CN112636792A - 一种基于空间调制的无人机中继系统的性能分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空间调制的无人机中继系统的性能分析方法,针对基于空间调制的无人机中继系统,建立了该系统在无直达链路条件下经历莱斯信道的系统模型;根据联合界的定义,将系统的误比特率分成三种不同的错误情况,并根据信道信息的概率密度函数以及累积分布函数,给出了系统误比特率联合界的计算方法,且进一步给出了系统在高信噪比下的近似误比特率联合界的计算方法;根据系统在高信噪比下的近似误比特率联合界,给出系统的分集度;经仿真验证,本发明所提出的性能分析方法可以有效的评估该系统的误比特率性能。
Description
技术领域:
本发明涉及移动通信系统的性能分析方法,尤其涉及一种基于空间调制的无人机中继系统的性能分析方法,其属于移动通信领域。
背景技术:
随着通信需求的不断增长,第五代(Fifth Generation,5G)和超五代(BeyondFifth Generation,B5G)移动通信系统力求在拥挤的区域里提供更高的数据传输速率和服务质量,同时提高覆盖率并减少现有网络的盲点。为了满足上述要求,无人机技术的研究成为热点,它移动的可控性和部署的灵活性使它成为物联网的重要组成部分。除了无人机技术之外,多输入多输出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)技术同样也可以满足无线通信高数据速率传输的要求,其中空间调制技术在发送端配置多天线,但是每个时隙只激活一根天线,因此克服了信道间干扰,并且通过天线序号的选择可以“隐形”地传输信息,提升传输速率并增大信道容量。将无人机中继和空间调制技术相结合,就可以使系统兼备无人机技术和空间调制技术的优点,使系统能灵活有效地进行高容量的远距离传输。
性能分析一直是通信系统研究的重要方面,通过对性能指标的分析可以定量地描述系统的性能,还能通过数学关系范围分析影响系统性能的关键因素,为系统的实际应用提供了理论的支持。
综上,现有的研究中还没有将无人机和空间调制技术结合的先例,且未提出在莱斯信道下基于空间调制的无人机中继系统的性能分析方法。由于这类系统的有效信噪比是与系统参数有关的变量,其概率密度函数难以求解,所以现有的研究均没有给出分析方法,而本发明解决了这个问题,并通过仿真验证了分析方法的正确性和有效性。
发明内容:
为了更准确地分析基于空间调制的无人机中继系统的性能,本发明考虑了联合界作为系统误比特率性能分析的理论基准,并提供了一种基于空间调制的无人机中继系统的性能分析方法。
本发明所采用的技术方案有:一种基于空间调制的无人机中继系统的性能分析方法,步骤如下:
步骤一:建立基于空间调制的无人机中继系统模型,由源端、目的端和一个单天线的无人机中继组成,源端和目的端的天线数分别为Ns和Nd,源端通过无人机中继的放大转发向目的端发送信号,源端和目的端之间无直达链路,系统采用M阶正交幅度调制,对源端进行空间调制,信号在无直达链路的莱斯信道下传输;
步骤二:根据联合界的定义,将错误情况分成三部分:天线序号判对且星座序号判错的误比特率联合界表示为ABEPsignal,天线序号判错且星座序号判对的误比特率联合界表示为ABEPspatial,天线序号星座序号全部判错的误比特率联合界表示为ABEPjoint,三种错误情况的误比特率联合界的计算方法ABEP=ABEPsignal+ABEPspatial+ABEPjoint;
步骤三:根据步骤二计算得到的三种错误情况的误比特率联合界的计算方法,进一步给出三种错误情况的在高信噪比条件下的近似误比特率联合界,并根据近似误比特率联合界给出系统的分集增益Gd。
本发明具有如下有益效果:本发明在信道建模时考虑了在无人机中继系统中无人机的高度和源端与目的端的距离,更符合实际应用的场景,从而使信道模型更加完善,由此得到的分析结果也更具有实用性;本发明还给出了基于空间调制的无人机中继系统在莱斯信道下的误比特率联合界,为系统的性能评估提供了必要条件,由此在实际应用中,研究人员可以通过给出的误比特率联合界对系统的误比特率指标进行有效评估从而避免了大量的仿真,节约了时间成本。
附图说明:
图1为本发明基于空间调制的无人机中继系统的性能分析方法示意图。
图2为本发明基于空间调制的无人机中继系统的模型图。
图3为本发明发送天线和接收天线数量变化时系统性能的理论值与仿真值的曲线图。
图4为本发明发送天线和接收天线数量变化时系统性能的理论值与近似值的曲线图。
图5为本发明固定发送天线和接收天线数量,调制阶数变化时系统性能的理论值与仿真值的曲线图。
具体实施方式:
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
一、系统模型
本发明基于空间调制的无人机中继系统模型如图2所示,该系统由一个源端,一个目的端和一个单天线的无人机中继组成,源端和目的端的天线数分别为Ns和Nd。源端通过无人机中继进行固定增益放大转发,源端和目的端之间没有直达链路。系统采用M阶正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM),对源端进行空间调制,信号在无直达链路的莱斯信道下传输。根据空间调制的原理,对源端进行空间调制,信号在无直达链路的莱斯信道下传输在每一个传输时隙中,源端只激活一根天线向中继发送信号在莱斯信道下传输,信道矩阵可以分解成两部分
系统中莱斯信道的K因子定义为其中表示端点i和之间的仰角,κA和κB取决于环境和发送频率。无人机高度记为H,可计算端点i和之间的仰角为路径损耗系数其中表示端点之间的直线距离,d0表示参考距离,表示路径损耗指数,满足
