CN112994745B - 一种适用于中压载波系统的功率分配优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于中压载波系统的功率分配优化方法，包括：发射端发送的报文经处理后得到待快速傅立叶逆变换的频域序列；插入用于固定频域序列的导频；对得到的频域序列的各个码元进行快速傅立叶逆变换生成时域数据，对时域数据处理后发送至接收端；接收端将接收到的时域数据处理后生成频域序列；根据发射端与接收端的导频信息求解子信道的信噪比与信道增益；使用注水算法对系统的功率以及信道的比特进行重新分配。本发明优化了原有注水算法，筛选掉质量差的子载波并基于规定调制方式调整子载波传输比特数，使得系统中给子载波分配的功率达到最大传输比特数，得到最优功率分配比，在保证了通讯成功率的基础上最大化了传输速率。

Description

一种适用于中压载波系统的功率分配优化方法

技术领域

本发明属于电力线通信技术领域，具体涉及一种适用于中压载波系统的功率分配优化方法。

背景技术

当前电力线通信领域已进军到多载波调制技术，OFDM(正交频分复用，OrthogonalFrequency Division Multiplexing)技术以其频谱利用率高、抗干扰能力强等众多优点受到了广泛的关注。OFDM系统的一个重要特点就是将一个宽带信道划分成了多个相互正交的并行窄带子信道，所以，可以根据各子信道的信道特性，在各子载波上进行自适应调制，动态分配系统发射功率，以提高频谱利用率。

根据优化目标不同，优化准则主要分为功率自适应、速率自适应和误码率最小化。功率自适应是指在一定误比特率和数据速率要求条件下使系统总发送功率最小化。速率自适应是指在一定误比特率和数据速率要求条件下使系统总数据速率最大化。裕量最大化主要是指在一定数据速率和误比特率限制条件下，使系统的性能裕量最大化，裕量最大化也可以归到功率自适应中。误码率最小化是指在一定数据速率和总功率限制条件下使系统的误码率最小化。在资源分配一类问题中，作为自适应功率分配的基础，注水算法常常被人提及；注水定理以“优质信道多传输，较差信道少传输，劣质信道不传输”为原则，对信道进行实时检测与估计，根据信道状况不断地调整子载波与子载波上比特分布从而使功率尽量逼近最佳输出功率分布。但注水算法最大的缺陷在于各子载波的比特分配可能为负数或者非负实数，在实际应用场景中实现会有很大的困难。此外，受到实际系统的限制，单个子载波上传输的比特数是有限的，并不能完全依据注水算法所得到的比特分配数据进行传输，这会使得分配给某部分子载波的功率并不能传输足够多的比特数，从而限制传输速率。

发明内容

为解决上述现有技术存在的不足或缺陷，本发明提出一种适用于中压载波系统的功率分配优化方法，通过对注水算法进行优化，筛选掉信道质量差的子载波，并基于规定的调制方式调整每个子载波传输的比特数，从而使得在实际系统中给每个子载波所分配的功率能达到最大传输比特数。

