CN103117982B - 一种基于子载波分组的ofdm系统的数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于子载波分组的OFDM系统的数据传输方法，包括如下步骤：基站向接收端发送一组只含有导频信号的信息，接收端利用这些信息对导频子载波的信道增益进行估计和量化；接收端将估计和量化后的信道增益反馈给基站，基站基于最小化均方误差的插值准则，利用反馈所得信道增益对未知的信道增益进行插值；基站利用信道增益信息进行子载波组和传输功率的分配，用户的数据流被分配到不同子载波组上传输。本发明能够减少基站端的计算复杂度和用户反馈量。

Description

一种基于子载波分组的OFDM系统的数据传输方法

技术领域

本发明涉及一种通信领域的数据传输方法，具体涉及一种基于子载波分组的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）系统（简称“系统”）的数据传输方法，更具体涉及一种基于子载波分组的多用户OFDM系统的数据传输方法，能降低系统复杂度和反馈量。

背景技术

OFDM是一种高速数据传输技术，该技术的基本原理是将高速串行数据流变换成多路相对低速的并行数据流，并对不同载波进行调制。这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了信号抗多径衰落等恶劣传输条件的性能。

目前，多用户OFDM系统中的资源分配问题已经得到了广泛研究，包括在速率约束条件下最小化发送功率的子载波、速率和功率分配方法，在功率约束条件下最大化系统吞吐量的子载波、速率和功率分配方法，基于公平性的在功率约束条件下最大化加权容量的资源分配方法等。以上方案均以单个子载波为基本单位进行资源分配。然而为降低基站的计算复杂度和用户反馈量，在实际系统中，OFDM的子载波常被组合为子载波组进行资源分配，即将子载波组作为最小单位分配给不同用户，每个子载波组内的所有子载波只能被分配给同一个用户。由于相邻子载波的信道增益具有较大关联性，因此在资源分配当中若干相邻子载波可以看作一个整体被分配给同一个用户。

第一文献研究了一种在反馈量和相干时间一定的情况下最大化系统容量的资源分配方法。该方案在进行资源分配时将子载波和用户分别进行分组以减小运算复杂度。文中比较了在顺序反馈和竞争反馈两种反馈方案下系统吞吐量的大小。第二文献实现了有误码率和传输功率限制的基于子载波分组的最大化容量OFDM资源分配。此方案中若干相邻子载波被组合成为一个子载波组，每个子载波组的平均误码率需达到设定的限制要求，同一个子载波组中的每个子载波上分配的传输功率相等。第三文献列举了一些有反馈量限制的最大化系统容量的OFDM资源分配方案，并对它们的性能进行了比较。第四文献将反馈方案结合在资源分配方案当中，实现了有传输功率限制的基于公平性的最大化系统加权和容量的OFDM资源分配方案。

但是上述现有资源分配方案，都没有考虑将系统的反馈方案与子载波分组的资源分配方法结合起来。所有子载波的信道增益都需要被反馈给基站，当子载波数目比较多时，需要反馈的信道增益数据量可能会很大，浪费网络传输资源。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于子载波分组的OFDM系统的数据传输方法，能够减少基站端的计算复杂度和用户反馈量。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于子载波分组的OFDM系统的数据传输方法，包括如下步骤：

（1）基站向接收端发送一组只含有导频信号的信息，接收端利用这些信息对导频子载波的信道增益进行估计和量化；

（2）接收端将估计和量化后的信道增益反馈给基站，基站基于最小化均方误差的插值准则，对反馈所得信道增益进行插值获得未知的信道增益；

（3）基站利用完整的信道增益信息进行子载波组和传输功率的分配，用户的数据流被分配到不同子载波组上传输；

（4）对数据流先进行QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制）调制，再做逆傅里叶变换，生成待发送的信号序列；

（5）在待发送的信号序列前面加循环前缀，该循环前缀的长度大于无线信道的最大时延扩展；

（6）将加了循环前缀的信号序列经过无线信道后去掉循环前缀，接着对其做傅里叶变换，然后进行QAM解调，最后将每个用户的传输数据输出。

进一步地，所述步骤（6）中，在傅里叶变换后，每个用户抽取部分子载波的信道增益进行反馈，基站通过对反馈的信道增益进行插值获得用户其余子载波的信道增益；继续步骤（3）。

进一步地，对信道增益的量化采用基于最小化均方误差的标量量化方法。

进一步地，所述步骤（3）包括如下步骤：

1）定义拉格朗日乘子                                                和子载波组的分配因子的初始值，在初始条件下，所有均为0；

