專利名稱：一種用于ofdm系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制的比特和功率分配算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種自適應(yīng)比特和功率分配算法，用于OFDM通信系統(tǒng)中各個子信道的比特和功率分配，確定各個子信道的調(diào)制方式和發(fā)射信號平均功率，屬于多載波通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
OFDM(orthogonal frequency division multiplexing，正交頻分復(fù)用)是一種能夠有效提高通信系統(tǒng)在頻率選擇性衰落環(huán)境中性能的多載波通信技術(shù)。OFDM把整個傳輸信道劃分成多個帶寬足夠窄的子信道，通過這些子信道來并行傳輸信息。由于每個子信道呈現(xiàn)平坦衰落特性，在接收端可以很容易的進行信號的解調(diào)，省去了單載波系統(tǒng)所必須采用的復(fù)雜的信道均衡技術(shù)，有效降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。OFDM的各子信道頻譜重疊，具有更高的頻譜利用率。目前，OFDM技術(shù)已經(jīng)被很多通信技術(shù)標準所采用，如ADSL、DVB、DAB、IEEE802.11a、HIPERLAN/2，IEEE802.16等等。在下一代移動通信系統(tǒng)(Beyond 3G)中，OFDM技術(shù)也是最有力的競爭者。
自適應(yīng)調(diào)制是一種隨著信道狀態(tài)變化、自動改變通信系統(tǒng)調(diào)制方式和信號發(fā)射功率的技術(shù)。它能夠有效提高系統(tǒng)的傳輸速率以及系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?。在OFDM系統(tǒng)中，各個子信道的信道增益不同，因此可以根據(jù)各個子信道的增益，為各個子信道分配合適的比特數(shù)目和功率，也就是讓各個子信道采用合適的調(diào)制方式和信號發(fā)送功率，以使系統(tǒng)性能達到最佳。目前已經(jīng)有多種用于OFDM系統(tǒng)的自適應(yīng)比特和功率分配方法被提出。這些方法中有的是在總發(fā)射功率和系統(tǒng)誤碼率一定的條件下，使系統(tǒng)傳輸速率達到最大；有的是在系統(tǒng)傳輸速率和誤碼率一定的條件下，使所需要的總發(fā)射功率最小。另外，還有的方法是首先對所有子信道進行分組，把相鄰的幾個子信道分為一組，然后為每個分組中的各子信道分配相同數(shù)目的比特和功率，以降低傳輸自適應(yīng)調(diào)制信息時所需要的信令開銷。
實際應(yīng)用中的一些通信業(yè)務(wù)，如瀏覽網(wǎng)頁、下載文件等，數(shù)據(jù)傳輸速率是變化的。這些業(yè)務(wù)不要求實時性。而對于另外的一些通信業(yè)務(wù)，如多媒體音頻、視頻業(yè)務(wù)，所要求的數(shù)據(jù)傳輸速率是固定的。同時，為滿足服務(wù)質(zhì)量要求，系統(tǒng)誤碼率必須低于一定的值。對于這些固定速率的通信業(yè)務(wù)，比特和功率分配的目標是，在一定的數(shù)據(jù)速率和誤碼率的要求下，使通信系統(tǒng)所需要的發(fā)射功率最小。本發(fā)明正是針對這些固定速率的通信業(yè)務(wù)而設(shè)計的。
貪婪分配方法是一種適用于固定數(shù)據(jù)速率的多載波系統(tǒng)的常用的比特和功率分配方法。這種方法能達到最優(yōu)的比特和功率分配結(jié)果。它的主要思想是，首先設(shè)置所有子信道比特數(shù)目為零，然后把所有待分配比特，依次分配給子信道。每次分配時，首先找到所需增加功率最小的那個子信道，然后給該子信道分配一個或多個比特。每次分配的比特數(shù)目(比特分配步長)由系統(tǒng)調(diào)制方式?jīng)Q定。這樣循環(huán)下去，直到所有的比特被分配完畢。最后計算各個子信道保證一定的誤碼率時所需要的發(fā)射功率?，F(xiàn)有的基于貪婪分配方法的比特和功率分配算法，分配過程是在所有的子信道上進行的，因此復(fù)雜度比較高。特別是當子信道數(shù)目和待分配比特數(shù)目都比較高時，所需要的循環(huán)次數(shù)以及每次循環(huán)中的運算次數(shù)都比較大，不適合實際當中的應(yīng)用。
