CN107645366A - 高速移动环境下的自适应调制传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种高速移动环境下的自适应调制传输方法。该方法包括：在离散时间移动通信系统建立快速时变信道模型得到平均信噪比，通过反馈链路将平均信噪比传送给发射机；发射机根据平均信噪比的变化建立使得系统平均频谱效率最大化且满足约束的优化方程，求解优化方程得到最优信噪比门限值，基于门限值划分信噪比衰落区域子区间，并确定子区间对应的自适应功率分配方案；发射机根据子区间选择最优调制传输策略并按照子区间对应的功率分配方案调整发射功率后发送下一数据帧。本发明实施例能够改善系统频谱效率，保证系统达到最优的平均吞吐量，解决了当发射机无法获得精确信道信息条件下，自适应调制编码传输性能显著下降的问题。

Description

高速移动环境下的自适应调制传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种高速移动环境下的自适应 调制传输方法。

背景技术

自适应调制编码技术是一种提高通信系统频谱效率的有效手段，可以有 效的改善无线信道衰落对移动通信系统吞吐量的影响。自适应调制编码技术 要求无线发射机能够获得准确的CSI(channel state information，信道状态信 息)，发射机从而能够根据CSI来合理的调整传输功率、调制方式等传输参 数，达到最大化平均吞吐量的目的。

现有技术中的一种高速移动环境下的自适应调制传输方法：发射机根据 接收机瞬时信道质量状况和目前资源选择最合适的下行链路调制和编码方 式，使接收机达到尽量高的数据吞吐率。

上述现有技术中的一种高速移动环境下的自适应调制传输方法的缺点 为：当无线发射机在高速移动的状态下(如高速铁路移动通信系统)，发射 机难以获得准确的CSI的。原因来源于两方面：首先，接收机受到信道估计误 差、量化误差、反馈误差等因素的影响，难以进行准确的信道估计；其次， 高速移动信道的时变特征更为明显，接收机将信道估计信息反馈给发射机的 反馈时延会导致CSI信息过期，无法获得准确的CSI将导致发射机无法选择合 适的发射功率和调制方式等参数，那么移动通信系统的频谱效率和有效吞吐量将受到显著的影响。

发明内容

本发明的实施例提供了一种高速移动环境下的自适应调制传输方法，以 适用于高速移动环境下无线发射机无法获得准确CSI时进行自适应调制传输。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明实施例提供了一种高速移动环境下的自适应调制传输方法，其特 征在于，包括：

在离散时间移动通信系统建立快速时变信道模型得到平均信噪比，通过 反馈链路将平均信噪比传送给发射机；

所述发射机根据所述平均信噪比的变化建立使得系统平均频谱效率最大 化且满足约束的优化方程，求解所述优化方程得到最优信噪比门限值，基于 所述门限值划分信噪比衰落区域子区间，并且确定所述子区间对应的自适应 功率分配方案；

所述发射机根据所述子区间选择最优调制传输策略并按照所述子区间对 应的功率分配方案调整发射功率后发送下一数据帧。

优选地，所述的在离散时间移动通信系统建立快速时变信道模型得到平 均信噪比，包括：

所述离散时间移动通信系统的工作过程：信号经所述发射机进行调制和 功率控制后，通过衰落信道传输到接收机，所述接收机中的信道估计器进行 信道估计、解调和解码后，用平均信噪比表示估计的信道状态信息，通过反 馈链路将平均信噪比传送回发射机。

优选地，所述的在离散时间移动通信系统建立快速时变信道模型得到平 均信噪比，还包括：

建立所述快速时变信道模型得到平均信噪比：所述接收机持续对信道进 行估计并用信噪比表征信道状态信息，所述接收机所接收信号的每一传输帧 的周期为T_f，每一所述传输帧都由N个周期为T_s的符号组成，存在等式：T_f＝NT_s；所述接收机侧的信道估计器将估计到的信道增益和所述平均信噪 比反馈到所述发射机用于自适应调制传输，其中反馈时延为τT_s，所述发射机 根据接收到的平均信噪比的变化在每一个传输帧内采用一种不同的调制传输 方式；

设每一所述传输帧周期内的第一个符号的索引为i＝0，设所述发射机到所 述接收机之间的多径信道是平坦、快时变信道，所述多径信道的每一径信道 参数满足瑞利分布，所述每一径信道参数的实部和虚部服从均值为0、方差为 σ_h ²相互独立的复高斯过程：h[i]～N(0,σ_h ²)，其中，i＝0，1，...，N-1表示符号 索引；

