CN108494717B - 一种基于自适应比特分配的ofdm通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应比特分配的OFDM通信方法及系统。该方法包括：将待发送的N个子载波平分为N_B组；为第i组子载波分配R_i比特；将R_i比特拆分为p₁比特和p₂比特，其中p₁比特用于从n个子载波中选取出k个子载波作为活跃子载波，对p₂比特进行星座点映射，将所映射的星座点频域数据调制到所述活跃子载波上；对N_B组子载波进行IFFT变换，并将每组活跃子载波的选择方式一并发送到接收端；接收端基于每组子载波的调制模式对接收信号进行解调。本发明改善了在低信噪比条件下的误码率情况，以避免在低信噪比条件下因大误码率所引起的通信失效问题，提高了系统性能，并大大增加了频谱利用率。

Description

一种基于自适应比特分配的OFDM通信方法及系统

技术领域

本发明领域无线通信领域，具体地，涉及一种基于自适应比特分配的OFDM通信方法及系统。

背景技术

“智慧海洋”工程是一种包含了来自海下、海面、海空、海洋装备、海洋活动等各类信息源的信息。目前海洋卫星通信、光通信技术已经相当成熟而且朝着更加先进、稳定的方向发展，但由于短波通信是现今通信手段中唯一不受网络核心节点制约的远程通信手段，其设备简单、成本低廉、架设方便、机动灵活以及面对战争和大型自然灾害时，具有较强的抗毁性及无需中继即可进行中远距离通信，因此，海洋短波通信仍然是海洋现代远程无线通信中不可替代的一种通信方式。

“智慧海洋”中的海洋短波通信方式是海上救灾、海上灾难检测中不可替代的通信方式，这种通信方式同时也为近岸海域开发优化，科学控制并加强海洋保护与修复提供了指导和参考。通过长期的实践经验知，在海上200km以内采用短波地波通信质量要优于短波天波通信。

在海面短波地波通信中对于同一表面波的传播对不同频率的电波的吸收程度有很大的差异。由于趋肤效应，海面短波地波通信中频率高、吸收大；频率低，吸收小。频率高的电磁波在地面引起的感应电流大，因而在地中消耗大，所以衰减大。因此在进行通信波段的选择时，需考虑不同频率与地面衰减间的关系。

目前，海面短波地波信道还没有经典公认的信道模型，因此，有必要提出一种可应用于“智慧海洋”工程中的海面短波地波通信方式，以补充“智慧海洋”工程中短波通信的应用模式，完善“智慧海洋”工程的无线通信网络体系。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

根据本发明的一方面，提出一种基于自适应比特分配的OFDM通信方法，包括：

将待发送的N个子载波平分为N_B组，每组子载波数目为n＝N/N_B；

为第i组子载波分配R_i比特，i＝1,2，.....,N_B；

针对第i组子载波，将其R_i比特拆分为p₁比特和p₂比特，其中p₁比特用于从n个子载波中选取出k个子载波作为活跃子载波，对p₂比特进行星座点映射，将所映射的星座点频域数据调制到所述活跃子载波上；

对N_B组子载波进行IFFT变换，并将每组活跃子载波的选择方式一并发送到接收端；

接收端基于每组子载波的调制模式对接收信号进行解调。

优选地，通过以下方式确定第i组活跃子载波的选择方式：

设定活跃子载波数目为k＝n/2；

计算p₁的数目s＝[log₂F]，其中F＝C(n,k)，为从n个子载波中选取k个活跃子载波的模式数目；

确定p₁比特的m种模式，其中m＝2^s；

选取m种活跃子载波组合，与m种模式的p1比特一一对应。

优选地，通过以下方式确定为第i组子载波分配的比特数R_i：

计算第i组子载波的信噪比SNR_i；

基于第i组子载波的信噪比SNR_i和已知调制方案的SNR门限，设定每组子载波上分配的比特数R_i0；

将各组子载波分配的总比特数R_sum与目标深度R_target进行比较，若R_sum＝R_target，则比特分配结束，否则调整R_i直到R_sum＝R_target为止。

