CN1604511A - 多天线－正交频分复用通信系统自适应功率分配的方法 - Google Patents

Abstract

一种多天线－正交频分复用通信系统自适应功率分配的方法，用于无线通信领域。本发明在多天线－正交频分复用通信系统中，发射端首先根据注水算法基本思想对每个子信道的发射功率进行一次分配，由于每个子信道传输功率必为正以及在实际信道中只能传输整数比特，所以必须关闭负功率子信道同时对传输的比特数进行整数化处理，随后根据比特传输数最大的准则，基于贪婪算法，对剩余功率进行再次分配，得到最终分配结果。仿真结果证明在速率最大化准则下，误码率基本一致的条件下，本发明不仅计算量大大减少，而且基本达到贪婪算法的性能，本发明普遍适用于多信道的无线通信系统，如MIMO系统，OFDM系统等。

Description

多天线-正交频分复用通信系统自适应功率分配的方法

技术领域

本发明涉及一种自适应功率分配的方法，具体是一种多天线-正交频分复用通信系统自适应功率分配的方法，用于无线通信领域。

背景技术

多天线(MIMO)系统是最近几年发展起来的一种高效无线传输系统，和传统的单天线(SISO)系统相比，其显著特点是采用多个发射与接收天线在发射机与接收机之间构成多个互不相关的无线信道。正交频分复用(OFDM)是一种将高速串行数据转变为低速并行数据，并用多个相互正交的子载波分别调制并行的调制方式。目前，将两者结合起来的MIMO-OFDM系统在无线局域网等领域得到了广泛的应用。

在MIMO-OFDM系统中，由于各子载波使用相同的调制，为达到系统误码率的要求，需减小所有子载波的传输符号数以避免信道局部深度衰落会造成整体误码率大大增加，从而降低了系统的频谱利用率。自适应功率分配技术，可以提高系统的频谱利用率，降低总的发射功率和误码率。现有的多载波自适应功率分配算法根据算法目的即为在给定一定系统约束条件(例如各子载波误码率一定)的前提下，使比特分配达到速率最大化的问题，就是总的发射功率一定的情况下，使整个信道上传输的速率最大。

目前，关于自适应功率分配，提出的主要算法包括：注水算法、非连续粒度最优的贪婪算法(Hughes-Hartogs算法)、最小误码率法。贪婪算法给出了整数范围内的传输比特数的最优解，复杂度很高。注水算法基于拉格朗日算子以及当前各个子信道的不同情况，在信噪比大的子信道分配较多的信号能量；在信噪比小的子信道分配较少的信号能量。这样的分配要保持各个子信道中的信号能量与噪声能量之和为常数，直到所有的信道能量都被分配完。该算法给出了实数范围内传输比特数分配的最优解，但是当传输比特数为非整数时，系统的实现会有很大困难。

经对现有技术文献的检索发现，R F H Fischer等人在Proc.IEEE Gobecom[C].1996 pp724-728(国际电子电气工程师协会1996年“全球通信系统”会议论文集)上发表的“A new loading algorithm for discrete multitonetransmission[A]”(一种新的多载波比特加载算法”)中提出的最小误码率法，该算法在注水算法的基础上做了改进。算法的关键是以误符号率最小为目标，牺牲了一部分系统性能以减小算法复杂度。因此，该算法仍然是次优算法。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提出了一种多天线-正交频分复用通信系统自适应功率分配的方法。使其根据注水算法的基本思想，利用拉格朗日常数法，对每个子信道分配比特数和功率，使得在总功率、平均误码率一定的前提下，传输总比特数尽量大的一种次优算法。仿真结果证明，这种方法和贪婪算法的性能相近，但运算复杂度大大降低，具有很强的应用价值。

本发明是通过以下技术方案实现的，在多天线-正交频分复用通信系统中，发射端首先根据注水算法基本思想对每个子信道的发射功率进行一次分配，由于每个子信道传输功率必为正以及在实际信道中只能传输整数比特，所以必须关闭负功率子信道同时对传输的比特数进行整数化处理，随后根据比特传输数最大的准则，基于贪婪算法，对剩余功率进行再次分配，得到最终分配结果。