本发明的技术方案为：

一种适用于中压载波系统的功率分配优化方法，包括以下步骤：

步骤1：载波机发射端发送的报文经过前端映射、交织、加扰处理后，得到待快速傅立叶逆变换的频域序列；

步骤2：将用于固定频域序列的导频插入到步骤1中得到的频域序列中，导频的排布方式为梳状排布，每个OFDM信号最少包括7个导频；

步骤3：对步骤1中得到的频域序列的各个码元进行快速傅立叶逆变换，生成时域数据，对生成的时域数据进行加前后缀、加窗以及滤波操作后，发送时域数据至载波机接收端；

步骤4：载波机接收端将接收到的时域数据进行滤波、去前后缀、快速傅立叶变换处理后生成频域序列；

步骤5：根据发射端与接收端的导频信息进行信道估计，求解每个子信道的信噪比以及信道增益；

步骤6：基于注水算法确定初步功率分配方式；

步骤7：根据初步功率分配方式优化比特分配方式，从而确定最终功率分配方式；

步骤8：根据子信道的信噪比及信道增益，使用注水算法对系统的功率以及信道的比特进行重新分配；

步骤9：若本次分配结果与前一次分配结果不一致，则跳转步骤4再次进行分配。

进一步地，注水算法的目的在于保证通讯成功率的前提下获得最大的信道容量，其目标函数和约束条件为：

其中g_n表示第n个子信道的信道增益噪声比；P_T为发射端的总发射功率；p_n为分配给第n个子载波的发射功率；Γ为信噪比间隔，将其近似为：

BER为系统误码率。

进一步地，基于注水算法确定的初步功率分配方式为：

其中，N₁表示截止至该子载波，K为注水算法的注水限：

在进行功率分配的过程中，对信道噪信比高于注水界面的信道予以剔除，以防止发射功率的浪费；

进一步地，在优化比特分配过程中，所使用到的两种调制方式分别为BPSK调制以及QPSK调制，而根据初步功率分配方式优化后的比特分配方式为：

当b_n≥2时，选择调制方式为QPSK调制，并按照b_n＝2重新计算该子载波的功率分配，对剩余子载波重新使用注水算法进行功率分配；

当1≤b_n<2时，选择调制方式为BPSK调制，并按照b_n＝1重新计算该子载波的功率分配，对剩余子载波重新使用注水算法进行功率分配；

当b_n<1时，说明该子载波在该发射功率下最优分配比特数低于1，将该子载波剔除，即N^*＝N-1；

分配后，若发射端仍有功率冗余，则重复进行注水算法分配冗余功率，直至发射端功率完全分配结束。

本发明的有益效果为：通过对注水算法进行优化，筛选掉信道质量差的子载波，并基于规定的调制方式调整每个子载波传输的比特数，从而使得在实际系统中给每个子载波所分配的功率能达到最大传输比特数，得到该系统下的最优功率分配比，避免了发射功率的无效分配，在保证了通讯成功率的基础上最大化了传输速率。

附图说明

图1为本发明的工作流程图。

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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的技术方案为：

步骤1：载波机发射端发送的报文经过前端映射、交织、加扰处理后，得到待IFFT(Inverse Fast Fourier Transform，快速傅立叶逆变换)的频域序列Yⁱ(k)。

其中i代表第i个码元，k代表第k个子载波。

中压载波系统中所使用的调制方式包含BPSK和QPSK两种，进行BPSK(BinaryPhase Shift Keying，二进制相移键控)调制时，各子载波的值从{1,-1}中选择；进行QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，四进制相移键控)调制时，各子载波的值从{1+j,1-j,-1+j,-1-j}中选择；

步骤2：插入用于固定频域序列的导频，导频的排布方式为梳状排布，每个OFDM信号最少包括7个导频；

本发明具体实施采用20个子载波，选择的导频频域序列P＝[-1 1 -1 1-1 -1 -1-1- 1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1]^T；

步骤3：对步骤1中得到的频域序列的各个码元进行快速傅立叶逆变换，生成时域数据，对生成的时域数据进行加前后缀、加窗以及滤波操作后，发送时域数据至载波机接收端；

步骤4：载波机接收端将接收到的时域数据进行滤波、去前后缀、FFT(FastFourier Transform，快速傅立叶变换)以及均衡处理，得到接收端的各频域序列

此过程为接收端处理OFDM的通用过程，即发送端处理过程的逆过程；

步骤5：根据发送端与接收端的导频信息进行信道估计，求解每个子信道的信噪比以及信道增益；使用四阶矩的方法求解子信道的信噪比，求解信道增益的具体公式如下：

步骤6：根据子信道的信噪比及信道增益，使用注水算法对系统的功率以及信道的比特进行重新分配。注水算法的目的在于保证通讯成功率的前提下获得最大的信道容量，其目标函数和约束条件为：