在一帧内h[i]与的关系表示如下：

其中，h[i]为第i个符号经过无线信道后，信号幅度增益，为所述接 收机的完美信道估计，ρ[i]为与h[i]之间的瞬时相关系数，w[i]为链路反馈 时间段内由快衰落信道的时变特性引起的信道增益变量；

定义为平均传输功率，所述接收机的噪声是均值为0，方差为σ_N ²的复 高斯白噪声，将信道进行归一化处理，得E[|h|²]＝1，接收到的平均信噪比为： 接收到的第i个符号的信噪比表示为：

接收机侧的信道估计器通过反馈链路向发射机发送估计到的信道增益 用于对信号的自适应调制方案的选择，存在随机变量：

对于复高斯衰落信道，随机变量服从独立同指数分布，可以简 化为的概率密度函数为：

分配的功率表示为的函数，接收机接收到的信噪比可得：

由此可得：

优选地，所述的通过反馈链路将平均信噪比传送给发射机，包括：

所述发射机通过反馈链路获取部分不精确的CSI和所述接收机估计的平均 信噪比。

优选地，所述的发射机根据所述平均信噪比的变化建立使得系统平均频 谱效率最大化且满足约束的优化方程，包括：

建立使得系统平均频谱效率最大化，同时满足平均发射功率约束和业务 传输的BER要求的优化方程：

设所述离散时间移动通信系统采用多进制正交幅度调制方案对信号进行 调制解调，共有K+1个调制策略，调制星座数M_k＝2^2k，k＝0,1,2,...,K；

其中，k为调制阶数，M₀＝1表示没有数据传输，第k阶调制策略对应的数 据速率为：b_k＝log₂M_k＝2k bit/symbol，每种调制策略对应的传输速率按升序排 列，分别为：{b₀,...,b_k,...,b_K}；

对于一个时间离散的自适应调制传输系统，频谱效率可以用平均传输速 率表示为：

其中，为估计的信噪比，该式表明，最大化频谱效率需要通过调节数据 的传输速率和传输功率；

传输功率需要满足平均功率约束：

其中，

此外，各信号还要满足误码率约束，加性高斯白噪声信道下，当M_k≥4 时，接收机信噪比为γ[i]与调制策略为M_k的条件误码率为：

其中，c₁＝0.2，c₂＝1.5，ρ[i]为瞬时相关系数，ρ[i]＝J₀(2πf_DT_S(i+π))，其 中，f_D＝f_cv/c表示最大多普勒频移，v为接收机移动速度，c为光速。通过确 定调制策略M_k以及发射功率的值来满足业务的BER需求；给定ρ[i]，可得 关于BER的条件误码率函数为：

鲁棒性传输策略：考虑BER约束最差情况，要求某一帧中最后一个符号 满足BER的约束要求，即用常数ρ[N]代替ρ[i]，i＝0,1,...,N-1；用最差的信道增 益|h[N]|²代替|h[i]|²，在最差情况下的平均误码率约束为：

其中，ε为保证业务可靠传输时平均误码率要求的阈值；

综上，构建使得系统平均频谱效率最大化，同时满足平均发射功率约束 和业务传输的平均误码率要求的所述优化方程，如下：

所述优化方程要求：使式(8a)的值最大，同时满足条件式(8b)和式(8c)。

优选地，所述的求解所述优化方程得到最优信噪比门限值，基于所述门 限值划分信噪比衰落区域子区间，并且确定所述子区间对应的自适应功率分 配方案，包括：

将信噪比衰落区域划分成K+1个与调制策略对应的子区间，在每个信噪比 衰落子区间中，设计鲁棒性自适应功率分配方案；

划分信噪比衰落区域子区间：所述离散时间移动通信系统采用多进制正 交幅度调制方案对信号进行调制解调，共有K+1个调制策略： {M₀,...,M_k,...,M_K}，每种策略相应的信噪比衰落区域子区间为：

