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1、(10)申请公布号 CN 102833046 A (43)申请公布日 2012.12.19 C N 1 0 2 8 3 3 0 4 6 A *CN102833046A* (21)申请号 201210329737.9 (22)申请日 2012.09.10 H04L 1/00(2006.01) H04L 1/06(2006.01) (71)申请人南京航空航天大学 地址 210016 江苏省南京市御道街29号 (72)发明人虞湘宾 刘晓帅 陈小敏 殷馨 谭文婷 刘岩 许莙翊 (54) 发明名称 分布式多天线系统中自适应调制方法 (57) 摘要 本发明涉及无线分布式多天线系统(DAS)中 自适应调制(。
2、AM)方法设计及性能评估。在目标误 比特率(BER)约束条件下通过最大化系统频谱效 率，分别设计离散和连续速率两种AM方案。针对 离散率AM，提出了一种基于精确BER的自适应切 换门限，较之基于近似门限的现有AM可获得高的 频谱效率。考虑到DAS实际情况，设计了包含路径 损耗、阴影衰落和瑞利衰落的信道模型。基于此， 给出了连续率AM频谱效率以及离散率AM频谱效 率和平均BER的计算表达式，为系统性能评估提 供了有效方法。Matlab仿真平台表明，所设计的 AM方法均能满足目标BER要求，连续率AM要好于 离散率AM方法。而且由于改进门限的提出，离散 率AM与现有AM方法相比，实现了高的频谱效率。
3、。 另外，所提供的频谱效率和平均BER计算与仿真 取得较好的一致，故可实现对系统性能有效评估。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书6页 附图4页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 4 页 1/1页 2 1.分布式多天线系统(DAS)中自适应调制(AM)方法设计，其特征在于包括步骤如下： (1)建立分布式多天线系统模型和信道模型。 (2)利用高斯信道下M-QAM的精确误比特率(BER)公式和近似BER公式，给出自适应调 制的次优转换门限值和近似门限值。 (3)基于次优门限值，给出DAS离散率自适应调制方法设计；并由近。
4、似BER公式获得分 布式多天线系统连续率自适应调制方法的设计； (4)结合分布式多天线系统的信道特性、M-QAM的BER公式以及获得的门限值，给出DAS 离散率AM频谱效率(SE)和平均BER表达式，为系统性能评估提供计算方法。 2.根据权利要求1所述的分布式多天线系统自适应调制算法设计方案，其特征在于所 述步骤(1)包括： (1a)DAS中由于各分布式天线距离接收端的距离不同，所以必须考虑各个远程天线到 接收天线所经历的不同的大尺度慢衰落，这里把该信道建模为一个包括阴影衰落、路径损 耗和瑞利快衰落的信道。 (1b)根据步骤(1a)所述的无线分布式多天线通信系统，求出系统有效接收信噪比 和其概。
5、率密度函数(PDF)。 3.根据权利要求1和2所述的DAS自适应调制算法设计方案，其特征在于所述步骤(2) 包括： (2a)根据目标BER和M-QAM近似公式设计出分布式多天线系统连续速率自适应调制方 案。并利用步骤(1b)有效接收信噪比的PDF，借助于Guass-Hernite数值积分，可得到连续 速率AM的频谱效率闭式计算。从而为连续速率AM的性能评估提供有效的计算方法。 (2b)对于分布式多天线系统离散率AM方案设计：首先设计AM门限值一一利用高斯信 道下M-QAM的精确BER公式，保留主导项，并令其为目标BER，可求得用于AM切换的次优门 限值。与通常基于指数函数的近似BER公式获得的。
6、门限值相比，所提门限值有着更好的准 确性，可与精确门限值取得较好一致。基于该次优门限值，设计分布式多天线系统离散率AM 方法。该方法较之通常基于近似门限的AM方法，可获得较高的频谱效率。 4.根据权利要求1和3所述的DAS离散率AM设计方法，其特征在于所述步骤(3)包 括： (3a)根据步骤(1)中所述的分布式多天线系统信道特性和步骤(2b)中离散率自适应 门限值，给出DAS离散率自适应调制频谱效率的闭式计算。但由于DAS信道和有效信噪比 PDF的复杂性，很难直接给出系统平均BER公式的闭式表达式。 (3b)采用newton-cotes数值积分公式来简化系统平均BER的准确计算，可得到DAS离。
