CN101340224A - 比特分配方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种比特分配方法，包括：获取当前比特序列预分配给各子信道的各子载波将会为各子信道的各子载波带来的功率增量；从所述各子信道的各子载波的功率增量中选择最小的功率增量；在所有功率增量中选择最小的功率增量，将当前比特序列分配给该最小功率增量对应的子信道的子载波。本发明实施例同时公开了一种比特分配装置，包括：功率增量计算模块和比特分配模块。本发明实施例使得比特序列将会被分配给信道条件最好的发射天线发送，提高了比特序列的传输性能。

Description

比特分配方法和装置

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，具体涉及一种应用于分布式多输入多输出正交频分复用系统中的比特分配方法和装置。

背景技术

下一代移动通信要求大容量和高质量的数据传输，多输入多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)系统中的正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术受到了人们的关注。现有的集中式MIMO-OFDM系统的多根收、发天线均分别集中于一处，而分布式MIMO-OFDM系统的多根收、发天线均分别分布于不同的地理位置。与集中式MIMO-OFDM相比，分布式MIMO-OFDM系统的各对收发天线间链路更加独立，具有大容量、低功耗、更好的覆盖等优点。

分布式MIMO-OFDM系统与传统的集中式MIMO-OFDM系统在信号传输特性上具有不同的特点：在分布式MIMO-OFDM系统中，由于各个发射天线分布于不同的地理位置，它们的接入距离不同，因此各个发射天线的信号是异步到达接收端的，而集中式MIMO-OFDM系统的各个发射天线的信号是同步到达接收端的。此外，分布式MIMO-OFDM各收发天线对所对应的信道比集中式MIMO-OFDM更加独立。

图1为现有的在集中式MIMO-OFDM系统中进行比特分配的流程图，如图1所示，其具体步骤如下：

步骤101：对子载波的信道矩阵进行奇异值分解。

设子载波的信道矩阵为H_k，则对H_k进行奇异值分解的公式如下：

H_k＝U_kD_kV_k ^H

其中，k为子载波的序号，D_k是一个非负对角矩阵，主对角线上的元素为H_k的奇异值λ_i(k)，U_k和V_k为酉矩阵，V_k ^H为V_k的复共轭转置矩阵。λ_i(k)可用于表示第i个子信道的第k个子载波的信道振幅增益，i＝1，2，...，S，S为非零奇异值的个数。

步骤102：设置可用子载波个数N_on＝N，设置可变参数α，0＜α＜1。

其中，N为每根发射天线上的子载波数目。

对于每根发射天线i(i＝1，2，...)分别通过如下步骤103～111完成比特分配：

步骤103：初始化第i根发射天线上的注水常数μ_i：

${\mathrm{\μ}}_i=\frac{1}{N}(-\frac{1.5P_0}{N_{\mathrm{on}}\ln \left(5\mathrm{BER}\right)}+\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i\left(k\right)})$

其中，P₀为每根发射天线的限定发射总功率，BER为预先设定的系统要保证的误码率。

步骤104：计算将要为第i根发射天线上的第k个子载波分配的比特数b_i，k(k＝1，2，...，N)。

b_i，k＝round([log₂(μ_iλ_i(k))]⁺)

其中，[x]⁺表示max{x，0}，round表示向上取整。

步骤105：判断 $\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\left(k\right)>P_0$ 是否成立，若是，执行步骤106；否则，执行步骤109。

P₀为限定的发射总功率，p_i(k)为将比特数b_i，k分配到第i根发射天线上的第k个子载波将带来的功率。

步骤106：判断b_i，k(k＝1，2，...，N)＝0是否成立，若是，执行步骤107；否则，执行步骤108。

步骤107：令N_on＝N_on-m，转至步骤103。

步骤108：令 ${\mathrm{\μ}}_i={\mathrm{\μ}}_i-\mathrm{\α}\frac{1}{N}\frac{1.5P_0}{N_{\mathrm{on}}\ln \left(5\mathrm{BER}\right)}(P_0-\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\left(k\right)),$ 转至步骤104。

步骤109：根据计算得到的各b_i，k(k＝1，2，...，N)，将比特序列分配到第i根发射天线上的各子载波上。

从以上过程可以看出：在集中式MIMO-OFDM系统中进行比特分配时，只需满足一个条件：分配给发射天线的比特的总功率不超过发射天线的限定功率。而在分配同一比特序列时，可能会存在多个满足上述条件的发射天线，而采用不同的发射天线所带来的发射功率可能不同，所对应的信道传输条件也可能不同。因此，如何选择合适的发射天线来发射比特序列，以使得传输该比特序列能够达到最佳的传输性能，是亟需解决的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种比特分配方法和装置，以提高比特序列传输性能。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

