CN101600247B - 一种快速优化正交频分复用系统的比特功率分配方法 - Google Patents

Abstract

一种快速优化正交频分复用系统的比特功率分配方法，它涉及无线通信领域。它解决了解决现有的正交频分复用系统中的比特功率分配方法的计算复杂度高而导致的系统优化时间长的问题。它的实现方法为：初始化正交频分复用系统中的N个子载波的比特和功率；计算N个子载波中每个子载波增加1比特信息所需要的功率增量；找到

个功率增量较小的子载波并对其中每个子载波分配2比特；更新待分配比特数R_T，并继续进行分配直到比特分配完成后进行功率分配。本发明适用于正交频分复用系统的比特分配和发送功率优化过程。

Description

一种快速优化正交频分复用系统的比特功率分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种优化正交频分复用系统的比特功率分配方法。

背景技术

正交频分复用(OFDM)系统作为一种多载波调制技术，具有频谱利用率高、抗多径时延等优点，已成为下一代移动通信技术的热点。由于无线信道的时变性和衰落特性，OFDM系统中各个子信道条件下不仅各不相同，而且会随时间呈现不规则性。比特功率分配方法是根据各子载波在频率选择性信道中不同的瞬时信道增益，动态地分配比特和发射功率，从而达到优化系统性能的目的。

目前，针对OFDM系统中的自适应比特功率分配方法比较多，主要有：Hughes-Hartogs方法、Chow方法、Fischer方法、ISR方法。其中的Hughes-Hartogs方法是一种最优的贪婪方法，其它的方法相对于Hughes-Hartogs方法简单但系统性能有所下降。Hughes-Hartogs方法在分配一个比特时选择增加一个比特所需增加功率最小的子载波，直到所有的比特分配完毕。由于Hughes-Hartogs方法在分配一个比特的时候要对所有的子载波进行搜索，因此它的计算复杂度非常大，而且随着分配的比特数的增加而线性增加。颜丽峰在华东理工大学学报上发表的《单用户OFDM系统中一种新的资源分配算法》，这种算法在每次比特时，使每比特的功率代价最小为原则，获得的较好的系统性能，但是这种方法在分配时，需要寻找功率增量最小的子载波作为分配比特的承载体，因此在每次分配比特之前也需要对所有的子载波进行搜索，计算复杂度也非常大。

发明内容

本发明是为了解决现有的正交频分复用系统中的比特功率分配方法的计算复杂度高而导致的系统优化时间长，不适用于高速传输系统的问题，从而提出一种快速优化正交频分复用系统的比特功率分配方法。

一种快速优化正交频分复用系统的比特功率分配方法，它由以下步骤实现：

步骤一、初始化正交频分复用系统中的N个子载波，所述每个子载波的比特b_i和功率P_i的初始化值均为0；

步骤二、根据公式：

分别计算N个子载波中每个子载波增加1比特信息所需要的功率增量ΔP_i，所述H(i)为第i个子载波的信道增益；所述f(b_i)为：在保证比特误码率的前提下，发送b_i比特所需的发送功率；

步骤三、在所述N个子载波中，根据公式：

获得功率增量最小的

个子载波；其中R_T为待分配的比特数；

步骤四、给步骤三获得的

个子载波中的每个载波分配2比特；

步骤五、根据公式：

更新待分配的比特数R_T，并判断是否R_T≥6，如果判断结果为是，则执行步骤五一；如果判断结果为否，则执行步骤五二；

步骤五一、判断是否如果判断结果为是，则执行步骤六；如果判断结果为否，则返回执行步骤二；

所述M为一个子载波最大承载比特数；

步骤五二、在N个子载波中，找到功率增量最小的个承载比特数小于其最大承载比特数的子载波，根据R_T的大小给所述

个子载波中的每个载波均分配比特，并执行步骤七；

步骤六、置ΔP_{index(min_P)}＝+∞，并且执行步骤二；

其中min_P为最小功率增量；

步骤七、根据公式：对所述N个子载波中的每个子载波分配功率；

所述i＝1，2，3，…，N；所述N为正整数。

有益效果：本发明所述的比特功率分配方法在保证系统性能的前提下，大大减低了比特功率分配的复杂度，本发明的比特功率分配方法的计算复杂度相对于现有的Hughes-Hartogs方法的计算复杂度降低了50％以上，大大缩短了系统的优化时间，更适用于高速传输系统。

