案。通过给出的目标丢包率(即P_loss)，可获得目标误包率(即PER_obj)，并由此得到用于自适应调制的切换门限，当瞬时信噪比γ介于第n个切换门限之间时，系统将选择具有星座图尺寸为M_n的调制方式。然后采用步骤2选择的天线进行传输，实现链路自适应调制。

步骤4：为了提高信道利用率，利用步骤1获得的信道信息，系统链路层采用停等式ARQ，设定合理的最大重传次数当数据包重传次数达到最大重传次数时仍没有被正确接收，则将包丢弃。然后联合步骤3中的物理层进行跨层设计，计算目标误包率(PER)为基于此，利用精确M_n-QAM调制方式的PER公式可计算出系统采用第n个调制方式时较为准确的改进门限。由于这种门限计算方法相对较复杂，为此这里对原PER公式进行拟合，给出一种简单的近似的PER计算方法，进而得到相应的近似门限。

步骤5：在步骤3自适应方案设计和步骤4链路层的ARQ设计以及门限求解的基础上，给出系统性能评估的方法，即系统平均频谱效率(SE)和平均PER的计算方法。系统平均SE定义为总体平均的有效传输速率，平均PER定义为总的误包数与总的传输包数之比。利用数值分析方法，可以得到系统平均SE和平均PER的计算方案，并以此来评估系统性能。

有益效果：本发明提供的一种基于链路自适应的分布式天线系统跨层设计方法：本发明所涉及的跨层设计方法和相应的切换门限计算方法可满足服务质量(目标丢包率或误包率)要求同时，有效提高分布式天线系统的频谱效率，并且发明提供了相应的性能评估方法，即给出了系统跨层设计中总体平均有效传输速率和平均误包率计算法方法。

附图说明

图1分布式天线系统模型

图2为分布式天线系统的跨层设计原理图

图3为分布式天线系统中不同下的系统平均SE

图4为分布式天线系统中不同下系统平均PER

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

1)建立分布式天线系统模型和信道模型：

附图1为单小区分布式天线系统模型，该系统采用N_t根远程天线(RA)，各远程天线分散在小区的不同位置，记为RA_i(i＝1，2，...，N_t)，通过特定传输通道(比如光纤)连接到一个中央处理单元。移动终端装备有N_r根接收天线。选取第i根远程天线RA_i选择用来发射信号。基于此，可得到接收端采用最大合并比之后的输出信噪比其中为小尺度衰落，服从复高斯分布，G_i和S_i为大尺度衰落中的路径损耗和阴影衰落，其中阴影衰落S_i服从对数正态分布，为平均信噪比。

2)分布式天线系统天线选择：

本系统发送端根据反馈的信道信息选择信道条件较好的天线来传输信号，即选择有效信噪比最大的那根RA_i来传输信号，以获得瞬时信噪比最大化。天线选择的准则为考虑到γ_i之间相互独立，可以得到γ_max的累积分布函数

$F_{{\mathrm{\γ}}_{\max }}\left(\mathrm{\γ}\right)=\underset{i=1}{\overset{N_t}{\Π}}{F}_{{\mathrm{\γ}}_i}\left(\mathrm{\γ}\right)=\underset{i=1}{\overset{N_t}{\Π}}\[1-\frac{1}{\mathrm{\Γ}\left(N_r\right)\sqrt{\mathrm{\π}}}\underset{n=1}{\overset{N_G}{\Σ}}{H}_n\mathrm{\Γ}(N_r,\mathrm{\γ}{10}^{-(\sqrt{2}{\mathrm{\σ}}_i{t}_n+u_i)/10})\]---\left(1\right)$

其中，t_n和H_n分别为N_G阶Hermite多项式的基点和权值。

3)分布式天线系统中物理层自适应调制以及相应切换门限设计：

附图2为分布式天线系统的跨层设计原理图，包含物理层自适应调制设计部分。在瞬时PER满足目标PER条件下，通过最大化平均频谱效率来设计离散率AM方案。通过设定目标PER为PER_obj，把瞬时信噪比γ划分为几个区间，[γ_n·γ_n+1)，n＝0，1，...，N，其中γ₀＝0，γ_N+1＝∞，N为系统调制方式的总数目。当瞬时信噪比γ介于[γ_n·γ_n+1)区间时，系统将选择具有星座图尺寸为M_n的调制方式，相应的数据传输速率b_n＝log₂M_nbit/s，b₀＝0。随着信噪比的增大，信道条件得以改善，则可以选取高阶调制方式来提高系统的传输速率。

在加性高斯噪声信道下，精确M-QAM调制方式的PER公式可以表示为

${\mathrm{PER}}_{M_n}=1-{(1-{\mathrm{BER}}_{M_n}(\mathrm{\γ}\left)\right)}^{N_p},---\left(2\right)$

