一种基于不完全估计信息的分布式天线系统跨层设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于不完全估计信息的分布式天线系统跨层设计方法。在服务质量即目标误包率的约束条件下，联合物理层自适应调制与数据链路层自动重传请求协议，给出分布式天线系统中基于不完全信道估计信息时的跨层设计方案，该方案可实现高的频谱效率(SE)，而且考虑实际中路经损耗和瑞利衰落以及不完全反馈信息，有着好的实用性。基于此，利用数值分析和计算，给出系统在复合瑞利衰落信道下平均误包率(PER)和平均SE的计算方法，可实现对有着不完全估计信息时分布式天线系统进行性能有效评估，系统的PER和SE性能将随着估计误差或者路径损耗的增大而逐渐变差。而且所给方法也可用于完全信道信息下系统PER和SE性能有效评估。
【专利说明】
-种基于不完全估计信息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，设及移动通信的跨层设计方法，特别是设及一种基于 不完全估计信息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(DAS)是当前公共无线接入网络的一种新结构，它可W看作是多 输入多输出系统的扩展，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， 运些接入点是链路的另一端，每个接入点也都装有天线。由于系统在空间上分开多个天线， 分布式天线系统可W得到宏观的分集增益，从而提高信号传输质量，提升系统容量，增强覆 盖范围。在分布式天线系统中，小尺度衰落变化较快，发送端得到的估计信道状态信息 (CSI)将存在误差，因此考虑不完全CSI更符合实际情况。
[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，因此在运种情况下提出了跨层设计方 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，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。协议找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 层和数据链路层运两层的跨层设计，并将此作为无线跨层设计的基本组成部分。为了提高 无线通信系统的频谱效率，在物理层提出自适应调制(AM)技术，使信息传输速率与时变的 信道相匹配。然而要在物理层达到高的可靠性，就要降低调制速率。一种提高系统传输可靠 性的办法就是引入链路层的自动重传请求(ARQ)机制，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，将联合物理层的AM和链路层的ARQ进行跨层设计，有效提高频谱资源及功率资 源利用率。考虑到在实际应用中，由于接收端的信道估计误差，很难得到完全准确的信道信 息。因此，引入不完全信道，研究分布式天线系统中基于不完全估计信息的跨层设计方法， 对于更实际地分析系统性能是非常必要的。
[0004] 现有的文献对基于不完全估计信息的跨层设计方法进行了研究。文献UQingwen Liu，Shengli Zhou，G.B.Giannakis，et al.Combining Adaptive Modulation and Coding with Truncated ARQ Enhances Throughput[C].Proceedings of 4th Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications，2003:110-114.))]尋物理层 的自适应调制技术与链路层的自动重发请求协议结合，提出了物理层和链路层的联合优化 机制D文南犬2(Ghassane Aniba，SoniaAissa.Cross-Layer Designed Adaptive Modulation Algorithm with Packet Combining and Truncated A民Q over ΜΙΜΟ Nakagami Fading Channels.IEEE Transaction on Wireless Communications,2011,10(4)：1026-1031. 出在Nakagami衰藩信道中ΜΙΜΟ系统的跨层设计，且分析了信道衰藩相关系数对系统平均 频谱效率的影响，但没有考虑信道估计误差对性能的影响。