附图说明

图1～图10是具体实施方式一中使用现有的Hughes-Hartogs分配方法和本发明的方法实现系统优化的仿真效果图；其中图1为仿真环境的无线信道特性图，其中横轴为子载波序号，纵轴为信道增益；图2～图4是采用现有最优化Hughes-Hartogs分配方法在子载波个数N＝128，系统带宽B＝10MHz，比特误码率为10^-3的仿真环境下，不同传输速率的仿真效果图，其中横坐标为子载波序号，纵坐标为子载波分配的比特数；其中图2是传输速率为128比特/OFDM符号时的仿真效果图；图3是传输速率为256比特/OFDM符号时的仿真效果图；图4是传输速率为384比特/OFDM符号时的仿真效果图；图5～图7是采用本发明的分配方法在子载波个数N＝128，系统带宽B＝10MHz，比特误码率为10^-3的仿真环境下，不同传输速率的仿真效果图，其中横坐标为子载波序号，纵坐标为子载波分配的比特数；其中图5是传输速率为128比特/OFDM符号时的仿真效果图；图6是传输速率为256比特/OFDM符号时的仿真效果图；图7是传输速率为384比特/OFDM符号时的仿真效果图；图8～图10是本发明的方法和Hughgs-Hartogs分配方法在WindowsXP/Intel(R)Pentium(R)DualCPU E2180@2.00GHz/Matlab7.6.0.324系统环境下，不同子载波数的仿真效果对比图，其中横坐标为传输速率(比特/OFDM符号)，纵坐标为比特功率分配算法的运行时间(s)，其中位于上方的曲线为现有Hughgs-Hartogs分配方法的仿真结果曲线，位于下方的曲线为本发明的方法的仿真结果曲线；其中图8为OFDM系统子载波数量为128个的情况下的仿真结果对比图；图9为OFDM系统子载波数量为256个的情况下的仿真结果对比图；图10是OFDM系统子载波数量为512个的情况下的仿真结果对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：一种快速优化正交频分复用系统的比特功率分配方法，它由以下步骤实现：

步骤一、初始化正交频分复用系统中的N个子载波，所述每个子载波的比特b_i和功率P_i的初始化值均为0；

步骤二、根据公式：

分别计算N个子载波中每个子载波增加1比特信息所需要的功率增量ΔP_i，所述H(i)为第i个子载波的信道增益；所述f(b_i)为：在保证比特误码率的前提下，发送b_i比特所需的发送功率；

步骤三、在所述N个子载波中，根据公式：

获得功率增量最小的

个子载波；其中R_T为待分配的比特数；

步骤四、给步骤三获得的

个子载波中的每个载波分配2比特；

步骤五、根据公式：

更新待分配的比特数R_T，并判断是否R_T≥6，如果判断结果为是，则执行步骤五一；如果判断结果为否，则执行步骤五二；

步骤五一、判断是否

如果判断结果为是，则执行步骤六；如果判断结果为否，则返回执行步骤二；

所述M为一个子载波最大承载比特数；

步骤五二、在N个子载波中，找到功率增量最小的

个承载比特数小于其最大承载比特数的子载波，根据R_T的大小给所述个子载波中的每个载波均分配比特，并执行步骤七；

步骤六、置ΔP_{index(min_P)}＝+∞，并且执行步骤二；

步骤七、根据公式：对所述N个子载波中的每个子载波分配功率；

所述i＝1，2，3，…，N；所述N为正整数。

步骤六的意义是：每个子载波承载的最大比特数为M，当第个子载波已经被分配了M个比特时，则该子载波不再参与子载波分配；

在步骤三中，获得功率增量最小的

个子载波的依据是：R_T个子载波都有增加一个比特对应的功率增量，那么，存在R_T/6个子载波的功率增量比其他(R_T-R_T/6)的功率增量小。

本实施方式主要针对802.11a中的数字调制方式：BPSK、QPSK、16QAM、64QAM，星座图采用格雷码编码，每个子载波最多传输6比特。比特误码率为pb时，各种调制方式所需的发射功率如表1所示，其中