和

式中erfc(·)为互补误差函数，是与具体调制方式n有关的系数，N_p表示一个包的长度。采用瞬时PER约束，将设定为PER_obj，可以得到相应的第n个调制方式的门限 ${\mathrm{PER}}_{n-exact}={\mathrm{PER}}_{M_n}^{-1}\left({\mathrm{PER}}_{obj}\right),$ 为的反函数。显然，直接对准确PER求取反函数非常复杂。考虑到γ_n-exact的计算较为复杂，为此采用式(3)中的第一项来简化门限值计算，得到改进门限。

所得的改进门限与准确门限具有很好的吻合度，但是计算相对有点复杂。为此，一种将给出一种简化的近似门限。通过拟合原有瞬时PER公式，可得到比较紧的近似PER表达式为

${\mathrm{PER}}_{M_n}\≈\left\{\begin{array}{cc}1,& \mathrm{\γ}\≤{\mathrm{\γ}}_{pn}\\ a_n\exp (-g_n\mathrm{\γ}),& \mathrm{\γ}\≥{\mathrm{\γ}}_{pn}\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中参数{a_n，g_n}与调制方式n有关的系数，具体的参数见表1。相对于(2)和(3)而言，(5)式的PER计算较为简单。基于(5)式，可以得到较为简单的近似切换门限值，如(6)式所示：

γ_{n-approximate}＝-ln(PER_obj/a_n)/g_n(6)

4)分布式天线系统中链路层的自动重传请求技术方案：

附图2为分布式天线系统的跨层设计原理图，包含数据链路层的设计部分。在数据链路层，采用选择自动重传请求协议进行重传，当接收端检测到错误包时，通过反馈信道发送重传请求。本发明中采用停等式ARQ，即发送端发送数据报文至接收端，并不急于发送下一个报文，而是等待接收方反馈报告，若状态报告显示报文发送成功，则接着发送下一个报文，否则重新发送该报文。由于实际情况中，系统能够容忍的延时是有限的，因此需设计数据包的最大传输次数如果信息数据包在次传输之后仍然不能正确译码，则丢弃此信息数据包并且记录丢包率。另一方面，根据给定的服务质量要求，在数据链路层设置系统容许的丢包率即目标PLR(P_loss)，则相应的物理层目标误包率为联合3)和4)，可设计一种有着自适应调制和混合自动重传请求的跨层方案，该方案可同时满足数据链路层的丢包率和最大重传次数要求。

5)基于跨层设计的分布式天线系统中性能评估方法，即系统平均SE和平均PER的计算方法：

5.1)系统跨层设计中物理层平均频谱效率(SE)：

物理层平均SE定义为N个区间数据传输速率与相应区间概率的乘积之和，由此可求得物理层平均SE为：

${\stackrel{\‾}{SE}}_{physical}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{b}_n\·{\∫}_{{\mathrm{\γ}}_n}^{{\mathrm{\γ}}_{n+1}}{f}_{{\mathrm{\γ}}_{\max }}\left(\mathrm{\γ}\right)d\mathrm{\γ}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{b}_n\[F_{{\mathrm{\γ}}_{\max }}\left({\mathrm{\γ}}_{n+1}\right)-F_{{\mathrm{\γ}}_{\max }}\left({\mathrm{\γ}}_n\right)\]---\left(7\right)$

根据设计的改进门限和近似门限，可以计算出具体的物理层频谱效率。

5.2)系统跨层设计中系统平均PER

系统平均PER可以由平均误比特数与总传输比特数的比值精确地计算得到。当采用改进门限时：

$\stackrel{\‾}{PER}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{b_n}{{\stackrel{\‾}{SE}}_{physical}}(\[(1-{\mathrm{\ξ}}_n{\left(\mathrm{\γ}\right)}^{N_p}\left)F_{{\mathrm{\γ}}_{\max }}\right(\mathrm{\γ})\]{|}_{{\mathrm{\γ}}_n}^{{\mathrm{\γ}}_{n+1}}+\frac{{\mathrm{\α}}_n{N}_p\sqrt{{\mathrm{\β}}_n}}{2\sqrt{2\mathrm{\π}}}\underset{j=0}{\overset{U}{\Σ}}\frac{w_j{\widetilde{\mathrm{\ξ}}}_n{\left({\mathrm{\γ}}_j\right)}^{N_p-1}}{\sqrt{{\mathrm{\γ}}_j}}\exp (-\frac{{\mathrm{\β}}_n{\widetilde{\mathrm{\γ}}}_j}{2}\left)F_{{\mathrm{\γ}}_{\max }}\right({\widetilde{\mathrm{\γ}}}_j\left)\right)---\left(8\right)$

其中， ${\mathrm{\ξ}}_n\left(\mathrm{\γ}\right)=1-{\mathrm{\α}}_{n}Q\left(\sqrt{{\mathrm{\β}}_n\mathrm{\γ}}\right),{\widetilde{\mathrm{\ξ}}}_n\left({\widetilde{\mathrm{\γ}}}_j\right)=1-{\mathrm{\α}}_{n}Q\left(\sqrt{{\mathrm{\β}}_n{\widetilde{\mathrm{\γ}}}_j}\right),$ 和w_j分别为U阶牛顿尼茨数值积分公式对应的基点和加权系数，与门限γ_n和γ_n+1有关。当采用近似门限时，近似PER可表示为：

