CN1258931C - 非正交分割的功率和速率分配方法 - Google Patents

Abstract

非正交分割的自适应功率和速率分配技术属于无线蜂窝通信自适应技术领域。其特征在于：在非正交分割系统下行信道的发射端，首先按照两个用户最终得到的数据速率的比值等于各自最大可能信道容量的比值的原则，确定功率分配系数；在此基础上再根据两个用户平均功率之和、两个用户独立传输下的信噪比，求出各自实际信噪比，然后根据加性白噪声信道中常用调制参数下的系统信噪比-误比特率曲线，找出门限值低于该信噪比但速率最大的编码调制参数作为个用户的编码调制方式。本发明兼顾了系统吞吐量的提高和用户间的公平性，而且简单易行。

Description

非正交分割的功率和速率分配方法

技术领域

非正交分割的功率和速率分配技术属于无线蜂窝通信自适应技术领域。

背景技术

无线蜂窝系统的下行信道是多个用户共享同的一个信道。系统吞吐量和公平性是衡量这个多用户系统的重要性能指标。系统吞吐量是指在单位时间内所有用户传输的信息量的总和，公平性是指在系统吞吐量一定时，各个用户在单位时间内传输的信息量即吞吐量的差异大小。如果每个用户的吞吐量都一致，这个系统就被认为是公平的，反之，如果各个用户的吞吐量差异很大，这个系统就被认为其公平性很差。

第一，在采用非正交的分割的下行信道中，需要合理的功率分配来实现系统的公平性。因为不同用户之间的信息互相交错，你中有我，我中有你，在一定的发射功率限制下，增加其中某些用户的功率能够提高这些用户的吞吐量，但是其他用户的功率就要降低，吞吐量将减少。但是由于人们对非正交分割在实际系统中的应用的研究刚刚起步，至今没有人对适用于非正交分割的自适应的功率分配方案进行深入研究。

正交分割的系统的功率方案虽然有了一些研究结果，但是都不适用于非正交的分割。因为正交分割技术的用户间的功率分配方案不能实现系统的公平性。该方案在确定各个用户的信号发送功率时，仅仅单独考虑各用户的信道条件，因此能达到系统最大的频谱利用率，但不幸的是，这种功率分配方案丧失了公平性。因为，在该方案中，有可能将功率分配给信道质量好的一个用户，而所有其他用户都不能传输信息。本发明提出的用于非正交分割技术的功率分配方案通过对用户功率进行联合分配，很好地解决了一些用户无法传输信息的问题，保证了多用户系统的公平性，又兼顾系统吞吐量。

第二，非正交系统中的自适应速率的分配则能够提高系统吞吐量，确保通信系统的有效性。自适应的速率分配能够根据系统的信道状况，选择合理的编码效率和调制方式，令信道最大程度的传送信息，这里编码参数主要是编码效率：它是码字中信息位所占的比例。编码效率越高，信道中用来传送信息码元的有效利用率就越高。可供选择的调制方式一般有：BPSK(二相相移键控)，QPSK(四进制相移键控)，8PSK(8进制相移键控调制)，16QAM(16进制正交振幅调制)，64QAM.(64进制正交振幅调制)等等。由于非正交系统中各用户信息有所重合，其中一个用户所选择的编码效率和调制方式会对其他用户的性能造成影响，因此需要对系统中所有用户的性能作整体的考虑。本发明提出了适用于非正交系统的速率分配方案，确保了系统的有效性。

发明内容

本发明的特征在于非正交分割信道下行信道中，在发射端根据兼顾系统吞吐量和公平性的原则，首先按照两个用户最终得到的数据速率的比值等于各自最大可能信道容量的比值的原则，确定功率分配系数m；其次，再根据上述功率分配系数m，两个用户平均功率之和Pcon以及两个用户各自独自传输时的信噪比分配求出两个用户的实际信噪比；最后根据加性高斯噪声容量中，从常用的编码调制参数下的系统信噪比—误比特率曲线，找出门限值低于该信噪比但速率最大的编码调制参数作为个用户的编码调制方式，作为该用户的调制编码方式，从而得到上述两个用户各自的信息传送速率。

1)首先给出所有可能的功率分配，分别得到好用户和差用户两个用户所有的可能发射功率：其中差用户的发射功率P_b＝m·Pcon

好用户的发射功率P_g＝(1-m)·Pcon，(m∈{0，0.02，0.04，…1})为两个用户间的功率分配系数；Pcon为两个用户平均功率和的上限，即P_g+P_b≤Pcon

