CN112073109A - 一种降低信道估计误差产生系统性能影响的方法及系统 - Google Patents

一种降低信道估计误差产生系统性能影响的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种降低信道估计误差产生系统性能影响的方法及系统，其中所述方法采用自适应调制的基于三时隙时分广播协议的双向多中继选择系统的性能，中继采用放大转发方式，给出了系统的端到端信干噪比表达式，并通过不等式缩放将表达式转化为多个指数分布变量和的形式，求出了其累积概率密度函数以及概率密度函数，然后利用端到端信干噪比的分布推导了离散速率自适应调制下系统平均频谱效率上界的闭式表达式，其中为了克服信道估计误差对系统性能的影响，本发明提出了一种中继端最优的功率分配策略，该策略与等功率分配策略相比，当中继越接近于用户时，采用本发明提出的功率分配策略带来的系统性能提升就越大。

Description

一种降低信道估计误差产生系统性能影响的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种降低信道估计误差产生系统性能影响的方法及系统，属于通讯技术领域。
背景技术
中继协作技术能有效提高用户吞吐量，扩展无线通信系统的覆盖范围。在传统的半双工中继系统中，双向中继技术由于只需要两个或三个时隙就能完成信息的交互而受到广泛关注。现有技术分析的都是系统能获得的理论容量界或是在理论容量界下系统的中断概率，为了分析实际系统可达的频谱效率将自适应调制技术应用于基于MABC协议的双向多中继系统中，给出了单中继以及中继选择方式下系统的平均频谱效率以及平均比特差错率的闭式表达式。
在信号传输过程中，无论是何种传输，源端都需要对接收信号进行自干扰消除才能得到对方的信号，但在实际通信系统中，由于信道估计误差的存在，自干扰无法完全消除，严重影响系统性能。
发明内容
发明目的：提供一种降低信道估计误差产生系统性能影响的方法及系统，以解决现有技术上的问题，进一步的目的是提出一种在最大化系统平均频谱效率下中继端最优的功率分配。
技术方案：一种降低信道估计误差产生系统性能影响的方法及系统，其中一种降低信道估计误差产生系统性能影响的方法包括以下步骤：
步骤一、设定采用时分双工模式，建立三时隙双向多中继系统传输模型；
利用双向多中继系统，用户U1通过m个工作在半双工模式的放大转发中继节点与用户U2进行信息交互，且用户与中继具有相同的发送功率E；在时隙1时，U1广播调制信号x1给用户U2和中继，U2与中继均处于静默状态；在时隙2时，U2广播调制信号x2给用户U1和中继，U1与中继均处于静默状态；在时隙3时，U1与U2均处于静默状态，中继节点在进行前两个时隙接收信号的合并处理后得到信号x3,i，并将合并的信号广播给U1和U2。
其中U1与U2、U1与中继Ri、U2与中继Ri之间的信道服从均值为0，方差分别为
Figure BDA0002640884120000011
Figure BDA0002640884120000012
的复高斯分布,其中
Figure BDA0002640884120000013
d0为两用户之间的距离，
Figure BDA0002640884120000021
为用户U1与中继Ri之间的距离，
Figure BDA0002640884120000022
为用户U2与中继Ri之间的距离，δ为路径耗损因子；
步骤二、基于不同时隙，分析信道误差，利用中继端最优功率分配，降低误差对系统性能产生的影响；
根据接收的信号进行分析，并利用最大比合并方式合并进行自干扰消除后的信号，得到用户Uk端到端的信干燥比表达式为
Figure BDA00026408841200000214
其中
Figure BDA0002640884120000023
是用户直接链路贡献的信干噪比；基于最大化和容量的中继选择策略，选择中继Ri进行协作传输时，即
Figure BDA0002640884120000024
通过分析用户U1接收到的中继Ri的信号经过自干扰消除后信干噪比分布，利用不等式缩放的方式得出
Figure BDA0002640884120000025
的上届分布，利用该分布，采用自适应调制的双向多中继系统可以得出系统平均频谱效率的上届闭式表达式：
Figure BDA0002640884120000026
其中
Figure BDA0002640884120000027
表示第k个用户的端到端信干噪比落在第n个区域的概率，在发送信噪比较高时，
Figure BDA0002640884120000028
趋于0；
根据平均频谱效率的表达式，中继端最优功率分配建模为如下凸优化问题：
Figure BDA0002640884120000029