7、 散率AM的近似平均BER闭式表达式，为系统BER性能评估提供直接计算方法。 (3c)利用Matlab仿真平台测试所设计的自适应调制方法性能，其结果验证了所提方 法的有效性。即所提AM方法均能满足目标BER要求，较之通常AM方法有较大的SE提高。 而且所给的SE和BER闭式表达式也为系统理论评估提供有效方法。 权 利 要 求 书CN 102833046 A 1/6页 3 分布式多天线系统中自适应调制方法 技术领域 0001 本发明属于无线通信领域，涉及无线通信的自适应调制方案设计，更具体的说涉 及分布式MIMO系统中连续速率和离散速率自适应调制方法设计。 背景技术 0002 目前，无线通信技术。
8、已广泛地应用于社会生活各方面，而各种无线通信数据业务 对容量需求呈现爆炸性的增长，尤其是互联网的无线接入和多媒体应用对信息吞吐量需求 的增长，已经超过已有技术所支持的数据速率，一种使得数据速率得以有效增长的重要技 术就是在系统发送端和接收端安置多副天线，即多输入多输出(MIMO，Multiple Input and Mu1tiple Output)技术。研究表明，使用多天线的MIMO技术能够充分利用空间资源，在不 增加系统带宽和天线总发射功率的情况下，可以有效地对抗无线信道衰落的影响，大大地 提高系统的频谱利用率和信道容量，已经成为第三代合作伙伴计划(3GPP，3rd Generation P。
9、artnership Project)LTE的关键技术之一。 0003 而且，随着频谱资源的日益紧张和用户需求的持续增长，传统蜂窝系统出现了切 换频繁、干扰增加、成本提高等问题，已经无法满足未来无线通信的系统的发展要求。近年 来，分布式天线系统作为一种新兴技术引起了学术界的广泛关注。分布式天线系统不论在 提高系统容量，降低发射功率还是在减少切换次数、降低中断概率等方面都显示出传统蜂 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，已成为未来无线通信极 具发展前景的方向之一。目前，已有研究表明与集中式MIMO相比，它具有更高的容量、小区 平均覆盖率及抗衰落能力。 0004 自适应传输技。
10、术可以根据无线通信环境和服务质量(QoS)的要求，动态地改变发 送端的各种参数来提高系统资源利用率，以获得较高的系统吞吐量和容量，已被广泛应用 于无线通信系统中作为提高传输系统频谱的一种强有力技术。 0005 基于此，本专利将给出无线分布式多天线系统中自适应调制(AM)算法设计，以自 适应匹配无线信道的变化，有效提高系统吞吐量和数据传输率。 0006 自适应传输技术在单载波单天线系统(SI SO)中已得到了比较完善的研究。 A.J.Goldsmith等人对SISO系统中基于不同的传输方案(包括可变速率、可变功率、平均 误比特率(BER)约束、瞬时BER约束)的自适应传输进行性能分析，给出了平均。
11、BER和平均 频谱效率(ASE)的闭式表达式。A.Maaref将SISO自适应调制技术推广到空时编码的MIMO 系统中，并进行了恒定功率下离散速率自适应调制方案的性能分析。X.Yu研究了MIMO系统 基于不完全信道状态信息(CSI)的自适应调制方案，给出了该系统平均BER和ASE的精确 表达式。然而，上述自适应调制方案均是针对集中式SISO/MIMO系统进行设计，而对分布式 天线系统(DAS)进行自适应调制设计却很少。不像集中式MIMO系统仅存在快衰落，DAS由 于发送天线分布在小区的不同区域，发送端到移动端将经历不同的大尺度慢衰落，使得分 布式MIMO系统自适应调制方案的设计具有一定的难度。。
12、 0007 因此，本发明将针对无线DAS系统，研究其自适应调制方案及其相应的算法设 说 明 书CN 102833046 A 2/6页 4 计即在固定功率和瞬时误BER约束条件下，通过最大化系统频谱效率(SE)，设计出连 续速率和离散速率两种自适应调制方法，其中离散速率AM方案的自适应转换门限值将根 据目标BER获得。考虑到现有的门限值是基于近似BER获得，以致相应的AM方案不能准确 地反映实际的调制情况，带来系统SE受限。为此，设计了一种基于精确BER的自适应切换 门限和相应的AM方法，较之基于通常近似门限的AM可获得高的频谱效率。针对DAS实际 情况，设计了包含路径损耗、阴影衰落和瑞利衰落的。
