本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及快時變信道下非數(shù)據(jù)輔助的誤差矢量幅度自適應(yīng)調(diào)制方法。
背景技術(shù):
通信終端高速移動使無線信道呈現(xiàn)出快時變特性,造成通信系統(tǒng)的頻譜利用率急劇下降,甚至不能正常通信。自適應(yīng)調(diào)制具有增強傳輸可靠性并提高頻譜利用率的特點,是解決該問題的有效途徑。自適應(yīng)調(diào)制的基本思想是在接收端對信道質(zhì)量進行評估,將估計結(jié)果反饋回發(fā)送端,發(fā)送端據(jù)此調(diào)整發(fā)送數(shù)據(jù)的調(diào)制階數(shù);其關(guān)鍵問題為如何確定準確反映信道實時變化的物理量并設(shè)計適配信道質(zhì)量的調(diào)制階數(shù)選擇機制。傳統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制常選用接收符號的信噪比(snr,signaltonoiseratio)反映信道質(zhì)量,采用固定間隔的前導(dǎo)或?qū)ьl作為輔助數(shù)據(jù)完成snr的估計,發(fā)端將預(yù)期的誤碼率換算為對應(yīng)的snr完成調(diào)制階數(shù)的選擇。這類自適應(yīng)調(diào)制簡稱為snr-am(signaltonoiseratiobased-adaptivemodulation),具有準確性高和算法復(fù)雜度低等優(yōu)點,研究領(lǐng)域集中于最佳信噪比門限的確定,調(diào)制方式、編碼方式、發(fā)送功率等參數(shù)對頻譜利用率的影響和調(diào)制階數(shù)選擇策略的優(yōu)化。上述方法可有效保證時不變信道或慢時變信道下系統(tǒng)的頻譜利用率,但應(yīng)用于快時變信道時仍存在以下問題:1)固定時間間隔統(tǒng)計的snr不能實時并準確的反映信道變化,引起調(diào)制階數(shù)選擇錯誤;2)為保證snr統(tǒng)計精度,需要大量使用輔助數(shù)據(jù),降低了頻譜利用率;3)需要頻繁調(diào)整發(fā)射功率補償信道衰落帶來的snr損失,頻繁的功率調(diào)整會引起同信道干擾,影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此,研究快時變信道下的自適應(yīng)調(diào)制具有重要的理論價值和工程意義。
誤差矢量幅度(evm,errorvectormagnitude)定義為接收符號星座點與發(fā)送符號星座點誤差的均方根,可以直接、快速反映信道變化對數(shù)據(jù)接收產(chǎn)生的誤差,是反映信道質(zhì)量的重要特征參量。目前將evm應(yīng)用于自適應(yīng)調(diào)制的研究尚處于起步階段,有限的研究集中于da-evm-am(dataaidederrorvectormagnitudebased-adaptivemodulation)的仿真模擬?,F(xiàn)有文獻證明了在誤碼率約束下的自適應(yīng)調(diào)制中,da-evm的調(diào)整閾值較snr有更好的有效性,有些文獻提出利用“接收星座的離散程度(evm)與傳輸速率的關(guān)系”提高時變信道下傳輸速率選擇的準確性,還有些文獻證明da-evm-am在stbc-ofdm(space-timeblockcodedorthogonalfrequencydivisionmultiplexing)系統(tǒng)中較snr-am有更好的頻譜利用率。然而da-evm-am依然無法解決大量使用輔助數(shù)據(jù)導(dǎo)致頻譜利用率降低的問題,更重要的是上述文獻均沒有給出有效的工程實現(xiàn)方案。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷,本發(fā)明提供快時變信道下非數(shù)據(jù)輔助的誤差矢量幅度的自適應(yīng)調(diào)制方法,提高信道質(zhì)量評估與調(diào)制階數(shù)選擇的實時性和準確性,提高頻譜利用率。
