CN106059642B - 一种基于不完全估计信息的分布式天线系统跨层设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于不完全估计信息的分布式天线系统跨层设计方法。在服务质量即目标误包率的约束条件下，联合物理层自适应调制与数据链路层自动重传请求协议，给出分布式天线系统中基于不完全信道估计信息时的跨层设计方案，该方案可实现高的频谱效率(SE)，而且考虑实际中路经损耗和瑞利衰落以及不完全反馈信息，有着好的实用性。基于此，利用数值分析和计算，给出系统在复合瑞利衰落信道下平均误包率(PER)和平均SE的计算方法，可实现对有着不完全估计信息时分布式天线系统进行性能有效评估，系统的PER和SE性能将随着估计误差或者路径损耗的增大而逐渐变差。而且所给方法也可用于完全信道信息下系统PER和SE性能有效评估。
Description
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不完全估计信息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(DAS)是当前公共无线接入网络的一种新结构，它可以看作是多输入多输出系统的扩展，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。由于系统在空间上分开多个天线，分布式天线系统可以得到宏观的分集增益，从而提高信号传输质量，提升系统容量，增强覆盖范围。在分布式天线系统中，小尺度衰落变化较快，发送端得到的估计信道状态信息(CSI)将存在误差，因此考虑不完全CSI更符合实际情况。
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，因此在这种情况下提出了跨层设计方法。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，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。为了提高无线通信系统的频谱效率，在物理层提出自适应调制(AM)技术，使信息传输速率与时变的信道相匹配。然而要在物理层达到高的可靠性，就要降低调制速率。一种提高系统传输可靠性的办法就是引入链路层的自动重传请求(ARQ)机制，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，将联合物理层的AM和链路层的ARQ进行跨层设计，有效提高频谱资源及功率资源利用率。考虑到在实际应用中，由于接收端的信道估计误差，很难得到完全准确的信道信息。因此，引入不完全信道，研究分布式天线系统中基于不完全估计信息的跨层设计方法，对于更实际地分析系统性能是非常必要的。
现有的文献对基于不完全估计信息的跨层设计方法进行了研究。文献1(QingwenLiu，Shengli Zhou，G.B.Giannakis，et al.Combining Adaptive Modulation and Codingwith Truncated ARQ Enhances Throughput[C].Proceedings of 4th Workshop onSignal Processing Advances in Wireless Communications，2003：110-114.)将物理层的自适应调制技术与链路层的自动重发请求协议结合，提出了物理层和链路层的联合优化机制。文献2(Ghassane Aniba，SoniaAissa.Cross-Layer Designed Adaptive ModulationAlgorithm with Packet Combining and Truncated ARQ over MIMO Nakagami FadingChannels.IEEE Transaction on Wireless Communications，2011，10(4)：1026-1031.)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，但没有考虑信道估计误差对性能的影响。文献3(Xiangbin Yu，Yan Liu，Yun Rui，et al.Cross-layer Design for MIMO Systems with Transmit AntennaSelection and Imperfect CSI[J].Frequenz，2013，67(5)：169-175.)研究了MIMO系统基于不完全CSI的跨层设计方案，给出了该系统平均误包率(PER)和平均系统频谱效率(SE)的闭式表达式。然而，上述研究均是针对集中式SISO/MIMO系统进行设计，而对DAS进行跨层设计却很少，尤其是考虑不完全CSI的跨层设计方案还没有。
因此目前还没有成熟的技术能够解决基于不完全估计信息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，联合物理层自适应调制和数据链路层的自动重传请求，提出一种基于不完全估计信息的跨层设计方案，并设计系统性能评估方案，即利用性能分析和数值计算，给出评价系统性能指标即平均PER和总体平均SE的有效计算方法。
技术方案：为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于不完全估计信息的分布式天线系统跨层设计方法，包括如下步骤：