一种比特分配方法，包括：

获取当前比特序列预分配给各子信道的各子载波将会为各子信道的各子载波带来的功率增量；

从所述各子信道的各子载波的功率增量中选择最小的功率增量；

将当前比特序列分配给该最小功率增量对应的子信道的子载波。

一种比特分配装置，包括：功率增量计算模块和最小功率增量确定模块，其中：

功率增量计算模块，计算当前比特序列预分配给各子信道的各子载波将会给各子信道的各子载波所带来的功率增量，将最小功率增量对应的子信道标识及子载波标识发送给比特分配模块；

比特分配模块，将当前比特序列分配给收到的子信道标识和子载波标识对应的子信道的子载波上。

与现有技术相比，本发明实施例预先获取将当前比特序列分别预分配给各子信道的各子载波将会为各子信道的各子载波带来的功率增量，然后在所有功率增量中选择最小的功率增量，再将当前比特序列分配给该最小功率增量对应的子信道的子载波，使得比特序列将会被分配给信道条件最好的发射天线发送，提高了比特序列传输性能。

附图说明

图1为现有的在集中式MIMO-OFDM系统中进行比特分配的流程图；

图2为本发明实施例一提供的在分布式MIMO-OFDM系统中进行比特分配的流程图；

图3为本发明实施例提供的接收端进行信号检测的流程图；

图4为本发明实施例二提供的在分布式MIMO-OFDM系统中进行比特分配的流程图；

图5为本发明实施例提供的分布式MIMO-OFDM系统的发送端的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的分布式MIMO-OFDM系统的接收端的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

图2为本发明实施例一提供的在分布式MIMO-OFDM系统中进行自适应比特分配的流程图，如图2所示，其具体步骤如下：

步骤201：发送端收到接收端发来的用于表征各信道的质量的信道估计值，发送端根据该信道估计值确定各信道的各子载波的信道矩阵H_k(k＝1，2，...，N)。

这里，k表示子载波的序号，N为每个信道对应的子载波的总数。

接收端将通过信道估计得到的信道估计值在预定延迟后，通过无线上行链路反馈到发送端。

步骤202：发送端对H_k进行奇异值分解，得到奇异值λ_i(k)。

对H_k进行奇异值分解可用以下公式表示：

H_k＝U_kD_kV_k ^H    (1)

其中，D_k是一个非负对角矩阵，主对角线上的元素为H_k的奇异值λ_i(k)，U_k和V_k为酉矩阵，V_k ^H为V_k的复共轭转置矩阵。λ_i(k)可用于表示第i个子信道的第k个子载波的信道振幅增益，i＝1，2，...，S，S为非零奇异值的个数。

步骤203：发送端确定要发送比特流a，初始化b_i，k＝0，确定比特分配步长为l。

其中，b_i，k为第i个子信道的第k个子载波上已分配到的比特数，比特分配步长表示每次分配的比特数。

步骤204：发送端假设将当前l个比特分别分配给每个子信道的每个子载波，分别计算将当前l个比特分配给各子信道的各子载波将会为各子信道的各子载波带来的功率增量Δp_i(k)。

将l个比特分配给第i个子信道的第k个子载波将会带来的功率增量Δp_i(k)可用以下公式表示：

${\mathrm{\Δp}}_i\left(k\right)=\frac{f(b_{i,k}+l)-f\left(b_{i,k}\right)}{{\mathrm{\λ}}_i\left(k\right)}---\left(2\right)$

其中，b_i，k为未将当前l个比特分配给第i个子信道的第k个子载波前，该子载波上已分配到的比特数；

为将b_i，k+l个比特分配给第i个子信道的第k个子载波上后该子载波的发射功率；为将b_i，k个比特分配给第i个子信道的第k个子载波后该子载波的发射功率；f()为代价函数，根据所采用的调制方式的不同，f()有不同的计算公式，例如：当采用多电平正交振幅调制(MQAM)方式时，f()可以近似等于：

$f\left(c\right)=\frac{\ln \left(5\mathrm{BER}\right)}{1.5}{N}_0(2^c-1)$

其中，BER为系统要保证的误码率；N₀为常数，系统中的加性复高斯白噪声(AWGN)的双边功率谱密度为N₀/2。

步骤205：发送端在得到的所有Δp_i(k)(i＝1，2，...，S；k＝1，2，...，N)中，寻找最小值minΔp_A(B)。

步骤206：发送端将当前的l个比特分配给该minΔp_A(B)对应的第A个子信道的第B个子载波上。

步骤207：发送端判断 $\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_{i,k}<R_b$ 是否成立，即：判断已分配给各子信道的各子载波的所有比特数目是否已达到系统的比特速率值，若是，继续进行下l个比特的分配，返回步骤204；否则，执行步骤208。