實際上，在OFDM系統(tǒng)中，那些信道增益比較接近的子信道，最終有可能會被分配相同數(shù)目的比特。基于這一規(guī)律，我們可以把這些信道增益比較接近的子信道放在一起考慮，同時給它們分配比特，而不是一次只給一個子信道分配比特。這樣，分配算法所需要的循環(huán)次數(shù)和每次循環(huán)的運算量就會大大降低，分配過程被大大簡化。另外，為進一步減小算法的復(fù)雜度，可以把所有的子信道分成幾組，比特和功率分配過程可以在這幾組中同時進行。每個分組中的分配過程被進一步簡化，對硬件復(fù)雜度的要求進一步降低了。并且，由于各分組中的分配過程可以同時進行，整個分配過程所需要的總時間被大大降低。雖然分配結(jié)果達不到最優(yōu)結(jié)果，但是當子信道的組合和分組合適時，分配結(jié)果會接近于最優(yōu)結(jié)果。這樣就適和實際當中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種適用于OFDM通信系統(tǒng)的自適應(yīng)比特和功率分配算法，用于設(shè)計OFDM系統(tǒng)中的自適應(yīng)調(diào)制方案。本發(fā)明的目的是根據(jù)不同時刻的信道條件，為OFDM通信系統(tǒng)中的各個子信道確定最優(yōu)的調(diào)制方式和發(fā)射信號平均功率。該算法的優(yōu)化目標為在系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率和誤碼率一定的條件下，確定各個子信道最優(yōu)的比特數(shù)目，使系統(tǒng)所需要的總的發(fā)送功率最低。該優(yōu)化目標及約束條件可簡述如下[Σi=1NCPi]Min,]]>同時滿足Σi=1NCbi=Rb,]]>Pi≥0，bi≥0，i＝1，2，…，NC。
其中Pi是系統(tǒng)中第i個子信道為達到一定的誤碼率所需要的信號傳輸功率，bi是分配給第i個子信道的比特數(shù)目。NC是所有子信道的數(shù)目。Rb是每個OFDM符號所包含的比特數(shù)目(即每次分配過程中待分配比特數(shù)目)，由系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率決定。
下面首先說明算法描述中用到的一些參數(shù)的物理意義及參數(shù)之間的關(guān)系NC——OFDM系統(tǒng)中需要分配比特和功率的子信道總數(shù)Rb——每個OFDM符號所包含的比特數(shù)目(每次分配過程的待分配比特總數(shù))NU——所有子信道分組的數(shù)目NC′——每個子信道分組中包含的子信道數(shù)目(NC′＝NC/NU)L——每個子信道簇中包含的子信道數(shù)目NS——每個子信道分組中的子信道簇的數(shù)目(NS＝NC/(LNU))Rb′——每個分組中待分配的比特總數(shù)(Rb′＝Rb/NU)Rb*——每個分組中實際所需要進行分配的比特總數(shù)(Rb*＝Rb′/L)