快時變信道下非數(shù)據(jù)輔助的誤差矢量幅度自適應(yīng)調(diào)制方法,包括以下步驟:
s1:設(shè)置自適應(yīng)調(diào)制的調(diào)制階數(shù)為m1=q(1),即采用qam進行調(diào)制,其中mn=q(n)∈{22n,n=1,2,...,m}表示調(diào)制階數(shù);
s2:接收端估算信道的相干時間tc,確定單位符號的發(fā)送時間為tsymbol,按照
s3:根據(jù)當前調(diào)制階數(shù)的數(shù)據(jù)符號計算出所有調(diào)制階數(shù)的nda-evm值,即ξ[q(n)]={ξ[4],ξ[16],ξ[64]…ξ[mn]};
s4:計算當前信道下各調(diào)制階數(shù)的nda-evm對應(yīng)的誤碼率,即:
η(ξ[q(n)])={η(ξ[4]),η(ξ[16]),η(ξ[64]),…η(ξ[mn])};
s5:在指定berth的條件下,根據(jù)相干時間tc包含的n個數(shù)據(jù)符號中保持不變的原則選出mn作為當前最優(yōu)調(diào)制階數(shù),返回步驟s2,執(zhí)行下一輪的調(diào)制階數(shù)調(diào)整。
優(yōu)選地,所述步驟s3中,
其中,
優(yōu)選地,所述步驟s4中,mqam的誤碼率為:
將瞬時信道增益α消去,即可得到nda-evm和ber之間的關(guān)系:
η(ξ[q(n)])=f(ξ[q(n)],q(n))。
優(yōu)選地,所述步驟s5中,選擇當前最優(yōu)調(diào)制階數(shù)的方法為:
其中,berth表示系統(tǒng)預(yù)期的誤碼率。
由上述技術(shù)方案可知,本發(fā)明提供的快時變信道下非數(shù)據(jù)輔助的誤差矢量幅度自適應(yīng)調(diào)制方法,給出了nda-evm在快時變信道下的計算模型,推導(dǎo)了不同調(diào)制階數(shù)下nda-evm與誤碼率的關(guān)系,并據(jù)此設(shè)計了mqam調(diào)制階數(shù)選擇機制。以3gppr4-050388和ts25.104定義的高鐵通信的兩個快時變信道場景為例,數(shù)值仿真表明:與snr-am和da-evm-am相比,nda-evm-am可提高信道質(zhì)量評估與調(diào)制階數(shù)選擇的實時性和準確性,進而提升系統(tǒng)的頻譜利用率,最高可提升0.82bit/s/hz和0.53bit/s/hz。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明具體實施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案,下面將對具體實施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。在所有附圖中,類似的元件或部分一般由類似的附圖標記標識。附圖中,各元件或部分并不一定按照實際的比例繪制。
圖1為nda-evm的自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)模型。
圖2為nda-evm-am調(diào)制階數(shù)選擇原理圖。
圖3為大多普勒頻移場景下的信道頻譜利用率。
圖4為多普勒頻移快速變化的場景。
圖5為多普勒頻移快速變化場景下的信道頻譜利用率。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案的實施例進行詳細的描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案,因此只作為示例,而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。需要注意的是,除非另有說明,本申請使用的技術(shù)術(shù)語或者科學(xué)術(shù)語應(yīng)當為本發(fā)明所屬領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的通常意義。