{[γ₀,γ₁),…,[γ_k,γ_k+1),…,(γ_K,γ_K+1)}，

调制策略切换门限对应为：{γ₀,…,γ_k,…,γ_K}；

设计鲁棒性自适应功率分配方案如下：

将式(8c)等价得：

其中，定义一个常参数为

并定义为：

并且由于式(8c)与式(9)左侧的表达式等价，所以由式 (8c)的约束变形可得：

通过朗博W函数，求得的终解为：

根据式(9)可得功率分配方案为：

其中，由于则

优选地，所述的求解所述优化方程得到最优信噪比门限值，基于所述门 限值划分信噪比衰落区域子区间，并且确定所述子区间对应的自适应功率分 配方案，还包括：

求解所述优化方程得到与调制策略切换对应的最优信噪比门限值，求解 过程如下：

对式(8a)和式(8b)构建拉格朗日函数，表达式为：

其中，ν为拉格朗日乘子。由于b₀＝0，去除k＝0时没有数据传输 的特殊情况；

将式(13)代入到式(14)中，对该拉格朗日函数求关于的偏 导，并让其等于0，求出最优的可得：

其中，b₀＝0，M₀＝1，求得：

在满足误码率约束的条件下，将式(16)与式(12)结合，综合求得最 优的信噪比门限值表达式如下：

优选地，所述的求解所述优化方程得到最优信噪比门限值，划分信噪比 衰落区域子区间以及确定所述子区间对应的自适应功率分配方案，还包括：

对最优的信噪比值进行求解如下：

由式(17)可知，的最优值取决于ν的取值，求解ν的最优值即对拉格 朗日函数求关于ν的偏导，得到函数F(ν)关于ν的函数为：

其中，d₁＝3，并且对于k＝2,3,...,K有d_k＝M_k-M_k-1＞0；

F(ν)为单调函数，则若F(ν)＝0有解，该函数有唯一解，使用二分法对 F(ν)＝0求解，分别求得最优的拉格朗日乘子ν*以及最优的信噪比值

优选地，所述的发射机根据所述子区间选择最优调制传输策略并按照所 述子区间对应的功率分配方案调整发射功率后发送下一数据帧，包括：

求得K个最优的信噪比值后，可以将整个接收端信噪比区域划分为K+1 个子区间，即确认最优的信噪比衰落子区间；

在每个数据帧发送之前，所述发射机通过反馈链路得到接收机估计的最 新信道状态信息，在K+1个子区间中选取与当前信道状态信息匹配的某个子区 间，从而确定最优调制传输策略，即选择系统所采取的MQAM调制解调方案 并按照所述子区间对应的功率分配方案进行传输。

优选地，所述的发射机根据所述子区间选择最优调制传输策略并按照所 述子区间对应的功率分配方案调整发射功率后发送当前数据帧，包括：

在确认当前帧所需分配功率、调制传输方法后，所述发送机发送当前数 据帧。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过建 立快速时变信道模型得到平均信噪比，发射机根据平均信噪比的变化建立使 得系统平均频谱效率最大化且满足约束的优化方程，求解优化方程得到最优 信噪比门限值，划分信噪比衰落区域子区间以及确定子区间对应的自适应功 率分配方案，发射机根据子区间选择最优调制传输策略并按照子区间对应的 功率分配方案调整发射功率后发送数据帧；解决了当无线发射机无法获得精 确信道信息条件下，自适应调制编码传输性能会显著下降的问题，能够改善 系统频谱效率，保证系统达到最优的平均吞吐量，也可以适应系统平均信噪 比的变化，使通信系统更好地适应高速移动环境。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的 描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发 明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的 前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种高速移动环境下的自适应调制传输方法的 处理流程图；

图2为本发明实施例提供的一种高速移动环境下的自适应调制传输方法的 离散时间移动通信系统框图；

图3为本发明实施例提供的一种高速移动环境下的自适应调制传输方法的 模拟与理论频谱效率性能曲线，

其中，曲线1a表示本发明提出方案理论频谱效率性能曲线，

曲线2a表示本发明提出方案模拟频谱效率性能曲线；

图4为本发明实施例提供的一种高速移动环境下的自适应调制传输方法在 多普勒频移与平均信噪比影响下的频谱效率性能三维图；

图5为本发明实施例提供的一种高速移动环境下的自适应调制传输方法的 功率分配策略性能曲线，

其中，曲线1b表示多普勒频移＝100HZ，调制阶数为K＝1时的信噪比-发射 功率性能曲线，

曲线2b表示多普勒频移＝100HZ，调制阶数为K＝2时的信噪比-发射功率性 能曲线，

曲线3b表示多普勒频移＝100HZ，调制阶数为K＝3时的信噪比-发射功率性 能曲线，

曲线4b表示多普勒频移＝100HZ，调制阶数为K＝4时的信噪比-发射功率性 能曲线，

曲线5b表示多普勒频移＝100HZ，调制阶数为K＝5时的信噪比-发射功率性 能曲线，

曲线1c表示多普勒频移＝200HZ，调制阶数为K＝1时的信噪比-发射功率性 能曲线，

曲线2c表示多普勒频移＝200HZ，调制阶数为K＝2时的信噪比-发射功率性 能曲线，

曲线3c表示多普勒频移＝200HZ，调制阶数为K＝3时的信噪比-发射功率性 能曲线，

曲线4c表示多普勒频移＝200HZ，调制阶数为K＝4时的信噪比-发射功率性 能曲线，

曲线5c表示多普勒频移＝200HZ，调制阶数为K＝5时的信噪比-发射功率性 能曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出， 其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功 能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发 明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式 “一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解 的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步 骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、 整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被 “连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或 者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无 线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项 的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语 (包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一 般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该 被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一 样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例 做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