文献3(Xiangbin Yu，Yan Liu， Yun 民ui，et al. Cross-layer Design for ΜΙΜΟ Systems with Transmit Antenna Selection and Imperfect CSI[J].Frequenz，2013,67(5):169-175.)研究了ΜΙΜΟ系统基 于不完全CSI的跨层设计方案，给出了该系统平均误包率(PER)和平均系统频谱效率(SE)的 闭式表达式。然而，上述研究均是针对集中式SIS0/MIM0系统进行设计，而对DAS进行跨层设 计却很少，尤其是考虑不完全CSI的跨层设计方案还没有。
[0005] 因此目前还没有成熟的技术能够解决基于不完全估计信息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，联合物 理层自适应调制和数据链路层的自动重传请求，提出一种基于不完全估计信息的跨层设计 方案，并设计系统性能评估方案，即利用性能分析和数值计算，给出评价系统性能指标即平 均P邸和总体平均SE的有效计算方法。
[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] -种基于不完全估计信息的分布式天线系统跨层设计方法，包括如下步骤：
[0009] 步骤1:针对单小区分布式天线系统，有着Nt根远程天线，运些天线分布式放置在 小区的不同地理位置上，每根天线通过同轴电缆或光纤分别与小区的中央处理器相连。基 于该系统模型，考虑分布式天线系统实际衰落特性，建立复合衰落信道模型。考虑到分布式 天线系统中小尺度衰落变化较快，发送端得到的估计信道状态信息(CSI)将存在误差。为此 建立不完全估计模型，根据反馈的不完全CSI，得到第i根远程天线和移动终端之间的估计 信噪比为义。
[0010] 步骤2:发射端采用天线选择技术，选取估计信噪比卢,最大的那根远程天线来发送 信号。确立远程发送天线后，可W得到移动终端的接收信号W及最大估计信噪比卢的累积分 布函数（CDF)巧(巧。
[0011] 步骤3:物理层采用自适应调制(AM)技术。通过设定物理层目标阳R为PERobj，把瞬 时信噪比划分为若干个区间，当瞬时信噪比介于第η个区间时，系统将选择具有星座尺寸为 Μη的调制方式。然后采用步骤2选择的天线进行传输，得到完整的自适应调制方案。
[0012] 步骤4:数据链路层采用停等式ARQ(T-ARQ)技术，限定最大重传次数为ΛΓ'。由于 系统服务质量(QoS)的限定，设定链路层目标丢包率化R为PiDss，当达到最大重传次数时仍 没有正确接收，则将包丢弃。联合步骤3中的物理层进行跨层设计，得到物理层目标PER为 PER"y = 71、/'""4^采用瞬时?61?约束，令加性高斯噪声信道下精确1-941调制方式的口61? (用per。?表示)等于PERow，可W得到对应的第η种调制方式的固定准确切换口限。由于 运种口限计算方法比较复杂，为此运里对原pm?公式进行拟合，得到近似的pm?公式，进而得 到相应的近似切换口限值。
[0013] 步骤5:在步骤3物理层自适应调制方案、步骤4链路层ARQ设计方案W及口限求解 的基础上，给出系统性能评估方案，即通过理论分析和数值计算，给出系统平均pm?和总体 平均SE的计算方法。系统平均pm?可通过计算平均误包数与总的传输包数的比值得到。系统 总体平均SE为总体平均有效传输速率，可通过物理层频谱效率和平均重传次数获得。
[0014] 有益效果:本发明提供的一种基于不完全估计信息的分布式天线系统跨层设计方 法:本发明所设及的分布式天线系统跨层设计方法，根据反馈的发射端不完全CSI，联合物 理层自适应调制(AM)和数据链路层的自动重传请求(ARQ)进行跨层优化设计。本发明还提 供了性能评估方法，即给出系统性能指标平均P邸和总体平均SE的有效计算方法。当信道估 计完全时，该计算方法也可用于完全信道信息情况下系统性能评估。
【附图说明】
[0015] 图1为基于不完全估计信息的分布式天线系统跨层设计原理结构图
[0016] 图2为结合自适应调制和自动重传请求的跨层设计分布式天线系统模型
[0017] 图3为不同估计误差情况下分布式天线系统的平均误包率PER
[0018] 图4为不同估计误差情况下分布式天线系统总体平均频谱效率SE [0019]表1拟合阳R公式的调制方式参数
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的说明。