其中g_n表示第n个子信道的信道增益噪声比；P_T为发射端的总发射功率；p_n为分配给第n个子载波的发射功率；Γ为信噪比间隔，将其近似为：

BER为系统误码率。

使用拉格朗日乘子法所确定的最终功率分配方式为：

其中，N₁表示截止至该子载波，K为注水算法的注水限：

在注水算法进行功率分配的过程中，对信道噪信比高于注水界面的信道予以剔除，以防止发射功率的浪费；

在优化比特分配过程中，所使用到的两种调制方式分别为BPSK调制以及QPSK调制，而根据功率分配所确定的比特分配为：

当b_n≥2时，选择调制方式为QPSK调制，并按照b_n＝2重新计算该子载波的功率分配，对剩余子载波重新使用注水算法进行功率分配；

当1≤b_n<2时，选择调制方式为BPSK调制，并按照b_n＝1重新计算该子载波的功率分配，对剩余子载波重新使用注水算法进行功率分配；

当b_n<1时，说明该子载波在该发射功率下最优分配比特数低于1，将该子载波剔除，即N^*＝N-1；

比特分配后，若发射端仍有功率冗余，则重复进行注水算法分配冗余功率，直至发射端功率完全分配结束。

步骤7：若本次分配结果与前一次分配结果不一致，则跳转步骤4再次进行分配。

依此流程，完成实施例中对系统的功率以及信道的比特的分配。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种适用于中压载波系统的功率分配优化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：载波机发射端发送的报文经过前端映射、交织、加扰处理后，得到待快速傅立叶逆变换的频域序列；

步骤2：将用于固定频域序列的导频插入到步骤1中得到的频域序列中，导频的排布方式为梳状排布，每个OFDM信号最少包括7个导频；

步骤3：对步骤1中得到的频域序列的各个码元进行快速傅立叶逆变换，生成时域数据，对生成的时域数据进行加前后缀、加窗以及滤波操作后，发送时域数据至载波机接收端；

步骤4：载波机接收端将接收到的时域数据进行滤波、去前后缀、快速傅立叶变换处理后生成频域序列；

步骤5：根据发射端与接收端的导频信息进行信道估计，求解每个子信道的信噪比以及信道增益；

步骤6：基于注水算法确定初步功率分配方式；

注水算法的目的在于保证通讯成功率的前提下获得最大的信道容量，其目标函数和约束条件为：

其中g_n表示第n个子信道的信道增益噪声比；P_T为发射端的总发射功率；p_n为分配给第n个子载波的发射功率；Γ为信噪比间隔，将其近似为：

BER为系统误码率；

基于注水算法确定初步功率分配方式具体为：

其中，N₁表示截止至该子载波，K为注水算法的注水限：

在进行功率分配的过程中，对信道信噪比高于注水界面的信道予以剔除，以防止发射功率的浪费；

步骤7：根据初步功率分配方式优化比特分配方式，从而确定最终功率分配方式；

优化后的比特分配方式具体为：

当b_n≥2时，选择调制方式为QPSK调制，并按照b_n＝2重新计算该子载波的功率分配，对剩余子载波重新使用注水算法进行功率分配；

当1≤b_n＜2时，选择调制方式为BPSK调制，并按照b_n＝1重新计算该子载波的功率分配，对剩余子载波重新使用注水算法进行功率分配；

当b_n＜1时，说明该子载波在该发射功率下最优分配比特数低于1，将该子载波剔除，即N^*＝N-1；

步骤8：根据子信道的信噪比及信道增益，使用注水算法对系统的功率以及信道的比特进行重新分配；分配后若发射端仍有功率冗余，则重复进行注水算法分配冗余功率，直至发射端功率完全分配结束；

步骤9：若本次分配结果与前一次分配结果不一致，则跳转步骤4再次进行分配。

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