本發(fā)明所提出的一種用于OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制的比特和功率分配算法，其主要步驟可以簡述為首先，根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境，以及系統(tǒng)采用的自適應(yīng)分配處理器的數(shù)目，確定子信道的分組數(shù)目NU，以及每個分組中的子信道簇包含的子信道數(shù)目L；其次，對所有NC個需要分配比特和功率的子信道，按照它們在頻譜中的位置，進行等間隔劃分，分成NU個分組，每個分組中包含相同數(shù)目的子信道；然后，在每個分組中分別進行比特和功率的分配在每個分組中進行比特和功率的分配時，首先按照子信道增益的幅度的大小，對該分組中的子信道按從小到大或者從大到小的順序進行排序；然后在每個分組中，將排序后的子信道，按連續(xù)劃分的方式，分成NS個子信道簇(NS＝NC/(LNU))，每個子信道簇中包含的子信道數(shù)目均為L；接下來為每個子信道簇生成一個采樣子信道，生成采樣子信道的方案可以選擇“最小增益”方案或“倒數(shù)平均”方案；接著在所有采樣子信道上按貪婪分配的方法進行比特分配，按貪婪分配的方法進行比特分配時，實際所需分配的比特數(shù)為Rb/(LNU)；比特分配完后，將各采樣子信道上分配的比特數(shù)目，復(fù)制給對應(yīng)的子信道簇中的各個子信道；最后分別計算每個子信道所需要的信號功率。比特和功率的分配過程結(jié)束。
本發(fā)明算法的流程圖如說明書附圖中的圖1所示。
下面對本發(fā)明算法的各個步驟進行詳細說明。
首先，根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境，以及系統(tǒng)采用的自適應(yīng)分配處理器的數(shù)目，確定子信道的分組數(shù)目NU，以及每個分組中的子信道簇包含的子信道數(shù)目L。
系統(tǒng)中的自適應(yīng)分配處理器的數(shù)目，由系統(tǒng)硬件復(fù)雜度要求決定。這些處理器具有相同的功能，并且能夠并行運行。每個分組中的比特和功率分配，分別由一個分配處理器來完成。因此子信道的分組數(shù)目NU不大于系統(tǒng)中的自適應(yīng)分配處理器的數(shù)目。NU和L的選擇，應(yīng)該根據(jù)在不同應(yīng)用環(huán)境下，算法的性能與算法的復(fù)雜度之間的關(guān)系來確定。所遵循的準則是，在達到系統(tǒng)性能要求的前提下，使算法的復(fù)雜度最低。算法的復(fù)雜度是由NU和L這兩個參數(shù)決定的。NU和L越大，算法的復(fù)雜度越低，分配過程所需要的時間也越短。不同環(huán)境下系統(tǒng)的性能與算法的復(fù)雜度的關(guān)系，可以通過預(yù)先對系統(tǒng)在特定環(huán)境下，在不同的NU和L數(shù)值下的性能仿真來得到。另外，子信道的分組數(shù)目NU必須能夠整除子信道的總數(shù)NC，以保證每個分組中有相同數(shù)目的子信道。并且L能夠整除NC/NU，以保證每個子信道簇中能夠包含相同數(shù)目的子信道。一般來說，NC、NU和L都是2的整數(shù)次冪。
算法的第二步是，對所有需要分配比特和功率的子信道，按照它們在頻譜中的位置，進行等間隔劃分，分成NU個分組，每個分組中包含相同數(shù)目的子信道。對信道進行等間隔劃分的方式如說明書附圖中圖2所示。每個分組所包含的子信道數(shù)目NC′按照下式計算NC′＝NC/NU
對子信道進行分組的作用是，經(jīng)過分組后，比特和功率的分配可以在這些分組中并行的進行，這樣完成分配過程所需要的時間可以有效降低。另一方面，經(jīng)過分組后，每個分組中的子信道數(shù)目和待分配比特數(shù)目均為下降為原來的1/NU，這樣每個分配處理器硬件的復(fù)雜度可以大大減小，完成分配過程所需時間也可以大大減少，便于實際當中的應(yīng)用。對信道分組時采用等間隔劃分方式的原因是，由于算法中規(guī)定每個分組中的待分配比特總數(shù)都是相等的——為了使這一結(jié)果符合或接近最優(yōu)的比特分配結(jié)果，每個分組中子信道的傳輸特性整體上應(yīng)該比較接近。采用等間隔劃分的方式時，將相鄰的、處于相關(guān)帶寬之內(nèi)的幾個子信道(它們具有相似的傳輸特性)，劃分到不同的分組中去，可以保證各個分組中的子信道具有相近的整體傳輸特性。分組的數(shù)目NU應(yīng)該滿足的約束條件是NU與子信道帶寬的乘積，應(yīng)該小于信道的相干帶寬。同時，NU應(yīng)該能夠整除NC，以保證每個分組有相同數(shù)目的子信道。這樣一方面能夠保證每個分組的傳輸特性整體上比較接近，另一方面也簡化了分配過程的復(fù)雜度。
