一种基于多中继转发的协作空间调制系统性能分析方法

1.本发明属于移动通信领域，涉及移动通信系统的性能分析方法，尤其是涉及基于多中继转发的协作空间调制系统的性能分析方法。


背景技术：

2.中继原本只被用于远距离传输，通过中继的转发来扩展信号覆盖范围。近年来的研究表明，中继也可以和发送端合作来改善通信的质量，它适用于发送端和接收端之间的直达链路能够承载信息的场景中，再利用多中继进行信号转发，信息可以从多条相互独立的路径到达目的端，在目的端一侧，多条链路的信息会被合并。相比于只经过一条中继链路传输的中继系统，这种链路间的合作能提高系统的误比特率性能。此外，空间调制是一种高效的调制技术。在空间调制系统中，只有一根天线会在发送时隙中被激活并发送信号，被激活的天线会利用天线序号来携带信息以此提升频谱效率。将空间调制技术和多中继协作系统相结合可以为系统带来更高的频谱效率和分集增益。
3.在实际的应用中，信道估计的准确程度会很大程度上影响系统的性能，因为信号检测需要利用信道信息，而信道信息通常需要通过信道估计而得到，而一般情况下，接收端很难获得完全准确的信道状态信息。
4.基于以上技术背景并结合现有的研究，目前还没有关于多中继协作空间调制系统误比特性能的研究，所以本发明提出了在不完全信道信息下基于多中继转发的协作空间系统的误比特率性能分析方法，给出了了相应的误比特率的理论表达式，由此可以评估不完全信道信息下系统的性能。


