CN102104946A - 可变速率变换域通信系统的最优化功率比特分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可变速率变换域通信系统的最优化功率比特分配方法,本发明在满足总功率限制和特定的系统误比特率性能需求的条件下最大化系统的比特速率,或在满足总比特速率限制和系统误比特率性能需求的条件下最小化系统总功率,从而有效提高频谱和功率的利用率,保障系统误比特率性能,同时极大提升系统在不同信道条件下的自适应能力。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域,尤其涉及一种可变速率变换域通信系统的最优化功率比特分配方法。
背景技术
随着无线通信服务的不断增长和越发复杂,人们对频谱资源的需求越来越大,频谱资源日趋匾乏。传统的预先分配、授权使用的频谱管理方式,使某些频段承载的业务量很大,而另一些频段却在大部分时间内没有用户使用,白白浪费了频谱资源。为了有效地提高频谱资源的利用效率,认知无线电(Cognitive Radio)技术受到了业界的极大关注,并逐渐成为未来无线通信的核心技术之一。认知无线电技术的核心思想是,通过感知周围的无线环境特征,在不妨碍授权用户的正常传输的前提下,自适应调整其传输参数,达到合理利用无线频谱资源的目的。正交频分复用(OFDM)技术被认为是最适合认知无线电系统的传输技术。最近,一种新的变换域通信系统(TDCS)受到越来越多的关注(见 “TDCS, OFDM, and MC-CDMA: A Brie Tutorial,” in IEEE Communications Magazine, vol 43, Issue 9, pp S11 –S16, Sept. 2005. Proceedings, 2, pp,1 1059, 3, 1999.),有望发展成为认知无线电系统的另一个分支。通过在变换域设计信号波形,采用一个类噪声的基函数进行数据调制,变换域通信系统具有较强的抗干扰能力和低截获率。一种基于OFDM模型的变换域通信系统(见“Detection and performance of the OFDM-based transform domain communication system,” in Communications, Circuits and Systems Proceedings, 2006 International Conference on, vol. 2. IEEE, 2007, pp. 1332–1336.)被提出,从而有效降低了系统的复杂度。为了提高系统的误比特率性能,同时增大传输速率,一种在随机相位中内嵌额外数据符号的变换域通信系统(见“On the utilization of embedded symbol for CCSK BER improvement in TDCS dynamic spectrum access,” in Wireless Technology, 2008. EuWiT 2008. European Conference on. IEEE, 2009, pp. 123–126.)被提出。但是上述方法所增大的传输速率非常有限,现有的变换域通信系统将所有的可用子载波都用于传输相同的数据符号,传输效率低下已是一个不争的事实。同时传统的变换域通信系统的功率分配遵循on-off原则,给每一个可用的子载波平均分配相同的功率。这样的功率分配方法不区分不同子信道的优劣性,因而也无法达到功率分配的最优化。如何根据特定的场景最优化功率分配同时尽可能提高系统的传输速率,成为一个重要的研究问题。
推导和仿真表明,在传统的基于MPSK调制方式的变换域通信系统中,系统的误比特率取决于传输的数据符号总能量与使用子信道上的总噪声,而与可用子载波的数量无关。在高斯白噪声(AWGN)信道上,把总能量平均分配到所有可用子信道上与全部能量放在一个子信道上所获得的误比特率效果是一样的。当可用子信道上的噪声基底都不一样时,若想获得最佳的误比特率性能,很显然应该将所有的能量都放在噪声最小的子信道上。但是对于大部分具有服务质量(QoS)需求的业务而言,没有必要追求最佳的误比特率性能。针对此类业务的传输场景,应该在满足误比特率性能的前提下,最大化系统的传输速率或最小化传输功率。