分組完成后，將待分配的比特總數(shù)，平均分給各個分組。每個分組中所要需要分配的比特數(shù)目Rb′按照下式計算Rb′＝Rb/NU算法的第三步，就是在各個分組中同時分別進行比特和功率的分配。每個子信道分組中，比特和功率分配的過程主要包括六個步驟排序，劃分子信道簇，生成采樣子信道，按貪婪分配方法分配比特，復(fù)制比特數(shù)目，計算子信道所需功率。
在每個分組中進行比特和功率的分配時，首先要按照子信道增益的幅度的大小，對每個分組中的子信道進行排序。排序可以按照從大到小的順序進行，也可以按照從小到大的順序進行。經(jīng)過信道估計、子信道分組后，得到的第i個分組中的子信道的信道增益集合可以表示為{Hi，j|j＝1，2，…，NC′}，其中i＝1，2，…，NU。經(jīng)過排序后，得到第i個分組中的子信道集合可以表示為{Hi，j′|j＝1，2，…，NC′}，該集合滿足下列關(guān)系|Hi，1′|≤|Hi，2′|≤…≤|Hi，NC′-1′|≤|Hi，NC′′|或者|Hi，1′|≥|Hi，2′|≥…≥|Hi，NC′-1′|≥|Hi，NC′′|其中函數(shù)|x|表示復(fù)數(shù)x的幅度值。
排序完成之后，需要進行子信道簇的劃分。劃分子信道簇時，是在每個分組中，將排序后的子信道分成Ns個子信道簇。劃分子信道簇采用的是連續(xù)劃分的方式。即在排序后的子信道中，將相鄰的幾個子信道劃分為一簇。每個子信道簇包含相同數(shù)目的子信道。劃分子信道簇的方式如說明書附圖中圖2所示。分成的子信道簇的總數(shù)NS，按照下式計算NS＝NC′/L＝NC/(LNU)采用這種先排序、再連續(xù)劃分的方式，可以使每個子信道簇中的各個子信道增益的幅度值非常接近。在算法中，每個子信道簇中的各個子信道最終被分配的比特數(shù)目是相同的。而按照最優(yōu)的比特和功率分配算法進行分配時，那些信道增益的幅值非常接近的子信道，最終很有可能被分配相同的比特數(shù)目。因此采用這種先排序、再連續(xù)劃分的方式，可以使最終得到的比特和功率分配結(jié)果與最優(yōu)的比特和功率分配結(jié)果非常接近。這樣在保證算法性能的同時，能夠使接下去的比特和功率分配過程得以簡化。
排序和劃分子信道簇完成之后，需要為每個子信道簇生成一個對應(yīng)的“采樣子信道”。采樣子信道的增益，是對應(yīng)的子信道簇中所有子信道的增益的函數(shù)。生成采樣子信道的方案有兩種可供選擇“最小增益”方案和“倒數(shù)平均”方案。
“最小增益”方案，是取每個子信道簇中，所有子信道的增益幅度值中的最小值，作為該子信道簇對應(yīng)的采樣子信道的增益。如果第i個分組中，第m個子信道簇中的子信道增益幅度可表示為{|H(m-1)+Pi||p=1,2,...,L},]]>其中i＝1，2，…，NU，m＝1，2，…，NS。則第i個分組中的第m個子信道簇對應(yīng)的采樣子信道增益|H|mi可以表示為|H|mi=min∀p=1,2,...,L|H(m-1)L+pi|]]>其中函數(shù)min[X]表示取集合X中的最小值元素。
“倒數(shù)平均”方案，是取每個子信道簇中，所有子信道的增益幅度倒數(shù)的平均值，作為該子信道簇對應(yīng)的采樣子信道的增益的倒數(shù)值。如果第i個分組中，第m個子信道簇中的子信道增益幅度可表示為{|H(m-1)+Pi||p=1,2,...,L},]]>其中i＝1，2，…，NU，m＝1，2，…，NS。則第i個分組中的第m個子信道簇對應(yīng)的采樣子信道增益|H|mi可以表示為|H|mi=L/Σp=1L1|H(M+1)L+pi|]]>實際應(yīng)用中選擇“最小增益”方案還是選擇“倒數(shù)平均”方案，應(yīng)該綜合考慮算法性能要求和硬件復(fù)雜度要求來決定。“倒數(shù)平均”方案的運算復(fù)雜度要高于“最小增益”方案，但是性能要比“最小增益”方案好。如果實際應(yīng)用中，對算法性能要求很高，而允許較高一些的運算復(fù)雜度，可以選擇“倒數(shù)平均”方案。如果實際應(yīng)用中，對算法性能要求不是很高，但是只允許較低的運算復(fù)雜度，可以選擇“最小增益”方案。