13、信道模型，并基于该模型，给出了连续 率AM频谱效率以及离散率AM频谱效率和平均BER的计算公式，为系统性能测试提供了有 效的评估方法。利用Matlab仿真平台进行AM方法性能测试，其结果表明，所设计的AM方法 均能满足目标BER要求，其中连续率AM由于无需率的限值，其SE要明显高于离散率AM方 法。而且所提基于改进门限的AM方法与现有AM方法相比，也可实现较高的频谱效率。此 外，所给的频谱效率和平均BER计算也与仿真取得较好的一致，从而为DAS系统性能评估提 供了有效的方法。 0008 以下将通过具体实施例结合附图对本发明的目的及特性进行详细描述，这些具体 实施例是说明性的，不具有限制性。 发。
14、明内容 0009 本发明是针对分布式天线系统，进行了其自适应调制算法设计，包括连续和离散 速率两种自适应调制方案。目的是在固定功率和目标误比特率的约束条件下，利用所设计 的AM方法可获得系统SE的极大提高。本发明提出的DAS自适应调制方案设计采用了以下 步骤： 0010 (1)给出了DAS模型和信道模型。 0011 分布式天线系统模型如附图1所示。 0012 附图1给出了分布式天线系统的物理模型，小区单元建模为一个半径为D的圆形 区域，各远程天线(RA)任意地摆放在小区的不同位置，记为RA i (i1，2，N)，通过特 定传输通道(光纤)连接到一个中央处理单元(MCU).不失一般性，假设每个移。
15、动终端(MT) 均有L个天线。 0013 若RA i 选择用来发射信号，那么移动接收端的接收信号的表达式可以表示为： 0014 表达式1 0015 其中，y i (j) 为移动接收端第j根接收天线的接收信号，E s 为发送信号的功率，复合 信道矩阵h i 中的元素h i (j) 为RA i 和移动接收端第j根接收天线之间的信道系数；x为从RA i 发送的信号并且能量归一化为1。噪声矩阵z中的每一个元素服从均值为0方差为N 0 的复 高斯分布。 0016 由于分布式天线系统的结构特性，h i (j) 在本发明中用以下模型表示： 0017 表达式2 0018 式中， i (j) 代表了RA i 和。
16、移动端第j根接收天线之间的小尺度快衰落，即幅度 | i (j) |为瑞利衰落，从而| i (j) | 2 服从指数分布。L i 和S i 分别表示RA i 和移动端之间的路 径损耗和阴影衰落，其中路径损耗可以由下式表示： 说 明 书CN 102833046 A 3/6页 5 0019 表达式3 0020 其中， i 表示路径损耗指数，d 0 为参考距离，d i 为RA i 和MT之间的距离。 0021 由表达式1和表达式2可以得到系统接收端有效信噪(SNR)比为 0022 表达式4 0023 其中，表示第j根接收天线的瞬时输出信噪比(SNR)， 0024 由已有的文献，结合表达式4，可求得接收。
17、端有效信噪比服从对数瑞利正态分布， 其概率密度函数(PDF)可表示为： 0025 表达式5 0026 其中， i (in dB)是10lgS i 的标准差，考虑到该式存在 积分，故无法直接用来进行系统的性能评估。为此可利用一个对数正态分布来近似代替上 述的瑞利对数正态分布，具体如下： 0027 表达式6 0028 式中，是近似分布的均值，可表示为其中 ( )为欧拉psi函数；而近似分布的方差为其中( )为Reimann zeta函数. 0029 (2)DAS中连续速率自适应调制方案设计 0030 对于多进制正交振幅调制(M-QAM)，其近似BER公式可以用下式表示： 0031 ber(n，) 。
18、appro. 0.2exp(-g n ) 表达式7 0032 式中，对于方形M-QAM，g n 等于1.6/(M n -1)，对于矩形M-QAM，g n 等于6/(5M n -4)，其 中BPSK是长方形M-QAM的特殊情况。通常的自适应调制方案设计就是基于此近似BER获 得自适应切换门限，以致不能准确地反映真实的调制情况，从而频谱效率受限。 0033 通过设定上述瞬时BER等于目标BER(BER 0 )可进行连续率AM方案设计。即由表 达式7和BER 0 ，通过求逆，可求得连续率自适应调制的频谱效率 0034 对于方形M-QAM： 0035 表达式8 0036 对于矩形M-QAM： 0037。