以此为启发,本专利结合变换域通信技术和资源分配技术,提出一种可变速率变换域通信系统及其最优化的功率比特分配方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有变换域通信系统较低的频谱和功率利用率的不足,提供一种可变速率变换域通信系统及其最优化的功率比特分配方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。
一种可变速率变换域通信系统的最优化功率比特分配方法,系统由发送机和接收机组成,系统带宽被划分成 个子信道,每个子信道上具有不同的基底噪声或干扰。根据频谱估计的结果,各子信道被视作具有“空”、“忙”两个状态,子信道上噪声或干扰小于某一门限值时状态为“空”,可以使用该子信道传输数据,反之为“忙”,该子信道不可用。发送机和接收机根据可用信道的信息进行数据的发送调制和接收解调操作。
所述发送机主要包括以下步骤:
1、频谱检测:检测无线环境的频谱,将信号变换到频域,得到各子信道频点上数据的能量。
可以采用认知无线电技术中广泛使用的频谱感知算法,具体方法为能量检测算法,循环特征检测算法,匹配滤波器算法等。
4、将频谱幅度序列和随机相位序列对应元素相乘得到序列。
每个可用子载波上的能量可根据不同的传输需求进行灵活调整。传统的变换域通信系统是将总功率平均分配到所有可用子载波上。本发明中提出的一种适用于可变速率变换域通信系统中的功率比特分配方法可以灵活地分配功率,最大化提高功率的利用率。
在可变速率变换域通信系统中,每个可用子信道分配不同功率传输不同的数据符号,在接收端进行独立的判决解调。每个可用子信道上的误比特性能都是相对独立的,取决于该子信道上的信噪比,根据MPSK判决准则知,当时,,当时, ,其中为第个子信道上的信噪比,当远大于1时,上式是个较好的近似。假设分配在第个子信道上的能量为,该子信道上的噪声功率谱密度为,则。系统总的误比特性能为每个实际传输子信道上的误比特性能的加权平均结果,加权系数为该子信道上传输的比特数,则系统总的误比特性能公式为:。
每个可用子载波上传输的比特数和分配的功率根据一个最优化的功率比特分配算法来决定。对于某些有QoS需求的业务而言,误比特性能只需满足某个门限需求即可,不需要追求误比特性能的最优化。如果总功率足够大,在满足系统误比特性能的前提下应考虑最大化传输的比特数,以增大系统的吞吐量。建立以下最优化模型:
其中为总的传输比特数,为总功率限制,为第个子载波上的功率,满足,为一个OFDM符号持续的周期。为系统总的误比特率性能限制。对于速率受限系统,考虑在满足系统总的速率限制和误比特性能需求的前提下,最小化传输功率,建立以下最优化模型:
以上两个最优化模型一个是针对功率受限系统,一个针对速率受限系统。虽然解决的问题不一样,但是解决问题的思路和方法本质上是一致的。在噪声基底不一样的情况下,系统每增加一个比特,都可以根据上述推导出来的系统总的误比特性能公式计算出为了达到相应的性能需求,在每一个可用子载波上需要新增的功率,然后选择在需要新增功率最少的子载波上增加一个比特,如此循环,直到限制条件不再满足时停止。该方法的具体步骤为:
每个可用子载波上传输的比特数是根据比特分配结果得出的。传统的变换域通信系统所有可用子载波上的都是同样的比特数据,大大降低了系统的传输速率。本发明中提出的一种适用于可变速率变换域通信系统中的功率比特分配方法可以根据信道情况和性能需求灵活地改变每个可用子信道上传输的比特数据,最大化提高频谱的利用率。
9)OFDM发射:将频域发送数据序列通过离散傅里叶逆变换生成时域信号序列,添加循环前缀后发送出去。
所述接收机主要包含以下步骤:
本发明的有益效果是,本发明提出一种全新的可变速率变换域通信系统,利用可用子信道的状态特性,在满足对系统总的误比特率性能限制的条件下,给出传输方法的操作步骤和最大化系统传输速率时各个子信道上的功率以及传输比特数的最佳值,从而完成可变速率变换域通信系统的有效可靠的传输。
附图说明
图1是可变速率变换域通信系统的系统框图;
图2是给定可用子信道个数为8,各子信道上噪声功率谱密度为[1.3 0.3 0.7 0.1 1.9 1.1 0.9 1.7],各子信道上传输比特数为[2 2 1 1 3 3 2 2]时系统误比特率性能的仿真曲线图;