生成采樣子信道完畢后，按照貪婪分配算法進行比特分配。按照貪婪分配方法進行比特分配的過程，是分別在每個分組中的采樣子信道上進行的，而不是在所有子信道上進行的。并且每個分組中的比特和功率分配過程是可以并行進行的。
在每個分組中，按照貪婪分配算法進行比特分配時，所需要考慮的子信道的總數(shù)即為采樣子信道的總數(shù)NS(或每個分組中子信道簇的總數(shù))。由于最終的分配結(jié)果中，每個子信道簇中的所有子信道分配的比特數(shù)目相同。因此，在每個分組中的NS個采樣子信道上進行比特分配時，實際所需要分配的比特總數(shù)R*為R*＝Rb′/L＝Rb/(LNU)由此可見，按照本發(fā)明提出的算法，在按照貪婪分配方法進行比特和功率分配時，實際所需要考慮的子信道數(shù)目僅為所有子信道數(shù)目的1/(LNU)，并且所需要分配的比特數(shù)目也為所有待分配比特總數(shù)的1/(LNU)。因此實際的比特和功率分配過程復(fù)雜度大大降低了。
按照貪婪分配方法進行比特分配時，考慮實際系統(tǒng)當中采用的調(diào)制方式為正交幅度調(diào)制(QAM，Quadrature Amplitude Modulation)。比特分配過程中，計算第j個子信道發(fā)送bj個比特時所需要的信號平均功率Pj時，按照下式計算Pj=KPjn(2bj-1)|Hj|2(*)]]>其中Pjn是第j個子信道中的噪聲平均功率。K是一個常數(shù)，僅由系統(tǒng)的目標誤碼率決定。不同目標誤碼率下的K值，可以參照下表選擇

按照貪婪分配方法分配比特時，需要確定比特分配步長和子信道所允許的最大比特數(shù)目。這些由實際系統(tǒng)中可用的調(diào)制方式?jīng)Q定。例如，如果系統(tǒng)所有可用調(diào)制方式為{0，BPSK，QPSK，8QAM，16QAM，32QAM，64QAM，128QAM}(其中0表示該子信道不發(fā)送信號)，它們對應(yīng)的每個調(diào)制后的符號包含的比特數(shù)分別為0、1、2、3、4、5、6、7。那么比特分配步長為1，每個子信道的最大比特數(shù)目為7。類似的，如果系統(tǒng)所有可用調(diào)制方式為{0，QPSK，16QAM，64QAM}，它們對應(yīng)的每個調(diào)制后的符號包含的比特數(shù)分別為0、2、4、6。那么比特分配步長為2，每個子信道的最大比特數(shù)目為6。
在每個分組的采樣子信道上，按照貪婪分配方法進行比特分配的過程如下1.進行初始化，設(shè)置所有采樣子信道當前分配比特數(shù)目為0。即令bm＝0，m＝1，2，…，NS。計算所有待分配比特總數(shù)R*＝Rb/(LNU)。
2.分別計算每個采樣子信道增加d個比特時，所需要增加的平均傳輸功率ΔPm(這里d為比特分配的步長，由實際系統(tǒng)所采用的調(diào)制方式?jīng)Q定)，計算按照下式進行ΔPm={Pm(bm+d)-Pm(bm),(bm+d≤D)0,(bm+d>D),]]>其中m＝1，2，…，NS，D為每個子信道所能被分配的比特數(shù)目的最大值(由實際系統(tǒng)中采用的最高階的調(diào)制方式?jīng)Q定)。Pm(b)表示第m個采樣子信道每符號傳輸b個比特時，所需要的信號平均功率，按照(*)式計算。
3.找到功率增量值最小、且不為零的采樣子信道m(xù)0，將該采樣子信道當前分配比特數(shù)增加d。即
bm0=bm0+d]]>4.計算當前分配的比特總數(shù)Rtot=Σm=1NSbm.]]>如果Rtot＜R*，返回到第2步。如果Rtot=Rb*,]]>所有的待分配比特均已分配完畢，比特分配過程結(jié)束。
在每個分組中，按照貪婪分配方法進行比特分配的過程結(jié)束后，將每個采樣子信道被分配的比特數(shù)，復(fù)制給對應(yīng)的子信道簇中的所有子信道。這樣，每個子信道簇中的所有子信道有相同的比特數(shù)目。所有比特均已經(jīng)分配完畢。