2）将的初始值代入所有，用二分法解出，式中，是用户的容量加权值，m是某个子载波组内子载波的序号，M是每个子载波组所含子载波的个数，是分配给第k个用户的第n个子载波组中的第m个子载波的信噪比，是在这种条件下每个子载波组中的每个子载波上分配的功率；

3）将代入=，将子载波组分配给令最大的用户，即该；

4）计算的值，式中，K是OFDM系统的用户数，N是子载波组的个数，是子载波组的分配因子，若，式中，表示OFDM系统传输的最大功率，则减小的值，若，则增大的值，并重复步骤2）和步骤3），直到，结束资源分配。

有益效果：本发明将子载波分组技术应用于OFDM系统资源分配和信道增益的反馈方法当中，在资源分配中兼顾了用户的公平性。系统以子载波组为最小单位进行资源分配，可以大大减小资源分配的计算复杂度。在进行信道增益反馈时，每个子载波组只反馈部分子载波的信道增益，能够有效减少系统整体的反馈量。

附图说明

图1为本发明实施例中OFDM系统的示意图；

图2为本发明实施例中资源分配方法的流程图；

图3为本发明实施例中第一仿真结果示意图；

图4为本发明实施例中第二仿真结果示意图；

图5为本发明实施例中第三仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明实施例提供了一种基于子载波分组的、有传输功率限制的最大化加权信道容量的OFDM资源分配系统。

系统传输框图请参阅图1。首先，基站向接收端发送一组只含有导频信号的信息，利用这些信息接收端对导频子载波的信道增益进行估计和量化。接收端将这些信道增益反馈给基站，基站基于最小化均方误差的插值准则，利用反馈所得信道增益对未知的信道增益进行插值。系统传输数据的流程可以概括为：基站利用完整的信道增益信息进行子载波组和传输功率的分配，用户的数据流被分配到不同子载波组上传输，接着对比特流进行QAM调制，再做逆傅里叶变换。为了对抗OFDM符号之间的干扰，要在发送信号序列的前面加循环前缀（CP），循环前缀的长度大于无线信道的最大时延扩展。传输数据经过无线信道后去掉循环前缀，接着对其做傅里叶变换，并进行QAM解调，最后将每个用户的传输数据输出。

信道增益量化法则：

由于反馈链路速率受限，在实际系统中，通常将信道增益量化后进行反馈。在本发明中，我们采用基于MMSE（最小化均方误差）的标量量化方法，所有子载波采用相同码本。

本发明实施例对信道增益进行R比特量化，为信道增益的量化阶数，设是信道增益处于范围内时的标量量化后的值，表示量化门限值，下标k表示第k个用户。由最小化均方误差准则可以得到关于与的以下两个等式

                                             （1）

                       （2）

信道增益量化门限的计算方法可以简述为：，给定一个的初始值，将和的值带入方程（2）算出，再由（1）算出，再将和带入方程（2），可以求得的值，再由（1）算出，以此类推，直到求出的值，若不趋近于正无穷，则调整的初始值，并进行下面的一系列计算和调整，直到趋近于正无穷为止。

基站插值算法

为减少反馈量，每个用户抽取部分子载波的信道增益进行反馈，基站通过对已知的信道增益进行插值获得其余子载波的信道增益。即未知的信道增益可以利用频域上距离该未知子载波最近的两个已知子载波信道增益的量化反馈值插值计算出来。

设需要插值计算的信道增益量化值为，其中为信道增益的量化阶数，的估计值表示为，其中和是频域上距离最近的两个已知的信道增益，和分别为线性插值的系数。

由公式可以算出 ，其中，为第m1个子载波和第m2个子载波的信道增益的相关系数，E（·）表求示均值，表示第m1个子载波的信道增益，表示第m2个子载波的信道增益的共轭，上标*表示共轭，为系统总带宽，为系统的相干带宽。

设信道增益的二阶矩 为在频域上前一个已知的信道增益量化值，为在频域上后一个已知的信道增益量化值。令、，，可以求得、。将和代入的表达式，可获得第L个子载波信道增益的估计值。