为解决当无线发射机无法获得精确信道信息条件下，自适应调制编码传 输性能会显著下降的问题，本发明实施例提出了通过基于接收机所估计的部 分不精确的CSI和平均信噪比，建立使得系统平均频谱效率最大化且满足约束 要求的优化方程，求解优化方程得到与调制策略切换对应的最优的信噪比 (Signal Noise Ratio，SNR)门限值，从而将信噪比衰落区域划分成若干个与 调制策略对应的子区间，在每个信噪比衰落子区间中，设计鲁棒性自适应功 率分配方案；发射机根据反馈信噪比所在的子区间选择最优调制传输策略并 按照子区间对应的功率分配方案调整发射功率后发送数据帧。

该实施例提供了一种高速移动环境下的自适应调制传输方法的处理流程 如图1所示，包括如下的处理步骤：

S110：建立基于反馈信息的快速时变信道模型得到平均信噪比，发射机 通过反馈链路获取部分不精确信道状态信息及信噪比。

在一个离散时间移动通信系统下，根据接收机的移动速度，建立基于反 馈信息的快速时变信道模型，基于所述模型得到接收机的平均信噪比，并通 过反馈链路将平均信噪比传送给发射机。

该实施例提供的一种高速移动环境下的自适应调制传输方法的离散时间 移动通信系统框图如图2所示。所述离散时间移动通信系统的工作过程为：信 号经发射机进行调制、功率控制后，通过衰落信道传输到接收机，接收机中 的信道估计器进行信道估计、解调和解码后，用平均信噪比表示估计的信道 状态信息，通过反馈链路将平均信噪比传送回发射机。

发射机通过反馈链路获取平均信噪比，所述平均信噪比表示部分不精确 的CSI。

基于反馈信息建立的快速时变信道模型如下：

接收机持续对信道进行估计并用信噪比表征信道状态信息，所述接收机 所接收信号的每一传输帧的周期为T_f，每一所述传输帧都由N个周期为T_s的符 号组成，存在等式：T_f＝NT_s；接收机侧的信道估计器将估计到的信道增益 和平均信噪比反馈到发射机用于自适应调制传输，其中反馈时延为 τT_s，发射机根据接收到的平均信噪比的变化在一个传输帧内采用一种调制传 输方式，即在不同的传输帧内采用不同的调制传输方式。

假设每一帧周期内的第一个符号的索引为i＝0，设所述发射机到所述接收 机之间的多径信道是平坦、快时变信道，所述多径信道的每一径信道参数满 足瑞利分布，所述每一径信道参数的实部和虚部服从均值为0、方差为σ_h ²相 互独立的复高斯过程：h[i]～N(0,σ_h ²)，其中，i＝0，1，...，N-1表示符号索 引；

在一帧内h[i]与的关系表示如下：

其中，h[i]为第i个符号经过无线信道后，信号幅度增益，为所述接 收机的完美信道估计，ρ[i]为与h[i]之间的瞬时相关系数，w[i]为链路反馈 时间段内由快衰落信道的时变特性引起的信道增益变量。

定义为平均传输功率，所述接收机的噪声是均值为0，方差为σ_N ²的复 高斯白噪声，将信道进行归一化处理，得E[|h|²]＝1，接收到的平均信噪比为： 接收到的第i个符号的信噪比表示为：

接收机侧的信道估计器通过反馈链路向发射机发送估计到的信道增益 用于对信号的自适应调制方案的选择，存在随机变量：

对于复高斯衰落信道，随机变量服从独立同指数分布，可以简 化为的概率密度函数为：

分配的功率表示为的函数，接收机接收到的信噪比可得：

由此可得：

S120：建立以实现最大频谱效率为目的的同时满足平均功率分配约束和 业务传输BER要求的优化方程。

设所述离散时间移动通信系统采用MQAM(Multiple Quadrature AmplitudeModulation，多进制正交幅度调制)方案对信号进行调制解调，共 有K+1个调制策略，调制星座数为：

