CN112332908B - 一种快速的nc-ofdm卫星通信比特功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速的NC‑OFDM卫星通信比特功率分配方法，包括：根据卫星频谱感知的包括信道增益和噪声基底的结果以及传输需要的误比特率要求，计算出每个子信道传输1比特数据所需要的功率；依据总发射功率的限制，挑选出实际用来传输的子信道；基于注水思想进行初始化比特功率分配；调整比特和功率分配的结果，完成比特功率分配。该方法可以快速准确的实现比特功率分配，提高了NC‑OFDM卫星通信的实用性。

Description

一种快速的NC-OFDM卫星通信比特功率分配方法

技术领域

本发明涉及NC-OFDM卫星通信资源分配方法，尤其涉及一种快速的NC-OFDM卫星通信比特功率分配方法。

背景技术

非连续正交频分复用(Non-continuous Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，NC-OFDM)卫星通信将原本的地面通信的OFDM子载波固定分配改进为基于频谱空洞利用的动态分配方案，提高了频谱的利用率，实现了对卫星通信频谱空洞的动态利用。然而，由于授权用户在使用频谱的时间以及数量是随机的。若在授权用户接入时，认知用户刚好在占用授权用户的频谱，如果认知用户能及时退出，这样就不会对授权用户造成干扰，而且还实现了频谱空洞的利用，提高了频谱利用效率；如果认知用户不能及时退出，就会对授权用户的通信造成一定的影响，在实际通信中是不希望这种情况发生的。避免后者的发生的关键是资源分配方式的复杂度高低。快速的分配算法能够保证认知用户在授权用户接入时快速退出，在无授权用户时能够快速分配要传输的信息实现频谱空洞的利用，提高频谱的利用率。但是，目前的大多数资源分配(主要是比特分配和功率分配)的方法资源分配的过程比较复杂，具有较高的计算复杂度，不适用于NC-OFDM卫星通信。

发明内容

基于现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种快速的NC-OFDM卫星通信比特功率分配方法，能解决现有大多数资源分配方法存在着复杂度高，不适用于NC-OFDM卫星通信的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种快速的NC-OFDM卫星通信比特功率分配方法，包括：

步骤1、根据卫星频谱感知的包括信道增益和噪声基底的结果以及传输需要的误比特率要求，计算出每个子信道传输1比特数据所需要的功率；

步骤2、依据总发射功率的限制，挑选出实际用来传输的子信道；

步骤3、基于注水思想进行初始化比特功率分配；

步骤4、调整比特和功率分配的结果，完成比特功率分配。

进一步地，所述根据卫星频谱感知的包括信道增益和噪声基底的结果以及传输需要的误比特率要求，计算出每个子信道传输1比特数据所需要的功率包括：

对于初始频谱感知的结果，得到每个子信道的增益H_i和噪声基底N_i，i＝1,2,…,n_c，n_c表示扫描到的子信道的个数。根据得到的结果计算每个子信道传输1比特数据所需要的功率：

其中Γ＝-ln(5BER)/1.5表示信噪比间隙，BER表示传输所需要的误比特率要求，g_i＝|H_i|²/N_i表示信道增益噪声比，其中||表示取模，并将g_i按照从大到小排序。

进一步地，所述依据总发射功率的限制，挑选出实际用来传输的子信道包括：

根据系统总发射功率P_sum，计算出信道的平均发射功率：

对于信道i，如果P_i ⁰＞P_av，则表示信道i的状况太差，那么就将信道i舍弃，后续不再为其分配比特和功率。此时得到实际用来传输的子信道个数n_u，并初始化待分配的子信道个数n_v＝n_u。

