基于分布式60GHz室内通信系统的BER分析方法与流程

本发明涉及数字通信技术领域，具体涉及一种基于分布式60ghz室内通信系统的ber分析方法。

背景技术：

随着对短距离高速无线通信需求的日益增长，毫米波通信(60ghz)成为目前的研究热点。与其它短距离无线通信相比，60ghz频段d毫米波(mmw)具有7ghz不用许可的工作带宽，只需简单的信号调制格式就可以提供gbps数量级的高数据传输。然而大气中的水和氧气对60ghz无线电波吸收严重，毫米波在自由空间中传输距离短，只适合短距离通信。其次，60ghz频率很高，波长较短，对收发设备之间位置移动特别敏感，需采用多天线系统才能正常工作。分布式天线系统(das)运用多天线技术，能够有效减少发射功率、增加信道容量、减小传输误码率和覆盖通信死点。作为未来无线通信的开放式架构，工作于毫米波频段的分布式天线系统已经越来越多的被应用到室内无线通信网络中。

现有的文献对分布式60ghz室内通信系统进行了研究。文献1(周游，胡宗福等，60ghz室内天线位置优化与天线选择策略[j].通信技术，2012,45(10):1-5.)分析了60ghz多天线系统在不同链路条件下的信道条件数关系，提出了一种基于信道条件数的天线选择策略。文献2(耿绥燕，刘盛尧，洪伟等.室内60ghz毫米波无线信道参数及其相关性研究[j].电波科学学报，2015,30(4):808-813)利用信道参数的相关特性可从一个参数来预测另一个参数，为60ghz无线通信系统的设计提供有用信息。上述研究对信道建模和天线选择方案提供了分析方法，但是缺少对系统的性能分析，也没能给出相应的评估方法。专利1(分布式天线系统和分布式天线信号处理方法及装置，cn201510834379.0，2015)解决了分布式天线系统成本高的技术问题，为60ghz频段的应用提供了有利的条件，但并未对高频段系统传输机制进行设计分析。专利2(一种60ghz室内场景下mimo系统信道估计方法及装置，cn201610076606，2016)提出了一种信道估计选择算法，简化了原有信道估计方法的复杂度，但缺少对系统收发端设计方案。专利3(远程分布式天线系统，cn201480030493.1，2014)提供了将一个或多个微小区的输出频移到60ghz以便传输到分布式天线集的分布式天线系统，该系统仅适用于微小区中，无法满足多种情况。随着60ghz通信系统的发展，现有文献的研究内容将不能满足实际需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供基于分布式60ghz室内通信系统的ber(误比特率)分析方法，根据60ghz室内通信系统的复合信道模型，并利用数值积分公式计算平均ber的近似闭式表达式，通过该闭式表达式可以较好的评估60ghz室内通信天线系统的ber性能。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于分布式60ghz室内通信系统的ber分析方法，其特征是，包含以下步骤：

s1、采用若干根远程发射天线搭建分布式60ghz系统模型；根据搭建的分布式60ghz系统模型构造复合信道衰落模型，该模型中的小尺度衰落信道服从nakagami-m分布，大尺度衰落信道由路径损耗和阴影衰落两部分组成；

s2、根据复合信道衰落模型，结合每根发射天线对应的有效信噪比求得每根发射天线对应的累积分布函数；

s3、采用天线选择算法，选取信噪比最大的发射天线来发送信号，结合该发射天线对应的累积分布函数，求得该发射天线对应的有效信噪比的累积分布函数；

s4、根据噪比最大的发射天线对应有效信噪比的累积分布函数，利用加性高斯白噪声信道下精确m-qam调制方式的ber公式，计算分布式60ghz系统的平均ber。

上述的基于分布式60ghz室内通信系统的ber分析方法，其中，所述的步骤s1具体包含：

s11、在室内单元搭建分布式60ghz系统模型：

将nt根远程发射天线rai(i＝1,2,....,nt)分布式随机放置在室内的不同位置上，每根天线分别与室内的中央处理器相连；

移动终端装备有nr根接收天线，第i根远程发射天线rai发射信号，移动终端的接收信号为：

其中，yi＝[yi(1),....,yi(nr)]^t为移动终端的接收信号矩阵,yi(j)表示移动终端第j根接收天线的接收信号(j＝1～nr)，pt为发射功率，hi(j)为第i根远程天线rai和移动终端第j根接收天线的复合信道系数；x为第i根远程天线rai发送的信号且能量归一化为1；噪声矩阵zi服从均值为0方差为n0的复高斯分布；