通过解凸优化问题得到
Figure BDA00026408841200000210
通过解方程得到最优的功率分配因子
Figure BDA00026408841200000211
其中
Figure BDA00026408841200000212
Figure BDA00026408841200000213
步骤三、将经过处理后的信号，进行广播传输。
有益效果：本发明主要给出了存在信道估计误差时，基于TDBC协议的双向多中继选择系统的端到端信干噪比表达式，并通过不等式缩放的方式将表达式转化为多个指数分布变量和的形式，求出了其累积概率密度函数以及概率密度函数，并利用该分布推导了自适应调制方式下系统的平均频谱效率的上界。提出的一种在最大化系统平均频谱效率下中继端最优的功率分配策略，进一步降低了信道估计误差对系统性能的影响。
附图说明
图1为本发明三时隙双向多中继系统传输模型图。
图2为中继端等功率以及最优功率分配下平均频谱效率随发送信噪比及信道估计误差变化曲线图。
图3为中继端等功率以及最优功率分配下平均频谱效率随d1/d0变化曲线图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
本发明的一种降低信道估计误差产生系统性能影响的方法，包括如下步骤：
步骤一、设定采用时分双工模式，建立三时隙双向多中继系统传输模型；
步骤二、基于不同时隙，分析信道误差，利用中继端最优功率分配，降低误差对系统性能产生的影响；
步骤三、将经过处理后的信号，进行广播传输。
如图1为本发明三时隙双向多中继系统传输模型图，用户U1通过m个工作在半双工模式的方法转发中继节点(R1,…,Ri,…,Rm)与用户U2交互信息，用户与中继具有相同的发送功率E。U1与U2、U1与中继Ri、U2与中继Ri之间的信道服从均值为0，方差分别为
Figure BDA0002640884120000031
的复高斯分布,其中
Figure BDA0002640884120000032
d0为两用户之间的距离，
Figure BDA0002640884120000033
为用户U1与中继Ri之间的距离，
Figure BDA0002640884120000034
为用户U2与中继Ri之间的距离，δ为路径耗损因子。
传输过程分为3个时隙，在时隙1时，U2与中继处于静默的状态，用户U1广播调制信号x1给用户U2以及中继Ri，此时U2以及中继Ri接收到的信号分别为：
Figure BDA0002640884120000035
其中x1的均值为0，方差为1，
Figure BDA0002640884120000036
分别为用户U2与中继Ri端的零均值单位方差加性白高斯噪声。
在时隙2时，U1与中继处于静默状态，用户U2广播调制信息x2给用户U1以及中继，此时U1以及中继Ri接收到的信号分别为：
Figure BDA0002640884120000041
其中x2的均值为0，方差为1，
Figure BDA0002640884120000042
分别为用户U1与中继Ri端的零均值单位方差加性白高斯噪声。
在时隙3时，U1和U2均处于静默状态，中继Ri对在前两个时隙接受到的信号进行合并，经合并的信号x3,i在广播给U1和U2，此时U1以及U2接收到的信号分别为：
Figure BDA0002640884120000043
其中
Figure BDA0002640884120000044
分别为用户U1与U2端的零均值单位方差加性白高斯噪声。
在时隙1阶段，U2和中继Ri通过U1发送的导频信息得到的U1与U2，U1与中继Ri之间的估计信道分别为
Figure BDA0002640884120000045
在时隙2阶段，中继通过U2发送的导频信息得到U2与中继之间的估计信道为
Figure BDA0002640884120000046
所以实际信道与估计信道的关系为：
Figure BDA0002640884120000047
其中ef，
Figure BDA00026408841200000413
为各条链路的信道估计误差，与估计信道之间相互独立。
利用TDD系统信道的互易性，U1和U2能获取中继Ri与各自链路之间的估计信道。U1，U2各自将时隙3接收到的中继Ri的信号进行自干扰消除，利用方差得到U1，U2从中继Ri接收到的信号经过自干扰消除后的信干噪比，选择中继Ri进行协作，U1，U2利用最大比合并方式合并从对方以及从中继Ri接收到的经过自干扰消除后的信号，计算两个用户得到的合并信号，从而得出用户Uk的端到端信干噪比为：
Figure BDA0002640884120000048
其中
Figure BDA0002640884120000049