进一步地，所述基于注水思想进行初始化比特功率分配包括：

由于已经舍弃信道状况较差的子信道，那么意味着实际用来传输的子信道至少可以分配1比特，因此注水的常量K可以直接得到，即：

每个子信道的分配的功率为：

以及每个子信道分配的比特数：

依据上述公式计算得到的比特数可能不是整数，但是实际系统传输的比特数都是整数，所以需要对其进行取整，计算得到重新分配的比特数：

其中

表示向下取整；

根据重新分配的比特数，初始化每个子信道的初始功率：

进一步地，所述调整比特和功率分配的结果，完成比特功率分配包括：

由于分配的比特数是

向下取整得到的，功率是基于重新分配的比特数计算得到的，说明总功率一定有多余的，从而需要调整比特和功率使得传输的比特数最多。

(1)将所有待分配的子信道均增加1比特并计算对应的功率增量：

此时可以得到所有子信道的功率增量和：

(2)令

其中k表示只对前

待分配的子信道增加1比特，当k越大时，资源分配的速度越快；

(3)当n_v≠0时，判断

是否成立，如果成立，令

返回(3)；如果不成立，进入(4)。当n_v＝0时，则将此时的比特功率分配结果作为最终的比特功率分配结果；

(4)令b_i＝b_i+1，P_i＝P_i+ΔP_i ⁺，i＝1,2,…,n_v，重新计算对应的功率增量ΔP_i ⁺，i＝1,2,…,n_v以及功率增量和P_total，返回(3)。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，首先去除一部分不可用的子信道，可以提高比特功率分配的速度，另外注水线可以直接通过计算得到，不需要进行迭代计算，而且还通过整体调整所分配的比特来加快最终的结果，实现了快速的比特功率分配，给NC-OFDM卫星通信提供了一种快速的资源分配算法。一方面，目前的大多数资源分配算法都是一个信道、一个比特的调整，这样整体的速度比较慢，本次发明首次引入了整体调整的步骤；另一方面，本发明根据实际的卫星通信情况，将一些不能使用的子信道直接去除，有利于提高资源分配算法的速度以及提高卫星通信的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种快速的NC-OFDM卫星通信比特功率分配方法流程图；

图2为本发明实施例提供的上述算法在信道个数10，总功率10，平均信噪比20dB，BER＝10^-4，k＝2，信噪比分布5dB的条件下的与greedy(贪心)算法、waterfill(注水)算法的比特分配结果；

图3为本发明实施例提供的上述算法在信道个数10，总功率10，平均信噪比20dB，BER＝10^-4，k＝2，信噪比分布5dB的条件下的与greedy(贪心)算法、waterfill(注水)算法的比特分配结果；

图4为本发明实施例提供的上述算法在信道个数100，总功率100，BER＝10^-4，k＝2，信噪比分布5dB的条件下与greedy(贪心)算法、waterfill(注水)算法子载波比特数目平均值随平均信噪比变化的结果；

图5为本发明实施例提供的上述算法在信道个数100，总功率100，BER＝10^-4，k＝2，信噪比分布5dB的条件下与greedy(贪心)算法、waterfill(注水)算法归一化迭代次数随平均信噪比变化的结果；

图6为本发明实施例提供的上述算法的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种快速的NC-OFDM卫星通信比特功率分配方法，如图1所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤1、根据卫星频谱感知的包括信道增益和噪声基底的结果以及传输需要的误比特率要求，计算出每个子信道传输1比特数据所需要的功率。

本步骤的目的主要是为了后续挑选出实际用来传输的子信道奠定基础。

对于初始频谱感知的结果，得到每个子信道的增益H_i和噪声基底N_i，i＝1,2,…,n_c，n_c表示扫描到的子信道的个数。根据得到的结果计算每个子信道传输1比特数据所需要的功率：

其中Γ＝-ln(5BER)/1.5表示信噪比间隙，BER表示传输所需要的误比特率要求，g_i＝|H_i|²/N_i表示信道增益噪声比，其中||表示取模，并将g_i按照从大到小排序。

步骤2、依据总发射功率的限制，挑选出实际用来传输的子信道。

根据系统总发射功率P_sum，计算出信道的平均发射功率：

对于信道i，如果P_i ⁰＞P_av，则表示信道i的状况太差，那么就将信道i舍弃，后续不再为其分配比特和功率。此时得到实际用来传输的子信道个数n_u，并初始化待分配的子信道个数n_v＝n_u。