所述的MIMO-OFDM无线传输系统，在发射端，首先将输入的串行数据经过串并变换得到并行数据，随后根据自适应功率分配算法对信道的估计结果给每个子信道分配功率和比特数，经过调制，预编码和OFDM之后，将信号调至射频，并通过不同的发射天线发送信号；在接收端，接收到的基带信号通过OFDM解调和滤波，随后根据训练序列估计出这一个时刻信道特征，根据发送端给出的子信道比特分配和功率分配信息将信号解调，最后将解调后的信息通过并串变换后得到输出数据。

以下对本发明作进一步的说明，具体步骤如下：

1)根据拉格朗日算子对系统中子载波的功率进行初始化处理

$p_{k,n}=\frac{-n_0(k,n)*\mathrm{\Γ}}{{\left|{\mathrm{\λ}}_{k,n}\right|}^2}+\frac{P}{N*M}+\frac{n_0(k,n)*\mathrm{\Γ}}{N*M}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\left|{\mathrm{\λ}}_{k,n}\right|}^2}---\left(3\right)$

式中λ_k，n表示第k个天线第n个子载波对应的信道特征值，P表示发射天线总功率，n₀(k，n)第k个天线第n个子载波对应的独立同分布复高斯噪声

2)对于任意的p_k，n＜0，表示该子载波对应信道条件不适合传输信号，将其置为零，即p_k，n＝0。

3)计算子载波信噪比SNR_k，n，根据式(4)计算该子载波分配的比特数，对_k，n进行四舍五入的取整运算得b_k，n，并将高于b_max的b_k，n设为b_max。

${\hat{b}}_{k,n}={\log }_2(1+\frac{{\mathrm{SNR}}_{k,n}}{\mathrm{\Γ}})---\left(4\right)$

式中SNR_k，n表示第k个天线第n个子载波对应的的信噪比，_k，n表示第k个天线第n个子载波对应的子信道比特数，b_k，n′表示_k，n取整后得到的值。

4)根据现有的b_k，n′序列，利用

${{\mathrm{SNR}}^{\′}}_{k,n}=\frac{(2^{{b_{k,n}}^{\′}}-1)*n_0(k,n)*\mathrm{\Γ}}{{\left|{\mathrm{\λ}}_{k,n}\right|}^2}---\left(5\right)$

计算发送的实际总功率P′，并计算差值功率ΔP＝P-P′。

5)对每个子载波，形成如下功率增量表：

${\mathrm{\Δp}}_{k,n}\left(b\right)=p_{k,n}\left(b\right)-p_{k,n}(b-1)=\frac{2^{b_{k,n}-1}*n_0(k,n)*\mathrm{\Γ}}{{\left|{\mathrm{\λ}}_{k,n}\right|}^2}---\left(6\right)$

式中p_k，n(b)表示第k个天线第n个子载波发射b个比特的对应功率，Δp_k，n(b)表示第k个天线第n个子载波发射b或者b-1个比特的功率差值。

6)根据该功率增量表和贪婪算法，首先找出在所有子信道中功率增量最大的子信道，并将该子信道所传输的比特数相应的减少，同时更新差值功率ΔP和相应改变总的传输比特数目，直至差值功率ΔP为正。

7)据功率增量表，找出在所有子信道中功率增量最小的子信道，并将该子信道所传输的比特数相应的增加，同时更新差值功率ΔP和相应改变总的传输比特数目，直至当前子信道中功率最小增量为止，得到最终序列b_k，n。

本发明方法也适用于自适应比特分配算法，即在发射总比特数一定的条件下，使得发射功率最小化的问题。具体描述如下：

目标函数 $\min \left(\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{k,n}\right)$

约束条件 $\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{k,n}=B,$

$p_{k,n}=(2^{b_{k,n}}-1)\·\mathrm{\Γ}\·n_0$

p_k，n≤p_max

b_k，n≥0，k＝1，2…，M，n＝1，2…，N

其中b_k，n是第k个天线的第N子载波的比特数，p_k，n是第k个天线的第N子载波的功率，B是发射总功率，Γ是可调参数，表示不同的编码方式以及相关的误码率。

根据上述方法步骤1)，可得：

$b_{k,n}={\log }_2\frac{2^{\frac{B}{M}}\·{\left|{\mathrm{\λ}}_{k,n}\right|}^2}{\sqrt[\mathrm{MN}]{\underset{k,n}{\overset{k=\mathrm{1,2},M}{\stackrel{n=\mathrm{1,2},...N}{\mathrm{\Π}}}}{\left|{\mathrm{\λ}}_{k,n}\right|}^2}}---\left(7\right)$

