CN102833865B - 一种基于功率评价的信道优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率评价的信道优化方法，包括：为数据业务分配初始业务信道的步骤；为数据业务进行业务信道优化的步骤；为数据业务进行业务信道的优化的步骤中，对每一个数据业务按照以下步骤进行业务信道优化：步骤1：按照信道响应将所有业务信道进行排序；步骤2：选择排序最优且处于未分配状态的业务信道作为待分配业务信道；步骤3：若待分配业务信道为排序最优的业务信道，则将待分配业务信道作为数据业务的业务信道；否则，转入步骤4；步骤4：根据待分配业务信道与排序最优业务信道的发射功率和功率损耗为数据业务确定业务信道。本发明解决了在信道传输环境变化的情况下不能配置通信资源或通信资源分配不均的问题。

Description

一种基于功率评价的信道优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于功率评价的信道优化方法。

背景技术

在卫星通信中，不同类型的数据业务通常有不同的传输速率要求，误码率和信噪比指标要求也各不相同，例如话音数据业务通常要求误码率水平在10^-3量级，视频数据业务通常要求误码率水平在10^-5量级等，误码率水平的不同则对应着信噪比指标要求的不同，误码率越低的数据业务在传输时往往要求越高的发射功率，对应的信噪比指标即传输业务服务质量需求就越高。对于多信道通信系统而言，不同的信道上调制了不同类型的数据业务，而不同的信道经历的空间多径衰落环境的状况也是不同的，这就有可能出现某些个调制了较高信噪比要求的数据业务的子信道经历了具有较严重衰落特性信道的情形，从而造成信噪比达不到要求，误码率升高。而为了克服这种现象，必然要提高系统发射功率来提高信噪比。通常，这里需要做出一种调整，即希望具有较高信噪比要求的那些数据业务经过相对平坦的子信道来传输，把那些衰落特性比较严重的子信道分配给那些信噪比要求不高的数据业务使用，这样将有助于实现多个业务子信道和多种数据业务传输质量之间的匹配与均衡，而且还可以有效降低发射功率。因此，需要引入一些先进的资源分配策略，合理为各种数据分配业务子信道资源，并尽可能优化系统发射功率资源，来为更多的数据业务提供高质量和高效率的服务，这就是卫星通信资源优化的问题。近年来，国内外有更多的研究致力于将智能型算法引入到各种各样的工程应用中来，智能演化算法作为一种高效快捷的动态搜索寻优算法，以其自身良好的全局化搜索，适应函数评估、迭代寻优等功能，正在受到越来越广泛地关注。

目前，对卫星通信资源进行优化有两种基本途径：

(1)分组业务信道固定分配法，通过事先确定好的分配策略进行分配，即子信道的分配是按照顺序编号进行分组的，而顺序编号又是固定不变的，这种方法计算过程十分简便，且不存在任何反馈迭代环节；但是，这种方法没有考虑空间多径衰落传输信道特征函数h_m，n的影响，分配给第m个数据业务的那些个业务子信道未必是最合适的，即它们的h_m，n未必都与传输业务服务质量需求S_r(m)相匹配，可能出现S_r(m)相对极大，而h_m,n却相对极小的情形。因此，这种方法的效率并不高，分配方法也不尽合理，几乎不能保证节省系统功率资源。

(2)动态优先级法，这种方法该方法相对方法(1)考虑了信道特征函数h_m,n的影响，并且在分配方法中添加了“优先级列表”来对分配方法进行动态调整，在计算过程中存在反馈迭代环节，使得每个数据业务有机会挑选适合的业务子信道；但是这种方法属于一种贪心(greedy)搜索算法，需要遍历整个搜索空间，特别是在卫星通信信道资源受限，而业务需求量又较大情形下，平均需要遍历的子信道数量很多，搜索效率不高；此外，由于优先级是预先设定好的，这会影响在多径衰落传输环境下根据子信道的实时信道响应特性来为数据业务重配置业务子信道的需求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，提供了一种基于功率评价的信道优化方法，解决了在信道传输环境变化的情况下不能配置通信资源或通信资源分配不均的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种基于功率评价的信道优化方法，包括：