表1：

从数字调制所需的功率可以看出，QPSK为BPSK的两倍，即p₂＝2×p₁

所以在比特分配过程中，如果某一子载波分配了第一个比特，则下一比特也会分配给这个子载波。在比特功率分配过程中，当待分配的比特数大于2时，可以对若干个子载波同时分配2个比特。若待分配的比特数为R_T，则有

个功率增量较小的子载波的优先级大于其它的

个子载波，且

其中6为每个子载波能承载的最大比特数。所以这个功率增量较小的子载波能分配比特，且为2比特。所以，改进的比特功率方法也是一种贪婪方法，其性能也是最优的。

计算量分析

改进的比特功率分配方法的主要考虑比特功率分配方法中对功率增量的比较次数，即步骤三。改进的比特功率分配方法所需的比较次数的理论值上界(假设待分配比特数始终是6的整数倍)：

第一次分配过程中：从N个子载波中搜索出R_T/6个功率增量较小的子载波，所需的比较的次数c：

$c_1\≤N+(N-1)+\·\·\·(N-\frac{R_T}{6}+1)=\frac{\frac{R_T}{6}(2N-\frac{R_T}{6}+1)}{2}=\frac{R_{T}N}{6}-\frac{1}{2}[{\left(\frac{R_T}{6}\right)}^2-\frac{R_T}{6}]$

第二次分配过程中：

从N个子载波中搜索出

个功率增量较小的子载波，所需的比较的次数：

$c_2\≤N+(N-1)+\·\·\·(N-\frac{\frac{2}{3}\×R_T}{6}+1)=\frac{\frac{\frac{2}{3}\×R_T}{6}(2N-\frac{\frac{2}{3}\×R_T}{6}+1)}{2}=\frac{2}{3}\·\frac{R_{T}N}{6}-\frac{1}{2}[{(\frac{2}{3}\·\frac{R_T}{6})}^2-\frac{2}{3}\·\frac{R_T}{6}]$

所以，改进的比特功率分配方法所需的比较次数为：

$\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i\≤\underset{i=1}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i=\frac{R_{T}N}{6}[1+\frac{2}{3}+{\left(\frac{2}{3}\right)}^2+\·\·\·]$

$-\frac{1}{2}[{\left(\frac{R_T}{6}\right)}^2+{(\frac{2}{3}\·\frac{R_T}{6})}^2+{({\left(\frac{2}{3}\right)}^2\·\frac{R_T}{6})}^2+\·\·\·]$

$+\frac{1}{2}[\frac{R_T}{6}+\frac{2}{3}\·\frac{R_T}{6}+{\left(\frac{2}{3}\right)}^2\·\frac{R_T}{6}+\·\·\·]$

$=\frac{R_{T}N}{2}-\frac{1}{2}\·{\left(\frac{R_T}{6}\right)}^2\·\frac{9}{5}+\frac{1}{2}\·\frac{R_T}{6}\·3$