二、系统的信号处理与分析过程
根据空间调制的特性,可以将无人机中继端的接收信号展开为
同样将目的端的接收信号展开可得
利用最小欧氏距离准则对源端发送的信号信息进行检测。
三、系统的平均误比特率联合界的计算方法
1、错误情况1:天线序号判对且星座序号判错
这里假设激活天线序号已知,此时有效信噪比为
γd=γsrγrd/(γrd+G) (31)
在高斯信道条件下,M-QAM调制的误比特率为
其中erfc(·)是误差函数,系数l,αl,βl均与调制方式有关。利用高斯拉盖尔积分,激活天线序号已知前提下系统误比特率为
其中Qm(·,·)为Marcum-Q函数且有
2、错误情况2和3:天线序号判错且星座序号判对和天线序号星座序号全部判错。
两种错误情况成对错误概率为
其中下标k=2(3)分别表示第二种和第三种错误情况,因此错误情况2和3的误比特率联合界ABEPspatial(joint)为
其中N(x1→x2)表示符号x1判成x2的误比特数。
天线序号判错且星座序号判对情况下
天线序号和星座序号全部判错情况下
其中:
3、系统平均误比特率的联合界
根据三种错误情况,系统的平均误比特率联合界为
ABEP=ABEPsignal+ABEPspatial+ABEPjoint (40)
现考虑无人机高度H=15m,无人机与源端之间的距离为100m,无人机与目的端之间的距离为250m,参考距离为200m,其中常数参数分别为αL=2,αN=3.5,ω1=0.28,ω2=9.61,κA=1,κB=10,源端和无人机中继考虑等功率分配,即Ps=Pr=P/2。固定发送天线数为2,当接收天线数目改变时,系统误比特率联合界性能如图3所示,系统近似误比特率联合界性能如图4所示,从图中可以看出,在不同条件下,理论值始终是仿真结果的上界且在高信噪比下重合,近似值在高信噪比条件下与理论值重合;固定发送天线数为2,接收天线数为8,改变调制阶数,系统误比特率性能如图5所示,当发送天线数目M增加时,理论曲线的紧致性会变差,但仍然能较好地评估系统性能。
四、系统近似误比特率联合界和分集度的计算方法
1、错误情况1:天线序号判对且星座序号判错。激活天线序号已知条件下系统近似误比特率为
其中有
其中1F1(·,·;·)为Kummer函数。错误情况1的近似误比特率联合界为
2、同时考虑错误情况2和3:天线序号判错且星座序号判对和天线序号和星座序号全部判错。近似成对错误概率为
其中下标k=2(3)分别表示第二种和第三种错误情况
错误情况2和3的近似误比特率联合界为
3、在信噪比较大时,系统近似平均误比特率联合界为
系统分集度的定义式为
代入结果可得系统的分集度Gd=1,从仿真结果中也可以得到验证。
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作出若干改进,这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于空间调制的无人机中继系统的性能分析方法,其特征在于:步骤如下:
步骤一:建立基于空间调制的无人机中继系统模型,由源端、目的端和一个单天线的无人机中继组成,源端和目的端的天线数分别为Ns和Nd,源端通过无人机中继的放大转发向目的端发送信号,源端和目的端之间无直达链路,系统采用M阶正交幅度调制,对源端进行空间调制,信号在无直达链路的莱斯信道下传输;
步骤二:根据联合界的定义,将错误情况分成三部分:天线序号判对且星座序号判错的误比特率联合界表示为ABEPsignal,天线序号判错且星座序号判对的误比特率联合界表示为ABEPspatial,天线序号星座序号全部判错的误比特率联合界表示为ABEPjoint,三种错误情况的误比特率联合界的计算方法ABEP=ABEPsignal+ABEPspatial+ABEPjoint;
步骤三:根据步骤二计算得到的三种错误情况的误比特率联合界的计算方法,进一步给出三种错误情况的在高信噪比条件下的近似误比特率联合界,并根据近似误比特率联合界给出系统的分集增益Gd。
2.如权利要求1所述的基于空间调制的无人机中继系统的性能分析方法,其特征在于:步骤一中:
对源端进行空间调制,信号在无直达链路的莱斯信道下传输在每一个传输时隙中,信道矩阵分解成两部分
系统中莱斯信道的K因子定义为其中表示端点ι和之间的仰角,κA和κB取决于环境和发送频率,无人机高度记为H,计算出端点ι和之间的仰角为路径损耗系数其中表示端点之间的直线距离,d0表示参考距离,表示路径损耗指数,满足
3.如权利要求2所述的基于空间调制的无人机中继系统的性能分析方法,其特征在于:步骤二中:
1、错误情况1:天线序号判对且星座序号判错
此时有效信噪比为
γd=γsrγrd/(γrd+G) (5)
在高斯信道条件下,M-QAM调制的误比特率为
其中erfc(·)是误差函数,系数l,αl,βl均与调制方式有关,利用高斯拉盖尔积分,激活天线序号已知前提下系统误比特率为
其中Qm(·,·)为Marcum-Q函数且有
2、错误情况2和3:天线序号判错且星座序号判对和天线序号星座序号全部判错,两种错误情况成对错误概率为
其中下标k=2(3)分别表示第二种和第三种错误情况,因此错误情况2和3的误比特率联合界ABEPspatial(joint)为
其中N(x1→x2)表示符号x1判成x2的误比特数,天线序号判错且星座序号判对情况下
天线序号和星座序号全部判错情况下
其中:
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