[0021 ] 1)建立分布式天线系统模型和信道模型：
[0022] 附图1为基于不完全估计信息的分布式天线系统跨层设计原理结构图。将小区单 元建模为一个半径为R的圆形区域，小区内有Nt根远程天线(RA)分别分散在小区的不同位 置，记为RAi(i = l，2,......，Nt)，通过特定传输通道(比如光针)连接到一个中央处理单元。 移动终端装备有Nr根接收天线。选取第i根远程天线RAi用来发射信号。小尺度衰落服从瑞利 分布，大尺度衰落包括路径损耗和阴影衰落，其中阴影衰落服从对数正态分布。结合自适应 调制和自动重传请求技术的跨层系统模型和相应的信道模型见图2。
[0023] 根据W上分析，可W得到最大合并比之后的输出信噪比为丫 1。考虑到分布式天线 系统中小尺度衰落变化较快，发送端得到的估计信道状态信息(CSI)将很难完全获得。为此 建立不完全估计模型，根据最大比合并接收原则，得到第i根远程天线和移动终端之间的估 计信噪比为户。
[0024] 2)分布式天线系统天线选择：
[00巧]发射端采用天线选择技术，选取估计信噪比最大的那根远程天线来发送信号。 天线选择的准则为?^ = max^，...乂,；(，最大估计信噪比卢的CDF为：
[0028] 3)分布式天线系统中物理层自适应调制W及相应切换口限设计：
[0029] 附图2为基于跨层设计的分布式天线系统模型，其中包含物理层自适应调制设计 部分。通过设定目标PER为PERobj，把瞬时信噪比丫划分为N+1个区间，即[丫 n，丫 n+i)，n = 1，. . .，N，其中丫0 = 0, 丫n+i = °°，N为系统调制方式的总数目。离散M-QAM星座尺寸为Μη,当瞬 时信嗓比介于[丫η · 丫n+l)区间时，系统将选择第η种调制方式，相应的数据传输速率bn = log2lnbit/s,b0 = 00
[0030] 加性高斯噪声(AWGN)信道下，精确Mn-QAM调制方式的阳R公式可W表示为：
[0031]
(2)
[003^ 其中
为互补误差函数，{?".,，0。.,，巧的)}是与具 体调制方式η有关的参数，Np为每个数据包所包含的比特数。采用瞬时pm?约束，将设定 为阳RdW，可W得到相应的第η个调制方式的口限f部；.（')为，的反 函数。由于erfc( ·)的反函数没有办法直接求取，可W根据拟合法，给出原pm?公式的拟合 表达式，即：
[0033]
(3)
[0034] 其中参数{an，gn，丫 pn}是与第η种调制方式有关的系数，具体参数见表UPERdW需 小于1，丫pn为满足此条件的最小值。通过令(3)式的等于peRdw，可W得到系统近似切 换口限值：
[0035] 丫 n'a邮= -In(P邸。bj/an)/gn (4)
[0036] 4)分布式天线系统中链路层的ARQ技术方案：
[0037] 附图2为基于跨层设计的分布式天线系统模型，包含数据链路层的设计部分。在数 据链路层，采用选择重传 ARQ协议进行重传，当接收端检测到错误包时，通过反馈信道发送 重传请求。本发明中采用停等式ARQ(T-ARQ)，即发送端发送数据包至接收端，并不急于发 送下一个数据包，而是等待接收方反馈报告，若状态显示数据包发送成功，则接下来发送下 一个数据包，否则重新发送该数据包。由于实际情况中，系统能够容忍的延时是有限的，因 此必须限制信息数据包的最大传输次数（ΛΤ")。如果信息数据包在wr次传输之后仍然不 能正确译码，则丢弃此信息数据包并且记录丢包率。另一方面，在数据链路层预先设置系统 容许的丢包率即目标PLR(Pidss)，则对应的物理层的目标误包率为。联合3) 和4)，设计自适应调制和混合自动重传方案，能同时满足数据链路层的丢包率和最大重传 次数要求。
[0038] 5)本发明基于不完全估计信息的分布式天线系统跨层设计性能评估方法，即系统 平均P邸和总体平均SE的计算方法。
[0039] 5.1)跨层设计方法中物理层平均频谱效率(SE):
[0040] 物理层平均SE定义为N个信噪比区间数据传输速率与相应区间选中概率的乘积之 和，可求得物理层平均SE为：
[0041 ]
(5)
[00创其中，Rn=l0g2(Mn)，Rn为信息速率。
[0043] 5.2)跨层设计方法中的系统平均PER
[0044] 在物理层，采用自适应调制之后系统的平均P邸可表示为：
[0045]
(6)
[0046] 其中瓦瓦表示第η种调制方式的平均PER,它可W采用下面的公式推导得出：