对于任意的b_k，n＜0，表示该子载波对应信道条件不适合传输信号，将其置为零，即b_k，n＝0。此时传输的总的比特数应该大于初始设定总比特数B。根据上述公式(6)形成功率增量表，随后根据该表，首先找出在所有子信道中功率增量最大的子信道，并将该子信道所传输的比特数相应的减少，同时改变总的传输比特数目，直至传输比特数等于初始比特数B。

以自适应功率算法为例，本发明基于注水算法的基本思想，对功率进行初次分配，随后基于复杂度为(O(Nlog₂(N)))的贪婪算法对剩余功率进行再分配。在现实情况下，剩余功率远远小于初始功率，所以，本发明能够大大的降低运算时间。同时，基于注水算法和贪婪算法均为最优算法，因此本发明在性能上可以逼近最优算法。

仿真结果证明在速率最大化准则下，误码率基本一致的条件下，本发明不仅计算量大大减少，而且基本达到贪婪算法的性能，本发明普遍适用于多信道的无线通信系统，如MIMO系统，OFDM系统等。

附图说明

图1是MIMO-OFDM发射接收系统框图

图2是OFDM发射接收系统框图

图3是MIMO发射接收系统框图

图4是Γ＝10²时贪婪算法和本发明的传输比特数和误码率的比较

图5是Γ＝10¹时贪婪算法和本发明的传输比特数和误码率的比较

图6是不同功率初值条件下，贪婪算法和本发明的运算时间比较

具体实施方式

如图1所示，MIMO-OFDM系统，在发射端，首先将输入的串行数据经过串并变换得到并行数据，随后根据自适应功率分配算法对信道的估计结果给每个子信道分配功率和比特数，经过调制，预编码和OFDM之后，将信号调至射频，并通过不同的发射天线发送信号。

在接收端，接收到的基带信号通过OFDM解调和滤波，随后根据训练序列估计出这一个时刻信道特征，根据发送端给出的子信道比特分配和功率分配信息将信号解调，最后将解调后的信息通过并串变换后得到输出数据。

如图2所示，在发射端，首先将输入的串行数据经过串并变换得到并行数据，随后根据自适应功率分配算法对信道的估计结果给每个子载波分配功率，然后依次经过调制，预编码，IFFT，再加上循环前缀CP，调制到中频和射频。

在接收端，接收信号在去掉循环前缀CP之后，依次通过FFT和滤波，解调，并串变化即可得到输出数据。

如图3所示，在发射端，首先将输入的串行数据经过串并变换得到并行数据，随后根据自适应功率分配算法对信道的估计结果给每个子信道分配功率，然后经过预编码后发射出去。

在接收端，接收到的数据先通过滤波，随后根据训练序列估计出这一个时刻信道特征，更新自适应功率分配算法的信道信息，然后将解调后的信息通过并串变换后得到输出数据。

图4和图5分别表示当Γ＝10²和Γ＝10¹时贪婪算法和本发明的传输比特数和误码率的比较

图6是表示不同功率初值条件下，贪婪算法和本发明的运算时间比较

在功率初值很小的时候本发明的运算时间大于贪婪算法，这是因为当初始功率很小的时候初次功率分配后得到的差值功率ΔP将大于初值功率P，因此接下来对差值功率ΔP进行贪婪算法的运算时间将大于对初值功率P直接进行贪婪算法的运算直接。随后当初值功率P增大到一定时候，得到的差值功率ΔP将远小于初值功率P。

以下结合附图以及本发明方法的内容，提供以下实施例：

本发明的方法可以对多信道无线通信系统的子信道进行自适应功率比特分配，既可以应用于MIMO-OFDM系统，也可以应用于MIMO，OFDM无线局域网系统。可以用下述实施例一、以及例二中的系统功能框图来说明。

