CN103414675A

CN103414675A - 宽带电力线ofdm系统单用户快速比特加载方法

Info

Publication number: CN103414675A
Application number: CN2013100717537A
Authority: CN
Inventors: 陆俊; 黄倩; 龚钢军; 钱明霞; 孙毅
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-03-07
Also published as: CN103414675B

Abstract

本发明公开了一种属于宽带电力线通信技术领域的基于OFDM系统的资源分配方法。其技术方案是，提出一种宽带电力线OFDM系统单用户快速比特加载方法，包括划分子载波信道质量等级、选择可用子载波集、计算初始加载门限、快速比特加载、判断是否加载结束、更新比特加载门限六个步骤。本发明所实现的应用于宽带电力线OFDM系统的单用户快速比特加载方法能在保证系统要求速率的前提下，尽可能降低发射功率，具有较优的分配结果，且由于该方法能多个比特成批加载，可以降低系统的计算复杂度。

Description

宽带电力线OFDM系统单用户快速比特加载方法

技术领域

本发明属于宽带电力线通信技术领域，尤其涉及基于OFDM系统的宽带电力线通信的单用户比特加载。

背景技术

宽带电力线通信（Broadband Power Line Communication，B-PLC）是利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式。由于电力线具有覆盖范围广、无需重新规划布线、建设费用低等优点，电力线通信成为解决通信接入网“瓶颈”的方案之一。但是电力线不是为通信设计的，利用电力线实现信息通信存在许多问题，如噪声干扰强、多径衰落明显、频率选择性、时变性等。正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术由于具有数据传输速率高，抗多径干扰和窄带干扰强，频谱利用率高等优点，广泛应用于电力线通信中。

单用户电力线系统的资源分配涉及功率和比特的联合分配，采用OFDM调制技术可将高速传输的数据流转化为多路并行的低速数据流，能有效减少多径衰落对传输带来的影响。如果子信道都采用固定的调制方案，对于具有较高频率选择性和时变性的电力线信道，会产生较大的误比特率，无法充分利用信道质量较好的子载波，频谱利用率低。OFDM技术的自适应性可以根据子信道的信道特性，动态调整子信道上的传输速率和发射功率，提高信道资源利用率。

传统的资源分配是依据信息论中的注水原理，但是注水原理只考虑到子信道的信道状况，没有考虑各个子信道上的比特上限和功率限制。并且，子信道上比特、功率加载具有离散性，直接把注水原理应用在单用户比特加载中不合理。

经典的单用户资源分配方法之一是逐比特位添加算法，该算法需要建立子载波在分配不同比特时的功率增量表，每加载一个比特时都需要进行查表，将该比特加载到功率增量最小的子载波上，直到系统达到固定速率或资源分配结束。该算法性能为最优，但是由于每加载一个比特都需要进行查表，计算复杂度高。

以上分配方法都是针对于OFDM系统，不能完全适用于宽带电力线通信系统。基于OFDM技术的电力线通信系统的资源分配不仅要考虑系统容量和误比特率，还需要考虑子载波的各种上限约束情况。参加分配的子载波除受各的子载波信道状态约束，还受其发射功率及比特上限的约束。电力线通信系统需要考虑到电磁干扰限制，所以需要对各个子载波的发射功率进行控制。宽带电力线系统下基于最优准则的单用户比特加载算法首先确定系统可用子载波，对可用子载波进行单比特批量加载，然后对超过比特上限的子载波进行比特调整，最后基于最优准则对子载波进行比特和功率调整。该算法性能为优，但确定系统可用子载波时需要迭代计算，较复杂。

考虑到现有比特加载方法存在加载过程较为复杂的问题，本发明经过对以上方法改进，提出一种较为简单的快速比特加载方法。该方法通过与阈值进行比较判断，能够一次性为子载波加载多个比特，可降低系统的计算复杂度。