步骤3、基于注水思想进行初始化比特功率分配。

由于已经舍弃信道状况较差的子信道，那么意味着实际用来传输的子信道至少可以分配1比特，因此注水的常量K可以直接得到，即：

每个子信道的分配的功率为：

以及每个子信道分配的比特数：

依据上述公式计算得到的比特数可能不是整数，但是实际系统传输的比特数都是整数，所以需要对其进行取整，计算得到重新分配的比特数：

其中

表示向下取整；

根据重新分配的比特数，初始化每个子信道的初始功率：

步骤4、调整比特和功率分配的结果，完成比特功率分配。

由于分配的比特数是

向下取整得到的，功率是基于重新分配的比特数计算得到的，说明总功率一定有多余的，从而需要调整比特和功率使得传输的比特数最多。

(1)将所有待分配的子信道均增加1比特并计算对应的功率增量：

此时可以得到所有子信道的功率增量和：

(2)令

其中k表示只对前

待分配的子信道增加1比特，当k越大时，资源分配的速度越快；

(3)当n_v≠0时，判断

是否成立，如果成立，令

返回(3)；如果不成立，进入(4)。当n_v＝0时，则将此时的比特功率分配结果作为最终的比特功率分配结果；

(4)令b_i＝b_i+1，P_i＝P_i+ΔP_i ⁺，i＝1,2,…,n_v，重新计算对应的功率增量ΔP_i ⁺，i＝1,2,…,n_v以及功率增量和P_total，返回(3)。

本发明上述方案，首先舍弃了信道状况差的子信道，而后通过整体调整的思想不仅加快了算法的调整步骤，而且还更方便本发明运用到实际的资源分配上面。

图2和图3给出的上述算法在信道个数10，总功率10，平均信噪比20dB，BER＝10^-4，k＝2，信噪比分布5dB的比特功率的分配结果，从图中可以看出本发明能够在可用子信道数目较少时达到和greedy(贪心)算法、waterfill(注水)算法相同的分配结果。

图4和图5给出的是上述算法在信道个数100，总功率100，BER＝10^-4，k＝2，信噪比分布5dB的子载波比特数目平均值、归一化迭代次数随平均信噪比变化的结果，从图中可以看出，本发明可以达到和greedy(贪心)算法、waterfill(注水)算法几乎相同的效果，但是归一化调整次数却大大减少，实现了资源的快速分配。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种快速的NC-OFDM卫星通信比特功率分配方法，其特征在于，包括：

步骤1、根据卫星频谱感知的包括信道增益和噪声基底的结果以及传输需要的误比特率要求，计算出每个子信道传输1比特数据所需要的功率；具体包括：

对于初始频谱感知的结果，得到每个子信道的增益H_i和噪声基底N_i，i＝1,2,…,n_c，n_c表示扫描到的子信道的个数，根据得到的结果计算每个子信道传输1比特数据所需要的功率：

其中Γ＝-ln(5BER)/1.5表示信噪比间隙，BER表示传输所需要的误比特率要求，g_i＝|H_i|²/N_i表示信道增益噪声比，其中| |表示取模，并将g_i按照从大到小排序；

步骤2、依据总发射功率的限制，挑选出实际用来传输的子信道；具体包括：

根据系统总发射功率P_sum，计算出信道的平均发射功率：

对于信道i，如果P_i ⁰＞P_av，则表示信道i的状况太差，那么就将信道i舍弃，后续不再为其分配比特和功率，此时得到实际用来传输的子信道个数n_u，并初始化待分配的子信道个数n_v＝n_u；

步骤3、基于注水思想进行初始化比特功率分配；具体包括：

由于已经舍弃信道状况较差的子信道，那么意味着实际用来传输的子信道至少可以分配1比特，因此注水的常量K可以直接得到，即：

每个子信道的分配的功率为：

以及每个子信道分配的比特数：

依据上述公式计算得到的比特数可能不是整数，但是实际系统传输的比特数都是整数，所以需要对其进行取整，计算得到重新分配的比特数：

其中

表示向下取整；

根据重新分配的比特数，初始化每个子信道的初始功率：

步骤4、调整比特和功率分配的结果，完成比特功率分配；具体包括：

由于分配的比特数是

向下取整得到的，功率是基于重新分配的比特数计算得到的，说明总功率一定有多余的，从而需要调整比特和功率使得传输的比特数最多；

(1)将所有待分配的子信道均增加1比特并计算对应的功率增量：

此时可以得到所有子信道的功率增量和：

(2)令

其中k表示只对前

待分配的子信道增加1比特，当k越大时，资源分配的速度越快；

(3)当n_v≠0时，判断

是否成立，如果成立，令

返回(3)；如果不成立，进入(4)，当n_v＝0时，则将此时的比特功率分配结果作为最终的比特功率分配结果；

(4)令b_i＝b_i+1，P_i＝P_i+ΔP_i ⁺，i＝1,2,…,n_v，重新计算对应的功率增量ΔP_i ⁺，i＝1,2,…,n_v以及功率增量和P_total，返回(3)。

Images