evm可以利用輔助數(shù)據(jù)計算(da-evm,dataaided-errorvectormagnitude),也可以不利用輔助數(shù)據(jù),直接用數(shù)據(jù)符號計算(nda-evm,nondataaided-errorvectormagnitude)?,F(xiàn)實的通信中也多為非數(shù)據(jù)輔助接收,nda-evm不受輔助數(shù)據(jù)間隔的影響,有利于頻譜利用率的提高,更適合于實際的通信場景。據(jù)此本專利提出一種基于nda-evm的自適應(yīng)調(diào)制算法(nda-evm-am),給出了nda-evm在快時變信道下的計算模型,推導(dǎo)了不同調(diào)制階數(shù)下nda-evm與誤碼率的關(guān)系,并據(jù)此設(shè)計了mqam調(diào)制階數(shù)選擇機制。以3gppr4-050388和ts25.104定義的高鐵通信的兩個快時變信道場景為例,數(shù)值仿真表明:與snr-am和da-evm-am相比,nda-evm-am可提高信道質(zhì)量評估與調(diào)制階數(shù)選擇的實時性和準確性,進而提升系統(tǒng)的頻譜利用率,最高可提升0.82bit/s/hz和0.53bit/s/hz。
1、nda-evm-am的系統(tǒng)模型及算法框架。
圖1給出了nda-evm-am的系統(tǒng)模型,分為發(fā)送星座成型模塊、時變信道模塊、解調(diào)模塊、nda-evm計算模塊和調(diào)制階數(shù)選擇模塊,其中nda-evm計算和調(diào)制階數(shù)選擇模塊為本專利研究的重點。如圖1所示,發(fā)射機以恒定發(fā)送功率發(fā)送mqam符號,調(diào)制階數(shù)表示為m0=q(0)=0,mn=q(n)∈{22n,n=1,2,...,m}。發(fā)送端信息流d[i]的初始調(diào)制階數(shù)為m1=q(1),經(jīng)過調(diào)制和星座成型后得到符號x[i],調(diào)制符號經(jīng)過時變信道中的衰落和加性噪聲的污染到達接收端,假設(shè)相位偏移可以被完美估計,接收端得到的符號可表示為
y[i]=α[i]x[i]+n[i](1)
其中,α[i]為瞬時信道增益,噪聲n[i]服從期望為0,方差為
其中c是相關(guān)參數(shù),0<c≤1,c越小表明信道變化越快,當c=1時信道退化為準靜態(tài)衰落信道。w[i]是復(fù)高斯隨機過程,均值為0,其功率譜密度由路徑損耗和陰影衰落確定,記為
nda-evm計算模塊根據(jù)接收符號y[i]計算當前調(diào)制階數(shù)為q(1)時數(shù)據(jù)符號的nda-evm值ξ[q(1)],并根據(jù)nda-evm計算模型推算相同信道環(huán)境下若發(fā)送調(diào)制階數(shù)為q(n),(n=2,…m)的數(shù)據(jù)符號對應(yīng)的evm值ξ[q(n)]。在nda-evm計算模塊獲得當前信道條件下所有調(diào)制階數(shù)的nda-evm值后,根據(jù)nda-evm和ber之間的關(guān)系,計算出對應(yīng)的誤碼率η(ξ[q(n)]),并將其輸入調(diào)制階數(shù)選擇模塊。
nda-evm-am調(diào)制階數(shù)選擇模塊以式(2)作為調(diào)制階數(shù)選擇的依據(jù),其基本思想是根據(jù)所有候選調(diào)制階數(shù)的nda-evm,選擇滿足預(yù)期誤碼率約束的最大調(diào)制階數(shù)。
其中,berth表示系統(tǒng)預(yù)期的誤碼率。調(diào)制階數(shù)選擇模塊選擇最優(yōu)的調(diào)制階數(shù)mn,計算相干時間tc,確定以相同調(diào)制階數(shù)發(fā)送的符號個數(shù)
2、nda-evm計算模型
首先建立nda-evm在時變信道下的計算模型,并推導(dǎo)nda-evm與ber的關(guān)系。da-evm的計算需要確知收/發(fā)符號的對應(yīng)關(guān)系,nda-evm的計算則無須確知收/發(fā)符號的對應(yīng)關(guān)系,可通過接收符號星座點y[i]與通過最大似然準則估計出的發(fā)送符號星座點
