一种基于功率分配的分布式天线系统中高能效自适应调制方法与流程

技术领域：
：本发明属于移动通信领域，涉及移动通信系统的物理层传输方案设计，尤其是涉及一种基于功率分配的分布式天线系统中高能效自适应调制方法。
背景技术：
：：随着移动通信技术的不断发展，移动通信设备的数目和用户的数目迅猛增加，移动通信系统所消耗的能源也呈指数型增长。面对全球能源日益紧张的局面，国内外研究机构正不断地寻求有着更高能量效率(ee,energyefficiency)的信息传输技术，“绿色通信”也成为人们广泛关注的话题。找到一种能有效提高系统能量效率的传输技术正成为未来无线通信的趋势。分布式天线系统(das,distributedantennasystem)是一种将多个发送天线布置在小区不同位置的通信系统，系统中的每个发送天线通过光纤、同轴电缆或无线链路与小区的中央处理器相连。研究表明，das解决方案可以提高频谱效率，降低信号传输的成本。相较于传统集中式天线系统，das系统在容量、能耗和覆盖范围方面有着巨大的优势。在相同频谱效率下,分布式天线系统能有效地减少移动台所需的接入距离，即扩大基站的覆盖范围，降低系统发送端的发射功率。分布式天线系统不论在提高系统容量、降低发射功率、提高分集度，还是在减少切换次数，降低中断概率等方面都显出了传统蜂窝系统不可比拟的优势，被认为是传统蜂窝系统的理想替代方案之一。功率分配一直是分布式天线系统的研究热点之一。由于用户到各个发送天线之间的距离不等，因此每个天线到用户之间的信道条件也不一样。为提高能量效率，das系统的天线不一定都用来发送信号给用户，可以有选择的让用户和若干个发送天线进行通信，即根据每个天线到用户的信道情况，分配给每个天线不同的发送功率。这样能提高系统整体的能量效率，减少不必要的功率开销。文献1(xinchen,xiaodongxu,xiaofengtao.energyefficientpowerallocationingeneralizeddistributedantennasystem[j].ieeecommunicationsletters,2012,16(7):1022-1025.)把该问题当作分式规划问题，用一般的优化求解方法得到了一个迭代算法。文献2(heejinkim,sang-rimlee,changicksong,kyoung-jaelee,inkyulee,optimalpowerallocationschemeforenergyefficiencymaximizationindistributedantennasystems[j].ieeetransactionsoncommunications,2015,63(2):431-440.)则利用karush-kuhn-tucker(kkt)条件求得了功率分配问题的闭式形式，并根据朗伯函数给出了闭式解。除了功率分配能提高das系统能效以外，自适应调制(am,adaptivemodulation)也是一种很有效的方法。能效自适应调制能根据系统当前的信道信息条件自适应地改变信号的调制方式，在保证目标误比特率的前提下，最大限度地提高系统的能效。在目前的研究中，很少有直接以能量效率作为优化目标进行自适应调制的系统，自适应调制在大多数时候都用在提高频谱效率方面。因为能效不仅和调制方式有关，也和功率有关。如果仅对调制方式进行自适应而不对功率进行自适应，这和频效自适应没有什么区别。文献3(xiangbinyu,wentingtan,binbinwu,yangli.discrete-rateadaptivemodulationwithvariablethresholdfordistributedantennasysteminthepresenceofimperfectcsi[j].chinacommunications,2014,11(13):31-39.)研究了在不完全信道信息条件下分布式天线系统离散率自适应调制的传输方案及其性能，优化的目标是频谱效率。本专利目标是优化das系统的能量效率，将同时对功率和调制方式进行自适应。功率分配是功率在空间上的自适应，自适应调制是信号调制方式的自适应。