优选地，基于以下公式计算第i组子载波的信噪比SNR_i：

SNR_i＝(E+η_A-E_n)|h_i|²

其中，E为距离辐射源r处的电场强度，η_A为天线效率，E_n为大气无线电噪声场强有效值，h_i为第i组信道的冲击响应。

根据本发明的另一方面，提出一种基于自适应比特分配的OFDM通信系统，包括发送端和接收端。其中，所述发送端包括：

分组单元，用于将待发送的N个子载波平分为N_B组，每组子载波数目为n＝N/N_B；

分配单元，用于为第i组子载波分配R_i比特，i＝1,2，.....,N_B；

调制单元，用于针对第i组子载波，将其R_i比特拆分为p₁比特和p₂比特，其中p₁比特用于从n个子载波中选取出k个子载波作为活跃子载波，对p₂比特进行星座点映射，将所映射的星座点频域数据调制到所述活跃子载波上；

变换单元，用于对N_B组子载波进行IFFT变换，并将每组活跃子载波的选择方式一并发送到接收端；

所述接收端基于每组子载波的调制模式对接收信号进行解调。

优选地，通过以下方式确定第i组活跃子载波的选择方式：

设定活跃子载波数目为k＝n/2；

计算p₁的数目s＝[log₂F]，其中F＝C(n,k)，为从n个子载波中选取k个活跃子载波的模式数目；

确定p₁比特的m种模式，其中m＝2^s；

选取m种活跃子载波组合，与m种模式的p1比特一一对应。

优选地，通过以下方式确定为第i组子载波分配的比特数R_i：

计算第i组子载波的信噪比SNR_i；

基于第i组子载波的信噪比SNR_i和已知调制方案的SNR门限，设定每组子载波上分配的比特数R_i0；

将各组子载波分配的总比特数R_sum与目标深度R_target进行比较，若R_sum＝R_target，则比特分配结束，否则调整R_i直到R_sum＝R_target为止。

优选地，基于以下公式计算第i组子载波的信噪比SNR_i：

SNR_i＝(E+η_A-E_n)|h_i|²

其中，E为距离辐射源r处的电场强度，η_A为天线效率，E_n为大气无线电噪声场强有效值，h_i为第i组信道的冲击响应。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明根据海面短波信道具有的特点，在通信系统中采用一种自适应比特分配方法来提高误码率，改善了在低信噪比条件下的误码率情况，以避免在低信噪比条件下因大误码率所引起的通信失效问题，提高了系统性能，并大大增加了频谱利用率。

本发明的方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出根据本发明示施性实施方案的基于自适应比特分配的OFDM通信方法的流程图；

图2示出采用本发明的基于自适应比特分配的OFDM通信系统的误码率与采用简单分组比特分配算法的OFDM通信系统的误码率对比图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

OFDM是一种较为特殊的多载波传输方案，兼并了调制技术与复用技术。OFDM系统相邻的子载波之间的频谱正交，使得接收端可以从各个子载波同时实现解调。运用OFDM系统，能够把一串高速串行数据分成多个并行低速数据流，并同时分别通过各个功率谱相互重叠的子载波进行传输，其核心就是把一串高速数据通过串并变换，在接收端再进行逆操作即可解调。为简化OFDM系统结构，可通过快速傅里叶变换FFT和逆快速傅里叶变换IFFT来模拟实现多个调制解调器的功能。OFDM技术具有很强的抗干扰能力，因其子载波之间的正交性将信道利用率大大提高了，故海面短波地波通信中采用OFDM传输系统进行数据传输。