为数据业务分配初始业务信道的步骤，所述数据业务根据类型划分为M类，为同一类数据业务分配至少一个业务信道，且每一个业务信道只能分配给一个数据业务，已分配的业务信道处于分配状态，未分配的业务信道处于未分配状态；

为数据业务进行业务信道优化的步骤；

其中，为数据业务进行业务信道的优化的步骤中，对每一个数据业务按照以下步骤进行业务信道优化：

步骤1：按照信道响应将所有业务信道进行排序；

步骤2：选择排序最优且处于未分配状态的业务信道作为待分配业务信道；

步骤3：若待分配业务信道为排序最优的业务信道，则将待分配业务信道作为数据业务的业务信道；否则，转入步骤4；

步骤4：根据待分配业务信道与排序最优业务信道的发射功率和功率损耗为数据业务确定业务信道。

进一步的，在步骤1中，所述信道响应为：各业务信道传输同一数据业务时的信道响应。

进一步的，在步骤4中，根据待分配业务信道与排序最优业务信道的发射功率和功率损耗为数据业务确定业务信道的方法为：

步骤41：计算待分配业务信道与排序最优业务信道的发射功率和功率损耗；

步骤42：若待分配业务信道的功率损耗大于最优业务信道的功率损耗，且待分配业务信道的功率损耗与发射功率之和大于最优业务信道的功率损耗与发射功率之和，则将待分配业务信道分配给数据业务；反之，将排序最优业务信道分配给数据业务；

步骤43：根据下式确定对当前所有数据业务的总发射功率进行评价；

$X\left(m\right)=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{S_r\left(m\right)}{{\left|h_{i,n}\right|}^2},m\≤M-1$

其中，X(m)表示第m个数据业务及其之前的所有数据业务已占用的总发射功率；S_r(m)表示对第m个数据业务的传输业务服务质量需求；

步骤44：若X(m)小于步骤3确定的业务信道的总发射功率，则分配成功；否则，在设定的有限次迭代次数内，返回步骤2选择排序次优且处于未分配状态的业务信道作为待分配业务信道。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明使得数据业务和业务信道逐一配对，从而有效优化多信道通信系统的信道资源，并最终显著节省系统的总功率资源。

(1)本发明在分配卫星通信资源的过程中，在分配初始化时采用随机方式，而不是按优先级大小排序，这样更显公平；此外，计算过程中设计有限次迭代次数可以有效避免多次迭代的发生并实现算法的快速收敛，降低算法复杂度，是一种有效的防死锁的机制。

(2)本发明在分配通信资源的过程中，考虑了信道特征函数h_m，n的影响，按照h_m，n与总发射功率X(m)相匹配的原则，最大程度地优化了每个数据业务的信道资源；在相同的系统运行时长(1min)条件下，仿真数据统计研究表明，本发明的方法比传统方法在功率资源节省方面平均提升了近1dB，显著节省了系统功率资源。

(3)本发明还使得系统传输误码率BER性能也在一定程度上获得了提升，在相同的信噪比(SNR＝10～20dB)条件下，仿真数据统计研究表明，采用本法所述方法使得系统BER平均降低了10％左右，说明它根据信道的传输特性更加合理地为数据业务分配了信道资源，使每个子信道的可靠传输性能得到了提升。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为业务信道优化流程图；

图3为总功率效果示意图；

图4为误比特率效果示意图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

如图1所示，为本发明流程图。将多信道系统通信业务划分为M个数据业务类，共配置有N个业务信道。在分配初始业务信道时，首先数据业务和业务信道的编码方案时，将其编码成如下式所示的一个M×N阶矩阵，记作：K_M×N，形如：

