CN112218361B - 一种基于数字调制的ir-harq功率分配算法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种基于数字调制的IR‑HARQ功率分配算法，其中包括基于数字调制时信道互信息的计算、最大化调制互信息策略、MMSE的近似表达式、混合传输策略及其阈值等；本发明在已知发射端反馈的信道状态信息情况下，利用凸优化和基于数字调制的IR‑HARQ链路中MMSE及其近似表达式，采用最大化调制互信息策略和逆信道传输策略相结合的混合传输策略，设置阈值自适应调节功率分配，优化链路的平均数据吞吐率，在有限的传输次数内可以快速逼近数字调制的速率上限，从而得到较优的数据吞吐率。

Description

一种基于数字调制的IR-HARQ功率分配算法
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种基于数字调制的IR-HARQ功率分配算法。
背景技术
混合自动重传请求(Hybrid Automatic Repeat reQuest，IR-HARQ)，是一种将前向纠错编码(FEC)和自动重传请求(ARQ)相结合而形成的技术。即在接收端使用FEC技术纠正所有错误中能够纠正的那一部分，然后通过错误检测判断不能纠正错误的数据包，最后丢弃不能纠错的数据包，向发射端请求重新发送相同的数据包。
现有技术中考虑的是理想信道编码和不使用数字调制情况下优化IR-HARQ传输链路中的平均数据吞吐率。虽然也能得到较好的性能结果，但是实际应用中使用数字调制是不可避免的。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种基于数字调制的IR-HARQ功率分配算法，在已知发射端反馈的信道状态信息情况下，利用凸优化和基于数字调制的IR-HARQ链路中MMSE及其近似表达，采用最大化调制互信息策略和逆信道传输策略相结合的混合传输策略，设置阈值自适应调节功率分配，优化链路的平均数据吞吐率，在有限的传输次数内可以快速逼近数字调制的速率上限。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于数字调制的IR-HARQ功率分配算法，具体包括以下步骤：
步骤S1、计算基于数字调制的IR-HARQ链路中的互信息；
步骤S2、计算链路中的平均吞吐率；
步骤S3、采用混合传输策略进行功率分配。
优选地，所述步骤S1包括：
步骤S1.1、建立系统模型，假设在第k次传输时，接收端的离散信号为：
yk＝gkhkxk+wk,
其中，xk为发射信号，yk为接收信号，wk为加性高斯白噪声，hk为当前传输回合的信道增益，gk为第k次传输时的发射功率；
步骤S1.2、在M进制调制方案下，星座图中的样点用Sl表示，且发送到信道的概率相等，接收端的信噪比用ρ表示，在高斯信道条件下，对于等概率多进制调制信号，信道的互信息表示为：
Figure GDA0003301739490000021
步骤S1.3、对互信息进行求导，可以得到
Figure GDA0003301739490000022
步骤S1.4、用MMSE表示数字调制的IR-HARQ链路中的互信息导数为：
Figure GDA0003301739490000023
优选地，所述步骤S2包括：
步骤S2.1、设置IR-HARQ传输链路的初始速率为R0，进行的重传次数为LM，τ为IR-HARQ尝试发送当前信息所消耗次数的随机变量，pe(k)为错误解码导致的误码率；
步骤S2.2、运用大数定理可以得到平均数据吞吐量η为：
Figure GDA0003301739490000024
步骤S2.3、考虑对时延不敏感的情况，即考虑LM为无穷，进一步可以得到IR-HARQ链路实际吞吐率为：
Figure GDA0003301739490000025
优选地，所述步骤S3包括：
步骤S3.1、在基于数字调制的IR-HARQ链路过程中，一旦累积的互信息超过门限R0，则能够成功解码；将
Figure GDA0003301739490000026
定义为IR-HARQ链路中的互信息，并且在每个传输过程中都最大化调制互信息，同时用逆信道策略来弥补最大化调制互信息策略的不足；
步骤S3.2、将最大化调制互信息策略描述成以下优化问题；