步骤1：针对单小区分布式天线系统，有着Nt根远程天线，这些天线分布式放置在小区的不同地理位置上，每根天线通过同轴电缆或光纤分别与小区的中央处理器相连。基于该系统模型，考虑分布式天线系统实际衰落特性，建立复合衰落信道模型。考虑到分布式天线系统中小尺度衰落变化较快，发送端得到的估计信道状态信息(CSI)将存在误差。为此建立不完全估计模型，根据反馈的不完全CSI，得到第i根远程天线和移动终端之间的估计信噪比为
步骤2：发射端采用天线选择技术，选取估计信噪比最大的那根远程天线来发送信号。确立远程发送天线后，可以得到移动终端的接收信号以及最大估计信噪比的累积分布函数
步骤3：物理层采用自适应调制(AM)技术。通过设定物理层目标PER为PERobj，把瞬时信噪比划分为若干个区间，当瞬时信噪比介于第n个区间时，系统将选择具有星座尺寸为Mn的调制方式。然后采用步骤2选择的天线进行传输，得到完整的自适应调制方案。
步骤4：数据链路层采用停等式ARQ(T-ARQ)技术，限定最大重传次数为。由于系统服务质量(QoS)的限定，设定链路层目标丢包率PLR为Ploss，当达到最大重传次数时仍没有正确接收，则将包丢弃。联合步骤3中的物理层进行跨层设计，得到物理层目标PER为采用瞬时PER约束，令加性高斯噪声信道下精确M-QAM调制方式的PER(用表示)等于PERobj，可以得到对应的第n种调制方式的固定准确切换门限。由 于这种门限计算方法比较复杂，为此这里对原PER公式进行拟合，得到近似的PER公式，进而得到相应的近似切换门限值。
步骤5：在步骤3物理层自适应调制方案、步骤4链路层ARQ设计方案以及门限求解的基础上，给出系统性能评估方案，即通过理论分析和数值计算，给出系统平均PER和总体平均SE的计算方法。系统平均PER可通过计算平均误包数与总的传输包数的比值得到。系统总体平均SE为总体平均有效传输速率，可通过物理层频谱效率和平均重传次数获得。
有益效果：本发明提供的一种基于不完全估计信息的分布式天线系统跨层设计方法：本发明所涉及的分布式天线系统跨层设计方法，根据反馈的发射端不完全CSI，联合物理层自适应调制(AM)和数据链路层的自动重传请求(ARQ)进行跨层优化设计。本发明还提供了性能评估方法，即给出系统性能指标平均PER和总体平均SE的有效计算方法。当信道估计完全时，该计算方法也可用于完全信道信息情况下系统性能评估。
附图说明
图1为基于不完全估计信息的分布式天线系统跨层设计原理结构图
图2为结合自适应调制和自动重传请求的跨层设计分布式天线系统模型
图3为不同估计误差情况下分布式天线系统的平均误包率PER
图4为不同估计误差情况下分布式天线系统总体平均频谱效率SE
表1拟合PER公式的调制方式参数
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为基于不完全估计信息的分布式天线系统跨层设计原理结构图。将小区单元建模为一个半径为R的圆形区域，小区内有Nt根远程天线(RA)分别分散在小区的不同位置，记为RAi(i＝1，2，......，Nt)，通过特定传输通道(比如光钎)连接到一个中央处理单元。移动终端装备有Nr根接收天线。选取第i根远程天线RAi用来发射信号。小尺度衰落服从瑞利分布，大尺度衰落包括路径损耗和阴影衰落，其中阴影衰落服从对数正态分布。结合自适应调制和自动重传请求技术的跨层系统模型和相应的信道模型见图2。
根据以上分析，可以得到最大合并比之后的输出信噪比为γi。考虑到分布式天线系统中小尺度衰落变化较快，发送端得到的估计信道状态信息(CSI)将很难完全获得。为此建立不完全估计模型，根据最大比合并接收原则，得到第i根远程天线和移动终端之间的估计信噪比为
2)分布式天线系统天线选择：
发射端采用天线选择技术，选取估计信噪比最大的那根远程天线来发送信号。天线选择的准则为最大估计信噪比的CDF为：
其中，
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为基于跨层设计的分布式天线系统模型，其中包含物理层自适应调制设计部分。通过设定目标PER为PERobj，把瞬时信噪比γ划分为N+1个区间，即[γn，γn+l)，n＝1，...，N，其中γO＝0，γN+1＝∞，N为系统调制方式的总数目。离散M-QAM星座尺寸为Mn，当瞬时信嗓比介于[γn·γn+l)区间时，系统将选择第n种调制方式，相应的数据传输速率bn＝log2Mnbit/s，b0＝0。
加性高斯噪声(AWGN)信道下，精确Mn-QAM调制方式的PER公式可以表示为：
其中为互补误差函数，是与具体调制方式n有关的参数，Np为每个数据包所包含的比特数。采用瞬时PER约束，将设定为PERobj，可以得到相应的第n个调制方式的门限为的反函数。由于erfc(·)的反函数没有办法直接求取，可以根据拟合法，给出原PER公式的拟合表达式，即：
其中参数{an，gn，γpn}是与第n种调制方式有关的系数，具体参数见表1。PERobj需小于1，γpn为满足此条件的最小值。通过令(3)式的等于PERobj，可以得到系统近似切换门限值：
γn，app＝-In(PERobj/an)/gn (4)
4)分布式天线系统中链路层的ARQ技术方案：