资源分配算法优化模型

在本发明中，OFDM系统中有个用户，个子载波，所有子载波被分为个个子载波组，每个子载波组包含个子载波。每个子载波组中的每个子载波上分配的功率是相等的，记为；表示被分配给第个用户的第个子载波组中的第个子载波的传输速率，依据香农公式可以表示为，其中表示信噪比，代表第个子载波组中的第个子载波对于用户的信道增益系数，代表归一化信道噪声。表示系统传输的最大功率。考虑到资源分配的公平性，本发明实施例以加权和容量为优化准则，是用户的容量加权值。则和都是已知系统参数。本发明的主要工作之一是实现一个有传输功率限制的最大化加权信道容量的OFDM系统，该优化问题可以用下述数学模型来进行表示：

                           （3）

上式中， 表示子载波组的分配因子，只能取0和1两个值，表示第个子载波组被分配给第个用户，由于每个子载波组只能分配给一个用户，所以对每个子载波组来说有。为分配给第个用户的第个子载波的传输速率，因此。表示任意的。

优化问题的解决：

由于（3）中的优化变量为整数，因此（3）是一个组合优化问题。可以放松（3）中对变量的整数约束，将分数结果取整得到（3）的可行解.。

放松（3）中的整数约束，利用拉格朗日乘子法，（3）可转化为如下不带约束的优化问题：

     （4）

式中，和分别为拉格朗日乘子。对分别关于和求导可得

 （5）

                            （6）

明显对于是一个单调递减函数，因此对于给定的，用二分法可以将中的解出。

由于是的一次函数，且，因此令最大的只能是0或1， 可得

        （7）

令。将二分法解出的的值代入，则对于任意一个子载波组，它应该被分配给最大的用户。

是关于递减的函数，因此可以先给出的初值，计算出，如果，则减小的值，从而增大，会有更多的子载波组被分配给各个用户，直到最终。

资源分配算法描述

    本发明实施例中资源分配算法的框图请参阅图2，该算法可以描述为

A.定义和的初始值。在初始情况下，所有均为0；

B.将的初始值代入所有，用二分法解出；

C.将带入，将子载波组分配给令最大的用户，即该；

D.计算的值，若，则减小的值，若，则增大的值，并重复步骤B、C，直到结束资源分配。

仿真

系统仿真时，用户数，每个用户的信道容量加权系数分别为、、、、、；OFDM系统仿真参数参见表1；信道增益分布满足表2：

表1 OFDM系统仿真参数表

OFDM符号周期	1/15毫秒
		系统总带宽	10MHz
系统相干带宽	387.6KHz
		采样频率	15.36MHz
子载波数	1024（实际使用子载波数600，其余预留）
		傅里叶变换阶数	1024

表2 Extended Vehicular A model (EVA)信道模型

Excess tap delay（时间采样间隔）[ns]	Relative power（相对功率）[dB]
		0	0.0
30	-1.5
		150	-1.4
310	-3.6
		370	-0.6
710	-9.1
		1090	-7.0
1730	-12.0
		2510	-16.9

其中，EVA可参考国际标准文件3GPP TS 36.211 V8.0.0 (2007-09)。

仿真1：在每个用户的反馈比特数一定的条件下比较准确反馈所有子载波信道增益、反馈所有信道增益的量化值和反馈部分信道增益量化值这三种反馈方案在不同发送功率下的加权和容量。

第一种反馈方案是将用户所有信道增益的准确值反馈给基站，基站利用这些信道增益进行子载波组和功率分配。这种方案所获得的吞吐量可以作为其他反馈方案所获得吞吐量的上界。本仿真中，每个子载波组包含子载波数目为12，发送功率从10dB到30dB变化。

第二种反馈方案是对用户的信道增益进行L比特标量量化后反馈给基站，基站利用此量化值进行子载波组和功率分配。本仿真中，信道增益的量化比特数为4，每个用户的信道增益反馈量为2400比特，每个子载波组包含子载波数目为12，发送功率从10dB到30dB变化。

第三种反馈方案是对用户的信道增益进行L比特标量量化后，抽取部分量化值反馈给基站，基站通过对反馈的信道增益进行插值获得用户其余子载波的信道增益，最后利用此完整的信道增益进行子载波组和功率分配。本仿真中，信道增益的量化比特数为4，每个用户的信道增益反馈量为800比特，每个子载波组包含子载波数目为12，发送功率从10dB到30dB变化。

仿真结果曲线图如图3所示。从图中可以看出，三种反馈方案下，系统的加权和容量随着发送功率的增大而增大，即系统的发送功率越大可以传输的信息量越大。由于EVA信道的相关带宽较大，在发送功率相同的条件下，三种反馈方案的加权和容量差别不大。可见，用户仅对部分信道信息进行量化反馈，不会对系统的吞吐量造成明显损失。