Figure GDA0003301739490000027
s.t.gk(αk)≥0
∫gk(αk)p(αk)dαk≤PA
T(gkαk)≤Rk
步骤S3.3、运用凸优化对上述优化问题进行求解，得到如下解；
Figure GDA0003301739490000031
步骤S3.4、在瑞利衰落信道条件下，信道增益的概率密度函数p(α)＝e-α，传输过程中信道互信息可以表示为
Figure GDA0003301739490000032
且互信息T与初始速率R为相关函数，因此可以得到逆信道传输策略
Figure GDA0003301739490000033
步骤S3.5、设定一个阈值X，当剩余待传信息小于阈值时进行逆信道传输策略(S3.4)，否则正常使用最大化调制互信息策略(S 3.2)。
本发明所述的一种基于数字调制的IR-HARQ功率分配算法，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明提出了数字调制的要求，调制互信息有上限，因此提出了最大化调制互信息策略；
2、本发明提出了适用基于数字调制的IR-HARQ传输链路的功率分配策略，即最大化调制互信息策略和逆信道传输策略相结合的混合传输策略；
3、本发明在已知发射端反馈的信道状态信息情况下，利用凸优化和基于数字调制的IR-HARQ链路中MMSE及其近似表达，设置阈值自适应调节功率分配，以提高传输过程中数据吞吐率为目的设计功率分配方案；本发明在有限的传输次数内可以快速逼近数字调制的速率上限，得到较优的数据吞吐率。
附图说明
图1是本发明带调制IR-HARQ链路的结构框图；
图2是本发明功率分配结合链路自适应机制的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。
一种基于数字调制的IR-HARQ功率分配算法，具体包括以下步骤：
步骤S1、计算基于数字调制的IR-HARQ链路中的互信息；
步骤S2、计算链路中的平均吞吐率；
步骤S3、采用混合传输策略进行功率分配。
具体的，所述步骤S1包括：
步骤S1.1、建立系统模型，假设在第k次传输时，接收端的离散信号为：
yk＝gkhkxk+wk,
其中，xk为发射信号，yk为接收信号，wk为加性高斯白噪声，hk为当前传输回合的信道增益，gk为第k次传输时的发射功率；
步骤S1.2、在M进制调制方案下，星座图中的样点用Sl表示，且发送到信道的概率相等，接收端的信噪比用ρ表示，在高斯信道条件下，对于等概率多进制信号，信道的互信息表示为：
Figure GDA0003301739490000041
步骤S1.3、对互信息进行求导，可以得到
Figure GDA0003301739490000042
步骤S1.4、用MMSE函数表示数字调制的IR-HARQ链路中的互信息导数为：
Figure GDA0003301739490000043
具体的，所述步骤S2包括：
步骤S2.1、设置IR-HARQ传输链路的初始速率为R0，进行的重传次数为LM，τ为IR-HARQ尝试发送当前信息所消耗次数的随机变量，pe(k)为错误解码导致的误码率；
步骤S2.2、运用大数定理可以得到平均数据吞吐量η为：
Figure GDA0003301739490000044
步骤S2.3、考虑对时延不敏感的情况，即考虑LM为无穷，进一步可以得到IR-HARQ链路实际吞吐率为：
Figure GDA0003301739490000045
具体的，所述步骤S3包括：
步骤S3.1、在基于数字调制的IR-HARQ链路过程中，一旦累积的互信息超过门限R0，则能够成功解码；将
Figure GDA0003301739490000046
定义为IR-HARQ链路中的互信息，并且在每个传输过程中都最大化调制互信息，同时用逆信道策略来弥补最大化调制互信息策略的不足；
步骤S3.2、将最大化调制互信息策略描述成以下优化问题；
Figure GDA0003301739490000051
s.t.gk(αk)≥0
∫gk(αk)p(αk)dαk≤PA
T(gkαk)≤Rk
步骤S3.3、运用凸优化对上述优化问题进行求解，得到如下解；
Figure GDA0003301739490000052
步骤S3.4、在瑞利衰落信道条件下，信道增益的概率密度函数p(α)＝e-α，传输过程中信道互信息可以表示为