19、 表达式9 说 明 书CN 102833046 A 4/6页 6 0038 (3)DAS中离散速率自适应调制方案设计 0039 本专利内容之一是在瞬时BER满足目标BER条件下，通过最大化平均频谱效率来 设计离散率AM方案。通过设定目标BER为BER 0 ，我们把瞬时SNR划分为几个区间， n ， n+1 )，n0，1，.，N-1其中 0 0， N+1 +，N为系统调制方式的总数目。对于 离散M-QAM的星座图尺寸M n 可以定义为M 0 0，M 1 2，.，M n 2 2n-2 ，n2，.，N-1， 当瞬时SNR介于 n ， n+1 )区间时，系统将选择具有星座图尺寸为M n 的调制方式，相。
20、应的 数据传输速率b n log 2 M n bit/s。 0040 在加性高斯噪声(AWGN)信道下，精确M-QAM调制方式的BER公式可以表示为 0041 表达式10 0042 将表达式10设定为目标BER，则可得到SNR准确门限值 n_exact BER exact -1 (BER 0 )。 显然 n-exact 的计算较为复杂。为此仅采用表达10式中的第一项(本文称为次优BER公 式)来简化SNR门限值计算，得到次优SNR门限值 0043 n-suboptimal erfc -1 (BER 0 / 1 2 / 1 表达式11 0044 这是由于在低SNR时，常采用低阶调制方式BPSK，。
21、QPSK，而这些调制方式的BER公 式只包含一项，在高SNR时，常采用高阶调制方式，而其BER公式第一项又占主导地位；所以 所提出的次优门限值 n-suboptimal 与准确门限值 n-exact 具有很好的吻合度。而通常的近似门 限值却相差较大。为此，表1给出了BER 0 为0.01的情况下，分别由精确、次优、和近似BER公 式计算得到的自适应切换门限。 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 和 7 分别根据BPSK，QAM，8QAM， 16-QAM32-QAM，64-QAM和128-QAM得到。如表所示， n-suboptimal 和 n-exact 数值相同，这表示 所提的 n-。
22、suboptimal 足可以准确地取代 n-exact 。然而，通常AM所采用的近似 n-approximate 却 与精门限值 n-exact 之间存在很大的差异，这将导致SE损失。 0045 表1自适应切换门限 0046 l 2 3 4 5 6 7 n-exact 2.7059 5.4119 15.2839 24.5613 60.6553 94.0884 226.7062 n-suboptimal 2.7059 5.4119 15.2839 24.5613 60.6553 94.0884 226.7062 n-approximate 2.9957 5.6170 17.9744 28.085。
23、0 77.8890 1177950 317.5476 0047 在以下的分析中，为了简化计算又不失准确性，所提的改善门限(即表达式11)将 被用于DAS进行自适应调制方法设计，从而可获得较高的频谱效率。 0048 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明： 0049 图1为DAS结构示意图 0050 图2为采用自适应调制的DAS系统原理图 0051 图3为DAS自适应调制方案频谱效率 0052 图4为DAS自适应调制方案采用两种门限和不同调制方式的频谱效率 0053 图5为DAS自适应调制方案平均误比特率 说 明 书CN 102833046 A 5/6页 7 具体实施方式 0054 本发明提。
24、出的DAS自适应调制方法已经通过Matlab平台进行验证，从仿真结果可 以看出该方法可以获得较高的频谱效率，从而为系统提高频效和性能测试提供有效方法。 下面给出具体的实施的技术方案： 0055 (1)基于天线选择的DAS 0056 本系统发送端根据反馈的信道信息选择信道条件最好的天线来传输信号，即选择 输出信噪比(SNR)最大的那根RA i 来传输信号，以获得接收信噪比达到最大化。发送准则 可以由以下模型表示： 0057 max 1 ，.， N 表达式12 0058 由于各个RA之间的距离比较大，所以可以认为 1 ，.， N 之间相互独立。利用 表达式6可以求得的累积分布函数： 0059 表达。