是用户直接链路贡献的信干噪比。
基于最大化和容量的中继选择策略，选择中继Ri进行协作传输时，即
Figure BDA00026408841200000410
通过分析用户U1接收到的中继Ri的信号经过自干扰消除后信干噪比分布，利用不等式缩放的方式得出
Figure BDA00026408841200000411
的上届分布，通过中继选择策略，得出
Figure BDA00026408841200000412
其中uk,i为Γk,i的上届。当功率分配因子相同，即θi＝θ，各条链路的信道估计误差相同，即
Figure BDA0002640884120000051
所有中继与U1(U2)的距离近似相同，为d1(d2)，则有
Figure BDA0002640884120000052
Figure BDA0002640884120000053
Ck,i＝Ck，根据不等式可得到Uk接收到所选中继的信号经过自干扰消除后新干燥比上届的CDF和PDF。
利用获得的不等式上届分布，采用自适应调制的双向多中继系统可以得出系统平均频谱效率的上届闭式表达式：
Figure BDA0002640884120000054
其中
Figure BDA0002640884120000055
表示第k个用户的端到端信干噪比落在第n个区域的概率，在发送信噪比较高时，
Figure BDA0002640884120000056
趋于0。
根据平均频谱效率的表达式，基于统计的信道信息的中继端最优功率分配建模为如下凸优化问题：
Figure BDA0002640884120000057
通过解凸优化问题得到
Figure BDA0002640884120000058
通过解方程得到最优的功率分配因子
Figure BDA0002640884120000059
其中
Figure BDA00026408841200000510
Figure BDA00026408841200000511
当考虑中继数m为10，两用户直接链路的信道方差
Figure BDA00026408841200000512
路径损耗因子δ为4，且各条链路的信道估计误差都相同，即
Figure BDA00026408841200000513
两用户需求的误码率满足
Figure BDA00026408841200000514
时，图2给出了d1/d0＝0.1时，中继端等功率分配以及最优功率分配条件下平均频谱效率随发送信噪比以及信道估计误差变化曲线。从图中可以看出，理论分析的平均频谱效率上界表达式与蒙特卡洛(MC)仿真结果相吻合。当不存在信道估计误差时，系统性能最好，当存在信道估计误差时，信道估计误差越大，系统性能越差，还会出现平台，这是由于自干扰不能完全被消除使得系统变成一个干扰受限的系统，在发送信噪比比较大的时候，端到端信干噪比趋近于一个常数，这个常数受信道估计误差、中继数目以及功率分配因子的影响，导致系统的容量也受限。从图中还可以看出，本发明提出的中继端最优功率分配策略要好于平均功率分配策略，这从一定程度上克服了信道估计误差对系统性能的影响。图3给出了中继端等功率分配以及最优功率分配条件下，理论分析得出的平均频谱效率随d1/d0变化的曲线。固定发送信噪比为20dB，从图中可以看出，无论是否存在信道估计误差，都有如下结论：当中继越靠近用户时，本发明提出的最优功率分配方式相对于等功率分配方式就越好。
基于上述方法，可以构建一种降低信道估计误差产生系统性能影响的系统，包括：
第一模块，建立三时隙双向多中继系统传输模型，设定采用时分双工模式；
其中利用双向多中继系统，用户U1通过m个工作在半双工模式的放大转发中继节点与用户U2进行信息交互，且用户与中继具有相同的发送功率E；在时隙1时，U1广播调制信号x1给用户U2和中继，U2与中继均处于静默状态；在时隙2时，U2广播调制信号x2给用户U1和中继，U1与中继均处于静默状态；在时隙3时，U1与U2均处于静默状态，中继节点在进行前两个时隙接收信号的合并处理后得到信号x3,i，并将合并的信号广播给U1和U2。
第二模块，分析信号误差，利用基于统计的信道信息的中继端最优功率分配策略，降低误差产生的影响；
该模块将信号广播过程中的信号进行接收处理，通过估计信道和实际信道间的估值计算，分析信道信息中继端最有功率的分配因子值，利用不等式推导出端到端的信干燥比表达式，并得出其上届的分布，同时利用该分布，找出系统平均频谱效率的上届表达式。
第三模块，将经过处理的信号，进行广播传输。