R_b是MIMO-OFDM系统的比特速率。

步骤208：发送端对各子信道各子载波上分配到的比特进行调制和串并转换，得到信息符号x_i(k)。

x_i(k)(i＝1，2，...；k＝1，2，...，N)为一个N维向量，每一个向量值分别代表第i个子信道上的每个子载波上的信息符号。

步骤209：发送端根据x′_i(k)＝V_k ^Hx_i(k)得到变换后的信息符号x′_i(k)。

步骤210：发送端对变换后的信息符号x′_i(k)进行逆快速傅立叶变换(IFFT)和加循环前缀(CP)处理后，由发射天线发送到接收端。

在实际应用中，若需要提高系统吞吐量，步骤207可改为：判断 $\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i\left(k\right)<P_0$ 是否成立，即：判断各子信道的各子载波的发射功率的总和是否已达到系统要求的发射总功率值，若是，执行步骤208；否则，返回步骤204。其中，p_i(k)为第i个子信道第k个子载波的当前发射功率，P₀为系统要求的发射总功率。

从图2所示流程可以看出，本发明将更多的比特分配给信道状态好的子载波，而给信道状态差的子载波分配较少的比特，甚至不分配比特，从而使得系统的发射功率最小，同时能够保证系统的性能。

图3给出了接收端接收到发送端发来的信号后，根据该信号恢复发送端的比特流的流程图，如图3所示，其具体步骤如下：

步骤301：接收端接收到发送端发来的信号，对该信号进行去循环前缀和快速傅立叶变换(FFT)后得到接收信息符号y_i(k)。

y_i(k)(i＝1，2，...；k＝1，2，...，N)为一个N维向量，每一个向量值分别代表第i个子信道上的每个子载波上接收到的信息符号。

接收端在进行完FFT后，可根据得到的y_i(k)进行信道估计，将得到的各子载波的信道估计值经过预定延迟后发送到发送端，发送端根据该信道估计值即可得到图2所示步骤201中提到的H_k(k＝1，2，...，N)。

步骤302：接收端计算 $y_i^{\&prime;}\left(k\right)=U_k^H{y}_i\left(k\right).$

本步骤中，接收端可通过两种方式得到U_k：

一种是，接收端在每次完成信道估计后，保存信道估计值，根据最近一次的信道估计值得到各子载波的信道矩阵H_k(k＝1，2，...，N)，根据公式(1)得到U_k、D_k和V_k，U_k ^H为U_k的复共轭转置矩阵。

另一种是，发送端在执行完图2所示的步骤202后，将得到的U_k发送给接收端，接收端保存该U_k。

步骤303：接收端对y′_i(k)进行解调，得到发送端的比特流的估计值

由于：

$y_i\left(k\right)=H_k{x}_i\left(k\right)+n_k=U_k{D}_k{V}_k^H{x}_i\left(k\right)+n_k---\left(3\right)$

将公式(3)的等式两边同时乘以U_k ^H得到：

$U_k^H{y}_i\left(k\right)=D_k{V}_k^H{x}_i\left(k\right)+U_k^H{n}_k---\left(4\right)$

令 $y_i^{\&prime;}\left(k\right)=U_k^H{y}_i\left(k\right),$ $x_i^{\&prime;}\left(k\right)=V_k^H{x}_i\left(k\right),$ $n_k^{\&prime;}=U_k^H{n}_k,$ 则有：

y′_i(k)＝D_kx′_i(k)+n′_k    (5)

由此可以看出，分布式MIMO-OFDM系统可以通过奇异值分解等效为S个并行不相关的单输入单输出(SISO，Single-Input Single-Output)-OFDM系统。

在实际应用中，为了减小复杂度，也可将每个子信道上的所有子载波按照信道衰落相关性划分为多个组，设定在同一时刻同一子载波组的各子载波所经受的信道衰落情况相同。这样，在计算功率增量时，可以用子载波组中的已分配到的比特数最少的子载波的功率增量来代表该子载波组的功率增量。

图4为本发明实施例二提供的在分布式MIMO-OFDM系统中进行自适应比特分配的流程图，如图4所示，其具体步骤如下：

步骤401：将每个子信道的所有子载波根据信道衰落相关性划分为一个或一个以上的子载波组。

步骤402～404与步骤201～203相同。

步骤405：发送端假设将当前l个比特分别分配给每个子信道的每个子载波组，分别计算将当前l个比特分配给各子信道的各子载波组将会为各子信道的各子载波组带来的功率增量Δp_i(m)。