其中,p0為恒定的發(fā)射功率,設(shè)p0=1。發(fā)送符號si為mn=q(n)階的mqam符號,可表示為
si=(2i-k)b+j(2m-k)b,i,m=0,1,…k;(4)
其中,
化簡式(5)需要得到接收符號在信道增益α下的概率函數(shù)。瞬時信道增益
相干時間內(nèi),瞬時信道增益α可視為定值且
其中,
設(shè)發(fā)送符號是等概率出現(xiàn),p(xr=sj,r)=1/(1+k)。利用條件概率和式(7)可得
其中,di,r為發(fā)送符號si,r的判決域
將式(7),式(8)代入式(5),可以得到:
其中,
當?shù)玫絥da-evm計算模型后,還需確定nda-evm對應(yīng)的誤碼率,才能建立調(diào)制階數(shù)選擇的理論依據(jù)。由于在相干時間內(nèi),
將瞬時信道增益α消去,即可得到nda-evm和ber之間的關(guān)系
η(ξ[q(n)])=f(ξ[q(n)],q(n))(13)
上述隱式方程理論上給出了nda-evm和ber的關(guān)系,在無需獲知瞬時信道增益的條件下,由已知任意一方參數(shù)即可給出另一方在當前信道下的準確值;然而該隱式方程非線性很強,只能給出數(shù)值解。
該部分給出了時變信道下mqam符號的nda-evm的計算方法,式(10)給出了信道變化時對應(yīng)的nda-evm的解析式,該式不僅適合于加性高斯白噪聲信道(對應(yīng)與瞬時信道增益α=1的退化情況)nda-evm的計算,也可作為任意衰落信道下計算nda-evm的通式。發(fā)送端發(fā)送任意調(diào)制階數(shù)的數(shù)據(jù)符號,根據(jù)式(10)就可以得出所有調(diào)制階數(shù)的nda-evm,再根據(jù)式(13)就可以得出所有調(diào)制階數(shù)在當前信道下的誤碼性能,這種特性可以在nda-evm-am中隨時獲取當前信道下所有調(diào)制階數(shù)的誤碼性能,一次性調(diào)整到與信道條件適配的調(diào)制階數(shù),提高了階數(shù)選擇的正確率和階數(shù)調(diào)整的實時性,而這種特性是傳統(tǒng)的snr-am不具備的。
3、nda-evm-am調(diào)制階數(shù)選擇機制
式(2)給出了nda-evm-am調(diào)制階數(shù)選擇機制的核心思想,一次完整的調(diào)制階數(shù)選擇包含3個部分:1)根據(jù)時變信道的相干時間確定以相同調(diào)制階數(shù)發(fā)送的符號個數(shù)
圖2給出的nda-evm-am調(diào)制階數(shù)選擇機制,可以依據(jù)相干時間調(diào)整保持調(diào)制階數(shù)的符號數(shù),并保證信道的評估和調(diào)制階數(shù)的調(diào)整在相干時間內(nèi)完成,尤其在信道變化劇烈的情況下(大多普勒頻移和普勒頻移快速變化的信道),nda-evm-am的性能優(yōu)勢就越發(fā)明顯。另外,nda-evm-am調(diào)制階數(shù)選擇機制利用了nda-evm不依賴輔助數(shù)據(jù)特性,克服了傳統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制中固定間隔的輔助數(shù)據(jù)導(dǎo)致頻譜利用率降低的缺點??蓺w納成為:
s1:設(shè)置自適應(yīng)調(diào)制的調(diào)制階數(shù)為m1=q(1)=qam;
s2:接收端估算信道的相干時間tc,確定單位符號的發(fā)送時間為tsymbol,按照
s3:根據(jù)式(9)由當前調(diào)制階數(shù)的數(shù)據(jù)符號計算出所有調(diào)制階數(shù)的nda-evm值,ξ[q(n)]={ξ[4],ξ[16],ξ[64]…ξ[mn]};
s4:根據(jù)式(12)得出當前信道下各調(diào)制階數(shù)的nda-evm對應(yīng)的誤碼率,η(ξ[q(n)])={η(ξ[4]),η(ξ[16]),η(ξ[64]),…η(ξ[mn])};
s5:在指定berth的條件下,根據(jù)式(2)選出
值得注意的是,如果在步驟s5中η(ξ[q(1)])>berth,即最低調(diào)制階數(shù)qam對應(yīng)的誤碼率仍然不能滿足要求,則中斷相干時間tc的數(shù)據(jù)發(fā)送(notx,notransmission),即m0=q(0),直到重復(fù)上述流程開始新的調(diào)制階數(shù)調(diào)整。
在快時變衰落信道下,nda-evm自適應(yīng)調(diào)制的頻譜利用率是各調(diào)制階數(shù)的速率按其出現(xiàn)的概率進行加權(quán)的和:
其中,mn=q(n)∈{22n,n=1,...j,...,m}。
至此,根據(jù)式(10)給出的快時變信道下各調(diào)制階數(shù)nda-evm計算模型和式(13)給出的nda-evm與ber的關(guān)系,設(shè)計了nda-evm-am調(diào)制階數(shù)選擇機制,給出了快時變信道下自適應(yīng)調(diào)制的工程可實現(xiàn)方案。
4、nda-evm-am在快時變信道下的測試與性能分析
選取3gppr4-050388和3gppts25.104協(xié)議定義的高鐵通信的兩種快時變信道場景進行仿真驗證。它們分別是大多普勒頻移下的快時變信道和多普勒頻移快速變化的快時變信道,仿真參數(shù)設(shè)定見表1。對比算法為恒定功率下snr-am算法和da-evm-am。對比算法中的輔助數(shù)據(jù)為前導(dǎo),包含5個確知的數(shù)據(jù)符號,兩個前導(dǎo)之間為隨機的數(shù)據(jù)符號。
表1仿真參數(shù)表
5、大多普勒頻移下的快時變信道
大多普勒頻移下的快時變信道場景選取為3gppr4-050388定義的itu-va高鐵信道,其抽頭數(shù)為2,信道類型為b類,多普勒頻移fd分別為400hz和800hz(對應(yīng)的移動速率為180km/h和360km/h)。圖3和表2給出了三種算法在上述快時變信道下的頻譜利用率和調(diào)制階數(shù)選擇的正確率。
表2三種算法在大多普勒場景下的調(diào)制階數(shù)選擇的正確率
由圖3可知:當fd=400hz時,三種算法在低信噪比區(qū)的頻譜利用率幾乎相等;但在中、高信噪比區(qū),本實施例算法的頻譜利用率高于對比算法,其差值隨信噪比增加不斷增大。這是由于nda-evm對時變信道質(zhì)量評估的準確性高,并且信噪比的增加有利于nda-evm估計精度的提高。由表2可知:當fd=400hz時,三種算法的調(diào)制階數(shù)選擇的正確率隨信噪比的增加而增加;特別是在高信噪比區(qū),正確率的提升最高,分別達到了5%和13%,這與圖3反映的結(jié)論相吻合。
同理,當fd=800hz時,本實施例算法的頻譜利用率高于對比算法;與fd=400hz的信道比較,本實施例算法較對比算法在頻譜利用率上的提高更明顯。這是由于相較于fd=400hz的場景,前者信道的相干時間更短,遠小于對比算法中輔助數(shù)據(jù)的固定間隔,導(dǎo)致對比算法對信道質(zhì)量的評估失真。例如,在fd=400hz的場景下,本實施例算法的頻譜利用率最高可達5.62bit/s/hz,較da-evm-am和snr-am最大提升了0.46bit/s/hz和0.69bit/s/hz。而在fd=800hz的場景下,最大提升了0.53bit/s/hz和0.82bit/s/hz。同理,表2中對應(yīng)場景下的調(diào)制選擇的正確率的差異也反映出多普勒頻移越大本實施例算法較對比算法性能差異越大這一趨勢。由此說明nda-evm對快時變信道的信道質(zhì)量評估更為準確,本實施例算法有著更高的頻譜利用率。
6、多普勒頻移快速變化的快時變信道
采用3gppts25.104定義的高鐵穿越基站時,多普勒頻移快速變化的場景作為測試的快時變信道場景,多普勒頻移變化周期分別為t=40s和20s,如圖4所示,其余信道參數(shù)見表2。圖5和表3反映了三種算法在上述快時變信道下的頻譜利用率和調(diào)制階數(shù)選擇的正確率。
表3三種算法在多普勒快速變化場景下的調(diào)制階數(shù)選擇的正確率
由圖5可知:兩種信道場景下,三種算法的頻譜利用率均隨信噪比增加而增加,但本實施例算法增幅更為明顯。這是由于三種算法的調(diào)制階數(shù)選擇機制均受信噪比影響,而對比算法除此影響因素外,輔助數(shù)據(jù)固定的時間間隔還降低了階數(shù)調(diào)整的準確性。由表3可知:這種性能的差異也可以由調(diào)制階數(shù)選擇的正確率體現(xiàn)出來,例如在t=40s的場景下,本實施例算法有最大頻譜利用率5.41bit/s/hz,與對比算法的差異在高信噪比區(qū)也達到最大,分別為3%和6%。
在同一信噪比區(qū)時(特別是中、高信噪比區(qū)),當多普勒頻移變化周期減小時(t=20s),本實施例算法與對比算法頻譜利用率的差異變大。由圖5可以看出最大差異分別達到0.51bit/s/hz和0.81bit/s/hz;表3也驗證了該特征,本實施例算法與對比算法在調(diào)制階數(shù)選擇正確率的差值在t=20s的場景下也達到最大,分別為7%和13%。這是由于在相干時間變化越頻繁的信道中(t=20s),階數(shù)的調(diào)整也越頻繁,輔助數(shù)據(jù)的固定間隔導(dǎo)致了調(diào)整的實時性降低,調(diào)整的階數(shù)與當前信道狀況失配,頻譜利用率不高。而本實施例算法保證了相干時間內(nèi)完成信道質(zhì)量評估和階數(shù)調(diào)整,在階數(shù)選擇的實時性方面要高于對比算法,所以在多普勒頻移變化的快時變信道下,本實施例算法階數(shù)調(diào)整的實時性和準確性更好,有更高的頻譜利用率。
針對快時變信道中無線通信系統(tǒng)頻譜利用率低的問題,本專利提出了一種基于nda-evm的自適應(yīng)調(diào)制算法。算法建立了時變信道下nda-evm的計算模型,推導(dǎo)了任意調(diào)制階數(shù)的nda-evm與誤碼率的關(guān)系,設(shè)計了按相干時間分配調(diào)制符號的自適應(yīng)調(diào)制階數(shù)的選擇機制的工程可實現(xiàn)方案。以高鐵通信的快時變信道場景為例,數(shù)值仿真表明:1)nda-evm-am能有效解決快時變信道下頻譜利用率低的問題,兩種快時變信道場景下的頻譜利用率最高達5.62bit/s/hz和5.41bit/s/hz;2)nda-evm-am在信道質(zhì)量評估與調(diào)制階數(shù)選擇方面有較高的實時性和準確性,尤其是在高信噪比的大多普勒頻移和多普勒頻移快速變化的快時變信道下,相較傳統(tǒng)的da-evm-am和snr-am有更大的性能提升,調(diào)制選擇正確率最大提升7%和13%,頻譜利用率最大提升了0.53bit/s/hz和0.82bit/s/hz;3)在低信噪比的快時變信道中,nda-evm-am與兩種傳統(tǒng)算法性能接近,頻譜利用率的提升不大。簡言之,nda-evm-am在快時變信道下具有廣泛的工程應(yīng)用價值,可作為地空通信、高鐵通信、水下聲通信等快時變信道下自適應(yīng)調(diào)制的參考模型。未來的研究工作包括研究nda-evm-am在時變信道下的容量上限和存在反饋時延的調(diào)制階數(shù)選擇機制等。
最后應(yīng)說明的是:以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案,而非對其限制;盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改,或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進行等同替換;而這些修改或者替換,并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍,其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求和說明書的范圍當中。