附图2为基于跨层设计的分布式天线系统模型，包含数据链路层的设计部分。在数据链路层，采用选择重传ARQ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(T-ARQ)，即发送端发送数据包至接收端，并不急于发送下一个数据包，而是等待接收方反馈报告，若状态显示数据包发送成功，则接下来发送下一个数据包，否则重新发送该数据包。由于实际情况中，系统能够容忍的延时是有限的，因此必须限制信息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，在数据链路层预先设置系统容许的丢包率即目标PLR(Ploss)，则对应的物理层的目标误包率为联合3)和4)，设计自适应调制和混合自动重传方案，能同时满足数据链路层的丢包率和最大重传次数要求。
5)本发明基于不完全估计信息的分布式天线系统跨层设计性能评估方法，即系统平均PER和总体平均SE的计算方法。
5.1)跨层设计方法中物理层平均频谱效率(SE)：
物理层平均SE定义为N个信噪比区间数据传输速率与相应区间选中概率的乘积之和，可求得物理层平均SE为：
其中，Rn＝log2(Mn)，Rn为信息速率。
5.2)跨层设计方法中的系统平均PER
在物理层，采用自适应调制之后系统的平均PER可表示为：
其中表示第n种调制方式的平均PER，它可以采用下面的公式推导得出：
其中符号“～”表示表达式中不包含“p＝i”这一项。
当估计误差等于零时，(6)式也可用于完全估计情况下分布式天线系统平均误包率的计算。
5.3)跨层设计方法中的系统平均SE
根据系统的平均PER，每个包的平均传输次数为当时，对应只采用AM的情况。不考虑重传，即只采用自适应调制，物理层的平均SE即系统的平均SE。而非零时，考虑ARQ，系统的总频谱效率为：
当不存在估计误差，即时，(8)式也可用于计算完全估计情况下分布式天线系统总体平均频谱效率。
利用MATLAB仿真平台对本发明提出的基于不完全估计信息的分布式天线系统跨层设计方法进行验证，实验结果充分证明了本发明的有效性，也体现了本发明的优点。
AM技术方法中采用了BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM、128QAM七种调制方式。附图3和附图4分别给出了不同估计误差情况下分布式天线系统的平均误包率PER和总体平均频谱效率SE。由图可知，随着的增加，理论和仿真之间有着微小的误差，这主要由于理论公式中利用贝塞尔函数的近似公式进行数值计算时受到计算机内存限制，会出现不完全吻合的情况，但是理论曲线基本上是和仿真曲线一样的，证明所给的计算公式是有效的。由附图3可知系统PER性能随着估计误差增大而变大，有时可能会超过目标PER值，因此有效地控制估计误差是非常必要的。由附图4可知在低信噪比情况下，不同对系统SE的影响较小。在高信噪比情况下，当等于0.01时，SE几乎与无误差时的曲线完全重合，而等于0.05与0.1时，系统性能将明显变差，再次表明减少误差对性能有明显提升，故实际中有必要控制估计精度。综上所述，本发明提出的系统平均PER和平均SE计算方法能够有效评估分布式天线系统中跨层设计性能，充分证明了本发明提出的基于不完全估计信息的分布式天线系统跨层设计方法的有效性。
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。
Claims (1)
1.一种基于不完全估计信息的分布式天线系统跨层设计方法，其特征在于
步骤1：给出单小区分布式天线系统模型，建立复合衰落信道模型；考虑到分布式天线系统中小尺度衰落变化较快，发送端得到的估计信道状态信息CSI将存在误差，为此建立不完全估计模型，根据反馈的不完全CSI，进行联合物理层自适应调制AM和数据链路层的自动重传请求ARQ跨层优化设计；
步骤2：根据步骤1反馈的不完全CSI，物理层发射端进行天线选择，确立最好的远程发送天线，即选取有效信噪比最大的远程天线来发送信号，实现性能提高，由此一步得到最大估计信噪比的累积分布函数的计算方法：
其中Lq＝tq(Nr-1)，Nt，Nr分别表示RA天线数以及移动终端接收天线数，表示估计误差；
步骤3：根据步骤1反馈的不完全CSI，物理层发送端通过自适应切换门限选取相应的调制方式进行信号调制，给出自适应调制设计方案，然后通过步骤2选择的天线进行传输；
步骤4：链路层ARQ生成器根据步骤1得到的不完全CSI，在保证系统服务质量的情况下决定最大重传次数和链路层目标丢包率，从而获得目标误包率PER，并联合步骤3中的物理层AM方案给出分布式天线系统跨层设计方法；
步骤5：在步骤1至步骤4的跨层设计基础上，给出系统平均PER的计算方法，系统平均PER为平均不正确接收的数据包数与平均总的发送数据包数的比值，其计算方法为其中，Rn＝log2(Mn)，N为系统调制方式的总数目，Mn是离散调制方式M-QAM星座尺寸大小；表示采用第n种调制方式的平均PER，其计算方法为其中符号“～”表示表达式中不包含“p＝i”这一项，B1n，B2n，B3n分别为：
其中：γn表示AM第n个调制方式门限值，{an，gn，γpn}是与第n个调制方式有关的系数；是物理层的平均频谱效率SE，为N个信噪比区间内数据传输速率与相应区间选中概率的乘积之和；借助最大估计信噪比的累积分布函数得出的计算方法为：式中为信噪比位于第n个区间的概率；
步骤6：根据系统的平均PER，每个包的平均传输次数为表示给定的最大重传次数；当时，对应于仅采用AM的情况，相应地，物理层的平均SE即系统的平均SE；
步骤7：计算系统的总体平均SE，根据步骤5中获得的系统平均PER和物理层SE以及步骤6中平均传输次数可获得系统的总体平均SE计算方法，即为：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20191126 Termination date: 20210519 |