專利名稱:一種用于正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的自適應(yīng)比特功率分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及比特功率分配方法，尤其涉及OFDM(OrthogonalFrequecy Division Multiplex，正交頻分復(fù)用)無線通信體制的子載波比特功率分配方法。
背景技術(shù)：
OFDM技術(shù)通常也被稱為正交多載波調(diào)制技術(shù)，它的主要思想是將原始信道劃分為等間隔的多個(gè)正交子載波，在每個(gè)子載波上進(jìn)行窄帶傳輸，信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬。OFDM技術(shù)的最主要優(yōu)點(diǎn)就是可以有效克服ISI(Intersymbol Interference，符號(hào)間干擾)，它可以實(shí)現(xiàn)高速、高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸，在寬帶領(lǐng)域的應(yīng)用具有很大的潛力。
無線信道中高速數(shù)據(jù)的多徑傳輸往往會(huì)引起信道的頻率選擇性衰落。在頻率選擇性衰落信道中，不同的子載波受到不同的衰落，也就是說有不同的傳輸質(zhì)量。因此可以將自適應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于OFDM系統(tǒng)，在OFDM不同的子載波上，依據(jù)各子載波的噪聲等級(jí)采用不同的調(diào)制方式，噪聲等級(jí)低的子載波采用高進(jìn)制的調(diào)制方式，噪聲等級(jí)高的子載波采用低進(jìn)制的調(diào)制方式，這就使不同的子載波具有大體相同的誤比特率。
總之，采用動(dòng)態(tài)比特分配，根據(jù)各子載波的瞬時(shí)估計(jì)值動(dòng)態(tài)地分配傳輸比特?cái)?shù)和發(fā)送功率，可以優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的性能。
通過自適應(yīng)調(diào)制的方式來提高OFDM系統(tǒng)性能的方法已有許多技術(shù)人員進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)Rhee W，Cioffi J M.Increase in capacity of multiuserOFDM system using dynamic subchannel allocation.InProc.IEEEVehicular Technology Conf.(VTC′2000)，研究了多用戶OFDM系統(tǒng)的自適應(yīng)分配算法，文中所用的OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)子載波和比特功率分配方法，既包含了子載波的分配，又包含了子載波上的比特功率分配，該文獻(xiàn)中將這兩種分配同時(shí)進(jìn)行，算法非常復(fù)雜，難以滿足高速無線通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)分配的需求，不適宜實(shí)際應(yīng)用。
中國專利CN99107237(多載波傳輸系統(tǒng)、裝置和方法)，提出了一種能在噪聲電平的周期性變化的已知噪聲環(huán)境下保證傳輸容量的多載波傳輸系統(tǒng)。中央局收發(fā)單元映射部分和遠(yuǎn)端收發(fā)單元去映射部分均存儲(chǔ)在下行和上行方向數(shù)據(jù)傳輸過程中噪聲較大的階段給每個(gè)載波的比特分配和每個(gè)載波的傳輸功率分配，在進(jìn)行向下行方向數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，比特分配和傳輸功率分配被分配給高頻帶的每個(gè)載波，使得在向下行方向的數(shù)據(jù)傳輸過程中噪聲小的階段實(shí)現(xiàn)的比特率高于噪聲大的階段的比特率，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘俊?br> 此外，公開號(hào)為WO2005022810(SUBCARRIER AND BIT ALLOCATION FORREAL TIME SERVICES IN MULTIUSER ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISIONMULTIPLEX OFDM SYSTEMS)的申請，也提出了一種類似的多用戶OFDM系統(tǒng)的比特功率算法。
