CN1992695A - 一种用于正交频分复用系统的自适应比特功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于正交频分复用系统的自适应比特功率分配方法，首先计算对每一个子载波而言传送一个额外的比特所需要增加的功率，在比特分配的循环中，下一比特分配在需要最小额外功率的子载波上，同时更新该子载波上所需额外功率；其次，进行比特分配；最后，得到最终比特分配的结果，并得到总比特数。采用本发明所述方法与现有技术相比，即降低了自适应比特和功率分配算法的复杂度，又优化了系统的性能，且易于实现。

Description

一种用于正交频分复用系统的自适应比特功率分配方法

技术领域

本发明涉及比特功率分配方法，尤其涉及OFDM(OrthogonalFrequecy Division Multiplex，正交频分复用)无线通信体制的子载波比特功率分配方法。

背景技术

OFDM技术通常也被称为正交多载波调制技术，它的主要思想是将原始信道划分为等间隔的多个正交子载波，在每个子载波上进行窄带传输，信号带宽小于信道的相关带宽。OFDM技术的最主要优点就是可以有效克服ISI(Intersymbol Interference，符号间干扰)，它可以实现高速、高质量数据传输，在宽带领域的应用具有很大的潜力。

无线信道中高速数据的多径传输往往会引起信道的频率选择性衰落。在频率选择性衰落信道中，不同的子载波受到不同的衰落，也就是说有不同的传输质量。因此可以将自适应技术应用于OFDM系统，在OFDM不同的子载波上，依据各子载波的噪声等级采用不同的调制方式，噪声等级低的子载波采用高进制的调制方式，噪声等级高的子载波采用低进制的调制方式，这就使不同的子载波具有大体相同的误比特率。

总之，采用动态比特分配，根据各子载波的瞬时估计值动态地分配传输比特数和发送功率，可以优化整个系统的性能。

通过自适应调制的方式来提高OFDM系统性能的方法已有许多技术人员进行了研究，文献Rhee W，Cioffi J M.Increase in capacity of multiuserOFDM system using dynamic subchannel allocation.In：Proc.IEEEVehicular Technology Conf.(VTC′2000)，研究了多用户OFDM系统的自适应分配算法，文中所用的OFDM系统自适应子载波和比特功率分配方法，既包含了子载波的分配，又包含了子载波上的比特功率分配，该文献中将这两种分配同时进行，算法非常复杂，难以满足高速无线通信系统实时分配的需求，不适宜实际应用。

中国专利CN99107237(多载波传输系统、装置和方法)，提出了一种能在噪声电平的周期性变化的已知噪声环境下保证传输容量的多载波传输系统。中央局收发单元映射部分和远端收发单元去映射部分均存储在下行和上行方向数据传输过程中噪声较大的阶段给每个载波的比特分配和每个载波的传输功率分配，在进行向下行方向数据传输时，比特分配和传输功率分配被分配给高频带的每个载波，使得在向下行方向的数据传输过程中噪声小的阶段实现的比特率高于噪声大的阶段的比特率，保证了数据传输的容量。

此外，公开号为WO2005022810(SUBCARRIER AND BIT ALLOCATION FORREAL TIME SERVICES IN MULTIUSER ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISIONMULTIPLEX OFDM SYSTEMS)的申请，也提出了一种类似的多用户OFDM系统的比特功率算法。

但是，上述方法中OFDM系统的自适应分配既包含了子载波的分配，也包含了子载波上的比特和功率分配，并且将这两种分配同时进行，算法非常复杂，也不适宜实际应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的实现复杂的缺点，将子载波分配与比特功率分配分开考虑，提出了一种依据增加功率最小，或者说在总发送比特数约束的条件下使发送总功率达到最小值的准则下，进行OFDM比特功率自适应分配的方法。

本发明的核心思想是依据在数据率固定且达到服务质量所要求的误比特率，使系统总发送功率最小化。

在此优化准则下，采用分两步走的思想，将子载波的动态分配和子载波上的比特、功率分配分离开来，这样既降低了方法的复杂度，又优化了系统的性能。

为实现上述发明目的，本发明具体是这样实现的：

一种用于正交频分复用系统的自适应比特功率分配方法，包括以下步骤：

第一步，初始化，包括：

(1)估计各子载波的信噪比；

(2)得到子载波的比特数；

(3)得出子载波的功率；

(4)给出子载波的功率递增表；

第二步，比特功率分配，进一步包括以下步骤：

(1)根据数据率固定时达到服务质量所要求的误比特率，使系统总发送功率最小化；

(2)估计递增功率达到最小值时的子载波；

(3)比特数递增并判断是否达到最大比特数：如果达到最大比特数，则将该子载波从子载波集合中剔除，从而更新子载波所需额外功率，否则返回(2)；

第三步，得到最终比特分配的结果和总比特数。

所述第一步中的(2)，

串行比特流根据信道的瞬时估计值，按照自适应算法被分配到每个可以利用的子载波；

所述子载波分配到的比特数决定了该子载波所采用的调制方式。

所述第一步中的(3)，

所述子载波的功率是基于给定的误比特率进行计算。

所述第二步中的(1)，

所述系统总发送功率最小化的判别准则为，判别子载波的功率大于系统所述总发送功率是否满足：

若满足，则结束比特功率分配流程；

否则，进入(2)。

本发明提出了一种适应于多径频率选择性衰落信道的OFDM系统中的自适应比特和功率分配方法。在MA(Margin Adaptive)优化准则下，采用分两步走的思想，将子载波的动态分配和子载波上的比特功率分配分离开来，这样既降低了算法的复杂度，又优化了系统的性能，是一个易于工程实现的方法。