25、式13 0060 对上式求导，我们可以得到的PDF为： 0061 表达式14 0062 (2)DAS连续率AM平均频谱效率 0063 由系统有效信噪比的概率密度函数及表达式8和9，利用Guass-Hernite数值积分 可求得DAS连续速率自适应调制的平均SE为 0064 0065 表达式15 0066 其中，t n 和H n 分布为N r 阶Hermite多项式的基点和加权系数。该SE表达式为DAS 连续速率自适应调制提供较为准确的频谱效率计算方法，为系统性能评估提供有效方法。 0067 (3)DAS离散率AM的频谱效率和平均BER 0068 A.DAS自适应调制方案平均SE 0069 系统。
26、平均SE定义为N个区间数据传输速率的与相应区间概率的乘积之和，从而根 据表达式14结合获得的自适应门限值，可求得DAS的平均SE为： 0070 表达式16 0071 由表达式13和表达式16即可得到离散速率AM的频谱效率具体表达式。 0072 B.DAS自适应调制方案平均BER 0073 系统平均BER可以由平均误比特数与总平均传输比特数的比值精确地计算得到， 即由以下式子定义： 0074 表达式17 说 明 书CN 102833046 A 6/6页 8 0075 其中BER n 为系统处于第n个区间的平均BER，即 由于该表达式存在积分，未能提供BER n 的闭式表达 式。为此，本发明采用N。
27、ewton-Cotes数值积分来简化上述表达式的计算。Newton-Cotes数 值积分是将定积分在积分区域等间隔取基点并利用加权系数求和来表示，由此可以得到下 面的闭式表达式： 0076 表达式18 0077 式中A和W j 分别为与U对应的常数和加权系数，而h为积分区域等间隔的长度 把表达式18和16代入表达式17可得系统的平均BER，即DAS离散率AM的平 均BER闭式表达式。从而为系统的BER性能评估提供有效的计算方法。 0078 本发明提出了DAS两种自适应调制方法和相应的性能评估方法。为了体现所提方 法的优势，利用Matlab平台进行仿真测试。对于DAS中离散AM，其采用BPSK、。
28、4QAM、8QAM、 16QAM、32QAM、64QAM和128QAM等7种调制方式.附图3、附图4和附图5给出了DAS系统 AM的频谱效率和平均BER的性能评估。附图3给出了系统连续速率AM、离散速率AM的频 谱效率以及该系统的香农信道容量，其中离散速率AM的SE由次优门限得到的。由图中可 以看出，连续速率AM相对于离散速率AM有更高的频谱效率，这是因为后者受到有限的调 制方式限制，故速率仅能达到所允许的最高调制方式传输速率，而前者没有率的限制，故性 能要好。但它们的最终速率都小于极限速率香农信道容量。另外，由次优门限得到的 SE曲线能够与仿真曲线取得较好的一致，从而验证了本发明所提SE性能。
29、计算方法的有效 性。由附图4可知，次优门限相对于近似门限有更高的频谱效率，这是因为所提次优门限 n-suboplimal 有着非常好的准确性，其值要低于通常的近似门限 n-approximate ，这样所设计的自 适应调制方案选择高阶调制方式的概率将较高，故所提的自适应调制方法SE要明显高于 基于近似门限的现有AM方法。由图中还可得到：采用7种调制方式要比采用4种调制方式 有更高的SE。附图5给出了系统平均BER理论和仿真曲线。由该图可以看出，平均BER均 低于目标BER，即所设计的自适应系统能够满足QoS要求，而且平均BER精确理论值与仿真 值取得非常好的一致。但近似理论值则明显高于仿真值，这是因为近似理论值由BER的上 界公式推导而来。上述结果表明所提BER性能计算方法也是有效的。 0079 本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。 说 明 书CN 102833046 A 1/4页 9 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102833046 A 2/4页 10 图3 说 明 书 附 图CN 102833046 A 10 3/4页 11 图4 说 明 书 附 图CN 102833046 A 11 4/4页 12 图5 说 明 书 附 图CN 102833046 A 12 。