但是，上述方法中OFDM系統(tǒng)的自適應(yīng)分配既包含了子載波的分配，也包含了子載波上的比特和功率分配，并且將這兩種分配同時(shí)進(jìn)行，算法非常復(fù)雜，也不適宜實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的缺點(diǎn)，將子載波分配與比特功率分配分開考慮，提出了一種依據(jù)增加功率最小，或者說在總發(fā)送比特?cái)?shù)約束的條件下使發(fā)送總功率達(dá)到最小值的準(zhǔn)則下，進(jìn)行OFDM比特功率自適應(yīng)分配的方法。
本發(fā)明的核心思想是依據(jù)在數(shù)據(jù)率固定且達(dá)到服務(wù)質(zhì)量所要求的誤比特率，使系統(tǒng)總發(fā)送功率最小化。
在此優(yōu)化準(zhǔn)則下，采用分兩步走的思想，將子載波的動(dòng)態(tài)分配和子載波上的比特、功率分配分離開來，這樣既降低了方法的復(fù)雜度，又優(yōu)化了系統(tǒng)的性能。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明具體是這樣實(shí)現(xiàn)的一種用于正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的自適應(yīng)比特功率分配方法，包括以下步驟第一步，初始化，包括(1)估計(jì)各子載波的信噪比；(2)得到子載波的比特?cái)?shù)；(3)得出子載波的功率；(4)給出子載波的功率遞增表；第二步，比特功率分配，進(jìn)一步包括以下步驟(1)根據(jù)數(shù)據(jù)率固定時(shí)達(dá)到服務(wù)質(zhì)量所要求的誤比特率，使系統(tǒng)總發(fā)送功率最小化；(2)估計(jì)遞增功率達(dá)到最小值時(shí)的子載波；(3)比特?cái)?shù)遞增并判斷是否達(dá)到最大比特?cái)?shù)如果達(dá)到最大比特?cái)?shù)，則將該子載波從子載波集合中剔除，從而更新子載波所需額外功率，否則返回(2)；第三步，得到最終比特分配的結(jié)果和總比特?cái)?shù)。
所述第一步中的(2)，串行比特流根據(jù)信道的瞬時(shí)估計(jì)值，按照自適應(yīng)算法被分配到每個(gè)可以利用的子載波；所述子載波分配到的比特?cái)?shù)決定了該子載波所采用的調(diào)制方式。
所述第一步中的(3)，所述子載波的功率是基于給定的誤比特率進(jìn)行計(jì)算。
所述第二步中的(1)，所述系統(tǒng)總發(fā)送功率最小化的判別準(zhǔn)則為，判別子載波的功率大于系統(tǒng)所述總發(fā)送功率是否滿足若滿足，則結(jié)束比特功率分配流程；否則，進(jìn)入(2)。
本發(fā)明提出了一種適應(yīng)于多徑頻率選擇性衰落信道的OFDM系統(tǒng)中的自適應(yīng)比特和功率分配方法。在MA(Margin Adaptive)優(yōu)化準(zhǔn)則下，采用分兩步走的思想，將子載波的動(dòng)態(tài)分配和子載波上的比特功率分配分離開來，這樣既降低了算法的復(fù)雜度，又優(yōu)化了系統(tǒng)的性能，是一個(gè)易于工程實(shí)現(xiàn)的方法。
圖1是本發(fā)明所述的自適應(yīng)比特功率分配OFDM系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明所述的自適應(yīng)比特功率分配方法流程圖；圖3是本發(fā)明所述的自適應(yīng)比特功率分配方法性能曲線圖。