s12、根据搭建的分布式60ghz系统模型，建立复合衰落信道模型：

式中，gi(j)为第i根远程天线rai和移动终端第j根接收天线之间的小尺度快衰落；si和gi分别表示第i根远程天线rai和移动终端之间的阴影衰落和路径损耗。

上述的基于分布式60ghz室内通信系统的ber分析方法，其中，所述的步骤s2具体包含：

s21、根据建立的复合信道衰落模型，得到第i根远程天线rai和移动终端之间的有效信噪比：

其中，ωi＝ptgisi/n0；γi(j)为信道矢量中第i根发射天线与第j根接收天线之间的信道；

s22、利用数值分析方法，得到各远程天线对应的有效信噪比的累积分布函数：

其中，表示(a-ηi)阶的修正贝塞尔函数，m为nakagami-m分布的参数。

上述的基于分布式60ghz室内通信系统的ber分析方法，其中，所述的步骤s3具体包含：

s31、采用天线选择技术，选取信噪比γi最大的远程天线来发送信号，确立远程发送天线；

s32、根据步骤s22得到的各远程天线对应的有效信噪比的累积分布函数，得到最大信噪比γmax所对应远程天线的累积分布函数

上述的基于分布式60ghz室内通信系统的ber分析方法，其中，所述的步骤s4具体包含：

选择具有星座图尺寸为m的调制方式，在加性高斯白噪声信道下，精确m-qam调制方式的ber公式为：

其中，erfc(·)为互补误差函数，是与调制方式有关的系数，利用高斯拉盖尔函数，得到分布式60ghz室内通信系统的ber：

其中，xn和ωn分别为n阶laguerre多项式的基点和权值。

本发明与现有技术相比具有以下优点：根据60ghz室内通信系统的复合信道模型，并利用数值积分公式计算平均ber的近似闭式表达式，通过该闭式表达式可以较好的评估60ghz室内通信天线系统的ber性能。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的实施例中的分布式60ghz室内通信模型；

图3为本发明的实施例中的分布式60ghz室内通信系统原理图；

图4为本发明的实施例中的分布式60ghz室内通信系统平均ber。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，本发明提出了一种基于分布式60ghz室内通信系统的ber分析方法，包含以下步骤：

s1、采用若干根远程发射天线搭建分布式60ghz系统模型；根据搭建的分布式60ghz系统模型构造复合信道衰落模型，该模型中的小尺度衰落信道服从nakagami-m分布，大尺度衰落信道由路径损耗和阴影衰落两部分组成；

s2、根据复合信道衰落模型，结合每根发射天线对应的有效信噪比求得每根发射天线对应的累积分布函数；

s3、采用天线选择算法，选取信噪比最大的发射天线来发送信号，结合该发射天线对应的累积分布函数，求得该发射天线对应的有效信噪比的累积分布函数；

s4、根据噪比最大的发射天线对应有效信噪比的累积分布函数，利用加性高斯白噪声信道下精确m-qam调制方式的ber公式，计算分布式60ghz系统的平均ber。

所述的步骤s1具体包含：

s11、如图2所示，在室内单元搭建分布式60ghz系统模型，具体的，所述室内单元建模为一个随机分布的区域：

将nt根远程发射天线rai(i＝1,2,....,nt)分布式随机放置在室内的不同位置上，每根天线分别通过光前或同轴电缆与室内的中央处理器相连；

移动终端装备有nr根接收天线，第i根远程发射天线rai发射信号，移动终端的接收信号为：

其中，yi＝[yi(1),....,yi(nr)]^t为移动终端的接收信号矩阵,yi(j)表示移动终端第j根接收天线的接收信号(j＝1～nr)，pt为发射功率，hi(j)为第i根远程天线rai和移动终端第j根接收天线的复合信道系数；x为第i根远程天线rai发送的信号且能量归一化为1；噪声矩阵zi的每一个元素(即第i根发射天线与移动终端接收天线之间的噪声)服从均值为0方差为n0的复高斯分布。

s12、根据搭建的分布式60ghz系统模型，建立复合衰落信道模型：

式中，gi(j)为第i根远程天线rai和移动终端第j根接收天线之间的小尺度快衰落，服从nakagami-m分布；si和gi分别表示第i根远程天线rai和移动终端之间的阴影衰落和路径损耗，其中路径损耗表示为：