2)对应每一种功率分配，根据P_b，P_g得到两个用户的通信容量：

差用户的信道容量 $C_b\left(m\right)={\log }_2\left(\frac{{\mathrm{mSNR}}_b}{(1-m)\mathrm{SN}{R}_b+1}\right)$

好用户的信道容量C_g(m)＝log₂(1+(1-m)·SNR_g)

其中SNR_b是差用户独立传输是的信噪比，即SNR_b＝Pcon/P_Nb，P_Nb是差用户的信道噪声功率；SNR_g是好用户独立传输是的信噪比，即SNR_g＝Pcon/P_Ng，P_Ng是好用户的信道噪声功率；

3)根据两个用户中每个用户最终得到的数据速率之间的比值等于各自最大信道容量之间的比值这一原则确定功率分配系数m，它依次含有如下步骤：

(3.1)计算个用户最大信道容量及它们之间的比值：

m＝0时，C_g(m)最大，max(C_g(m))＝log₂(1+SNR_g)

m＝1时，C_b(m)最大，max(C_b(m))＝log₂(1+SNR_b)

令 $\frac{\max \left(C_g\left(m\right)\right)}{\max \left(C_b\left(m\right)\right)}=\frac{C_g\left(m\right)}{C_b\left(m\right)};$

(3.2)，把所有m代入 $\frac{\max \left(C_g\left(m\right)\right)}{\max \left(C_b\left(m\right)\right)}=\frac{C_g\left(m\right)}{C_b\left(m\right)}$ 中运算出满足上式的m，即为实际的功率分配系数；

(4)在已知Pcon，SNR_b，SNR_g下，根据上述确定功率分配系数，按以下公式计算两用户各自的实际信噪比：

${\mathrm{Actu}\_\mathrm{SNR}}_b=\frac{m{\mathrm{SNR}}_b}{(1-m){\mathrm{SNR}}_b+1}$

Actu_SNR_g＝(1-m)·SNR_g

(5)选择编码调制参数：

根据加性白噪声AWGN中几种参数的BER(误比特率)＝10^-3下，BER-SNR性能曲线，按各用户的实际信噪比，找出门限值低于该信噪比且速率最大的编码条值参数，作为该用户的编码调制方式。

仿真试验表明：本发明兼顾了系统吞吐量的提高和用户间分配的公平性，而且简单易行。

这里讨论的系统是无线蜂窝系统中一个下行信道，该信道中的两个用户需要在同一时间传送信息，采用非正交分割将这两个用户的信息复接，并且他们的发射功率的和是一个常数。本发明给出了该系统中的两个用户的功率分配和速率选择方案。一方面充分考虑了非正交分割中用户之间的公平性，同时也尽量保证系统吞吐量与正交系统相比有明显的增益。最后，由于采用查表的方法确定编码调制的参数，令该方案简单易行。

所谓的合理的功率分配方案，要考虑到用户之间的公平性我们这里将用户最终得到的吞吐量能够和他传送信息的能力成正比，作为公平的衡量标准。

速率分配遵循的原则就是尽量选择合理的调制方式和编码效率，令系统内的用户都能够在满足误码率的条件下得到最接近吞吐量极限(在给定的功率分配下的吞吐量上界)。一个用户的吞吐量的表达式为R_L＝r_L·2^L其中r_L为用户的编码效率，L为该用户的调制阶数，也就是在一个符号中所传送的改用户的比特数。

首先确定功率分配方案。根据非正交分割信道中两个用户的接收性能共同决定两个用户的发射功率，令用户最终得到的吞吐量能够和他传送信息的能力，也就是信道容量成正比。信道容量是通信系统的极限传输速率，遵循香农公式[参考文献：Andrea Goldsmith，Capacity ofbroadcast fading channels with variable rate and power Global Telecommunications Conference，1996.GLOBECOM‘96.‘Communications：The Key to Global Prosperity，1996 Page(s)：92-96]：

C＝log₂(1+S/N)＝log₂(1+SNR)                            (1)