[0化3]当估计误差σ/等于零时，（6)式也可用于完全估计情况下分布式天线系统平均误 包率的计算。
[0化4] 5.3)跨层设计方法中的系统平均SE
[0化引根据系统的平均PER,每个包的平均传输次数夫
当 #Γ=0时，对应只采用AM的情况。不考虑重传，即只采用自适应调制，物理层的平均SE即系 统的平均SE。而ΛΤ非零时，考虑ARQ，系统的总频谱效率为：
[0化6]
(8)
[0化7]当不存在估计误差，即=0时，（8)式也可用于计算完全估计情况下分布式天线 系统总体平均频谱效率。
[0058]利用ΜΑ化ΑΒ仿真平台对本发明提出的基于不完全估计信息的分布式天线系统跨 层设计方法进行验证，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。 [0059] AM 技术方法中采用了 8?51(、9?51(、8941、16941、32941、64941、128941屯种调制方 式。附图3和附图4分别给出了不同估计误差σ,2情况下分布式天线系统的平均误包率PER和 总体平均频谱效率SE。由图可知，随着的增加，理论和仿真之间有着微小的误差，运主要 由于理论公式中利用贝塞尔函数的近似公式进行数值计算时受到计算机内存限制，会出现 不完全吻合的情况，但是理论曲线基本上是和仿真曲线一样的，证明所给的计算公式是有 效的。由附图3可知系统PER性能随着估计误差增大而变大，有时可能会超过目标PER值，因 此有效地控制估计误差是非常必要的。由附图4可知在低信噪比情况下，不同系统SE的 影响较小。在高信噪比情况下，当等于0.01时，SE几乎与无误差时的曲线完全重合，而 等于0.05与0.1时，系统性能将明显变差，再次表明减少误差对性能有明显提升，故实际中 有必要控制估计精度。综上所述，本发明提出的系统平均pm?和平均SE计算方法能够有效评 估分布式天线系统中跨层设计性能，充分证明了本发明提出的基于不完全估计信息的分布 式天线系统跨层设计方法的有效性。
[0060] W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W做出若干改进和润饰，运些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于不完全估计信息的分布式天线系统跨层设计方法，其特征在于 步骤1:给出单小区分布式天线系统模型，建立包含路径损失和瑞利衰落的复合衰落信 道模型;考虑到分布式天线系统中小尺度衰落变化较快，发送端得到的估计信道状态信息 (CSI)将存在误差;为此建立不完全估计模型，根据反馈的不完全CSI，进行联合物理层自适 应调制(AM)和数据链路层的自动重传请求(ARQ)跨层优化设计； 步骤2:根据步骤1反馈的CSI，物理层发射端进行天线选择，确立最好的远程发送天线， 即选取有效信噪比最大的远程天线来发送信号，实现性能提高； 步骤3:根据步骤1反馈的CSI，物理层发射端通过自适应切换门限选取相应的调制方式 进行信号调制，给出自适应调制设计方案，然后通过步骤2选择的天线进行传输； 步骤4:链路层ARQ生成器根据步骤1得到的CSI，在保证系统服务质量的情况下决定最 大重传次数和链路层目标丢包率，从而获得目标误包率(PER)，并联合步骤4中的物理层AM 方案给出分布式天线系统跨层设计方法； 步骤5:在步骤3物理层自适应调制方案、步骤4链路层ARQ设计方案以及门限求解的基 础上，设计系统性能评估方案，即通数值分析和计算，给出系统平均PER和总体平均SE的计 算方法。2. 根据权利要求1所述的一种基于不完全估计信息的分布式天线系统跨层设计方法， 其特征在于所述步骤(5)包括： (2a)系统平均PER为平均不正确接收的数据包数与平均总的发送数据包数的比值，可 由下式计算获得，即：其中，Rn=l〇g2(Mn)，M n是离散调制方式M- QAM星座尺寸大小;充元表示采用第η种调制方式的平均PER;^^,,.是物理层的平均SE，为N个 信噪比区间内数据传输速率与相应区间选中概率的乘积之和； (2b)根据(2a)中获得的系统平均PER，以及给定的最大重传次数ΛΓ'，可以计算出每个 包的平均传输次数为，再由物理层的频谱效率，可获得系统的总 体平均SE计算方法，即：远辦/犮。
【文档编号】H04L1/00GK106059642SQ201610343246
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】虞湘宾, 邱赛男, 王郝, 黎宁, 储君雅, 文犇犇
【申请人】南京航空航天大学