仿真2：系统发送功率及反馈信道增益的量化比特数一定的条件下，比较反馈量不同时系统的加权和容量。

本仿真中，每个子载波组包含子载波数目为12，发送功率为25dB。图4为信道增益量化比特数分别为2、3、4、5比特，反馈量不同时系统加权和容量的变化曲线图。每个用户的反馈量等于反馈信道增益的量化比特数和反馈信道个数的乘积。

从以上仿真结果可以看出，在信道增益的量化比特数一定的情况下，增加用户反馈信道的个数能显著提高系统的加权和容量，但当每个用户反馈的信道个数达到一定数目后，增加子载波信道增益的反馈个数并不能显著提高系统的加权和容量。从图中可以看出，当信道增益的量化比特数一定时，用户所需反馈的信道增益的个数。

仿真3：系统发送功率、每个用户子载波信道增益的反馈个数一定时，比较不同信道增益量化比特数情况下系统的加权和容量。

本仿真中，每个子载波组包含子载波数目为12，发送功率为25dB。图5为每个用户子载波信道增益的反馈个数分别为50、100、200、300时，不同量化比特数情况下系统加权和容量的变化曲线图。

从以上仿真结果可以看出，在用户子载波信道增益的反馈个数一定的情况下，增加信道增益的量化比特数能够显著提高系统的加权和容量。

Claims (4)

1.一种基于子载波分组的OFDM系统的数据传输方法，包括如下步骤：

（1）基站向接收端发送一组只含有导频信号的信息，接收端利用这些信息对导频子载波的信道增益进行估计和量化；

（2）接收端将估计和量化后的信道增益反馈给基站，基站基于最小化均方误差的插值准则，对反馈所得信道增益进行插值获得未知的信道增益：

由公式                                                ，其中，为第m1个子载波和第m2个子载波的信道增益的相关系数，E（·）表求示均值，表示第m1个子载波的信道增益，表示第m2个子载波的信道增益的共轭，上标*表示共轭，为系统总带宽，为系统的相干带宽；

为需要插值计算的信道增益量化值，其中为信道增益的量化阶数，的估计值表示为其中和是频域上距离最近的两个已知的信道增益，和分别为线性插值的系数；

信道增益的二阶矩 为在频域上前一个已知的信道增益量化值，

为在频域上后一个已知的信道增益量化值；

令，

求得将和代入的表达式，获得第个子载波信道增益的估计值；

（3）基站利用完整的信道增益信息进行子载波组和传输功率的分配，用户的数据流被分配到不同子载波组上传输；

（4）对数据流先进行QAM调制，再做逆傅里叶变换，生成待发送的信号序列；

（5）在待发送的信号序列前面加循环前缀，该循环前缀的长度大于无线信道的最大时延扩展；

（6）将加了循环前缀的信号序列经过无线信道后去掉循环前缀，接着对其做傅里叶变换，然后进行QAM解调，最后将每个用户的传输数据输出。

2.根据权利要求1所述一种基于子载波分组的OFDM系统的数据传输方法，其特征在于：所述步骤（6）中，在傅里叶变换后，每个用户抽取部分子载波的信道增益进行反馈，基站通过对反馈的信道增益进行插值获得用户其余子载波的信道增益；继续步骤（3）。

3.根据权利要求1所述一种基于子载波分组的OFDM系统的数据传输方法，其特征在于：对信道增益的量化采用基于最小化均方误差的标量量化方法。

4.根据权利要求1所述一种基于子载波分组的OFDM系统的数据传输方法，其特征在于：所述步骤（3）包括如下步骤：

1）定义拉格朗日乘子和子载波组的分配因子的初始值，在初始条件下，所有均为0；

2）将的初始值代入所有，用二分法解出，式中，是用户的容量加权值，m是某个子载波组内子载波的序号，M是每个子载波组所含子载波的个数，是分配给第k个用户的第n个子载波组中的第m个子载波的信噪比，是在这种条件下每个子载波组中的每个子载波上分配的功率；

3）将代入将子载波组分配给令最大的用户，即该

4）计算的值，式中，K是OFDM系统的用户数，N是子载波组的个数，是子载波组的分配因子，若，式中，表示OFDM系统传输的最大功率，则减小的值，若，则增大的值，并重复步骤2）和步骤3），直到，结束资源分配。