其中，S是信号功率谱密度，N是信道噪声功率谱密度，SNR是信噪比，C是信道容量。

而非正交分割系统的速率分配是在进行功率分配的基础上进行的，包括调制方式的选择和编码效率的选择，使得用户得到合理的吞吐量。

由对非正交分割系统吞吐量的分析可知[参考文献：Alexander Seeger，Broadcast Communicationon fading channel using hierarchical coded modulation，Global Telecommunications Conference，2000.GLOBECOM′00.IEEE，Volume：1，2000 Page(s)：92-97vol.1]，在获得根据功率分配确定的用户的实际信噪比之后，基本上可以忽略用户之间的相互影响，独立的选择各自的速率。在加性高斯噪声信道中，绘制出常用的编码调制参数下，系统的信噪比—误比特率曲线，根据该曲线，确定每一种速率能够满足系统误比特率要求的最低的信噪比作为门限。当已知用户的实际信噪比时，找到门限值低于该信噪比的并且速率最大的编码调制参数，作为该用户的编码调制方式。

附图说明

图1白色高斯信道非正交分割的信道容量(两用户信噪比分别为5dB，15dB)

图2功率速率自适应分配流程图

具体实施方式

非正交自适应功率速率分配方案应用于通信系统的发射端，输入信号是纠错编码之后的信号，以及反馈得到的信道质量(即信噪比)。在蜂窝通信下行信道中，纠错编码后的输入一般是均匀分布的，我们把Ci，也就是当系统所有的功率都分配给某一个用户i的时候的信道容量作为衡量用户传送信息能力的一种指标，能力越强的用户将会得到更多的资源。流程图见附图2，具体实施步骤如下：

1.首先给出所有可能的功率分配，分别得到两个用户所有的可能发射功率。这两个用户中接收信噪比较高的用户称为好用户，发射功率为P_g，另外一个用户称为差用户，发射功率为P_b。设其中差用户的信息占用总的发射功率的比例是m，(m∈{0，0.02，0.04，…1})，那么好用户所占用的比例是(1-m)，两个用户平均功率的总和P_g+P_b≤Pcon时(其中P_g，P_b分别是两个用户的发射功率，P_b＝mPcon，P_g＝(1-m)Pcon.而Pcon是一个常数，也就是两个用户平均功率和的上限。

2.对应每一种功率分配，根据P_b，P_g分别得到两个用户相应的信道容量。每一个不同的m，每个用户就对应有不同的信道容量.信道容量是通信系统的极限传输速率，遵循香农公式[参考文献：Andrea Goldsmith，Capacity of broadcast fading channels with variable rate and powerGlobal Telecommunications Conference，1996.GLOBECOM‘96.‘Communications：The Key toGlobal Prosperity，1996 Page(s)：92-96]：

C＝log₂(1+S/N)＝log₂(1+SNR)                              (1)

其中，S是信号功率谱密度，N是信道噪声功率谱密度，SNR就是信噪比，C是信道容量。

对于差用户而言，由于不能分辨好用户的信号，他的噪声就由信道本身的噪声和质量好的用户的干扰共同组成。根据公式(1)，它的信道容量为[参考文献：Alexander Seeger，BroadcastCommunication on fading channel using hierarchical coded modulation，GlobalTelecommunications Conference，2000.GLOBECOM‘00.IEEE，Volume：1，2000 Page(s)：92-97vol.1]：

$C_b\left(m\right)={\log }_2(1+\frac{P_b}{P_g+P_{\mathrm{Nb}}})={\log }_2(1+\frac{\mathrm{mPcon}}{(1-m)\mathrm{Pcon}+P_{\mathrm{Nb}}})={\log }_2(1+\frac{m{\mathrm{SNR}}_b}{(1-m){\mathrm{SNR}}_b+1})----\left(2\right)$

这里P_Nb是差用户的信道噪声功率，SNR_b＝Pcon/P_Nb，是差用户占用了全部的功率时所达到的接收信噪比。

对于好用户而言，接收性能优于另外一个用户(差用户)，因此在非正交的分割中，如果差用户能够正确解调信息，这个好用户一定可以分辨出差的信号，从而该用户的噪声只有信道噪声。那么好用户的信道容量[参考文献：Alexander Seeger，Broadcast Communication onfading channel using hierarchical coded modulation，Global Telecommunications Conference，2000.GLOBECOM‘00.IEEE，Volume：1，2000 Page(s)：92-97vol.1]：