上式是一个M行N列的长方阵，行代表数据业务，列代表为数据业务分配的业务子信道，并对其中的元素K[m，n]的状态取值作如下编码约定：

当K[m，n]＝0时，表示业务信道n没有分配给数据业务m，当前处在可用状态；

当K[m，n]＝1时，表示业务信道n暂时分配给数据业务m，并且将来有可能被其它业务信道取代；

当K[m，n]＝2时，表示业务信道n确定分配给数据业务m，并且也不能再被其它业务信道取代；

当K[m，n]＝-1时，表示业务信道n由于某种原因确定不能分配给数据业务m。

对上述的数据业务和业务信道构成的矩阵K_M×N随机分配0和1，分配的原则应是K_M×N中每一行至少有一个1，即每类数据业务至少分配一个业务子信道。这里规定K_M×N中每一行为1的元素的个数可以大于等于1，而每一列为1的元素的个数则必须小于等于1，即每一个业务信道只能分配给一个数据业务。

完成对业务信道的初始分配后，对数据业务进行业务信道的优化，如图2所示，对各业务信道进行评价按照信道响应进行排序。引入空间多径衰落传输信道特征函数h_m，n和传输业务服务质量需求S_r(m)作为评价的主要参数，具体的评价规则如下：

(a).估计每个业务信道的信道响应特性h_m，n，为每个数据业务按照信道响应模值从大到小排序，形成一个排序列表；

(b).每个数据业务都机会均等地寻找当前排序列表中排在最前面的业务信道，并期望能够从其中找到响应特性模最大，且处于可以分配状态的业务信道作为待分配业务信道；

(c).如果(b)中的待分配业务信道n′为排序最优业务信道n，则将待分配业务信道分配给该数据业务；若待分配业务信道不为排序最优业务信道，且排序最优的业务信道已分配给其它数据业务，则计算待分配业务信道的功率损耗P_L(n′)和排序最优业务信道的功率损耗P_L(n)，根据功率损耗确定对待分配业务信道和排序最优的业务信道的选择，功率损耗定义如下：

P_L(n)＝||h_m，n|²-|h_m′，n|²|P_L(n′)＝||h_m，n′|²-|h_m′，n′|²|

式中，h_m，n表示为第m个数据业务分配第n个业务信道的信道响应；h_m′,n表示为第m′个数据业务分配第n个业务信道的信道响应；h_m，n′表示为第m个数据业务分配第n′个业务信道的信道响应；h_m′，n′表示为第m′个数据业务分配第n′个业务信道的信道响应。其中，排序最优业务信道为第m′个数据业务的初始业务信道。

确定待分配业务信道和排序最优业务信道的所需发射功率以及功率损耗，假如排序最优业务信道的P_L(n)值大于待分配业务信道的P_L(n′)，且P_L(n)+P_S(n)＞P_L(n′)+P_S(n′)，P_S(n)和P_S(n′)分别为排序最优业务信道和待分配业务信道的发射功率，则将排序最优业务信道n分配给数据业务m，这记作一次预分配；反之，将待分配业务信道n’分配给数据业务m；

(d).根据数据业务的传输服务质量，通过下式确定的评价函数对当前所有数据业务的总发射功率进行评价。

$X\left(m\right)=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{S_r\left(m\right)}{{\left|h_{i,n}\right|}^2},m\≤M-1$

其中，X(m)表示第m个数据业务及其之前的所有数据业务已占用的总发射功率；S_r(m)表示对第m个数据业务的传输业务服务质量需求。

如果步骤(c)中发生了预分配，那么将分别比较预分配与不预分配对评价函数的影响，如果预分配的结果反而使得X(m)变大，则X(m)非最优，即没有达到相对极小，则步骤(c)中预分配的业务信道将会被撤销，并在有限次迭代次数内重新优选，反之，则X(m)即为最优，则当前的业务信道分配成功，将矩阵元素K[m，n]置为2，K[m，n′]置为-1，K[m′，n]置为-1，K[m′，n′]置为1；如果步骤(c)中没有发生预分配，则直接认定X(m)即为最优，分配成功后，将K[m，n]置为1。