所有比特分配完畢后，在每個分組中，分別計算每個子信道所需要的信號平均功率。信號平均功率按照(*)式來計算。
至此，比特和功率的分配過程全部結(jié)束。
比特和功率的分配過程完成后，OFDM系統(tǒng)根據(jù)分配的結(jié)果，在各個子信道上進行調(diào)制、功率調(diào)整，然后再經(jīng)過IFFT變換、加循環(huán)前綴等工作，得到OFDM符號，并將OFDM符號調(diào)制到射頻上，發(fā)射到信道中進行傳輸。
整個比特和功率分配過程的主要步驟可歸納如下第一步，根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境，以及系統(tǒng)采用的自適應(yīng)分配處理器的數(shù)目，確定子信道的分組數(shù)目NU，以及每個分組中的子信道簇包含的子信道數(shù)目L。
第二步，對所有子信道，按照它們在頻譜中的位置，進行等間隔劃分，分成NU個分組，每個分組中包含相同數(shù)目的子信道。
第三步，在每個分組中，分別進行比特和功率的分配。每個分組中的比特和功率分配過程如下(1)按照分組中子信道增益的幅度的大小，對該分組中的子信道按從小到大或者從大到小的順序進行排序。
(2)將排序后的子信道，按連續(xù)劃分的方式，分成NS個子信道簇(NS＝NC/(LNU))，每個子信道簇中包含的子信道數(shù)目均為L。
(3)選擇“最小增益”方案或“倒數(shù)平均”方案，為每個子信道簇生成一個采樣子信道。
(4)在所有采樣子信道上按貪婪分配的方法進行比特分配。
(5)將各采樣子信道上分配的比特數(shù)目，復(fù)制給對應(yīng)的子信道簇中的各個子信道。
(6)分別計算每個子信道所需要的信號平均功率。
比特和功率的分配過程結(jié)束。
本發(fā)明除了可以用于固定數(shù)據(jù)速率的通信系統(tǒng)，使系統(tǒng)所需要的信號平均功率最小化，也可以用于在數(shù)據(jù)速率和信號總功率一定的條件下，使系統(tǒng)的余量最大化(系統(tǒng)余量是指系統(tǒng)在保持一定誤碼率性能時所能容忍的信噪比的下降量，表示系統(tǒng)的抗干擾能力)。具體過程可以這樣來進行在比特和功率分配完畢之后，計算各子信道當前分配功率之和Ptot=Σi=1NCPi,]]>然后計算額定的信號總功率PT與Ptot的比值k＝PT/Ptot，即k=PTΣi=1NCPi.]]>最后，將各個子信道分配的功率值Pi′調(diào)整為原來分配功率值的k倍，即Pi′＝kPi(i＝1，2，…，NC)，即為各個子信道最終分配的功率。此時各個有信號傳輸?shù)淖有诺谰哂邢嗤挠嗔?，并且該余量為最大化的余量?br> 本發(fā)明最大的特點是，分配過程可以在多個分組中并行進行，分配過程所需時間與一個分組中的分配過程所需時間相等。并且，每個分組中，比特分配不是在所有子信道上進行，而是在一些采樣子信道上進行，分配過程中需要考慮的子信道數(shù)目和比特數(shù)目大大減少，每個分組中的運算復(fù)雜度很低，分配過程所需時間很短。因此，與現(xiàn)有的分配算法相比，本發(fā)明的最大優(yōu)點是，算法復(fù)雜度非常低，運算時間也非常小。有利于降低硬件成本，提高硬件的自適應(yīng)分配的響應(yīng)時間。同時，在參數(shù)選擇合適的時候，算法分配結(jié)果與最優(yōu)的比特和功率分配結(jié)果非常接近，因此算法的性能非常接近最優(yōu)的性能。
另一方面，算法的復(fù)雜度可以通過調(diào)整算法中的參數(shù)來調(diào)節(jié)。在保證系統(tǒng)性能要求的同時，可以根據(jù)信道條件的好壞，來靈活的調(diào)整算法的參數(shù)，以使算法的復(fù)雜度最低。因此在實際應(yīng)用中具有很高的靈活性。
為說明本發(fā)明算法在復(fù)雜度方面的優(yōu)勢，下面將本發(fā)明算法與已有的兩種分配算法的復(fù)雜度進行比較。其中一種算法是比較有名的Hughes-Hartogs算法。另一種是由S.K.Lai提出的在Hughes-Hartogs算法基礎(chǔ)上進行簡化的一種算法。下表列出了這幾種算法在分配過程中各自所需要的比較次數(shù)、除法次數(shù)和查表次數(shù)。