具體實(shí)施方式通常OFDM系統(tǒng)的性能主要是從QoS(Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量)和CoS(Cost of Service，服務(wù)代價(jià))兩方面來考慮的。服務(wù)質(zhì)量可以由誤比特率和數(shù)據(jù)速率這兩個(gè)指標(biāo)來衡量，服務(wù)代價(jià)主要由發(fā)送總功率來衡量。本發(fā)明所依據(jù)的優(yōu)化準(zhǔn)則是在給定所要求的誤比特率的前提下，考慮怎樣減小發(fā)送總功率或增加系統(tǒng)容量或數(shù)據(jù)率。同時(shí)針對(duì)的是在子載波分配已經(jīng)完成的條件下對(duì)子載波進(jìn)行的比特、功率分配方法。從現(xiàn)實(shí)條件來看，既要需要考慮收發(fā)信機(jī)的復(fù)雜度，也要考慮各子載波在每符號(hào)期間攜帶最大信息比特?cái)?shù)。
本發(fā)明提出的一種用于正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的自適應(yīng)功率分配方法，包括第一步，初始化，用來估計(jì)對(duì)每一個(gè)子載波而言傳送一個(gè)額外的比特所需要增加的功率，在比特分配的循環(huán)中，下一比特分配在需要最小額外功率的子載波上，同時(shí)更新這一子載波上所需額外功率；(1)估計(jì)各子載波的信噪比SNR(k)，k＝1，2，…，K，其中K為可用的子載波最大數(shù)目；(2)得到第k個(gè)子載波的比特?cái)?shù)b(k)；(3)得出第k個(gè)子載波的功率ek(b)；(4)給出子載波的功率遞增表Δek(b)。
第二步，比特功率分配，進(jìn)一步包括以下步驟(1)根據(jù)數(shù)據(jù)率固定時(shí)達(dá)到服務(wù)質(zhì)量所要求的誤比特率，使系統(tǒng)總發(fā)送功率最小化的判別準(zhǔn)則判別e(b)＞eTmax是否滿足。
(2)估計(jì)遞增功率Δek達(dá)到最小值時(shí)的子載波k，即k=argmink∈SΔek.]]>(3)比特遞增并判斷是否達(dá)到最大比特?cái)?shù)b(k)＝b(k)+1，如果b(k)＝bmax，則將第k個(gè)子載波從子載波集合S＝{1，2，…，K}中剔除，即S＝S-{k}，從而ek(b)＝ek(b)+Δek(b)，也就是更新子載波所需額外功率，其中Δek=[f(b(k)+1)-f(b(k))]/an2.]]>第三步得到最終比特分配的結(jié)果{b(k)}k＝1K，R=Σk=1Kb(k)]]>即為該符號(hào)的總比特?cái)?shù)。
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明所述方法進(jìn)行詳細(xì)描述。
圖1是采用自適應(yīng)技術(shù)的OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。假設(shè)信道估計(jì)良好，每個(gè)OFDM符號(hào)期間，發(fā)送端的串行比特流100經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換101，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)映射102，并根據(jù)信道的瞬時(shí)估計(jì)值112，根據(jù)自適應(yīng)比特功率算法113被分配到每個(gè)可以利用的OFDM子載波。
各子載波分配到的比特?cái)?shù)目決定該子載波所采用的調(diào)制方式102，假設(shè)第k個(gè)子載波在某一符號(hào)期間分配到b(k)個(gè)比特?cái)?shù)，則在該子載波采用MQAM(M-ary Quadrature Amplitude Modulation)(M＝2b(k))調(diào)制方式，子載波的數(shù)據(jù)被映射為MQAM符號(hào)，其中子載波數(shù)k＝1，2，…，K，該OFDM的符號(hào)數(shù)據(jù)率R=Σk=1Kb(k).]]>經(jīng)過自適應(yīng)調(diào)制后的各路信號(hào)被并行送入IFFT單元103，再插入保護(hù)間隔104。OFDM系統(tǒng)一般采用循環(huán)前綴的形式，這樣只要信道的最大傳輸時(shí)延小于保護(hù)間隔，就可以消除符號(hào)間干擾。
然后信號(hào)經(jīng)由衰落信道111傳送到接收端，系統(tǒng)利用一個(gè)專用信道實(shí)時(shí)傳送自適應(yīng)分配信息。