(e).完成对一个数据业务的分配后，返回步骤(b)，直到为所有数据业务的业务信道优化结束，或者满足终止迭代准则。在终止迭代准则的范围内，若满足对所有数据业务的优化分配规则，则结束本次业务信道的分配；否则，直到满足终止迭代准则，结束本次业务信道的分配。通过引入终止迭代准则，确定了对数据业务进行业务信道迭代分配的迭代次数。

对本发明所述方法与传统固定分配法和动态优先级法进行了系统功率资源节省情况与系统传输性能的对比分析。

通信系统的业务子信道数为20(N＝20)，数据业务数为10(M＝10)，对应5种卫星数据业务类型包括广播音频业务、视频电视业务、话音业务、短信报文业务以及高速宽带互联网数据业务，总数据传输速率为2Mbps。此外，设最大迭代次数为3，仿真时长1min。

如图3所示，仿真研究与数据分析表明，以固定分配法在的总功率-15dBm为基准，采用动态优先级法后，系统总功率平均为-15.3dBm，带来的功率节省仅为0.3dB，由于动态优先级法不能解决各种数据业务之间平衡分配子信道的问题(分配不均)，因此不能有效降低系统发射功率，而采用本发明方法后，系统发射功率平均下降为-15.9dBm，即系统的总发射功率平均节省了约0.9dB，显著地优化了系统功率资源。

如图4所示，仿真研究与数据分析表明，本发明所述方法使得系统BER也平均降低了10％左右，特别在10^-3量级上，采用本发明方法优化业务子信道资源后使得整个通信系统获得约1dB的信噪比增益，进一步说明本发明方法更加合理地为各种数据业务分配了子信道，使子信道的整体可靠传输性能得到了提升。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种基于功率评价的信道优化方法，包括：

为数据业务分配初始业务信道的步骤，所述数据业务根据类型划分为M类，为同一类数据业务分配至少一个业务信道，且每一个业务信道只能分配给一个数据业务，已分配的业务信道处于分配状态，未分配的业务信道处于未分配状态；

为数据业务进行业务信道优化的步骤；

其特征在于，为数据业务进行业务信道的优化的步骤中，对每一个数据业务按照以下步骤进行业务信道优化：

步骤1：按照信道响应将所有业务信道进行排序；

步骤2：选择排序最优且处于未分配状态的业务信道作为待分配业务信道；

步骤3：若待分配业务信道为排序最优的业务信道，则将待分配业务信道作为数据业务的业务信道；否则，转入步骤4；

步骤4：根据待分配业务信道与排序最优业务信道的发射功率和功率损耗为数据业务确定业务信道；根据待分配业务信道与排序最优业务信道的发射功率和功率损耗为数据业务确定业务信道的方法为：

步骤41：计算待分配业务信道与排序最优业务信道的发射功率和功率损耗；

步骤42：若待分配业务信道的功率损耗大于最优业务信道的功率损耗，且待分配业务信道的功率损耗与发射功率之和大于最优业务信道的功率损耗与发射功率之和，则将待分配业务信道分配给数据业务；反之，将排序最优业务信道分配给数据业务；

步骤43：根据下式确定对当前所有数据业务的总发射功率进行评价；

$\begin{array}{cc}X\left(m\right)=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{S_r\left(m\right)}{{\left|h_{i,n}\right|}^2}& m\≤M-1\end{array}$

其中，X(m)表示第m个数据业务及其之前的所有数据业务已占用的总发射功率；S_r(m)表示对第m个数据业务的传输业务服务质量需求；h_i，n表示第i个数据业务分配第n个业务信道的信道响应；

步骤44：若X(m)小于步骤43确定的业务信道的总发射功率，则分配成功；否则，在设定的有限次迭代次数内，返回步骤42选择排序次优且处于未分配状态的业务信道作为待分配业务信道。

2.如权利要求1所述的一种基于功率评价的信道优化方法，其特征在于，在步骤1中，所述信道响应为：各业务信道传输同一数据业务时的信道响应。