C_g(m)＝log₂(1+P_g/P_Ng)＝log₂(1+(1-m)Pcon/P_Ng)＝log₂(1+(1-m)·SNR_g)  (3)

这里P_Ng是好用户的信道噪声功率，SNR_g＝Pcon/P_Ng，是好用户占用了全部的功率时所达到的接收信噪比。

3.确定功率分配m。根据计算得到的C_b，C_g序列，将m的所有取值逐一带入(4)，找到满足(3)得m作为功率分配。这样，任意用户最终得到的数据速率之间的比值等于这些用户最大信道容量之间的比值。公式中max(C_i(m))是遍历所有的m，最大的C_i(m)，(i＝b，g)

$\frac{C_g\left(m\right)}{C_b\left(m\right)}=\frac{\max \left(C_g\left(m\right)\right)}{\max \left(C_b\left(m\right)\right)}----\left(4\right)$

4.计算在确定的功率分配m下，各用户的实际信噪比。将公式(2)与信道容量的定义(1)相对比，可以看到差用户实际的信噪比的计算如下：

$\mathrm{Actu}\_{\mathrm{SNR}}_b=\frac{P_b}{P_g+P_{\mathrm{Nb}}}=\frac{\mathrm{mPcon}}{(1-m)\mathrm{Pcon}+P_{\mathrm{Nb}}}=\frac{m{\mathrm{SNR}}_b}{(1-m){\mathrm{SNR}}_b+1}----\left(4\right)$

将公式(3)与信道容量的定义(1)相对比，好用户的实际信噪比的计算如下：

Actu_SNR_g＝P_g/P_Ng＝(1-m)Pcon/P_Ng＝(1-m)·SNR_g           (5)

5.选择编码调制参数。下面将采取信噪比(SNR)与误比特率BER＝10^-3下SNR门限相对照来选取参数的方法。首先仿真了AWGN中几种参数的BER-SNR性能曲线，根据该曲线，确定每一种速率能够满足系统误比特率要求的最低的信噪比作为门限，具体参见表1。然后根据步骤4中计算得到的用户实际信噪比，选取大于表1中的门限，而且吞吐量最大的M_i作为该用户的编码调制参数。

	M1	M2	M3	M4	M5	M6	M7	M8	M9	M10
											编码效率	1/2	3/8	1/2	5/8	1/2	7/12	2/3	5/8	1/2	2/3
调制方式	BPSK	QPSK	QPSK	QPSK	8PSK	8PSK	8PSK	16QAM	64QAM	64QAM
											吞吐量(bit/symbol)	0.5	0.75	1	1.25	1.5	1.75	2	2.5	3	4
BER＝10-3SNR门限(dB)	-1.4	-0.2	1.4	2.8	4.3	5.8	7	8.4	10.8	14

表1：

BER＝10^-3下AMC多套参数SNR门限下面将举例说明。例如5dB/15dB的加性高斯噪声信道(5dB/15dB表示当信道种的两个用户的发射功率都是Pcon的时候，信噪比分别为SNR_b＝5dB和SNR_g＝15dB)。

由于m的取值范围是{0，0.02，0.04，…1}，根据公式(2)当m＝1时，C_b(m)得到最大值， $\max \left(C_b\left(m\right)\right)={\log }_2(1+\frac{{\mathrm{SNR}}_b}{1})={\log }_2(1+3.16)=2.05.$ 根据公式(3)当m＝0时，Cg(m)得到最大值max(C_b(m))＝log₂(1+SNR_g)＝log₂(1+31.6)＝5.02。那么 $\frac{\max \left(C_g\left(m\right)\right)}{\max \left(C_b\left(m\right)\right)}=5.02/2.05=2.45$ 将所有的m带入(4)中逐一演算，发现当m＝0.76时，Cg(m)＝3.07，C_b(m)＝1.25， $\frac{C_g\left(m\right)}{C_g\left(m\right)}=2.45.$ 因此m取值0.76.