在接收端，去除接收信號(hào)中的保護(hù)間隔224，經(jīng)FFT解調(diào)223后獲得解調(diào)信號(hào)，數(shù)據(jù)檢測器根據(jù)專用信道中的分配信息來進(jìn)行數(shù)據(jù)逆映射222，最后經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換221，輸出比特流200。
在頻率選擇性衰落信道中，不同的子載波的衰落特性互不相同，第k個(gè)子載波的信道增益幅度可以用ak來表示。對(duì)于給定誤比特率來衡量的傳輸質(zhì)量，假設(shè)在接收端正確解調(diào)所需的最小信號(hào)功率為f(k)，則對(duì)第k個(gè)子載波所需要的發(fā)送功率為ek=f(b(k))/ak2,]]>這樣，系統(tǒng)所需的發(fā)送總功率為eT=Σk=1Kek=Σk=1Kf(b(k))/ak2.]]>圖2是本發(fā)明所述的自適應(yīng)比特功率分配方法流程圖，包括以下幾個(gè)步驟步驟211至步驟214為初始化過程用來計(jì)算對(duì)每一個(gè)子載波而言傳送一個(gè)額外的比特所需要增加的功率，在比特分配的循環(huán)中，下一比特分配在需要最小額外功率的子載波上，同時(shí)更新上述子載波上所需額外功率；步驟211，估計(jì)子載波的信噪比SNR；步驟212，得到第k個(gè)子載波的比特?cái)?shù)b(k)＝log2(1+SNR(k))假設(shè)信道估計(jì)良好，每個(gè)OFDM符號(hào)期間，發(fā)送端的串行比特流根據(jù)信道的瞬時(shí)估計(jì)值，按自適應(yīng)算法被分配到每個(gè)可以利用的OFDM子載波。各子載波分配到的比特?cái)?shù)目決定該子載波所采用的調(diào)制方式，假設(shè)第k個(gè)子載波在某一符號(hào)期間分配到b(k)個(gè)比特?cái)?shù)，則在該子載波采用MQAM(M＝2b(k))調(diào)制方式，子載波的數(shù)據(jù)被映射為MQAM符號(hào)，其中k＝1，2，…，K，K為子載波數(shù)。
步驟213，得到第k個(gè)子載波的功率對(duì)于給定的誤比特率pe，采用MQAM自適應(yīng)調(diào)制時(shí)，b比特/符號(hào)所需的功率為f(b(k))＝(n0/3)[Q-1(pe/4)]2·(2b(k)-1)，這里n0為信道中加性高斯白噪聲的單邊功率譜密度，而Q=12π∫x+∞e-t2dt.]]>步驟214，給出子載波的功率遞增表對(duì)于第k個(gè)子載波，有Δek(b)＝ek(b)-ek(b-1)。
步驟221至步驟226，為比特功率分配過程，詳細(xì)步驟如下步驟221，得到Δek達(dá)到最小值時(shí)的k，即k=argmink∈SΔek;]]>步驟222，根據(jù)數(shù)據(jù)率固定時(shí)達(dá)到服務(wù)質(zhì)量所要求的誤比特率，使系統(tǒng)總發(fā)送功率最小化的判別準(zhǔn)則判別ek(b)＞eTmax是否滿足；步驟223，比特遞增b(k)＝b(k)+1；
步驟224，判斷是否到達(dá)最大比特即b(k)＝bmax，如果滿足則去225；否則轉(zhuǎn)步驟221；步驟225，從子載波集合中篩選出的子載波S＝S-{k}，其中S＝{1，2，…，K}；步驟226，更新子載波所需額外功率，即ek(b)＝ek(b)+Δek(b)，其中Δek=[f(b(k)+1)-f(b(k))]/ak2.]]>步驟230，得到最終比特分配的結(jié)果{b(k)}k＝1k，R=Σk=1Kb(k)]]>即為該符號(hào)的總比特?cái)?shù)。
需要說明的是，比特、功率分配算法的主要目的是尋找對(duì)b(k)的最佳分配方式，使得全部傳輸功率或者說所有子載波上的ek的和，在給定的傳輸速率和根據(jù)f(·)所確定的QoS的要求下最小化。實(shí)際上當(dāng)沒有比特進(jìn)行傳輸時(shí)，就不需要任何能量，而且傳送額外比特所需的能量是隨著b的增加而增加的，也即f(b(k)+1)-f(b(k))的值是隨著b的增加而增加的。
圖3是本發(fā)明所述的自適應(yīng)比特功率分配方法性能曲線圖。