M_k＝2^2k，k＝0,1,2,...,K；

其中，k为调制阶数，M₀＝1表示没有数据传输，第k阶调制策略对应的数 据速率为：

b_k＝log₂M_k＝2k bit/symbol；

则K+1个调制策略{M₀,...,M_k,...,M_K}，每种调制策略对应的传输速率按升序 排列，分别为{b₀,...,b_k,...,b_K}。

对于一个时间离散的自适应调制传输系统，频谱效率可以用平均传输速 率表示为：

其中，为估计的信噪比，该式表明，最大化频谱效率需要通过调节数据 的传输速率和传输功率。

传输功率需要满足平均功率约束：

其中，

此外，各信号需要满足误码率约束，在加性高斯白噪声信道下，当M_k≥4 时，接收机信噪比为γ[i]与调制策略为M_k的条件误码率为：

其中，c₁＝0.2，c₂＝1.5，ρ[i]为瞬时相关系数，ρ[i]＝J₀(2πf_DT_S(i+π))，其 中，f_D＝f_cv/c表示最大多普勒频移，v为接收机移动速度，c为光速。通过确 定调制策略M_k以及发射功率的值来满足业务的BER需求；给定ρ[i]，可得 关于BER的条件误码率函数为：

在通常的移动场景下，信道相干时间与传送的数据帧的一帧的周期相 同，因为在同一帧的数个符号周期内信道增益改变的较慢，为了保证整个帧 内的符号在传输过程中均满足误码率约束，本发明实施例提出了一种鲁棒性 传输策略：

考虑BER约束最差情况，要求某一帧中最后一个符号满足BER的约束要 求，即用常数ρ[N]代替ρ[i]，i＝0,1,...,N-1；用最差的信道增益|h[N]|²代替 |h[i]|²。在最差情况下的平均误码率约束为：

其中，ε为保证业务可靠传输时平均误码率要求的阈值。

综上，构建使得系统平均频谱效率最大化，同时满足平均发射功率约束 和业务传输的平均误码率要求的所述优化方程，如下：

所述优化方程要求：使式(8a)的值最大，同时满足条件式(8b)和式(8c)。

S130：求解优化方程得到最优信噪比门限值并确定信噪比子区间，设计 每个子区间中的鲁棒性自适应功率分配方案。

求解优化问题得到与调制策略切换对应的最优的信噪比门限值，从而将 信噪比衰落区域划分成K+1个与调制策略对应的子区间，在每个信噪比衰落区 域子区间中，设计鲁棒性自适应功率分配方案；从而保证调制策略，此处的 调制策略即发射机应该选择哪种MQAM调制方案对信号进行调制，使得调制 能够保证业务传输并满足其平均误码率要求。

(1)划分信噪比衰落区域子区间：所述离散时间移动通信系统采用多进 制正交幅度调制方案对信号进行调制解调，调制星座数为：

M_k＝2^2k，k＝0,1,2,...,K；

其中，k为调制阶数，M₀＝1表示没有数据传输，共有K+1个调制策略：

{M₀,...,M_k,...,M_K}，

每种策略相应的信噪比衰落区域子区间为：

{[γ₀,γ₁),…,[γ_k,γ_k+1),…,(γ_K,γ_K+1)}，

调制策略切换门限对应为：

{γ₀,…,γ_k,…,γ_K}。

(2)设计信噪比衰落区域子区间鲁棒性自适应功率分配方案如下：

由于式(8c)较难处理，故将式(8c)等价得：

其中，定义一个常参数为

并定义为：

并且(8c)与式(9)左侧的表达式等价，所以由式(8c)的 约束变形可得：

通过朗博W函数，求得的终解为：

根据式(9)可得功率分配方案为：

其中，由于则

(3)求解所述优化方程得到与调制策略切换对应的最优信噪比门限值， 求解过程如下：

对式(8a)和式(8b)构建拉格朗日函数，表达式为：

其中，ν为拉格朗日乘子。由于b₀＝0，去除k＝0时没有数据传输 的特殊情况。

将式(13)代入到式(14)中，对该拉格朗日函数求关于的偏 导，并让其等于0，求出最优的可得：

其中，b₀＝0，M₀＝1，可求得：

在满足误码率约束的条件下，将式(16)与式(12)结合，综合求得最 优的信噪比门限值，即对应上文中调制策略切换门限的求解， 其表达式如下：

(4)对最优的信噪比值表达式进行求解如下：

由式(17)可知，是一个包含未知量ν的表达式，可知的最优值取决 于ν的取值，求解ν的最优值即对拉格朗日函数求关于ν的偏导，得到函数F(ν) 关于ν的函数为：

其中，d₁＝3；并且对于k＝2,3,...,K，有d_k＝M_k-M_k-1＞0。

F(ν)为单调函数，则若F(ν)＝0有解，该函数有唯一解，使用二分法对 F(ν)＝0求解，求得最优的拉格朗日乘子ν*，最优的拉格朗日乘子ν*即未知量ν 的确定值，将未知量ν的确定值ν*代入式(17)便可求出最优的信噪比值