技术实现要素：

5.本发明提出了一种在不完全信道状态下基于多中继转发的协作空间调制系统的误比特率性能分析方法，它包括以下几个步骤：
6.步骤一：建立基于多中继转发的协作空间调制系统模型并给出系统信号传输的原理；该模型中，有一个源节点、一个目的节点和nr个单天线中继，源节点和目的节点处配置的天线数目分别为ns和nd源节点会利用空间调制技术向目的节点发送信号，信号会分别通过源到目的间的直达链路以及通过多中继转发的链路到达目的节点，根据传输原理写出信号传输的表达式；
7.步骤二：考虑到信道状态不完全的情况，将实际信道表示为估计信道与估计信道误差相加的形式；
8.步骤三：利用接收信号的表达式进行检测，根据定义给出系统条件成对错误概率的表达式；
9.步骤四：计算有效信噪比中各变量的矩生成函数；
10.步骤五：对条件成对错误概率关于系统的有效信噪比取平均，可以利用基于矩生成函数的方法计算给出系统平均成对错误概率的表达式；
11.步骤六：利用平均成对错误概率得到系统误比特率的近似表达式。
12.本发明具有以下有益效果：本发明在建立系统模型时考虑到了信道状态不完全的情况，更符合实际应用的场景；根据本发明提出的基于多中继转发的协作空间调制系统误比特率性能分析方法可以得到系统误比特率的闭式表达式，可以有效地评估系统的性能，故在实际应用不需要大量的仿真就可以知晓系统的误比特率性能。
附图说明
13.为了更清楚地说明并验证本发明实施例中的方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
14.图1为本发明实施例中基于多中继转发的协作空间调制系统的性能分析方法示意图
15.图2为本发明实施例中基于多中继转发的协作空间调制系统的模型图
16.图3为本发明实施例中在信道估计误差方差不同时系统的误比特率性能
17.图4为本发明实施例中在中继数目不同时系统的误比特率性能
18.图5为本发明实施例中在不同调制阶数下系统的误比特率性能
19.图6为本发明实施例中在不同天线数目下系统的误比特率性能
具体实施方式
20.为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的介绍。
21.首先，建立基于多中继转发的协作空间调制系统模型。如图2所示，该模型中，有一个源节点、一个目的节点和nr个单天线中继，源节点和目的节点处配置的天线数目分别为ns和nd源节点会利用空间调制技术向目的节点发送信号，信号会分别通过源到目的间的直达链路以及通过多中继转发的链路到达目的节点，根据传输原理可以写出目的端接收到的信号为：
[0022][0023][0024]
式中，ps是源端发送功率，表示源到目的端之间的信道矩阵，其元素满足均值为0，方差为的复高斯分布；表示激活第i(i＝1，2，...，ns)根天线，发送第m个星座符号sm的空间调制信号，当调制方式为m阶正交振幅调制时，则m＝1，2，...，m，具体可以表示为
[0025][0026]
其中：ei表示ns阶单位矩阵的第i列，sm表示星座符号中第m个元素。表示源端到第k(k＝1，2，...，nr)个中继之间的信道向量，中的元素服从均值为0，方差为的复高斯分布，代表的第i个元素。n
sd
表示在目的端的加性噪声，其元素满足均值为零0，方差为1的复高斯分布。代表在目的端接收到的通过第k(k＝1，2，...，nr)个中继转发的信号。表示第k个中继到目的端之间的信道向量，向量中元素均服从均值为0，方差
分别为的复高斯分布。信道间的方差与路径损耗有关，即uv∈{sd，srk，rkd}，其中d
uv
表示两个节点之间的距离，α表示路径损耗指数。放大系数表示第k个中继的发送功率，且满足
[0027]
考虑到信道状态不完全的情况，将接收信号的表达式中的实际信道表示成信道估计值与信道误差的和的形式，即其中带有上标^和～的符号分别代表对应信道的估计值和估计误差，信道估计误差服从均值为0方差为的复高斯分布，uv∈{sd，srk，rkd}。
[0028]
利用接收信号的表达式进行检测，根据定义可以给出在估计信道已知的情况下，系统条件成对错误概率的表达式可以表示为
[0029][0030]
其中，q(
·
)是高斯q函数，是系统的有效信噪比，为源经第k个中继到目的端的信噪比；且为源到目的端信噪比，为源到目的端信噪比，|
·
|及||
·
||分别表示取绝对值操作和求向量的范数。
[0031]
接下来依次计算并给出有效信噪比中变量χ
sd
和的矩生成函数，用ψ
χ
(
·
)表示变量χ的矩生成函数，结果为
[0032][0033]
其中
[0034][0035][0036]
上式中，w
a，b
(z)表示whittaker函数，且
[0037]
[0038]
对条件成对错误概率关于信道取平均，即可以利用基于矩生成函数的方法计算给出系统平均成对错误概率的表达式：
[0039][0040]
其中：n
p
代表切比雪夫多项式的阶数，以及φ
κ
的表达式为φ
κ
＝cos((2κ-1)π/(2n
p
))。
[0041]
进一步地，利用平均成对错误概率得到系统误比特率的近似表达式：
[0042][0043]
现考虑一个基于多中继转发的协作空间调制系统，将源节点到目的节点之间的距离归一化为1，多个中继紧密地排布位于源和目的端之间，即d
sd
＝1，且路径损耗指数α＝3，源端发射功率每个中继的发送功率将信道误差统一设置为ε2，误差方差模型为其中τ表示导频序列的长度。用于画理论曲线的切比雪夫多项式系数n
p
＝5。
[0044]
当调制方式为4qam，发送天线ns＝2，目的端接收天线nd＝4，中继数量nr＝2，信道估计误差的方差分别为和0时，系统的误比特率性能如图3所示，从仿真结果中可以观察到，仿真结果和用理论公式画出的曲线几乎重合，证明了分析结果的正确性。还可以得到，信道估计误差方差越大，说明信道估计越不准确，系统的平均误比特率性能也就越差。图4给出了基于多中继转发的协作空间调制系统在不同中继数目时的误比特率性能，信道估计误差为调制阶数m＝4，源端天线和目的端天线的数量分别为2和4，中继数量nr＝1，2或4。从仿真结果可以看到，增加中继数目可以带来误比特性能的提升还可以提高系统的分集增益。图5给出了了中继协作空间调制系统在不同调制阶数下的误比特率性能，图中，信道估计误差设置为发送天线的数目为ns＝2，中继数量nr＝2，接收天线nd＝4，调制阶数取值分别为m＝4，8，16。仿真结果表明，调制阶数增加时会使系统误比特率上升。图6研究了不同天线数目对系统性能的影响。图中信道估计误差方差取值为调制阶数m＝8，中继数量为nr＝4，发送天线数量ns＝2或4，接收端天线设置为nd＝2或4。可以观察到，增加发送天线的数目会使误比特率上升但是不影响系统分集度，增加接收天线的数目会使误比特率降低且会使系统分集增益得到提升。图中的仿真值和理论值都较为吻合，说明提出误比特率分析方法针对基于多中继转发的协作空间调制系统是行之
有效的，且根据此方法计算给出的误比特率近似表达式也是准确的。
[0045]
以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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。