$=\frac{R_{T}N}{2}-\frac{R_T}{4}(\frac{R_T}{10}-1)$

而Hughes-Hartogs方法的比较次数为R_TN，所以改进方法相对于Hughes-Hartogs方法的计算复杂度降低了50％以上。

本实施方式采用满足广义平稳非相关散射模型的ITU-RM.1225城市中的车载Channel A信道模型，具体参数如表2所示。

表2：

OFDM系统仿真参数设置如下：子载波个数N＝128，系统带宽B＝10MHz，比特误码率为10^-3。Hughes-Hartogs方法和本实施方式的改进方法均假设每个子载波对应的信道为平坦的信道，信道特性如图1所示。图2～图4为采用最优化的Hughes-Hartogs分配方法在上述仿真环境中，不同传输速率下获得的子载波分配结果图，其中图2、图3、图4分别表示传输速率为128比特/OFDM符号、256比特/OFDM符号和384比特/OFDM符号时的比特分配结果。图5～图7为采用本实施方式在上述仿真环境中，不同传输速率下获得的子载波分配结果图，其中图5、图6、图7分别是传输速率为128比特/OFDM符号、256比特/OFDM符号和384比特/OFDM符号时的比特分配结果。从图2～图7可以看出，Hughes-Hartogs方法和本实施方式提出的比特功率分配方法在相同的信道、相同的传输速率和相同的误码率条件下，得到相同的比特分配结果，说明了本实施方式的方法提出的方法也是最优化的方法。

本实施方式提出的比特功率分配方法不仅保证了最优化的分配结果，同时大大降低了方法复杂度，从而大大提高了最优化方法的实用性。

对现有的Hughes-Hartogs方法和本实施方式在WindowsXP/Intel(R)Pentium(R)DualCPUE2180@2.00GHz/Matlab7.6.0.324上进行仿真，仿真结果如图8～图10所示。图8对应的OFDM系统的子载波数为128，从图8可以看出：本发明提出的最优化比特功率分配方法运行时间比Hughes-Hartogs方法大大减低，当传输速率为128比特/OFDM符号时，运行时间小于Hughes-Hartogs方法的50％；当传输速率为640比特/OFDM符号时，运行时间约为Hughes-Hartogs方法的33％。图9对应的OFDM系统的子载波数为256，从图9可以看出：本实施方式提出的最优化改进方法运行时间比Hughes-Hartogs方法大大减低，当传输速率为256比特/OFDM符号时，运行时间约为Hughes-Hartogs方法的25％；当传输速率为1280比特/OFDM符号时，运行时间小于Hughes-Hartogs方法的25％；图10对应的OFDM系统的子载波数为512，从图10可以看出：本实施方式的方法提出的最优化改进方法运行时间比Hughes-Hartogs方法大大减低，运行时间小于Hughes-Hartogs方法的25％。仿真结果表明：OFDM系统的传输速率或子载波数越大，改进方法相对于Hughes-Hartogs方法效率越高，这一优越性从改进方法的中的步骤三中可以充分体现出来。

Claims (1)

1.一种快速优化正交频分复用系统的比特功率分配方法，其特征是：它由以下步骤实现：

步骤一、初始化正交频分复用系统中的N个子载波，所述每个子载波的比特b_i和功率P_i的初始化值均为0；

步骤二、根据公式：

分别计算N个子载波中每个子载波增加1比特信息所需要的功率增量ΔP_i，所述H(i)为第i个子载波的信道增益；所述f(b_i)为：在保证比特误码率的前提下，发送b_i比特所需的发送功率；

步骤三、在所述N个子载波中，根据公式：

获得功率增量最小的

个子载波；其中R_T为待分配的比特数；

步骤四、给步骤三获得的

个子载波中的每个载波分配2比特；

步骤五、根据公式：

更新待分配的比特数R_T，并判断是否R_T≥6，如果判断结果为是，则执行步骤五一；如果判断结果为否，则执行步骤五二；

步骤五一、判断是否

如果判断结果为是，则执行步骤六；如果判断结果为否，则返回执行步骤二；

所述M为一个子载波最大承载比特数；

步骤五二、在N个子载波中，找到功率增量最小的

个承载比特数小于其最大承载比特数的子载波，根据R_T的大小给所述

个子载波中的每个载波均分配比特，并执行步骤七；

步骤六、置ΔP_{index(min_P)}＝+∞，并且执行步骤二；

其中min_P为最小功率增量；

步骤七、根据公式：

对所述N个子载波中的每个子载波分配功率；

所述i＝1，2，3，…，N；所述N为正整数。

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