S140：根据信噪比子区间选取最优调制传输策略，并按照该区间对应功 率分配方案自适应地调整发射功率。

发射机执行自适应调制传输方法如下：在每个数据帧发送之前，发射机 根据最新的信道反馈信息得到由信噪比模块提供的瞬时接收机信噪比，根据 已划分的信噪比子区间，选择最优的调制策略并对该子区间对应的功率分配 方案来自适应地调整发射功率。

自适应调制传输方法为：求得K个最优的信噪比值后，可将整个接收 端信噪比区域划分为K+1个子区间，即确认最优的信噪比衰落子区间。在每个 数据帧发送之前，发射机通过反馈链路得到接收机估计的最新信道状态信息 CSI，在K+1个子区间中选取与当前信道状态信息匹配的某个子区间，从而确 定该子区间对应的MQAM方案并在发射机按照所述子区间对应的功率分配方 案进行功率控制，以达到最大化频谱效率的目的。

S150：发送数据帧。

在确认当前帧所需分配功率、调制传输方法后，发送机发送下一数据 帧。

本领域技术人员应能理解，上述所举的根据接收机估计的信道状态信息 决定调制传输策略仅为更好地说明本发明实施例的技术方案，而非对本发明 实施例作出的限定。任何根据接收机估计的信道状态信息来决定调制传输策 略的方法，均包含在本发明实施例的范围内。

实施例二

该实施例为验证所提方法可以随信道状态反馈信息的变化动态地调整策 略切换表并使数据可以自适应传输，对一种高速移动环境下的自适应调制传 输方法进行了仿真，其具体仿真实现如下：

配置的仿真参数如表1和表2所示。

表1仿真参数表

表2 MQAM参数表

调制阶数	0	1	2	3	4	5
							数据速率bk	0	2	4	6	8	10
调制星座数Mk	1	4	16	64	256	1024

在如表1所示的仿真参数设置下，进行系统仿真，仿真中，反馈链路的时 延τ的取值不影响仿真结果的本质，因此，取值τ＝0，仿真中采用5种MQAM方 案，如表2所示。得到本发明模拟与理论频谱效率性能曲线、本发明方案在f_D与影响下的频谱效率性能三维图和所有可选策略的信噪比-发射功率性能曲 线，分别如图3、图4和图5所示。

图3中，在目标误码率ε＝10^-4、平均信噪比的要求下，提出方案理 论仿真结果曲线1a与提出方案模拟仿真结果2a基本一致，可验证该方案理论 推导的可行性。

图4表明f_D是影响频谱效率的关键因子，即使信道质量很好，当f_D较大 时，更多的功率用于满足误码率约束，SE的性能会较差。

根据图5仿真结果可知，该方案在f_D＝100HZ和f_D＝200HZ时的SNR被各划 分为5个衰落区域，每个衰落区间的下限为相应的调制传输切换门限。每个衰 落区间对应一种调制传输模式，每个区间对应的归一化发射功率分别如曲线 1b、2b、3b、4b、5b和1c、2c、3c、4c、5c所示。当估计的信噪比处于不同衰 落区间时，该方案会选择相应的调制策略及相应的功率分配策略，以最大化 频谱效率。图中可知：该方案在f_D＝100HZ和f_D＝200HZ时，数据能够进行传 输的信噪比衰落区域下限分别为26dB和29dB。f_D＝100HZ时的数据中断时的 最优信噪比比f_D＝200HZ时的情况小3dB。由此表明：当信道发生变化时，所 提供的自适应调制传输方法可以合理的调整门限以及功率策略以适应信道的 剧烈变化。

综上分析，本发明所述一种高速移动环境下的自适应调制传输方法可以 实现自适应、高效、可靠的传输，即能够提高移动通信系统性能。

综上所述，本发明实施例通过建立快速时变信道模型得到平均信噪比， 发射机根据反馈信息中平均信噪比的变化建立使得系统平均频谱效率最大化 且满足约束的优化方程，求解优化方程得到最优信噪比门限值，从而划分信 噪比衰落区域子区间以及确定子区间对应的自适应功率分配方案，发射机根 据子区间选择最优调制传输策略并按照子区间对应的功率分配方案调整发射 功率后发送数据帧；解决了当无线发射机无法获得精确信道信息条件下，自 适应调制编码传输性能会显著下降的问题，能够改善系统频谱效率，保证系 统达到最优的平均吞吐量，也可以适应系统平均信噪比的变化，使通信系统 更好地适应高速移动环境。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中 的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到 本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解， 本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品 的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以 是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施 例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同 相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同 之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例， 所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描 述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元 可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可 以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案 的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并 实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可 轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明 的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高速移动环境下的自适应调制传输方法，其特征在于，包括：