发明内容

本发明的目的在于提出一种适用于宽带电力线OFDM系统的单用户快速比特加载方法，具体包括以下步骤。

步骤1：划分子载波信道质量等级：子载波信道质量等级划分方法如下：

式中， snr_i表示子载波i的单位功率信噪比，m为信道质量最好，即，单位功率信噪比最高的子载波。可以看出，信道质量越差的子载波其信道质量等级值越大，最优子载波的其CL值为0。所以，CL可表征信道质量，将连续的信道质量分级。

步骤2：选择可用子载波集：设R为系统要求加载比特总数，N为子载波总数，Nu为可用子载波数。若R<N，则Nu=R，可用子载波集为信噪比较大的R个子载波。若R>=N，则Nu=N，可用子载波集为所有子载波。

步骤3：计算初始加载门限：初始加载门限计算式如下。

设

Figure 2013100717537100002DEST_PATH_IMAGE002

，则初始加载门限为

，初始时刻令k=1。

步骤4：快速比特加载：对可用子载波集中的子载波进行如下判断加载。首先判断子载波是否同时满足以下两个不等式关系：

式中

对应子载波上可加载的比特上限。

如果上述不等式组满足，则在该子载波上加载的比特数为

。然后计算已加载比特子载波上功率增量。根据信息论，有

，可得功率增量表达式为

，将已使用的子载波按

从小到大排序，以后保持此子载波序列顺序进行加载。

如果不满足，则跳过该子载波，对集合中下一子载波进行以上判断加载。

步骤5：判断是否加载结束：判断如果此时系统要求总比特数加载完成或所有子载波已经达到比特上限，则系统比特加载结束，否则进行步骤6。

步骤6：更新比特加载门限：k=k+1，

，返回步骤4。

所述步骤2中子载波信道质量等级CL为衡量子载波信道状况的一个离散化数值，CL值越大在载波信道质量越差。CL相当于比特加载结束时最优子载波与上所加载比特数与各个子载波上比特数的差值，便于后续比特分配计算。

所述步骤4中将子载波按功率增量排序是为了保证后续比特加载能优先加载给功率增量小的子载波，保证系统发射功率最小。第一轮加载中，第一个满足条件的子载波在加载比特后，计算其功率增量，以后每对一个子载波进行加载，就计算其功率增量，并与之前已加载比特的子载波的功率增量进行比较，按从小到大插入排序。以后每一轮加载时每个子载波加载完比特后均进行插入排序，始终保证已加载比特子载波的顺序为功率增量从小到大。

本发明提出的宽带电力线OFDM系统单用户快速比特加载方法能在保证系统要求速率的前提下尽可能降低发射功率，具有较优的分配结果。并且由于对比特进行批量加载，且一次可以同时加载多个比特，可以降低系统的计算复杂度。

附图说明

图1为本发明的整体流程图。

图2为本发明的详细流程图。

图3为本发明的具体实施仿真分析图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例在典型电力线信道环境中实现。参数设置为：设电力线OFDM系统中一个OFDM符号的子载波数N=128，带宽范围为0~20MHz，系统功率谱上限为-50-0.8f（dBm/Hz），误码率为10^-4，设各子载波上最大分配比特数为6。需要说明的是上述参数不影响本发明的一般性。

本发明的资源分配方法流程如图1，详细流程图如图2。

（1）划分子载波信道质量等级

选出子载波中信道质量最好的子载波，根据其单位功率信噪比

以及子载波信道等级公式

，分别计算各个子载波的信道等级值。

（2）选择可用子载波集

本实例中系统要求加载总比特数R=200，可见R>N，Nu=N，可用子载波集为所有子载波。

（3）计算初始加载门限

由式

可知，首先需要计算各子载波上可加载的比特上限，比特上限

由系统要求的子载波比特上限

和子载波功率谱限制确定的比特上限

确定，计算如下：

其中为信噪比差额。然后计算初始加载门限为

，k=1。

（4）快速比特加载

按子载波顺序，依次进行判断加载。首先判断子载波i是否同时满足以下不等式组：

如果满足，则该子载波上加载比特数为

。计算该子载波的功率增量

。将已使用的子载波按

从小到大排序，以后保持此子载波序列顺序进行加载。

如果子载波不满足以上不等式组，则该子载波上本轮不加载比特，对下一子载波进行以上判断加载。

（5）判断是否加载结束

当系统要求总比特数加载完成，或所有子载波均已达到比特上限时，系统比特加载结束，否则跳到步骤（6），继续比特加载。

（6）更新比特加载门限

k=k+1，更新门限值为

，返回步骤（4）。

作为对比，在此处选用资源分配性能最优的逐比特位添加方法作为对比方法。图3中（a）（c）分别表示本发明比特和功率分配结果，（b）（d）分别表示对比方法的比特和功率分配结果。