圖中給出了瑞利頻率選擇性衰落信道下單發(fā)-單收靜態(tài)比特功率分配方式OFDM系統(tǒng)、單發(fā)-單收自適應(yīng)比特功率分配方式OFDM系統(tǒng)、2發(fā)-2收自適應(yīng)比特功率分配方式OFDM系統(tǒng)的信噪比-誤碼率性能曲線。從中可以看出采用自適應(yīng)比特功率分配方式的OFDM系統(tǒng)性能較靜態(tài)比特功率分配方式的OFDM系統(tǒng)性能得到很大提升，且本發(fā)明方法同樣適用于多輸入多輸出系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種用于正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的自適應(yīng)比特功率分配方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，初始化，包括(1)估計(jì)各子載波的信噪比；(2)得到子載波的比特?cái)?shù)；(3)得出子載波的功率；(4)給出子載波的功率遞增表；第二步，比特功率分配，進(jìn)一步包括以下步驟(1)根據(jù)數(shù)據(jù)率固定時(shí)達(dá)到服務(wù)質(zhì)量所要求的誤比特率，使系統(tǒng)總發(fā)送功率最小化；(2)估計(jì)遞增功率達(dá)到最小值時(shí)的子載波；(3)比特?cái)?shù)遞增并判斷是否達(dá)到最大比特?cái)?shù)如果達(dá)到最大比特?cái)?shù)，則將該子載波從子載波集合中剔除，從而更新子載波所需額外功率，否則返回(2)；第三步，得到最終比特分配的結(jié)果和總比特?cái)?shù)。
2.如權(quán)利要求
1所述的用于正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的自適應(yīng)比特功率分配方法，其特征在于所述第一步中的(2)，串行比特流根據(jù)信道的瞬時(shí)估計(jì)值，按照自適應(yīng)算法被分配到每個(gè)可以利用的子載波；所述子載波分配到的比特?cái)?shù)決定了該子載波所采用的調(diào)制方式。
3.如權(quán)利要求
1所述的用于正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的自適應(yīng)比特功率分配方法，其特征在于所述第一步中的(3)，所述子載波的功率基于給定的誤比特率進(jìn)行計(jì)算。
4.如權(quán)利要求
1所述的用于正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的自適應(yīng)比特功率分配方法，其特征在于所述第二步中的(1)，所述系統(tǒng)總發(fā)送功率最小化的判別準(zhǔn)則為，判別子載波的功率大于系統(tǒng)所述總發(fā)送功率是否滿足若滿足，則結(jié)束比特功率分配流程；否則，進(jìn)入(2)。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種用于正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的自適應(yīng)比特功率分配方法，首先計(jì)算對(duì)每一個(gè)子載波而言傳送一個(gè)額外的比特所需要增加的功率，在比特分配的循環(huán)中，下一比特分配在需要最小額外功率的子載波上，同時(shí)更新該子載波上所需額外功率；其次，進(jìn)行比特分配；最后，得到最終比特分配的結(jié)果，并得到總比特?cái)?shù)。采用本發(fā)明所述方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，即降低了自適應(yīng)比特和功率分配算法的復(fù)雜度，又優(yōu)化了系統(tǒng)的性能，且易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H04L27/26GK1992695SQ200510132567
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月26日
發(fā)明者王衍文, 王強(qiáng), 張力 申請人:中興通訊股份有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan