一种基于链路自适应的分布式天线系统跨层设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于移动通信领域，涉及移动通信的跨层设计方法，特别是涉及一种基于 链路自适应的分布式天线系统跨层设计方法。
【背景技术】
[0002] 分布式天线系统（PAS)是当前公共无线接入网络的一种新结构，它可以看做多输 入多输出（Mnro)系统的扩展，包含装设多个无线的无线链路一端和多个地理上分开的接 入点，这些接入点是链路的另一端，每个接入点也都装有天线。由于系统中有在空间上分开 的多个天线，分布式天线系统可以得到宏观的分级增益，从而提高信号传输质量，提升系统 容量，增强覆盖范围。由于实际的信道是时变的，尤其是无线信道，受各种外界干扰及多径 衰落等因素的影响，其接收信号会产生大幅度的变化。自适应技术可以使得传输方案的效 率与实际信道状态保持动态匹配，从而保证在信道状况差时能够自动降低传输效率以提高 纠错能力，在信道状态变好时自动提高传输效率。可见，采用链路自适应技术能够保证系统 在一定传输质量的前提下，最大限度地利用信道条件，提高频带利用率。
[0003] 传统的分层网络协议对有线网络是非常成功的，但是，在无线通信环境中，接入冲 突、用户间干扰、信号衰落情况远远比有线网络严重，在这种情况下提出跨层设计方法。跨 层设计方法突破了传统有线网络开放式系统互联（0SI)设计，可将原来被割裂的网络各层 作为统一的整体进行设计和优化。协议栈的各层之间协调工作和交互，从而能够根据无线 环境的变化来实现对资源的自适应优化配置。在众多跨层设计方案中，一般只考虑物理层 和数据链路层这两层的跨层设计，并将此作为无线跨层设计的基本组成部分。在通常通信 系统设计中，为了提高系统的频谱效率，在物理层一般会采用自适应调制（AM)技术，但为 了获得可靠性，会降低速率。为此，通过引入链路层的自动重传请求（AR?机制，增强可靠 性。即接收端在接收数据包出错的时候，请求发送端重发，但重传次数增多将会降低系统频 谱效率。为了解决信息传输速率和可靠性之间的矛盾，需要将物理层的AM和链路层的ARQ 有效结合，进行联合设计。基于此，设计分布式天线系统中有着链路自适应的跨层优化方 法，适应无线信道的变化，在满足服务质量要求的同时获得高频谱资源将是非常有必要的。
[0004] 现有的文献对基于链路自适应的跨层设计方法进行了研究。文献1(QingwenLiu， ShengliZhou，G.B.Giannakis.Cross-Layercombiningofadaptivemodulationand codingwithtnmcatedARQoverwirelesslinks[J].IEEETransactionsonWireless Communication，2004,3(5) :1746-1755.)中给出了单输入单输出系统衰落信道中联合 物理层中的自适应调制技术和数据链路层的自动重传请求技术的跨层设计。文献2(S. A.R.Zaidi?M.Hafeez.Crosslayerdesignfororthogonalspacetimeblockcoded opticalMIM0systems[C].ProceedingsofIEEEFifthInternationalConferenceon WirelessandOpticalCommunicationsNetworks(TOCN' 08)，May2008,1-5.)提出在 Nakagami衰落信道中MM0系统的跨层设计，且分析了信道衰落相关系数对系统平均频谱 效率的影口向。文南犬 3(Performanceofcross-layerdesignfororthogonalspace-time blockcodedMIMOsystemswithimperfectCSIinRiceanfadingchannels[J].TelecommunicationSystems，2014, 57(4) :287-294.)研究了]\OMO系统基于不完全信道状 态信息（CSI)的跨层设计方案，给出了该系统平均误包率和平均系统频谱效率的闭式表达 式。然而，上述研究均是针对集中式单天线系统或多天线系统进行设计，而对分布式天线系 统进行跨层设计却没有。
[0005] 因此目前还没有成熟的技术能够解决基于链路自适应的分布式天线系统跨层设 计问题。
【发明内容】
[0006] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明针对分布式天线系统，设计一 种基于链路自适应的跨层优化方案与自适应门限计算方法，在链路层的丢包率和最大重传 次数的约束下，利用所设计的方案和方法可获得系统频谱效率的极大提高。