实施例一：MIMO-OFDM系统

如图1所示。考虑一个有M发送天线和N根接收天线的MIMO-OFDM无线通信系统。假定系统的总发射功率为P。在发射端，根据系统具体要求的误码率确定可调参数Γ的取值；然后，对接收端反馈回的信道矩阵进行奇异值分解，得到信道特征值，左乘矩阵和右乘矩阵；再由公式(3)(4)计算各个子信道功率分配和比特分配的初值，关闭初值小于零的子信道，并利用贪婪算法对剩余功率再次分配，直到所有功率都已经分配完成，生成完整的比特和功率分配表。系统按照该表格所对应的每一个子信道的比特数和功率对每一个信道调制，生成完整的MIMO-OFDM符号，用右乘矩阵对该符号进行编码。最后，将编码好的符号经过OFDM调制，加循环前缀，并调制到射频发射到无线信道中。

在接收端，将接收到的信号调制到基带，并进行相应的符号，频率，定时同步和OFDM解调制。然后，根据已经估计好的信道状态信息(与反馈给发送端的信道状态信息相同)，采用和发射端类似的方法生成左乘矩阵，右乘矩阵，特征值和比特功率分配表。用左乘矩阵右乘解调好的OFDM符号，对子信道解码。根据比特功率分配表归一化每一个子信道的功率，并解映射为具体的比特流。最后，将数条并行的比特流合并成串行比特流，传送给后续的基带模块，得到输出数据。

MIMO-OFDM系统中实施本发明算法结果如图4、5、6所示，再确定了可调参数Γ之后，随着初始总功率的提高，误码率基本保持不变，传输比特数不断增加而且能够逼近最优的贪婪算法。同时，随着初始功率的提高，贪婪算法的运算时间呈指数级增长，而本发明算法的时问基本不变。

实施例二：OFDM无线局域网

如图2所示，系统框架类似于上面的MIMO-OFDM系统。

假定系统的总发射功率为P。在发射端，根据系统具体要求的误码率确定可调参数Γ的取值；然后，对接收端反馈回的信道矩阵进行奇异值分解，得到信道特征值，左乘矩阵和右乘矩阵；再由公式(3)(4)计算各个子信道功率分配和比特分配的初值，关闭初值小于零的子信道，并利用贪婪算法对剩余功率再次分配，直到所有功率都已经分配完成，生成完整的比特和功率分配表。随后用右乘矩阵对该符号进行编码，最后，将编码好的符号经过OFDM调制，加循环前缀，并调制到射频发射到无线信道中。

在接收端，将接收到的信号调制到基带，并进行相应的符号，频率，定时同步和OFDM解调制。然后，根据已经估计好的信道状态信息(与反馈给发送端的信道状态信息相同)，采用和发射端类似的方法生成左乘矩阵，右乘矩阵，特征值和比特功率分配表。用左乘矩阵右乘解调好的OFDM符号，对子信道解码。根据比特功率分配表归一化每一个子信道的功率，并解映射为具体的比特流。最后，将数条并行的比特流合并成串行比特流，传送给后续的基带模块，得到输出数据。

同在MIMO-OFDM系统中一样，在OFDM无线局域网中，本发明也可以得到良好的性能。

Claims (3)

1、一种多天线-正交频分复用通信系统自适应功率分配的方法，其特征在于，在多天线-正交频分复用通信系统中，发射端首先根据注水算法基本思想对每个子信道的发射功率进行一次分配，由于每个子信道传输功率必为正以及在实际信道中只能传输整数比特，所以必须关闭负功率子信道同时对传输的比特数进行整数化处理，随后根据比特传输数最大的准则，基于贪婪算法，对剩余功率进行再次分配，得到最终分配结果。

2、根据权利要求1所述的多天线-正交频分复用通信系统自适应功率分配的方法，其特征是，以下通过步骤对其进一步限定：

1)根据拉格朗日算子对系统中子载波的功率进行初始化处理

$p_{k,n}=\frac{-n_0(k,n)*\mathrm{\Γ}}{{\left|{\mathrm{\λ}}_{k,n}\right|}^2}+\frac{P}{N*M}+\frac{n_0(k,n)*\mathrm{\Γ}}{N*M}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\left|{\mathrm{\λ}}_{k,n}\right|}^2}$