传统OFDM通信系统中通常采用简单分组比特算法。简单分组比特分配算法根据每组子载波的平均信噪比来确定采用何种调制方式，因此，信噪比的计算和门限取值是关键问题。该算法中，信噪比门限的绝对值是可变的，但是各门限之间的间隔不变，是由各种调制方式的BER曲线在10-3处的值得到的。由于这种算法主要用到加法或减法运算，所以计算复杂度很低。这种方法在R Grünheid，E Bolinth，H Rohling，K Aretz等人的“Adaptivemodulation for the hiperlan/2air interface”中介绍了详细的算法步骤，在此简单给出相应的步骤，以说明本发明的改进之处。

首先设总子载波数为N，将N个子载波平分为N_B组，则每组子载波数为n＝N/N_B，i＝1、2、…、N_B。为得到各组子载波上比特分配的依据，首先需要计算各组子载波的信噪比。原算法中计算各组子载波的信噪比利用的是信道响应，即SNR_i＝|h_i|²，i＝1、2、…、N_B。但在海面短波地波传输信道中，信道响应比较复杂，如采用原信噪比计算公式，将不能很好控制误码性能，故而将信噪比计算公式进行改进。

经过海面短波地波信道传输后，在接收端接收到的信号信噪比应被表示为接收信号场强与大气噪声的比，在此算法中，信道被划分为对应的N_B组，因而该信噪比应被表示为SNR_i＝SNRG_i|h_i|²，i＝1、2、…、N_B，其中SNRG_i为第i组接收信号信噪比。

考虑了海面短波地波特性后，接收信号信噪比应为：

其中，E为距离辐射源r处的电场强度，E_n为大气噪声场强。

设发射天线的辐射功率为P，天线的方向性系数为D，则距离辐射源r处的电场强度为：

海面短波地波信道存在严重的衰减问题，因而在计算电场强度时应将此因素考虑进去。我们将海面的衰减特性视为损耗电阻R_t，根据实际地面损耗电阻的经验公式可知，

其中A为与地质有关的常数，约等于2-7，λ为传输的电磁波波长，h为天线高度。由此可见，

的值越大，则损耗越大，效率降低。故，考虑了海面地波衰减的场强公式应表示为与天线效率相关。天线效率为：

在海面短波地波信道中，存在着外部噪声，其中大气噪声贡献最大，因而我们只计算大气噪声场强就可以几乎表示外部噪声的影响了。由CCIR-322报告可知，大气无线电噪声场强有效值为^[11]：

E_n＝F_a+10logB+20logf-96.8(dBμVm^-1) (4)

式中，F_a为大气无线电有效噪声系数，可用

来计算，P_n为无方向性短垂直天线接收到的噪声功率，K＝1.38*10^-23为玻尔兹曼常数，T₀＝288K为参考温度，B为接收机有效噪声带宽，f为接收机工作频率。

综上所述，在考虑了地表面衰减、发射天线效率以及大气噪声场强的情况下，接收点处的信噪比为：

SNRG_i＝E+η_A-E_n (5)

式中各参量均已在上面给出。

基于上述论证、推导，可得，海面短波地波第i组信道的信噪比为：

SNR_i＝(E+η_A-E_n)|h_i|² (6)

利用该式计算出各组信噪比后，利用此值计算全部子载波的平均信噪比：

设置目标深度R_target，初始可将其设定为每个子载波固定分配2比特，则R_target＝2N。根据上式计算出来的SNR_mean和R_target，可计算得到平移SNR门限：

SNR’_std＝SNR_std+SNR_mean-SNR(R_target+1) (8)

其中，SNR_std由表1确定，SNR(R_target+1)表示比特分配以后所对应的信噪比值。通过公式(8)可进一步确定SNR_std和各组子载波的SNR_i，由SNR_i与表1数据即可得到每组子载波应分配的比特数。

表1不同调制方案的SNR门限(BER＝10^-3)

设第i组各子载波上分配的比特数为R_i，利用公式(8)所确定的SNR_std与各组子载波的SNR_i，可得：

ΔSNR_i＝SNR_i-SNR_std(R_i) (9)