那么根据步骤3，差用户的实际信噪比为

$\mathrm{Actu}\_{\mathrm{SNR}}_b=\frac{m{\mathrm{SNR}}_b}{(1-m){\mathrm{SNR}}_b+1}=\frac{0.76\×5\mathrm{dB}}{(1-0.76)\×5\mathrm{dB}+1}=\frac{0.76\×3.16}{(1-0.76)\×3.16+1}=1.3658=1.36\mathrm{dB}$ 好用户的

实际信噪比为：

Actu_SNR_g＝(1-m)·SNR_g＝(1-0.76)×15dB＝(1-0.76)×31.62＝7.588＝8.80dB得到实际信噪比分别为1.36dB和8.80dB，根据步骤4中表1，选择的编码调制方式分别为M2(编码效率3/8，调制方式QPSK)，M8(编码效率5/8，调制方式16QAM)。因此两个用户接收信噪比分别是5dB和15dB的下行信道，功率分配方案为：差用户获得76％的功率，好用户获得系统24％的功率。而速率分配方案则是：差用户采用3/8Turbo码，QPSK调制，传送的信息速率为0.75比特/符号：而好用户则采用5/8Turbo码，调制方式为16QAM，它能够传送的信息速率为2.5比特/符号。

本发明可以通过计算机软件实现，也可以通过可编程逻辑器件FPGA来实现。

Claims (2)

1、非正交分割的自适应功率分配方法，其特征在于：非正交分割信道下行信道中，在发射端，根据兼顾系统吞吐量和公平性的原则，首先按照两个用户最终得到的数据速率的比值等于各自最大可能信道容量的比值的原则，确定功率分配系数m；其次，再根据上述功率分配系数m，Pcon即两个用户平均功率之和的上限，为常数，以及两个用户各自独自传输时的信噪比分配求出两个用户的实际信噪比；最后根据加性高斯噪声容量中，从常用的编码调制参数下的系统信噪比—误比特率曲线，找出门限值低于该信噪比但速率最大的编码调制参数作为该用户的调制编码方式，从而得到上述两个用户各自的信息传送速率。

2、根据权利要求1所述的非正交分割的自适应功率和速率分配方法，其特征在于：所属的方法依次会有以下步骤：

第1步：两个用户中接收信噪比高的用户称为好用户，另外一个为差用户：其中差用户的发射功率P_b＝m·Pcon，好用户的发射功率P_g＝(1-m)·Pcon，m为两个用户间的功率分配系数，m∈{0，0.02，0.04，…1}；Pcon为两个用户平均功率和的上限，即P_g+P_b≤Pcon；

第2步：对应每一种功率分配，根据P_b，P_g得到两个用户的通信容量：

差用户的信道容量 $C_b\left(m\right)={\log }_2(1+\frac{m{\mathrm{SNR}}_b}{(1-m){\mathrm{SNR}}_b+1})$

好用户的信道容量C_g(m)＝log₂(1+(1-m)·SNR_g)

其中SNR_b是差用户独立传输是的信噪比，即SNR_b＝Pcon/P_Nb，P_Nb是差用户的信道噪声功率；SNR_g是好用户独立传输是的信噪比，即SNR_g＝Pcon/P_Ng，P_Ng是好用户的信道噪声功率；

第3步：根据两个用户中每个用户最终得到的数据速率之间的比值等于各自最大信道容量之间的比值这一原则确定功率分配系数m，它依次含有如下步骤：

第3.1步：计算个用户最大信道容量及它们之间的比值：

m＝0时，C_g(m)最大，max(C_g(m))＝log₂(1+SNR_g)，

m＝1时，C_b(m)最大，max(C_b(m))＝log₂(1+SNR_b)，

令 $\frac{\max \left(C_g\left(m\right)\right)}{\max \left(C_b\left(m\right)\right)}=\frac{C_g\left(m\right)}{C_b\left(m\right)};$

第3.2步：把所有m代入 $\frac{\max \left(C_8\left(m\right)\right)}{\max \left(C_b\left(m\right)\right)}=\frac{C_8\left(m\right)}{C_b\left(m\right)}$ 中运算出满足上式的m，即为实际的功率分配系数；

第4步：在已知Pcon，SNR_b，SNR_g下，根据上述确定功率分配系数，按以下公式计算两用户各自的实际信噪比：

$\mathrm{Actu}\_{\mathrm{SNR}}_b=\frac{m{\mathrm{SNR}}_b}{(1-m){\mathrm{SNR}}_b+1},$

Actu_SNR_g＝(1-m)·SNR_g，

第5步：选择编码调制参数：

根据加性白噪声AWGN中几种参数的误比特率即BER＝10^-3下，BER-SNR性能曲线，按各用户的实际信噪比，找出门限值低于该信噪比且速率最大的编码条值参数，作为该用户的编码调制方式。

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