附图说明

图1是本发明所述的自适应比特功率分配OFDM系统应用结构图；

图2是本发明所述的自适应比特功率分配方法流程图；

图3是本发明所述的自适应比特功率分配方法性能曲线图。

具体实施方式

通常OFDM系统的性能主要是从QoS(Quality of Service，服务质量)和CoS(Cost of Service，服务代价)两方面来考虑的。服务质量可以由误比特率和数据速率这两个指标来衡量，服务代价主要由发送总功率来衡量。本发明所依据的优化准则是在给定所要求的误比特率的前提下，考虑怎样减小发送总功率或增加系统容量或数据率。同时针对的是在子载波分配已经完成的条件下对子载波进行的比特、功率分配方法。从现实条件来看，既要需要考虑收发信机的复杂度，也要考虑各子载波在每符号期间携带最大信息比特数。

本发明提出的一种用于正交频分复用系统的自适应功率分配方法，包括：

第一步，初始化，用来估计对每一个子载波而言传送一个额外的比特所需要增加的功率，在比特分配的循环中，下一比特分配在需要最小额外功率的子载波上，同时更新这一子载波上所需额外功率；

(1)估计各子载波的信噪比SNR(k)，k＝1，2，…，K，其中K为可用的子载波最大数目；

(2)得到第k个子载波的比特数b(k)；

(3)得出第k个子载波的功率e_k(b)；

(4)给出子载波的功率递增表Δe_k(b)。

第二步，比特功率分配，进一步包括以下步骤：

(1)根据数据率固定时达到服务质量所要求的误比特率，使系统总发送功率最小化的判别准则：判别e(b)＞e_Tmax是否满足。

(2)估计递增功率Δe_k达到最小值时的子载波k，即 $k=\arg \underset{k\∈S}{\min }\mathrm{\Δ}{e}_k.$

(3)比特递增并判断是否达到最大比特数：b(k)＝b(k)+1，如果b(k)＝b_max，则将第k个子载波从子载波集合S＝{1，2，…，K}中剔除，即S＝S-{k}，从而e_k(b)＝e_k(b)+Δe_k(b)，也就是更新子载波所需额外功率，其中 ${\mathrm{\Δe}}_k=[f(b\left(k\right)+1)-f\left(b\left(k\right)\right)]/a_n^2.$

第三步：得到最终比特分配的结果{b(k)}_k＝1 ^K， $R=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}b\left(k\right)$ 即为该符号的总比特数。

下面结合附图，对本发明所述方法进行详细描述。

图1是采用自适应技术的OFDM系统结构图。假设信道估计良好，每个OFDM符号期间，发送端的串行比特流100经串/并转换101，然后进入数据映射102，并根据信道的瞬时估计值112，根据自适应比特功率算法113被分配到每个可以利用的OFDM子载波。

各子载波分配到的比特数目决定该子载波所采用的调制方式102，假设第k个子载波在某一符号期间分配到b(k)个比特数，则在该子载波采用MQAM(M-ary Quadrature Amplitude Modulation)(M＝2^b(k))调制方式，子载波的数据被映射为MQAM符号，其中子载波数k＝1，2，…，K，该OFDM的符号数据率 $R=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}b\left(k\right).$

经过自适应调制后的各路信号被并行送入IFFT单元103，再插入保护间隔104。OFDM系统一般采用循环前缀的形式，这样只要信道的最大传输时延小于保护间隔，就可以消除符号间干扰。

然后信号经由衰落信道111传送到接收端，系统利用一个专用信道实时传送自适应分配信息。

在接收端，去除接收信号中的保护间隔224，经FFT解调223后获得解调信号，数据检测器根据专用信道中的分配信息来进行数据逆映射222，最后经并/串转换221，输出比特流200。

在频率选择性衰落信道中，不同的子载波的衰落特性互不相同，第k个子载波的信道增益幅度可以用a_k来表示。对于给定误比特率来衡量的传输质量，假设在接收端正确解调所需的最小信号功率为f(k)，则对第k个子载波所需要的发送功率为： $e_k=f\left(b\left(k\right)\right)/a_k^2,$ 这样，系统所需的发送总功率为： $e_T=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{e}_k=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}f\left(b\left(k\right)\right)/a_k^2.$