[0007]技术方案：为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0008] -种基于链路自适应的分布式天线系统跨层设计方法，包括如下步骤：
[0009] 步骤1 :给出单小区分布式天线系统模型，针对分布式天线系统特点，建立含有大 尺度衰落和小尺度衰落的复合衰落信道模型。接收端基于信道估计和接收信号，获取信道 状态信息并计算有效信噪比Y。一方面用于物理层接收端解调和译码，另一方面反馈到物 理层发射端和链路层自动重传请求（ARQ)生成器。
[0010] 步骤2 :根据步骤1反馈的信道信息，以及信噪比最大选择准则，物理层选取有效 信噪比最大的那根远程天线来发送信号，即确立远程发送天线，可以得到移动终端的接收 信号。基于此计算有效信噪比y的累积分布函数巧_ (7)。
[0011] 步骤3 :根据步骤1反馈的信道信息，在链路层瞬时丢包率满足服务质量要求条件 下，通过最大化平均频谱效率来设计物理层离散率自适应调制方案。通过给出的目标丢包 率（即PlcJ，可获得目标误包率（即PER%)，并由此得到用于自适应调制的切换门限，当瞬 时信噪比Y介于第n个切换门限之间时，系统将选择具有星座图尺寸为Mn的调制方式。然 后采用步骤2选择的天线进行传输，实现链路自适应调制。
[0012] 步骤4:为了提高信道利用率，利用步骤1获得的信道信息，系统链路层采用 停等式ARQ，设定合理的最大重传次数（AT")。当数据包重传次数达到最大重传次数 时仍没有被正确接收，则将包丢弃。然后联合步骤3中的物理层进行跨层设计，计算目 标误包率（PER)为。基于此，利用精确Mn-QAM调制方式的PER公式 PERMn〇^ =PER_.，可计算出系统采用第n个调制方式时较为准确的改进门限。由于这种门 限计算方法相对较复杂，为此这里对原PER公式进行拟合，给出一种简单的近似的PER计算 方法，进而得到相应的近似门限。
[0013] 步骤5 :在步骤3自适应方案设计和步骤4链路层的ARQ设计以及门限求解的基础 上，给出系统性能评估的方法，即系统平均频谱效率（SE)和平均PER的计算方法。系统平 均SE定义为总体平均的有效传输速率，平均PER定义为总的误包数与总的传输包数之比。 利用数值分析方法，可以得到系统平均SE和平均PER的计算方案，并以此来评估系统性能。
[0014] 有益效果：本发明提供的一种基于链路自适应的分布式天线系统跨层设计方法： 本发明所涉及的跨层设计方法和相应的切换门限计算方法可满足服务质量（目标丢包率 或误包率）要求同时，有效提高分布式天线系统的频谱效率，并且发明提供了相应的性能 评估方法，即给出了系统跨层设计中总体平均有效传输速率和平均误包率计算法方法。
【附图说明】
[0015] 图1分布式天线系统模型
[0016] 图2为分布式天线系统的跨层设计原理图
[0017] 图3为分布式天线系统中不同〃广下的系统平均SE
[0018] 图4为分布式天线系统中不同下系统平均PER
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的说明。
[0020] 1)建立分布式天线系统模型和信道模型：
[0021]附图1为单小区分布式天线系统模型，该系统采用Nt根远程天线（RA)，各远程天 线分散在小区的不同位置，记为RAji= 1，2，...，Nt)，通过特定传输通道（比如光纤）连接 到一个中央处理单元。移动终端装备有队根接收天线。选取第i根远程天线RA1选择用来 发射信号。基于此，可得到接收端采用最大合并比之后的输出信噪比7,=八丨2， 其中}为小尺度衰落，服从复高斯分布，&和S 大尺度衰落中的路径损耗和阴影衰 落，其中阴影衰落31服从对数正态分布，^为平均信噪比。
[0022] 2)分布式天线系统天线选择：
[0023] 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，即选 择有效信噪比最大的那根RAi来传输信号，以获得瞬时信噪比最大化。天线选择的准则为
，考虑到y,之间相互独立，可以得到y_的累积分布函数/Ur):
[0024]
(1)
[0025] 其中，M=l〇lg(7G；.), 1和H"分别为NJ介Hermite多项式的基点和权值。
[0026] 3)分布式天线系统中物理层自适应调制以及相应切换门限设计：
[0027] 附图2为分布式天线系统的跨层设计原理图，包含物理层自