上表中M為系統(tǒng)可用調(diào)制方式的總數(shù)。從上表中可以看出，在系統(tǒng)當中，本發(fā)明方法的復(fù)雜度主要由NU和L的乘積決定。NU和L的乘積越大，算法所需要的運算次數(shù)越少，算法的復(fù)雜度越低。另外，當NU和L的乘積固定時，NU越大，算法所需要的運算次數(shù)也越少，算法的復(fù)雜度越低。當NU和L大小選擇合適時，本發(fā)明方法與其他兩種算法相比，所需要的運算復(fù)次數(shù)能夠大大減少，算法的復(fù)雜度能夠有效的降低。尤其當OFDM系統(tǒng)的子信道數(shù)目和傳輸速率比較大的時候，復(fù)雜度降低的效果更為明顯。因此本發(fā)明更有利于在實際當中的應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明提出的比特和功率分配算法的流程圖。
圖2是對信道進行等間隔劃分、進行分組的示意圖。
圖3是在每個分組中，對排序后的子信道劃分子信道簇的示意圖。
圖4是在開闊室內(nèi)環(huán)境中采用“最小增益”方案的本發(fā)明算法和最優(yōu)分配算法的性能仿真結(jié)果圖。
具體實施例方式
在FDD(頻分雙工)通信系統(tǒng)中，本發(fā)明可以放在發(fā)射端來實現(xiàn)、作為發(fā)射機功能的一部分，也可以放在接收端來實現(xiàn)、作為接收機功能的一部分。(注當接收機發(fā)射數(shù)據(jù)、發(fā)射機接收數(shù)據(jù)時，這里所說的發(fā)射機和接收機角色互換。)如果本發(fā)明放在發(fā)射端來實現(xiàn)，發(fā)射端首先發(fā)送導(dǎo)頻信號，接收端接收到導(dǎo)頻信號后，對所有子信道的信道增益進行估計，同時估計各子信道噪聲功率值。估計完成之后，接收端把這些估計信息反饋到發(fā)射端。發(fā)射端解調(diào)出這些信道信息之后，即進行比特和功率的分配，確定各子信道的調(diào)制方式和發(fā)送信號功率，然后對各子信道的數(shù)據(jù)進行調(diào)制、功率調(diào)整，將信號發(fā)送到信道中。同時，發(fā)射端還要把比特和功率的分配的結(jié)果發(fā)送到接收端(采用接收端已知的信號格式)。接收端首先解調(diào)出比特和功率的分配的結(jié)果、得到自適應(yīng)調(diào)制參數(shù)的信息，然后對接收到的自適應(yīng)調(diào)制信號進行解調(diào)。
如果本發(fā)明放在接收端來實現(xiàn)，發(fā)射端首先發(fā)送導(dǎo)頻信號，接收端接收到導(dǎo)頻信號后，對所有子信道的信道增益和各子信道噪聲功率值進行估計。估計完成之后，接收端根據(jù)這些信道估計信息，進行比特和功率的分配，確定發(fā)送端發(fā)送信號時各子信道的需要采用的調(diào)制方式和信號功率，然后把比特和功率分配的結(jié)果反饋給發(fā)射端(采用發(fā)送端已知的信號格式)。發(fā)送端根據(jù)接收端反饋回來的比特和功率分配結(jié)果，對各子信道的數(shù)據(jù)進行調(diào)制、功率調(diào)整，將信號發(fā)送到信道中。接收端接收到信號后，即可以對接收到的信號進行正確解調(diào)(此時接收端對自適應(yīng)調(diào)制參數(shù)的信息是已知的)。
在TDD(時分雙工)通信系統(tǒng)中，除了可以采用與FDD系統(tǒng)相同的應(yīng)用方式之外，還可以采用如下的工作方式發(fā)射端首先根據(jù)從接收端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信號或者導(dǎo)頻信號，對信道進行估計，得到各子信道的增益值和噪聲功率。然后進行比特和功率的分配，確定發(fā)送信號時各子信道的需要采用的調(diào)制方式和信號功率。然后按照分配結(jié)果，調(diào)制和發(fā)射信號。同時，發(fā)射端也要把自適應(yīng)調(diào)制的信息發(fā)送到接收端(采用接收端已知的信號格式，使接收端能夠正確解調(diào)信號。