式中λ_k， n表示第k个天线第n个子载波对应的信道特征值，P表示发射天线总功率，n₀(k，n)第k个天线第n个子载波对应的独立同分布复高斯噪声；

2)对于任意的p_k，n＜0，表示该子载波对应信道条件不适合传输信号，将其置为零，即p_k，n＝0；

3)计算子载波信噪比SNR_k，n，根据下式计算该子载波分配的比特数，对_k，n进行四舍五入的取整运算得b_k，n，并将高于b_max的b_k，n设为b_max，

${\hat{b}}_{k,n}={\log }_2(1+\frac{{\mathrm{SNR}}_{k,n}}{\mathrm{\Γ}})$

式中SNR_k，n表示第k个天线第n个子载波对应的的信噪比，_k，n表示第k个天线第n个子载波对应的子信道比特数，b_k，n表示_k，n取整后得到的值；

4)根据现有的b_k，n序列，利用

${{\mathrm{SNR}}^{\′}}_{k,n}=\frac{(2^{b_{k,n}^{\′}}-1)*n_0(k,n)*\mathrm{\Γ}}{{\left|{\mathrm{\λ}}_{k,n}\right|}^2}$

计算发送的实际总功率P′，并计算差值功率ΔP＝P-P′；

5)对每个子载波，形成如下功率增量表：

${\mathrm{\Δp}}_{k,n}\left(b\right)=p_{kn}\left(b\right)-p_{k,n}(b-1)=\frac{2^{b_{kn}-1}*n_0(k,n)*\mathrm{\Γ}}{{\left|{\mathrm{\λ}}_{k,n}\right|}^2}$

式中p_kn(b)表示第k个天线第n个子载波发射b个比特的对应功率，Δp_kn(b)表示第k个天线第n个子载波发射b或者b-1个比特的功率差值；

6)根据该功率增量表和贪婪算法，首先找出在所有子信道中功率增量最大的子信道，并将该子信道所传输的比特数相应的减少，同时更新差值功率ΔP和相应改变总的传输比特数目，直至差值功率ΔP为正；

7)据功率增量表，找出在所有子信道中功率增量最小的子信道，并将该子信道所传输的比特数相应的增加，同时更新差值功率ΔP和相应改变总的传输比特数目，直至当前子信道中功率最小增量为止，得到最终序列b_k，n。

3、根据权利要求1或者2所述的多天线-正交频分复用通信系统自适应功率分配的方法，其特征是，同时适用于自适应比特分配算法，即在发射总比特数一定的条件下，使发射功率最小化，具体描述如下：

目标函数 $\min \left(\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{k,n}\right)$

约束条件 $\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{k,n}=B,$

$p_{k,n}=(2^{b_{k,n}}-1)\·\mathrm{\Γ}\·n_0$

p_k，n≤p_max

b_k，n≥0，k＝1，2…，M，n＝1，2…，N

其中b_k，n是第k个天线的第N子载波的比特数，p_k，n是第k个天线的第N子载波的功率，B是发射总功率，Г是可调参数，表示编码方式以及相关的误码率；

根据步骤1)，得：

$b_{k,n}={\log }_2\frac{2^{\frac{B}{M}}\·{\left|{\mathrm{\λ}}_{k,n}\right|}^2}{\sqrt[\mathrm{MN}]{\underset{k,n}{\overset{k=\mathrm{1,2}.M}{\stackrel{n=\mathrm{1,2},..N}{\mathrm{\Π}}}}{|{\mathrm{\λ}}_{k,n}|}^2}}$

对于任意的b_k，n＜0，表示该子载波对应信道条件不适合传输信号，将其置为零，即b_k，n＝0，此时传输的总的比特数应该大于初始设定总比特数B，根据公式 ${\mathrm{\Δp}}_{k,n}\left(b\right)=p_{k,n}\left(b\right)-p_{k,n}(b-1)=\frac{2^{b_{k,n}-1}*n_0(k,n)*\mathrm{\Γ}}{{\left|{\mathrm{\λ}}_{k,n}\right|}^2}$ 形成功率增量表，随后根据该表，首先找出在所有子信道中功率增量最大的子信道，并将该子信道所传输的比特数相应的减少，同时改变总的传输比特数目，直至传输比特数等于初始比特数B。

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