CN107949060A - 一种用于混合循环前缀正交频分多址的功率分配方法 - Google Patents

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肖悦
魏鹏
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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是针对混合循环前缀正交频分多址(HP‑OFDM)技术的最优功率分配方法。本发明主要通过估计获取信道信息以及信号信息，运用理论误码率公式，对其进行求导获取最优功率分配。相对于传统混合循环前缀正交频分多址技术，本方法不仅不会增加发射端的功率负载，而且还可以有效提升系统误码率性能。

Description

一种用于混合循环前缀正交频分多址的功率分配方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于混合循环前缀正交频分多址(Hybrid prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing-OFDM，HP-OFDM)的最优功率分配的计算方法。
背景技术
OFDM技术是一种无线通信的高速传输技术，其基本原理是将高速的数据流分解成许多低速率的子数据流，即将信号分成许多正交的子载波，利用这些相互正交的子载波同时进行传输。该技术利用子载波对数据进行调制，扩展了符号的脉冲宽度，可以有效地抵抗符号间干扰(Inter-Symbol Interference,ISI)，提高了对抗多径衰落的性能。与传统频分复用(Frequency Division Multiplexing,FDM)相比，OFDM不需要专门的保护频带。虽然频谱之间会有重叠，但是各个载波之间是相互正交的。根据正交性原理可知，各个载波之间是不存在干扰的，从而大大提高了频谱的利用率。
混合循环前缀正交频分多址，基本思想是将信号分为奇数符号和偶数符号，将循环前缀仅放置到偶数符号之前，从而提高频谱资源的利用率。并且结合判决反馈机制能够达到几乎和OFDM相同的误码率性能。根据混合循环前缀正交频分多址(HP-OFDM)方法原理，可以看出合理分配功率可以达到信号功率的最大利用率从而提高误码率性能。
传统的混合循环前缀正交频分多址(HP-OFDM)系统中，我们可知提高信号功率可以有效对抗噪声干扰。但在信号功率一定的情况下，我们需要知道最优的功率配比，保证在不增加发射机功率负载的前提下，获得最好的误码率性能。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种误码率最优的功率分配方法。该方法可以在不增加发射机负荷的前提下，改善系统BER性能。
在混合循环前缀正交频分多址(HP-OFDM)系统中，将信号比特映射到M阶的数字调制星座图上，通过串并转换分配到不同的符号中。在平均功率恒定的前提下，以一个奇数符号和一个偶数符号为一组，假定奇偶符号中各自的子载波等功率，每一组信号的总功率为常数P。那么，偶数符号功率为μP，奇数符号功率为(1-μ)P，0≤μ≤1表示偶数符号信号功率占用的比率。因此在符号的子载波个数为N，循环前缀长度为Ncp的条件下，奇数符号和偶数符号上每个子载波的功率可以表示为：
所以我们可以得知，在不使用判决反馈机制的条件下，频域接收信号在奇数符号和偶数符号的SINR分别表示为：
其中为信道的高斯白噪声功率，E{|Zi-1,k|2}是干扰的功率，其由两个部分构成的：⑴由于奇数符号之前不存在循环前缀所导致的偶数符号对其的符号间干扰；⑵由于瑞利多径信道造成的奇数符号自身的数据遗失。
已知整体误码率为
其中，M为调制阶数，且有
对公式关于μ求导，可以得到：
假定可写作如下所示：
其中，
令即可求得达到最佳误码率的功率配比，即求解下式的零点：
由公式(11)可以看出，只要选择能使公式达到零点值的功率配比，BER性能可以得到改善。不同的信道信息对系统误码率的性能影响不同，因此，本发明通过估计获取的信道信息，提出最优的功率分配方法，从而在不增加发射端功率负载的前提下，改善系统误码率性能。
本发明的技术方案是：
HP-OFDM系统中使用ZF均衡，包括以下步骤：
S1、对发送信号进行区分：
将发送符号分为奇数符号和偶数符号，并且一个奇数符号和一个偶数符号视为一组，每个符号有N个子载波，偶数符号之前插入长度为Ncp的循环前缀。
S2、求取信噪比：
根据信道信息，假定偶数符号所占用功率为μP，奇数符号所占用功率为(1-μ)P，通过计算符号间干扰的功率和噪声功率，从而得到偶数符号和奇数符号过信道后的频域信噪比。
S3、求导计算最优功率配比：
将信噪比带入理论误码率公式，对偶数符号功率所占比率μ进行求导，求取其零值点时μ的取值即为最优偶数符号功率所占比率，进而可以得出最优功率配比。
本发明的技术方案，针对HP-OFDM系统提出一种最优功率分配方法。本发明的有益效果是：在不增加发射机负荷前提下，提升系统误码率性能。
附图说明
图1是HP-OFDM系统框图；
图2是QPSK调制下不同Eb/N0所对应的偶数符号所占最佳功率比；
图3是16QAM调制下不同Eb/N0所对应的偶数符号所占最佳功率比；
图4是QPSK调制下所得出的最佳功率配比下HP-OFDM与不做功率分配的HP-OFDM的BER性能对比示意图；
图5是16QM调制下所得出的最佳功率配比下HP-OFDM与不做功率分配的HP-OFDM的BER性能对比示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
实施例1
本例中，信道为准静态瑞利多径信道，子载波数1024个，调制方式为QPSK调制，仅在偶数符号之前插入循环前缀，其长度为256。本例采用以下步骤：
步骤1：将经过QPSK调制的传输数据分为奇数符号和偶数符号，再将其从频域信号变为时域信号，仅在偶数符号之前插入循环前缀；
步骤2：假定偶数符号所占用的功率比率为μ，分别计算出偶数符号和奇数符号的信噪比；
步骤3：将计算出的信噪比带入理论误码率公式，对其进行求导；
步骤4：求取使得步骤3中的零点，此时的μ值即为最优的偶数符号所占比率，进而可以得出最优功率配比。
根据图2可得在不同的误码率性能下，最佳功率配比有所变化。
根据图4可得在选择最优功率配比和不做功率配比的情况下，最佳功率配比能获得更好的误码率性能优势。(图4所示的结果是采用本例中的上述方法仿真10万次获得)。
实施例2
本例中，子载波数1024个，调制方式为16QAM调制，仅在偶数符号之前插入循环前缀，其长度为256。本例采用以下步骤：
步骤1：将经过16QAM调制的传输数据分为奇数符号和偶数符号，再将其从频域信号变为时域信号，仅在偶数符号之前插入循环前缀；
步骤2：假定偶数符号所占用的功率比率为μ，则奇数符号所占用的功率比率为1-μ，分别计算出偶数符号和奇数符号的信噪比；
步骤3：将计算出的信噪比带入理论误码率公式，对其进行求导；
步骤4：求取使得步骤3中的零点，此时的μ值即为最优的偶数符号所占比率，进而可以得出最优功率配比。
根据图3可得在不同的误码率性能下，最佳功率配比有所变化。
根据图5可得在选择最优功率配比和不做功率配比的情况下，最佳功率配比能获得更好的误码率性能优势。(图5所示的结果是采用本例中的上述方法仿真10万次获得)。