比较R_sum和R_target，若R_sum＝R_target，则比特分配结束，否则调整R_i直到R_sum＝R_target为止。若R_sum＞R_target，则查看N_b个ΔSNR_i值中的最小值，并找出有比特分配的最小ΔSNR_i载波组，调整该组的比特分配值，令这一组的比特数减1，即R_i＝R_i-1，则总比特数R_sum也将随之减少1。将对应的ΔSNR_i增加1，即ΔSNR_i＝ΔSNR_i+1。反之，若R_sum＜R_target，则去找具有最大ΔSNR_i值且有比特分配的子载波组，并同样去调整这一组的比特数，使之加1，即R_i＝R_i+1，同时令ΔSNR_i＝ΔSNR_i-1，则总比特数R_sum也将随之增加1。整个调整过程的目的是使之达到R_sum＝R_target这一目标。若该目标达成，则调整结束。

以下参考图1详细描述根据本发明的示例性实施方案的基于自适应比特分配的OFDM通信方法的流程图。

首先，将待发送的N个子载波平分为N_B组，每组子载波数目为n＝N/N_B。为第i组子载波分配R_i比特，i＝1,2，.....,N_B。这n个子载波并不会全部用来承载数据，而是从这n个子载波中取k个来承载数据，可将其称为“活跃子载波”，而不承载数据的子载波可称其为“非活跃子载波”。因每组子载波分配比特数为R_i，故将这R_i个比特拆分为p₁比特和p₂比特，即R_i＝p₁+p₂。其中p₁比特用于从该组n个子载波中挑选出k个活跃子载波，p₂比特首先进行星座点映射，然后将映射好的星座点频域数据调制到由p₁比特挑选出的k个活跃子载波上，从而完成该组子载波的信息比特调制工作。k个活跃子载波的选择方式可参见表2。

假定系统参数为n＝4，k＝n/2。本领域技术人员应当理解，将k取值为n/2只是一种优选的取值方式，也可以选择其他的数值。

从4个子载波里选出2个活跃子载波有C(4,2)＝6种可能的模式，又因为p₁数目的取值必须取整，有s＝[log₂6]＝2，故p₁只能为6种模式中的4种，表2中给出任意4种模式。该4种模式可以是随机选取的，也可以是取所有模式中的前4种、中4种或者后四种。确定了p₁的模式后，再将对应的4种活跃子载波组合(2²)与之一一对应，如表2第二列所示。最后再将前面利用p₂比特映射好的星座点调制到所选出的活跃子载波上，如表2第三列所示，其中

代表活跃子载波，

代表非活跃子载波。至此，则完成了第i组子载波的调制。

之后，将整个N_B组信息进行IFFT变换，并按照传统OFDM通信系统的处理方式加循环前缀，并进行发送。表2信息将被传递到接收端，并在接收端利用该表信息进行解调。

采用这种对子载波进行选择使用的方式，将只有部分子载波被调制，因此频带利用率将会大大提高。因为活跃子载波在选择时，是具有随机性的，因而子载波标号本身将携带一定信息，所以在信息传输方面并没有太多损失。

表2 n＝4，k＝2时的发送模式表格

假设系统参数如下：N＝64；N_b＝16；n＝4，k＝2，发送模式如表2所示。信号传输信道为信噪比为0-15db，最大多普勒频移为0.1Hz的Watterson信道。

分别对传统简单分组比特算法和本发明的自适应比特分配算法进行了计算机仿真，仿真结果如图2所示。图中圆形曲线为采用了简单分组比特算法的OFDM系统性能，三角线曲线为采用本发明的自适应比特分配算法的系统性能。由图可见，采用本发明的自适应比特分配算法在系统性能上要优于采用简单分组比特算法。另外，本发明的自适应比特分配算法中引入了子载波编号方式，在进行数据传输时并未使用全部子载波，因而使频带利用率大大增加了。在数据通信中，频带是宝贵资源，改进算法在此方面有较好的表现。

本发明根据海面短波地波信道特性，将海面短波地波信噪比计算公式引入该算法中，并进行计算机仿真，结果表明该算法适用于海面短波地波信道，可弥补传统OFDM方法的缺陷，获得较好的误码性能，且计算量不大，能够工程实现并实现了较好的效果。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (4)