$\stackrel{\‾}{PER}\≅\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{b_n}{{\stackrel{\‾}{SE}}_{physical}}(\[a_n\exp (-g_n\mathrm{\γ}\left)F_{{\mathrm{\γ}}_{\max }}\right(\mathrm{\γ})\]{|}_{{\mathrm{\γ}}_n}^{{\mathrm{\γ}}_{n+1}}+a_n{g}_n\underset{j=0}{\overset{U}{\Σ}}{w}_j\exp (-g_n{\widetilde{\mathrm{\γ}}}_j\left)F_{{\mathrm{\γ}}_{\max }}\right({\widetilde{\mathrm{\γ}}}_j\left)\right)---\left(9\right)$

5.3)系统跨层设计中总体平均SE

根据系统的平均PER和给定的最大重传次数，每个包的平均传输次数可计算，为当时，对应于系统仅采用自适应调制情况，此时系统总体平均SE缩减为物理层的平均SE。而非0时，系统的总体平均频谱效率计算为：

$\stackrel{\‾}{SE}={\stackrel{\‾}{SE}}_{physical}/\stackrel{\‾}{N}---\left(10\right)$

利用Matlab仿真平台对所设计的基于链路自适应的分布式天线系统跨层方法进行验证，实验结果充分证明了所设计方法的有效性，也体现了本发明的优点。

在仿真验证中，AM方案采用了BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM、128QAM七种调制方式。附图3和附图4分别给出了分布式天线系统中不同下的系统平均SE和平均PER性能评估，图中的曲线均给出了系统采用改进门限和近似门限的性能。由图可知，当增大时，系统SE的性能会随之提高，但是PER性能下降，这主要是因为当限定目标丢包率时，一方面多次重传可以使得系统传输的包发生错误的概率减小，从而使得丢包率(PLR)减小，性能提升；另一方面增大会使系统目标PER也相应变大，故物理层传输信息时对误码性能要求将降低，其结果使得AM方案采用高阶调制方式概率变大，从而获得系统平均SE的提高。此外，从图中还可以看出，来自近似门限和改进门限的平均SE和PER性能均相应地分别接近。该结果说明所设计的跨层优化方案和门限计算方法均是有效的。综上所述，所提的跨层方法是行之有效的，且所提系统平均PER和总体平均SE的计算方法可以有效评估跨层设计性能，这充分说明了本发明设计的基于链路自适应的分布式天线系统跨层优化的有效性和可行性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

表1拟合的PER公式的调制方式参数

调制方式	BPSK	QPSK	8QAM	16QAM	32QAM	64QAM	128QAM
								an	157.6253	157.7156	134.1509	118.8351	104.2384	94.212	84.8422
gn	1.0388	0.5194	0.1734	0.1039	0.040	0.0248	0.0098

本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种基于链路自适应的分布式天线系统跨层设计方法，其特征在于包括步骤如下：

步骤1)：构建单小区分布式天线系统模型，给出相应的复合衰落信道模型。基于信道估计和接收信号，获取信道信息并计算有效信噪比；一方面用于物理层接收端解调和译码，另一方面反馈到物理层发射端和链路层自动重传请求(ARQ)生成器。

步骤2)：根据步骤1)反馈的信道信息，以及信噪比最大选择准则，发送端确定有效信噪比最大的远程天线。

步骤3)：根据步骤1)反馈的信道信息，通过自适应切换门限选取相应的调制方式进行信号调制，给出相应的物理层自适应调制(AM)方案，然后通过步骤2)选择的远程天线进行信号传输。

步骤4)：链路层ARQ生成器根据步骤1)得到的信道信息，在保证系统服务质量的情况下决定最大重传次数和目标误包率(PER)，并联合物理层自适应调制给出跨层设计方案；基于目标误包率的约束，通过简化计算，获得步骤3)中用于自适应调制的改进门限和近似门限。

步骤5)：基于步骤4)的联合跨层设计，提供一种有效的系统性能评估方法，即通过性能分析和数值计算，给出系统平均PER和总体平均频谱效率的有效计算方法。

2.根据权利要求1所述的一种基于链路自适应的分布式天线系统跨层设计方法，其特征是：

(1)所述步骤3)和4)中包括基于链路自适应的分布式天线系统跨层设计方案，通过联合物理层的自适应调制和数据链路层的自动重传请求，给出一种满足服务质量要求的跨层优化设计方法。

(2)所述步骤4)中包括跨层设计方案中门限求解方案，分别给出改进门限和近似门限的实用计算方法；通过简化原有的PER，得到比较准确的改进门限；通过对原有PER进行拟合，得到较为简单的近似PER，并以此获得近似门限；近似门限相对于改进门限简单，所对应的性能也相近。

(3)所述步骤5)中包括跨层设计方案中性能评估方法，给出系统平均误包率和总体平均频谱效率的有效计算方法；通过性能分析和数值计算，给出评估系统性能的计算方法和相应的性能分析结果。