Claims (1)

1.一种用于混合循环前缀正交频分多址的功率分配方法，设定混合循环前缀正交频分多址系统中使用ZF均衡，所述功率分配方法包括以下步骤：
S1、对发送信号进行区分：
将发送符号分为奇数符号和偶数符号，并且一个奇数符号和一个偶数符号视为一组，每个符号有N个子载波，偶数符号之前插入长度为Ncp的循环前缀；
S2、求取信噪比：
根据信道信息，设定每一组信号的总功率为常数P，则偶数符号所占用功率为μP，奇数符号所占用功率为(1-μ)P，通过计算符号间干扰的功率和噪声功率，从而得到偶数符号和奇数符号过信道后的频域信噪比；具体为：
奇数符号上每个子载波的功率Se表示为：
<mrow> <msub> <mi>S</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;mu;</mi> <mi>P</mi> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
偶数符号上每个子载波的功率So表示为：
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在不使用判决反馈机制的条件下，频域接收信号在奇数符号和偶数符号的频域信噪比分别表示为：
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其中为信道的高斯白噪声功率，E{|Zi-1,k|2}是干扰的功率，其由两个部分构成的：由于奇数符号之前不存在循环前缀所导致的偶数符号对其的符号间干扰；由于瑞利多径信道造成的奇数符号自身的数据遗失；
S3、求导计算最优功率配比：
将信噪比带入理论误码率公式，对偶数符号功率所占比率μ进行求导，求取其零值点时μ的取值即为最优偶数符号功率所占比率，进而可以得出最优功率配比，具体为：
已知整体误码率为：
其中，M为调制阶数，且有：
<mrow> <mi>&amp;Xi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>,</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>,</mo> <mi>&amp;mu;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mfrac> <mrow> <mn>3</mn> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>l</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>&amp;gamma;</mi> <mi>e</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mi>M</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msup> <mi>sin</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mfrac> <mrow> <mn>3</mn> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>l</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>&amp;gamma;</mi> <mi>o</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mi>M</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msup> <mi>sin</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> </mrow>
对公式关于μ求导，可以得到：
假定 可写作如下所示：
其中：
令即可求得达到最佳误码率的功率配比，即求解下式的零点：
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