在本步骤中，对于属于同一组的子载波，只需在该组中选择已分配到的比特数最少的一个子载波，计算将该l个比特分配给该子载波后的功率增量Δp_i(m)(i＝1，2，...，S；m＝1，2，...)即可，其中，Δp_i(m)表示第i个子信道的第m个子载波组的功率增量。

步骤406：发送端在得到的所有Δp_i(m)(i＝1，2，...，S；m＝1，2，...)中，寻找最小值minΔp_A(B′)。

步骤407：发送端将当前的l个比特分配给该minΔp_A(B′)对应的第A个子信道的第B′组子载波中已分配到的比特数最少的子载波。

步骤408：发送端判断 $\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_{i,k}<R_b$ 是否成立，若是，继续进行比特分配，返回步骤405；否则，执行步骤409。

步骤409～411与步骤208～210相同。

图5为本发明实施例提供的分布式MIMO-OFDM系统中的发送端的结构示意图，如图5所示，其主要包括：奇异值分解模块51、功率增量计算模块52、比特分配模块53、调制及串并转换模块54、预处理模块55和IFFT及加循环前缀模块56，其中：

奇异值分解模块51：用于根据接收端发来的信道估计值确定各子信道的各子载波的信道矩阵H_k，根据H_k＝U_kD_kV_k ^H对该信道矩阵进行奇异值分解，将得到的各非零奇异值发送给功率增量计算模块52，将得到的V_k ^H发送给预处理模块55。

功率增量计算模块52：用于根据奇异值分解模块51发来的非零奇异值，分别计算将当前1个比特分配给各子信道的各子载波将会带来的功率增量，在各功率增量中寻找最小值，将该最小值对应的子信道标识及子载波标识发送给比特分配模块53。

比特分配模块53：用于根据功率增量计算模块52发来的子信道标识和子载波标识，将当前的1个比特分配给对应子信道的对应子载波上，将比特分配信息发送给调制及串并转换模块54。

调制及串并转换模块54：用于根据比特分配模块53发来的各子信道的各子载波的比特分配信息，对各子信道的各子载波上的比特进行调制及串并转换，将得到的信号x_i(k)发送给预处理模块55。

预处理模块55：用于接收奇异值分解模块51发来的V_k ^H，根据x′_i(k)＝V_k ^Hx_i(k)对调制及串并转换模块55输出的信号x_i(k)进行预处理，将得到的x′_i(k)输出到IFFT及加循环前缀模块56。

IFFT及加循环前缀模块56：用于对预处理模块55输出的信号x′_i(k)进行IFFT和加循环前缀处理，将处理后的信号发送到发射天线上。

图6为本发明实施例提供的分布式MIMO-OFDM系统中的接收端的结构示意图，如图6所示，其主要包括：去循环前缀及FFT模块61、信道估计模块62、奇异值分解模块63和信号检测模块64，其中：

去循环前缀及FFT模块61：用于对发送端发来的信号进行去循环前缀处理和FFT，将得到的信号y_i(k)发送给信道估计模块62和信号检测模块64。

信道估计模块62：用于根据去循环前缀及FFT模块61发来的信号y_i(k)进行信道估计，将得到的信道估计值发送给奇异值分解模块63，并在经过预定延迟后发送到发送端。

奇异值分解模块63：用于根据信道估计模块62最近一次发来的信道估计值，得到各子信道的各子载波的信道矩阵，对该信道矩阵进行奇异值分解，得到非负对角矩阵D_k、第一酉矩阵U_k和第二酉矩阵V_k，将得到的U_k发送到信号检测模块64。

信号检测模块64：接收去循环前缀及FFT模块61发来的y_i(k)，接收奇异值分解模块63发来的U_k，计算 $y_i^{\&prime;}\left(k\right)=U_k^H{y}_i\left(k\right),$ 对y′_i(k)进行与发送端相应的解调，得到发送端发来的比特流的估计值

信号检测模块64也可从发送端的奇异值分解模块51收到U_k。

本发明实施例提供的方法可适用于任何多天线技术和OFDM技术相结合的系统中。

以上所述仅为本发明的过程及方法实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1、一种比特分配方法，其特征在于，包括：

获取当前比特序列预分配给各子信道的各子载波将会为各子信道的各子载波带来的功率增量；

从所述各子信道的各子载波的功率增量中选择最小的功率增量；

将当前比特序列分配给该最小功率增量对应的子信道的子载波。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取当前比特序列预分配给各子信道的各子载波将会带来的功率增量通过以下步骤实现：