图3是给定可用子信道个数为8,各子信道上噪声功率谱密度为[1.3 0.3 0.7 0.1 1.9 1.1 0.9 1.7]时,系统功率比特分配算法的仿真曲线图。
具体实施方式
本发明可变速率变换域通信系统的最优化功率比特分配方法,可变速率变换域通信系统由发送机和接收机组成,系统带宽被划分成个子信道,每个子信道上具有不同的基底噪声或干扰。根据频谱估计的结果,各子信道被视作具有“空”、“忙”两个状态,子信道上噪声或干扰小于0.1时状态为“空”,可以使用该子信道传输数据,反之为“忙”,该子信道不可用。发送机和接收机根据可用信道的信息进行数据的发送调制和接收解调操作。
所述发送机主要包括以下步骤:
1)频谱检测:检测无线环境的频谱,将信号变换到频域,得到各子信道频点上数据的能量;
所述接收机主要包含以下步骤:
1)OFDM接收:接收到的信号经过OFDM接收机处理得到频域数据序列;
在可变速率变换域通信系统中,每个可用子信道分配不同功率传输不同的数据符号,在接收端进行独立的判决解调。每个可用子信道上的误比特性能都是相对独立的,取决于该子信道上的信噪比,根据MPSK判决准则知,当时,,当时, ,其中为第个子信道上的信噪比,当远大于1时,上式是个较好的近似。假设分配在第个子信道上的能量为,该子信道上的噪声功率谱密度为,则。系统总的误比特性能为每个实际传输子信道上的误比特性能的加权平均结果,加权系数为该子信道上传输的比特数,则系统总的误比特性能公式为: 。
每个可用子载波上传输的比特数和分配的功率根据一个最优化的功率比特分配算法来决定。对于某些有QoS需求的业务而言,误比特性能只需满足某个门限需求即可,不需要追求误比特性能的最优化。如果总功率足够大,在满足系统误比特性能的前提下应考虑最大化传输的比特数,以增大系统的吞吐量。建立以下最优化模型:
其中为总的传输比特数,为总功率限制,改变的值使得等效SNR从0到24dB。为系统总的误比特率性能限制。图3中分别假设对于速率受限系统,考虑在满足系统总的速率限制和误比特性能需求的前提下,最小化传输功率,建立以下最优化模型:
以上两个最优化模型一个是针对功率受限系统,一个针对速率受限系统。虽然解决的问题不一样,但是解决问题的思路和方法本质上是一致的。在噪声基底不一样的情况下,系统每增加一个比特,都可以根据上述推导出来的系统总的误比特性能公式计算出为了达到相应的性能需求,在每一个可用子载波上需要新增的功率,然后选择在需要新增功率最少的子载波上增加一个比特,如此循环,直到限制条件不再满足时停止。该算法的具体步骤为:
图2是可用子信道个数为8,各子信道上噪声功率谱密度为[1.3 0.3 0.7 0.1 1.9 1.1 0.9 1.7],各子信道上传输比特数为[2 2 1 1 3 3 2 2]时系统误比特率性能的仿真曲线图,可见仿真结果与理论推导公式完全符合,从而确认了可变速率变换域通信系统的可行性以及误比特率性能公式的正确性。图3定可用子信道个数为8,各子信道上噪声功率谱密度为[1.3 0.3 0.7 0.1 1.9 1.1 0.9 1.7]时,系统功率比特分配算法的仿真曲线图。从图中可以看出误比特率门限越低,在相同的总功率条件下,系统的传输速率越大。在相同误比特率门限时,想增大系统传输速率,应该增大系统的总功率。
Claims (2)
1.一种可变速率变换域通信系统的最优化功率比特分配方法,系统由发送机和接收机等组成,系统带宽被划分成 个子信道,各子信道被视作具有“空”、“忙”两个状态,子信道上噪声或干扰小于某一门限值时状态为“空”,可以使用该子信道传输数据,反之为“忙”,该子信道不可用;发送机和接收机根据可用信道的信息进行数据的发送调制和接收解调操作;其特征在于,
所述发送机根据可用信道的信息进行数据的发送调制操作,主要包括以下步骤:
(1)频谱检测:检测无线环境的频谱,将信号变换到频域,得到各子信道频点上数据的能量;
(2)空闲频谱标记:将每个子信道上的能量与某一预先设定的门限值进行比较,大于该门限值的子信道被设定为0,否则设为1,生成频谱幅度序列;
(6)存储:存储基函数序列;
所述接收机根据可用信道的信息进行数据的接收解调操作,主要包含以下步骤:
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