因此，本专利所提出的方法是一种能根据当前信道信息自适应地调整各个远程天线的发送功率和信号调制方式的方法。技术实现要素：：为提高分布式天线系统的能量效率，本发明提出一种基于功率分配的分布式天线系统中高能效自适应调制方法，该方法利用各个分布式天线到用户之间的信道增益与噪声功率比，以计算得到系统分配给每个分布式天线的功率和信号所采用的调制方式。本发明所采用的技术方案有：一种基于功率分配的分布式天线系统中高能效自适应调制方法，包括以下步骤：(1)确定备选信号调制方式的集合，在一定的目标误比特率要求下，计算相应的自适应切换门限；(2)获取分布式天线系统中每个远程天线到用户的信道增益与噪声功率比，并按降序排列：建立对应的待优化功率向量：其中nt为远程天线个数；(3)根据步骤(1)中自适应调制的切换门限和步骤(2)中各个远程天线到用户的信道增益与噪声功率比，找出备选信号调制方式集合中可行的调制方式；(4)对于步骤(3)中每个可行的调制方式，分别给出其功率分配方案，并计算相应的能量效率；(5)根据步骤(4)计算得到的能量效率，选出其中最大的一项，其所对应的功率分配方案就是系统采用的功率分配方案，所对应的调制方式就是系统采用的调制方式。进一步地，所述步骤(1)中备选调制方式集合由n种不同的格雷码方式编码的qam调制组成，其对应的切换门限由以下式子得到ρn＝[erfc-1(ber0/an)]2/bn其中ber0是目标误比特率，an和bn是第n个调制方式的参数，n∈{1,2,...,n}。进一步地，所述步骤(3)选择可行调制方式的步骤为：计算其中pmax,i为第i根天线所能分配的最大功率，所有对应切换门限值不大于的调制方式组成可行调制方式集合，如果该集合为空，则系统信号传输中断。进一步地，所述步骤(4)中计算第n种调制方式对应的功率分配步骤为：(a)令m＝1,pm＝pmax,m，如果且m＜nt执行步骤(b)，否则执行步骤(c)；(b)m＝m+1,pm＝pmax,m，如果且m＜nt重复执行步骤(b)，否则执行步骤(c)；(c)(d)各个天线的功率分配为p＝[pmax,1,...pmax,m-1,pm,0,...,0]t；(e)根据步骤(d)得到的功率，计算能量效率其中mn是第n种调制方式对应的信息速率，pc是系统环路功率消耗。本发明具有如下有益效果：本发明能获得能量效率的最大化，通过采用特定的调制方式并给各个远程天线分配特定的功率，使得系统的能量效率尽可能地得到提高。方法计算过程简单，没有复杂的函数计算。对于可行调制方式的判断有效地避免了一些不必要的计算，降低了查找次数。附图说明：图1为本发明实施例的流程图。图2为本发明实施例中分布式天线系统的模型图。图3为实施例的频谱效率图。图4为实施例的能量效率图。具体实施方式：为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的介绍。本发明基于功率分配的分布式天线系统中高能效自适应调制方法中涉及到的硬件装置包括分布在小区不同位置的远程天线、和每个远程天线相连接的中央处理单元(cpu,centralprocessingunit)、小区内接受服务的移动台(ms,mobilestation)。在本实施方式中，如附图2所示，有nt个分散放置在小区内的远程天线，记为rai,i＝1,...,nt。每个远程天线配有1根天线，并通过特定传输通道连接到中央处理单元。小区内移动台(ms)有一根或多个天线。定义hi为第i根远程天线到移动台的信道衰落系数，定义为移动台复高斯白噪声的功率。本发明的一种基于功率分配的分布式天线系统中高能效自适应调制方法，包括以下步骤：步骤1确定备选信号调制方式的集合，计算对应的自适应切换门限。备选调制方式采用n种不同的格雷码方式编码的qam调制。在本实施例中假设为{bpsk,4qam,8qam,16qam,32qam,64qam}。对于第n种调制方式，它在高斯白噪声信道中的误比特率可以近似表示成:其中，参数an和bn在表1中给出。