本发明主要给出了存在信道估计误差时，基于TDBC协议的双向多中继选择系统的端到端信干噪比表达式，并通过不等式缩放的方式将表达式转化为多个指数分布变量和的形式，求出了其累积概率密度函数以及概率密度函数，并利用该分布推导了自适应调制方式下系统的平均频谱效率的上界。提出的一种在最大化系统平均频谱效率下中继端最优的功率分配策略，进一步降低了信道估计误差对系统性能的影响。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (4)

1.一种降低信道估计误差产生系统性能影响的方法，其特在于，包括如下所述：
步骤一、设定采用时分双工模式，建立三时隙双向多中继系统传输模型；
步骤二、基于不同时隙，分析信道误差，利用中继端最优功率分配，降低误差对系统性能产生的影响；
步骤三、将经过处理后的信号，进行广播传输。
2.根据权利要求1所述的一种降低信道估计误差产生系统性能影响的方法，其特征在于，所述步骤一进一步为：
利用双向多中继系统，用户U1通过m个工作在半双工模式的放大转发中继节点与用户U2进行信息交互，且用户与中继具有相同的发送功率E；在时隙1时，U1广播调制信号x1给用户U2和中继，U2与中继均处于静默状态；在时隙2时，U2广播调制信号x2给用户U1和中继，U1与中继均处于静默状态；在时隙3时，U1与U2均处于静默状态，中继节点在进行前两个时隙接收信号的合并处理后得到信号x3，i，并将合并的信号广播给U1和U2；
其中U1与U2、U1与中继Ri、U2与中继Ri之间的信道服从均值为0，方差分别为
Figure FDA0002640884110000011
Figure FDA0002640884110000012
的复高斯分布，其中
Figure FDA0002640884110000013
d0为两用户之间的距离，
Figure FDA0002640884110000014
为用户U1与中继Ri之间的距离，
Figure FDA0002640884110000015
为用户U2与中继Ri之间的距离，δ为路径耗损因子。
3.根据权利要求1所述的一种降低信道估计误差产生系统性能影响的方法，其特征在于，所述步骤二进一步为：
根据接收的信号进行分析，并利用最大比合并方式合并进行自干扰消除后的信号，得到用户Uk端到端的信干燥比表达式为
Figure FDA0002640884110000018
其中
Figure FDA0002640884110000016
是用户直接链路贡献的信干噪比；基于最大化和容量的中继选择策略，选择中继Ri进行协作传输时，即
Figure FDA0002640884110000017
通过分析用户U1接收到的中继Ri的信号经过自干扰消除后信干噪比分布，利用不等式缩放的方式得出
Figure FDA0002640884110000019
的上届分布，利用该分布，采用自适应调制的双向多中继系统可以得出系统平均频谱效率的上届闭式表达式：
Figure FDA0002640884110000021
其中
Figure FDA0002640884110000022
表示第k个用户的端到端信干噪比落在第n个区域的概率，在发送信噪比较高时，
Figure FDA0002640884110000023
趋于0；
根据平均频谱效率的表达式，中继端最优功率分配建模为如下凸优化问题：
Figure FDA0002640884110000024
通过解凸优化问题得到
Figure FDA0002640884110000025
通过解方程得到最优的功率分配因子
Figure FDA0002640884110000026
其中
Figure FDA0002640884110000027
Figure FDA0002640884110000028
4.一种降低信道估计误差产生系统性能影响的系统，其特征在于，包括：
第一模块，建立三时隙双向多中继系统传输模型，设定采用时分双工模式；
其中利用双向多中继系统，用户U1通过m个工作在半双工模式的放大转发中继节点与用户U2进行信息交互，且用户与中继具有相同的发送功率E；在时隙1时，U1广播调制信号x1给用户U2和中继，U2与中继均处于静默状态；在时隙2时，U2广播调制信号x2给用户U1和中继，U1与中继均处于静默状态；在时隙3时，U1与U2均处于静默状态，中继节点在进行前两个时隙接收信号的合并处理后得到信号x3，i，并将合并的信号广播给U1和U2；
第二模块，分析信号误差，利用基于统计的信道信息的中继端最优功率分配策略，降低误差产生的影响；
该模块将信号广播过程中的信号进行接收处理，通过估计信道和实际信道间的估值计算，分析信道信息中继端最有功率的分配因子值，利用不等式推导出端到端的信干燥比表达式，并得出其上届的分布，同时利用该分布，找出系统平均频谱效率的上届表达式；
第三模块，将经过处理的信号，进行广播传输。
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