其中,βi表示第i根远程天线rai的路径损耗指数，d0为天线远场的参考距离，di为第i根远程天线rai和mt之间的距离，天线远场为路径损耗模型中在室内环境下的一个参考距离。

阴影衰落服从对数正太分布，其概率密度函数表示为：

其中，σi(db)是10lg(si)的标准差，ξ＝10/ln10。根据以上分析，通过最大比合并后得到移动终端接收天线的输出信噪比其中ωi＝ptgisi/n0。输出信噪比对应的累积分布函数为：

其中m为nakagami-m分布的参数μi＝10lg(ptgi/n0)。由于公式(3)无法直接得到闭式解，利用gamma分布可以将对数正态分布进行转换，可以达到简化计算的目的。gamma分布为：

其中，ηi为方差，χi为均值。利用公式变换方法，可将公式(5)转为：

其中，μi＝ξ[lnχi+ψ(ηi)]，表示(a-ηi)阶的修正贝塞尔函数。

所述的步骤s2具体包含：

s21、根据建立的复合信道衰落模型，得到第i根远程天线rai和移动终端之间的有效信噪比：

其中，ωi＝ptgisi/n0；γi(j)为信道矢量中第i根发射天线与第j根接收天线之间的信道；

s22、利用数值分析方法，得到各远程天线对应的有效信噪比的累积分布函数：

其中，表示(a-ηi)阶的修正贝塞尔函数，m为nakagami-m分布的参数。

所述的步骤s3具体包含：

s31、如图3所示，是分布式60ghz室内通信系统传输原理图，图中展示的从发射到接收是整个系统的数据传输流程，本系统发送端根据反馈的信道信息选择信道条件较好的天线来传输信号，即采用天线选择技术，选取信噪比γi最大的远程天线来发送信号，确立远程发送天线，以获得信噪比最大化，因此天线的选择准则为：

s32、由于信噪比γi之间相互独立，根据步骤s22得到的各远程天线对应的有效信噪比的累积分布函数，得到最大信噪比γmax所对应远程天线的累积分布函数cdf：

所述的步骤s4具体包含：

选择具有星座图尺寸为mn的调制方式，在加性高斯白噪声(awgn)信道下，精确m-qam调制方式的ber公式为：

其中，erfc(·)为互补误差函数，是与调制方式有关的系数，本实施例中采用的是bpsk调制，那么就是bpsk调制在高斯信道下对应的值，根据接收信号有效信噪比的累积分布函数可以将系统ber表示为：

利用高斯拉盖尔函数，得到分布式60ghz室内通信系统的ber：

其中，xn和ωn分别为n阶laguerre多项式的基点和权值。代入公式(7)，将公式(14)转换为：

由此，得到了分布式60ghz系统中的平均ber，在该方法的设计中，同时考虑了大尺度衰落和小尺度衰落对系统的影响，因此，本发明给出的ber分析方法较好的环境适应性，可以为60ghz室内系统的性能评估提供有效的计算方法。

利用matlab仿真平台对本发明提出的基于分布式60ghz室内通信系统的ber分析方法进行验证，实验结果充分证明了本发明的有效性，也体现了本发明的优点。

图4给出了分布式60ghz室内通信系统中平均ber的性能评估。由图可知，随着信噪比增加，ber相应的减小，性能有效提升，同时当m增加时，也带来性能提升，所得结论与现有的研究理论一致。可见，本发明提出的ber性能计算方法可以有效评估分布式60ghz室内通信系统的性能，这充分证明了本发明提出的ber评估方法的有效性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。