图2是本发明所述的自适应比特功率分配方法流程图，包括以下几个步骤：

步骤211至步骤214为初始化过程：用来计算对每一个子载波而言传送一个额外的比特所需要增加的功率，在比特分配的循环中，下一比特分配在需要最小额外功率的子载波上，同时更新上述子载波上所需额外功率；

步骤211，估计子载波的信噪比SNR；

步骤212，得到第k个子载波的比特数：b(k)＝log₂(1+SNR(k))

假设信道估计良好，每个OFDM符号期间，发送端的串行比特流根据信道的瞬时估计值，按自适应算法被分配到每个可以利用的OFDM子载波。各子载波分配到的比特数目决定该子载波所采用的调制方式，假设第k个子载波在某一符号期间分配到b(k)个比特数，则在该子载波采用MQAM(M＝2^b(k))调制方式，子载波的数据被映射为MQAM符号，其中k＝1，2，…，K，K为子载波数。

步骤213，得到第k个子载波的功率：对于给定的误比特率p_e，采用MQAM自适应调制时，b比特/符号所需的功率为f(b(k))＝(n₀/3)[Q^-1(p_e/4)]²·(2^b(k)-1)，这里n₀为信道中加性高斯白噪声的单边功率谱密度，而 $Q=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\∫}_x^{+\∞}{e}^{{-t}^2}\mathrm{dt}.$

步骤214，给出子载波的功率递增表：对于第k个子载波，有Δe_k(b)＝e_k(b)-e_k(b-1)。

步骤221至步骤226，为比特功率分配过程，详细步骤如下：

步骤221，得到Δe_k达到最小值时的k，即 $k=\arg \underset{k\∈S}{\min }{\mathrm{\Δe}}_k;$

步骤222，根据数据率固定时达到服务质量所要求的误比特率，使系统总发送功率最小化的判别准则：判别e_k(b)＞e_Tmax是否满足；

步骤223，比特递增：b(k)＝b(k)+1；

步骤224，判断是否到达最大比特即b(k)＝b_max，如果满足则去225；否则转步骤221；

步骤225，从子载波集合中筛选出的子载波S＝S-{k}，其中S＝{1，2，…，K}；

步骤226，更新子载波所需额外功率，即e_k(b)＝e_k(b)+Δe_k(b)，其中 ${\mathrm{\Δe}}_k=[f(b\left(k\right)+1)-f\left(b\left(k\right)\right)]/a_k^2.$

步骤230，得到最终比特分配的结果{b(k)}_k＝1 ^k， $R=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}b\left(k\right)$ 即为该符号的总比特数。

需要说明的是，比特、功率分配算法的主要目的是寻找对b(k)的最佳分配方式，使得全部传输功率或者说所有子载波上的e_k的和，在给定的传输速率和根据f(·)所确定的QoS的要求下最小化。实际上当没有比特进行传输时，就不需要任何能量，而且传送额外比特所需的能量是随着b的增加而增加的，也即f(b(k)+1)-f(b(k))的值是随着b的增加而增加的。

图3是本发明所述的自适应比特功率分配方法性能曲线图。

图中给出了瑞利频率选择性衰落信道下单发-单收静态比特功率分配方式OFDM系统、单发-单收自适应比特功率分配方式OFDM系统、2发-2收自适应比特功率分配方式OFDM系统的信噪比-误码率性能曲线。从中可以看出采用自适应比特功率分配方式的OFDM系统性能较静态比特功率分配方式的OFDM系统性能得到很大提升，且本发明方法同样适用于多输入多输出系统。

Claims (4)

1、一种用于正交频分复用系统的自适应比特功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，初始化，包括：

(1)估计各子载波的信噪比；

(2)得到子载波的比特数；

(3)得出子载波的功率；

(4)给出子载波的功率递增表；

第二步，比特功率分配，进一步包括以下步骤：

(1)根据数据率固定时达到服务质量所要求的误比特率，使系统总发送功率最小化；

(2)估计递增功率达到最小值时的子载波；

(3)比特数递增并判断是否达到最大比特数：如果达到最大比特数，则将该子载波从子载波集合中剔除，从而更新子载波所需额外功率，否则返回(2)；

第三步，得到最终比特分配的结果和总比特数。

2、如权利要求1所述的用于正交频分复用系统的自适应比特功率分配方法，其特征在于：

所述第一步中的(2)，

串行比特流根据信道的瞬时估计值，按照自适应算法被分配到每个可以利用的子载波；

所述子载波分配到的比特数决定了该子载波所采用的调制方式。

3、如权利要求1所述的用于正交频分复用系统的自适应比特功率分配方法，其特征在于：

所述第一步中的(3)，

所述子载波的功率基于给定的误比特率进行计算。

4、如权利要求1所述的用于正交频分复用系统的自适应比特功率分配方法，其特征在于：

所述第二步中的(1)，

所述系统总发送功率最小化的判别准则为，判别子载波的功率大于系统所述总发送功率是否满足：

若满足，则结束比特功率分配流程；

否则，进入(2)。

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