1.一种基于自适应比特分配的OFDM通信方法，其特征在于，包括：

将待发送的N个子载波平分为N_B组，每组子载波数目为n＝N/N_B；

为第i组子载波分配R_i比特，i＝1，2，.....，N_B；

针对第i组子载波，将其R_i比特拆分为p₁比特和p₂比特，其中p₁比特用于从n个子载波中选取出k个子载波作为活跃子载波，对p₂比特进行星座点映射，将所映射的星座点频域数据调制到所述活跃子载波上；

对N_B组子载波进行IFFT变换，并将每组活跃子载波的选择方式一并发送到接收端；

接收端基于每组子载波的调制模式对接收信号进行解调；

通过以下方式确定为第i组子载波分配的比特数R_i：

计算第i组子载波的信噪比SNR_i；

基于第i组子载波的信噪比SNR_i和已知调制方案的SNR门限，设定每组子载波上分配的比特数R_i0；

将各组子载波分配的总比特数R_sum与目标深度R_target进行比较，若R_sum＝R_target，则比特分配结束，否则调整R_i直到R_sum＝R_target为止；

基于以下公式计算第i组子载波的信噪比SNR_i：

SNR_i＝(E+η_A-E_n)|h_i|²

其中，E为距离辐射源r处的电场强度，η_A为天线效率，E_n为大气无线电噪声场强有效值，h_i为第i组信道的冲击响应。

2.根据权利要求1所述的基于自适应比特分配的OFDM通信方法，其特征在于，通过以下方式确定第i组活跃子载波的选择方式：

设定活跃子载波数目为k＝n/2；

计算p₁的数目s＝[log₂F]，其中F＝C(n，k)，为从n个子载波中选取k个活跃子载波的模式数目；

确定p₁比特的m种模式，其中m＝2^s；

选取m种活跃子载波组合，与m种模式的p1比特一一对应。

3.一种基于自适应比特分配的OFDM通信系统，包括发送端和接收端，其特征在于，所述发送端包括：

分组单元，用于将待发送的N个子载波平分为N_B组，每组子载波数目为n＝N/N_B；

分配单元，用于为第i组子载波分配R_i比特，i＝1，2，.....，N_B；

调制单元，用于针对第i组子载波，将其R_i比特拆分为p₁比特和p₂比特，其中p₁比特用于从n个子载波中选取出k个子载波作为活跃子载波，对p₂比特进行星座点映射，将所映射的星座点频域数据调制到所述活跃子载波上；

变换单元，用于对N_B组子载波进行IFFT变换，并将每组活跃子载波的选择方式一并发送到接收端；

所述接收端基于每组子载波的调制模式对接收信号进行解调；

通过以下方式确定为第i组子载波分配的比特数R_i：

计算第i组子载波的信噪比SNR_i；

基于第i组子载波的信噪比SNR_i和已知调制方案的SNR门限，设定每组子载波上分配的比特数R_i0；

将各组子载波分配的总比特数R_sum与目标深度R_target进行比较，若R_sum＝R_target，则比特分配结束，否则调整R_i直到R_sum＝R_target为止；

基于以下公式计算第i组子载波的信噪比SNR_i：

SNR_i＝(E+η_A-E_n)|h_i|²

其中，E为距离辐射源r处的电场强度，η_A为天线效率，E_n为大气无线电噪声场强有效值，h_i为第i组信道的冲击响应。

4.根据权利要求3所述的基于自适应比特分配的OFDM通信系统，其特征在于，通过以下方式确定第i组活跃子载波的选择方式：

设定活跃子载波数目为k＝n/2；

计算p₁的数目s＝[log₂F]，其中F＝C(n，k)，为从n个子载波中选取k个活跃子载波的模式数目；

确定p₁比特的m种模式，其中m＝2^s；

选取m种活跃子载波组合，与m种模式的p1比特一一对应。

Images