Figure GDA0003301739490000053
且互信息T与初始速率R为相关函数，因此可以得到逆信道传输策略
Figure GDA0003301739490000054
步骤S3.5、设定一个阈值X，当剩余待传信息小于阈值时进行逆信道传输策略，否则正常使用最大化调制互信息策略。其次，在采用最大化调制互信息策略过程中，也设定一个阈值Y，该阈值Y应大于之前设定的阈值X，当实时剩余待传信息小于阈值时，也直接采用逆信道策略进行传输。
本实施例中，上述
Figure GDA0003301739490000055
就是所使用的一种基于数字调制的IR-HARQ传输链路的功率分配算法的具体表达，可以解释为低信噪比区域中的最大化增量互信息方法和高信噪比时逆信道组合。其中，
Figure GDA0003301739490000056
是最大化增量互信息区域，而
Figure GDA0003301739490000057
是逆信道区域。当信道条件良好时，分配必要的功率以完全补偿信道衰落，并且成功传递信息；否则使用最大化调制互信息法以达到最佳的平均吞吐率。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (1)

1.一种基于数字调制的IR-HARQ功率分配算法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤S1、计算基于数字调制的IR-HARQ链路中的互信息；
步骤S2、计算链路中的平均吞吐率；
步骤S3、采用混合传输策略进行功率分配；
所述步骤S1包括：
步骤S1.1、建立系统模型，假设在第k次传输时，接收端的离散信号为：
yk＝gkhkxk+wk，
其中，xk为发射信号，yk为接收信号，wk为加性高斯白噪声，hk为当前传输回合的信道增益，gk为第k次传输时的发射功率；
步骤S1.2、在M进制调制方案下，星座图中的样点用Sl表示，且发送到信道的概率相等，接收端的信噪比用ρ表示，在高斯信道条件下，对于等概率多进制调制信号，信道的互信息表示为：
Figure FDA0003301739480000011
步骤S1.3、对互信息进行求导，可以得到
Figure FDA0003301739480000012
步骤S1.4、用MMSE表示数字调制的IR-HARQ链路中的互信息导数为：
Figure FDA0003301739480000013
所述步骤S2包括：
步骤S2.1、设置IR-HARQ传输链路的初始速率为R0，进行的重传次数为LM，τ为IR-HARQ尝试发送当前信息所消耗次数的随机变量，pe(k)为错误解码导致的误码率；
步骤S2.2、运用大数定理可以得到平均数据吞吐量η为：
Figure FDA0003301739480000014
步骤S2.3、考虑对时延不敏感的情况，即考虑LM为无穷，进一步可以得到IR-HARQ链路实际吞吐率为：
Figure FDA0003301739480000015
所述步骤S3包括：
步骤S3.1、在基于数字调制的IR-HARQ链路过程中，一旦累积的互信息超过门限R0，则能够成功解码；将
Figure FDA0003301739480000021
定义为IR-HARQ链路中的互信息，并且在每个传输过程中都最大化调制互信息，同时用逆信道策略来弥补最大化调制互信息策略的不足；
步骤S3.2、将最大化调制互信息策略描述成以下优化问题；
Figure FDA0003301739480000022
s.t.gk(αk)≥0
∫gk(αk)p(αk)dαk≤PA
T(gkαk)≤Rk
步骤S3.3、运用凸优化对上述优化问题进行求解，得到如下解；
Figure FDA0003301739480000023
步骤S3.4、在瑞利衰落信道条件下，信道增益的概率密度函数p(α)＝e-α，传输过程中信道互信息可以表示为
Figure FDA0003301739480000024
且互信息T与初始速率R为相关函数，因此可以得到逆信道传输策略
Figure FDA0003301739480000025
步骤S3.5、设定一个阈值X，当剩余待传信息小于阈值时进行逆信道传输策略(S3.4)，否则正常使用最大化调制互信息策略(S3.2)。
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