表1 本发明与对比方法资源分配情况。

	使用子载波数	分配比特数	系统发射功率	计算量
					本发明	71.0000	200.0000	9.0049
对比方法	71.0000	200.0000	9.0049

当系统要求总比特数为200时，本发明和对比方法的资源分配情况如表1所示。可见，本发明与对比方法分配结果一致，分配结果能达到最优。

以上分析可以看出，本发明能保证满足系统传输速率的情况下尽可能保证系统发射功率最小。

本发明的另一优势是低计算复杂度。本发明步骤1计算信道等级CL值时计算量为

；步骤2和步骤3计算量较小，可忽略；步骤4快速比特加载中，批量判断加载计算量为

，子载波排序由于每次只需将新得到加载的子载波按其功率增量大小插入已有得排列好的子载波，故其最大计算量也为

；步骤5和步骤6计算量较小，可忽略。则本发明的计算量为。经典逐比特位添加方法的计算量为

，其中R为系统要求分配总比特数。由于一般情况下R比N大得多，所以本发明计算量小于传统的逐比特位添加方法。

Claims

1.宽带电力线OFDM系统单用户快速比特加载方法，其特征在于，它包括以下步骤： 1）划分子载波信道质量等级：子载波信道质量等级划分方法如下：

，式中，snr_i表示子载波i的单位功率信噪比，m为信道质量最好，即，单位功率信噪比最高的子载波；可以看出，信道质量越差的子载波其信道质量等级值越大，最优子载波的其CL值为0；所以，CL可表征信道质量，将连续的信道质量分级；2）选择可用子载波集：设R为系统要求加载比特总数，N为子载波总数，Nu为可用子载波数；若R<N，则Nu=R，可用子载波集为信噪比较大的R个子载波；若R>=N，则Nu=N，可用子载波集为所有子载波；3）计算初始加载门限：初始加载门限计算式如下；设

，则初始加载门限为

，初始时刻令k=1；4）快速比特加载：对可用子载波集中的子载波进行如下判断加载；首先判断子载波是否同时满足以下两个不等式关系：

；式中

对应子载波上可加载的比特上限；如果上述不等式组满足，则在该子载波上加载的比特数为

；然后计算已加载比特子载波上功率增量；根据信息论，有

，可得功率增量表达式为

，将已使用的子载波按

从小到大排序，以后保持此子载波序列顺序进行加载；如果不满足，则跳过该子载波，对集合中下一子载波进行以上判断加载；5）判断是否加载结束：判断如果此时系统要求总比特数加载完成或所有子载波已经达到比特上限，则系统比特加载结束，否则进行步骤6）；6）更新比特加载门限： k=k+1，

，返回步骤4）。

2.根据权利要求1所述的资源分配方法，其特征在于，所述步骤2）中子载波信道质量等级CL为衡量子载波信道状况的一个离散化数值，CL值越大在载波信道质量越差；CL相当于比特加载结束时最优子载波与上所加载比特数与各个子载波上比特数的差值，便于后续比特分配计算。

3.根据权利要求1所述的资源分配方法，其特征在于，所述步骤4）中将子载波按功率增量排序是为了保证后续比特加载能优先加载给功率增量小的子载波，保证系统发射功率最小；第一轮加载中，第一个满足条件的子载波在加载比特后，计算其功率增量，以后每对一个子载波进行加载，就计算其功率增量，并与之前已加载比特的子载波的功率增量进行比较，按从小到大插入排序；以后每一轮加载时每个子载波加载完比特后均进行插入排序，始终保证已加载比特子载波的顺序为功率增量从小到大。