在离散时间移动通信系统建立快速时变信道模型得到平均信噪比，通过反馈链路将平均信噪比传送给发射机；

所述发射机根据所述平均信噪比的变化建立使得系统平均频谱效率最大化且满足约束的优化方程，求解所述优化方程得到最优信噪比门限值，基于所述门限值划分信噪比衰落区域子区间，并且确定所述子区间对应的自适应功率分配方案；

所述发射机根据所述子区间选择最优调制传输策略并按照所述子区间对应的功率分配方案调整发射功率后发送下一数据帧。

2.根据权利要求1所述的高速移动环境下的自适应调制传输方法，其特征在于，所述的在离散时间移动通信系统建立快速时变信道模型得到平均信噪比，包括：

所述离散时间移动通信系统的工作过程：信号经所述发射机进行调制和功率控制后，通过衰落信道传输到接收机，所述接收机中的信道估计器进行信道估计、解调和解码后，用平均信噪比表示估计的信道状态信息，通过反馈链路将平均信噪比传送回发射机。

3.根据权利要求1所述的高速移动环境下的自适应调制传输方法，其特征在于，所述的在离散时间移动通信系统建立快速时变信道模型得到平均信噪比，还包括：

建立所述快速时变信道模型得到平均信噪比：所述接收机持续对信道进行估计并用信噪比表征信道状态信息，所述接收机所接收信号的每一传输帧的周期为T_f，每一所述传输帧都由N个周期为T_s的符号组成，存在等式：T_f＝NT_s；所述接收机侧的信道估计器将估计到的信道增益和所述平均信噪比反馈到所述发射机用于自适应调制传输，其中反馈时延为τT_s，所述发射机根据接收到的平均信噪比的变化在每一个传输帧内采用一种不同的调制传输方式；

设每一所述传输帧周期内的第一个符号的索引为i＝0，设所述发射机到所述接收机之间的多径信道是平坦、快时变信道，所述多径信道的每一径信道参数满足瑞利分布，所述每一径信道参数的实部和虚部服从均值为0、方差为σ_h ²相互独立的复高斯过程：h[i]～N(0,σ_h ²)，其中，i＝0，1，...，N-1表示符号索引；

在一帧内h[i]与的关系表示如下：

其中，h[i]为第i个符号经过无线信道后，信号幅度增益，为所述接收机的完美信道估计，与h[i]之间的瞬时相关系数，w[i]为链路反馈时间段内由快衰落信道的时变特性引起的信道增益变量；

定义为平均传输功率，所述接收机的噪声是均值为0，方差为σ_N ²的复高斯白噪声，将信道进行归一化处理，得E[|h|²]＝1，接收到的平均信噪比为：接收到的第i个符号的信噪比表示为：

接收机侧的信道估计器通过反馈链路向发射机发送估计到的信道增益用于对信号的自适应调制方案的选择，存在随机变量：

对于复高斯衰落信道，随机变量服从独立同指数分布，可以简化为的概率密度函数为：

分配的功率表示为的函数，接收机接收到的信噪比可得：

由此可得：

4.根据权利要求1所述的高速移动环境下的自适应调制传输方法，其特征在于，所述的通过反馈链路将平均信噪比传送给发射机，包括：

所述发射机通过反馈链路获取部分不精确的CSI和所述接收机估计的平均信噪比。

5.根据权利要求1所述的高速移动环境下的自适应调制传输方法，其特征在于，所述的发射机根据所述平均信噪比的变化建立使得系统平均频谱效率最大化且满足约束的优化方程，包括：

建立使得系统平均频谱效率最大化，同时满足平均发射功率约束和业务传输的BER要求的优化方程：

设所述离散时间移动通信系统采用多进制正交幅度调制方案对信号进行调制解调，共有K+1个调制策略，调制星座数M_k＝2^2k，k＝0,1,2,...,K；

其中，k为调制阶数，M₀＝1表示没有数据传输，第k阶调制策略对应的数据速率为：b_k＝log₂M_k＝2k bit/symbol，每种调制策略对应的传输速率按升序排列，分别为：{b₀,...,b_k,...,b_K}；

对于一个时间离散的自适应调制传输系统，频谱效率可以用平均传输速率表示为：

其中，为估计的信噪比，该式表明，最大化频谱效率需要通过调节数据的传输速率和传输功率；

传输功率需要满足平均功率约束：

其中，

此外，各信号还要满足误码率约束，加性高斯白噪声信道下，当M_k≥4时，接收机信噪比为γ[i]与调制策略为M_k的条件误码率为：

其中，c₁＝0.2，c₂＝1.5，ρ[i]为瞬时相关系数，ρ[i]＝J₀(2πf_DT_S(i+π))其中，f_D＝f_cv/c表示最大多普勒频移，v为接收机移动速度，c为光速。通过确定调制策略M_k以及发射功率的值来满足业务的BER需求；给定ρ[i]，可得关于BER的条件误码率函数为：