计算将当前比特序列预分配给子信道的子载波后该子载波上的发射功率与当前该子载波的发射功率的差值，将得到的差值除以该子信道的该子载波的信道振幅增益，将所得到的商值作为所述将当前比特序列预分配给该子信道的该子载波将会为该子信道的该子载波带来的功率增量。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将当前比特序列分配给最小功率增量对应的子信道的子载波之后进一步包括：

判断所有子信道的子载波上分配到的比特总数是否小于系统的比特速率，若是，继续下一比特序列的分配；否则，本次比特分配结束。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将当前比特序列分配给最小功率增量对应的子信道的子载波之后进一步包括：

判断所有子信道的子载波上已分配到的比特的功率总和是否小于系统要求的总发射功率值，若是，继续下一比特序列的分配；否则，本次比特分配结束。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：预先将每个子信道的所有子载波划分为一个或一个以上的子载波组，

所述获取将当前比特序列预分配给各子信道的各子载波将会带来的功率增量包括：在每个子信道的各子载波组中分别选择已分配到的比特数最少的子载波，假设将当前比特序列分配给所选择的各子载波，计算将当前比特序列预分配给所选择的各子载波将会为各子载波带来的功率增量。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取当前比特序列预分配给各子信道的各子载波将会带来的功率增量之前进一步包括：

对各子载波的信道矩阵进行奇异值分解，分解为第一酉矩阵、非负对角矩阵、第二酉矩阵的复共轭转置矩阵的乘积，将该非负对角矩阵主对角线上的值分别作为各子信道的各子载波的信道振幅增益。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述确定本次比特分配结束之后进一步包括：

对各子信道的各子载波上分配到的比特进行调制和串并转换，然后将对信道矩阵进行奇异值分解得到的第二酉矩阵的复共轭转置矩阵与串并转换后得到的信号进行相乘，再对相乘得到的信号进行逆快速傅立叶变换IFFT和加循环前缀处理后发送出去。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将经过IFFT和加循环前缀处理后的信号发送之后进一步包括：

A、接收到所述信号，对该信号进行去循环前缀处理和快速傅立叶变换FFT，得到接收信息符号；

B、计算所述非负对角矩阵的复共轭转置矩阵与所述接收信息符号的乘积，得到变换后的信息符号；

C、对变换后的接收信息符号进行解调，得到比特序列估计值。

9、一种比特分配装置，其特征在于，包括：功率增量计算模块和最小功率增量确定模块，其中：

功率增量计算模块，计算当前比特序列预分配给各子信道的各子载波将会给各子信道的各子载波所带来的功率增量，将最小功率增量对应的子信道标识及子载波标识发送给比特分配模块；

比特分配模块，将当前比特序列分配给收到的子信道标识和子载波标识对应的子信道的子载波上。

10、如权利要求9所述的装置，其特征在于，进一步包括：奇异值分解模块、调制及串并转换模块、预处理模块和IFFT及加循环前缀模块，其中：

奇异值分解模块，对各子信道的各子载波的信道矩阵进行奇异值分解，得到非负对角矩阵、第一酉矩阵和第二酉矩阵的复共轭转置矩阵，将第二酉矩阵的复共轭转置矩阵发送给预处理模块；

调制及串并转换模块，根据比特分配模块发来的各子信道的各子载波的比特分配信息，对各子信道的各子载波上的比特进行调制及串并转换，将得到的信号发送给预处理模块；

预处理模块，将奇异值分解模块发来的第二酉矩阵的复共轭转置矩阵与调制及串并转换模块输出的信号相乘，将得到的信号输出到IFFT及加循环前缀模块；

IFFT及加循环前缀模块，用于对预处理模块输出的信号进行IFFT和加循环前缀处理，将处理后的信号发送到发射天线上。

11、如权利要求9所述的装置，其特征在于，进一步包括：去循环前缀及FFT模块和信号检测模块，其中：

去循环前缀及FFT模块，对IFFT及加循环前缀模块发来的信号进行去循环前缀处理和FFT，将得到的信号发送给信号检测模块；

信号检测模块，将奇异值分解模块发来的第一酉矩阵的复共轭转置矩阵与去循环前缀及FFT模块发来的信号相乘，对得到的信号进行解调，得到发送端的比特流的估计值。

12、如权利要求11所述的装置，其特征在于，进一步包括：信道估计模块，根据去循环前缀及FFT模块发来的信号进行信道估计，将得到的信道估计值经预定延迟后发送到奇异值分解模块。

Images