表1bpsk4qam8qam16qam32qam64qaman1/21/25/123/813/407/24bn11/21/61/101/261/42令该近似表达式等于目标误比特率ber0，自适应调制的切换门限可以根据以下式子得到：ρn＝[erfc-1(ber0/an)]2/bn步骤2通过获取每根远程天线到移动台的信道衰落系数和移动台复高斯白噪声的功率，分布式天线系统计算得到每根远程天线到移动台的信道增益与噪声功率比，计算公式如下：其中，hi一般由大尺度衰落和小尺度衰落共同决定，即hi＝giωi。gi表示小尺度衰落，常用的小尺度衰落模型有瑞利衰落和赖斯衰落等。ωi表示大尺度衰落，一般包括路径损耗和阴影衰落。分布式天线系统的信号处理单元将每根远程天线到移动台的信道增益与噪声功率比按降序排列：信号处理单元建立一个待优化的功率分配向量其中pi和γi按顺序一一对应。步骤3从备选调制方式集合中选出可行的调制方式。并不是所有调制方式都适合在当前信道条件下采用，一些不合适的调制方式可以在事先就排除掉。已知各个远程天线到接收端的信道增益与噪声比γi，整个系统所能取得的最大信噪比为此时所有远程天线功率都达到其最大功率pmax,i。所有门限值大于的调制方式都可以被排除，因为系统在当前信道条件下是不可能达到那么大的信噪比的。假如所有调制方式的门限值都大于这就说明没有合适的调制方式，系统信号传输就中断。步骤4对于步骤3中每个可行的调制方式，分别给出其功率分配方案，并计算对应的能量效率。das系统在采用第n种调制方式时的能效优化问题可以写成：0≤p≤pmax,i其中，pc为系统的环路功率消耗，mn表示当前系统所采用调制方式的信息速率。通过拉格朗日乘数法，可以证明最优功率分配一定满足以下两个条件：p＝[pmax,1,...,pmax,k-1,pk,0,...,0]t为了获得满足以上两个条件的功率分配，可以用一种迭代计算的方法，步骤如下：(a)令m＝1,pm＝pmax,m，如果且m＜nt执行步骤(b)，否则执行步骤(c)；(b)m＝m+1,pm＝pmax,m，如果且m＜nt重复执行步骤(b)，否则执行步骤(c)；(c)(d)各个天线的功率分配为p＝[pmax,1,...pmax,m-1,pm,0,...,0]t；(e)根据步骤(d)得到的功率，计算能量效率ηee。步骤5根据步骤4得到的多种调制方式下的功率分配和能量效率，系统选出能量效率最大的那一组。其所对应的调制方式即为系统采用的调制方式，所对应的功率分配为系统采用的功率分配。为了说明本发明算法的技术进步性，通过matlab平台模拟仿真，来获得本发明在不同最大发送功率限制和不同目标误比特率条件下的频谱效率和能量效率，如图3和图4所示。仿真中为便于分析，设置每个远程天线的最大发送功率都等于一个特定值pmax。附图3中给出了分布式天线系统在不同pmax和不同目标误比特率ber0下的频谱效率值。仿真结果表明本发明所提出的方法能够有效地根据系统当前的条件自适应地调整信号的调制方式。可以看到随着pmax的增大，系统会采用更高阶的调制方式，从而使系统的频谱效率增大。在当前目标误比特率变小时，系统频谱效率也随之变小。这是因为目标误比特率越低，对系统误比特率性能要求越高，系统会采用较低阶的调制方式来降低误比特率。附图4中给出了分布式天线系统在不同pmax和不同目标误比特率下的能量效率值。仿真结果表明本发明所提出的方法能够有效地根据系统当前的条件自适应地调整天线功率和调制方式。可以看到随着pmax的增大，系统会采用更高阶的调制方式，所能采用的功率分配组合也更加的优化，从而使系统的能量效率增大。在当前目标误比特率变小时，系统能量效率也随之变小。这是因为目标误比特率越低，对系统误比特率性能要求越高，系统会采用较低阶的调制方式和较保守的功率分配组合来降低误比特率。综上所述，本发明提出的方法能有效地获得使能量效率达到最大的最优调制方式和功率分配，同时方法实现的步骤简单，没有复杂的函数计算，只有基本的加减乘除运算，算法效率能够得到保证。这充分说明了本发明提出的一种基于功率分配的分布式天线系统中高能效自适应调制方法的有效性。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
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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。当前第1页12