鲁棒性传输策略：考虑BER约束最差情况，要求某一帧中最后一个符号满足BER的约束要求，即用常数ρ[N]代替ρ[i]，i＝0,1,...,N-1；用最差的信道增益|h[N]|²代替|h[i]|²，在最差情况下的平均误码率约束为：

其中，ε为保证业务可靠传输时平均误码率要求的阈值；

综上，构建使得系统平均频谱效率最大化，同时满足平均发射功率约束和业务传输的平均误码率要求的所述优化方程，如下：

所述优化方程要求：使式(8a)的值最大，同时满足条件式(8b)和式(8c)。

6.根据权利要求1所述的高速移动环境下的自适应调制传输方法，其特征在于，所述的求解所述优化方程得到最优信噪比门限值，基于所述门限值划分信噪比衰落区域子区间，并且确定所述子区间对应的自适应功率分配方案，包括：

将信噪比衰落区域划分成K+1个与调制策略对应的子区间，在每个信噪比衰落子区间中，设计鲁棒性自适应功率分配方案；

划分信噪比衰落区域子区间：所述离散时间移动通信系统采用多进制正交幅度调制方案对信号进行调制解调，共有K+1个调制策略：{M₀,...,M_k,...,M_K}，每种策略相应的信噪比衰落区域子区间为：

{[γ₀,γ₁),…,[γ_k,γ_k+1),…,(γ_K,γ_K+1)}，

调制策略切换门限对应为：{γ₀,…,γ_k,…,γ_K}；

设计鲁棒性自适应功率分配方案如下：

将式(8c)等价得：

其中，定义一个常参数为

并定义为：

并且由于式(8c)与式(9)左侧的表达式等价，所以由式(8c)的约束变形可得：

通过朗博W函数，求得的终解为：

根据式(9)可得功率分配方案为：

其中，由于

7.根据权利要求1所述的高速移动环境下的自适应调制传输方法，其特征在于，所述的求解所述优化方程得到最优信噪比门限值，基于所述门限值划分信噪比衰落区域子区间，并且确定所述子区间对应的自适应功率分配方案，还包括：

求解所述优化方程得到与调制策略切换对应的最优信噪比门限值，求解过程如下：

对式(8a)和式(8b)构建拉格朗日函数，表达式为：

其中，ν为拉格朗日乘子。由于b₀＝0，去除k＝0时没有数据传输的特殊情况；

将式(13)代入到式(14)中，对该拉格朗日函数求关于的偏导，并让其等于0，求出最优的可得：

其中，b₀＝0，M₀＝1，求得：

在满足误码率约束的条件下，将式(16)与式(12)结合，综合求得最优的信噪比门限值表达式如下：

8.根据权利要求1所述的高速移动环境下的自适应调制传输方法，其特征在于，所述的求解所述优化方程得到最优信噪比门限值，划分信噪比衰落区域子区间以及确定所述子区间对应的自适应功率分配方案，还包括：

对最优的信噪比值进行求解如下：

由式(17)可知，的最优值取决于ν的取值，求解ν的最优值即对拉格朗日函数求关于ν的偏导，得到函数F(ν)关于ν的函数为：

其中，d₁＝3，并且对于k＝2,3,...,K有d_k＝M_k-M_k-1＞0；

F(ν)为单调函数，则若F(ν)＝0有解，该函数有唯一解，使用二分法对F(ν)＝0求解，分别求得最优的拉格朗日乘子ν*以及最优的信噪比值

9.根据权利要求1所述的高速移动环境下的自适应调制传输方法，其特征在于，所述的发射机根据所述子区间选择最优调制传输策略并按照所述子区间对应的功率分配方案调整发射功率后发送下一数据帧，包括：

求得K个最优的信噪比值后，可以将整个接收端信噪比区域划分为K+1个子区间，即确认最优的信噪比衰落子区间；

在每个数据帧发送之前，所述发射机通过反馈链路得到接收机估计的最新信道状态信息，在K+1个子区间中选取与当前信道状态信息匹配的某个子区间，从而确定最优调制传输策略，即选择系统所采取的MQAM调制解调方案并按照所述子区间对应的功率分配方案进行传输。

10.根据权利要求1所述的高速移动环境下的自适应调制传输方法，其特征在于，所述的发射机根据所述子区间选择最优调制传输策略并按照所述子区间对应的功率分配方案调整发射功率后发送当前数据帧，包括：

在确认当前帧所需分配功率、调制传输方法后，所述发送机发送当前数据帧。