比特和功率自適應(yīng)調(diào)整的周期應(yīng)根據(jù)實際信道變化的快慢來優(yōu)化選取。
分組數(shù)目NU和每個子信道簇中包含的子信道數(shù)目L的選擇，應(yīng)該根據(jù)在不同應(yīng)用環(huán)境下，算法的性能與算法的復(fù)雜度之間的關(guān)系以及實際系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度要求來確定。所遵循的準則是，在達到系統(tǒng)性能要求的前提下，使算法的復(fù)雜度最低。實際應(yīng)用時，應(yīng)首先針對應(yīng)用環(huán)境的信道傳輸特性，通過測量或者仿真，得出在不同數(shù)據(jù)速率時NU和L與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。然后根據(jù)系統(tǒng)性能要求，綜合考慮系統(tǒng)硬件復(fù)雜度的要求，選取在滿足系統(tǒng)性能要求條件下、使系統(tǒng)復(fù)雜度最低的NU和L的值。
NU和L的選擇，一般先確定NU。NU主要由系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度決定。由于實際當中可以用一個自適應(yīng)分配處理器來處理一個分組中的比特和功率分配，因此NU的最大值一般可以取為系統(tǒng)中自適應(yīng)分配處理器的數(shù)目。系統(tǒng)中自適應(yīng)分配處理器的數(shù)目一般可以取1，2，4，8等2的整數(shù)次冪。
確定NU之后，就可以通過在特定環(huán)境下，NU和L與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系來確定L的值。根據(jù)在特定環(huán)境下NU和L與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系曲線，可以找到滿足系統(tǒng)性能要求的最大的L的值，作為算法實際用到的參數(shù)值。一般來說，L的值可取為1，2，4，8等2的整數(shù)次冪。
實際應(yīng)用當中，NU和L都可以隨著信道傳輸特性的變化來進行調(diào)整。進行調(diào)整的準則也是在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下，使算法的復(fù)雜度最低。例如，當信道的頻率選擇性特性變?nèi)?、信道相關(guān)帶寬變寬時，可以增大NU和L，以降低系統(tǒng)復(fù)雜度。而當信道的頻率選擇性特性變強、信道相關(guān)帶寬變窄時，可能需要減小NU和L以滿足系統(tǒng)性能要求。這些調(diào)整需要對信道的傳輸特性進行估計。
下面結(jié)合一個例子，來說明算法的執(zhí)行過程。
一個OFDM系統(tǒng)的主要參數(shù)如下

首先，需要確定NU和L的取值。
為降低復(fù)雜度，在生成采樣子信道時，系統(tǒng)采用“最小增益”方案?？紤]該系統(tǒng)在開闊的室內(nèi)環(huán)境中的應(yīng)用。進行計算機仿真時，采用的信道模型為開闊的室內(nèi)環(huán)境信道模型。通過計算機仿真，得到在采用“最小增益”方案時，系統(tǒng)達到目標誤碼率10-5所需要的比特能量與噪聲功率譜密度的比值(Eb/N0)，與NU和L之間的關(guān)系曲線，如說明書附圖中圖4所示。圖中還標出了達到最優(yōu)的比特和功率分配結(jié)果時系統(tǒng)的性能曲線(用方框標注的曲線)。
根據(jù)實際系統(tǒng)中硬件復(fù)雜度的要求，系統(tǒng)中自適應(yīng)分配處理器的數(shù)目為4，因此可以選擇NU＝4。確定了NU的值后，再根據(jù)系統(tǒng)性能要求，來確定L的值。如果系統(tǒng)要求在達到目標誤碼率時，所需要的Eb/N0的值不超過19dB，在上圖中NU＝4的那條曲線上，找到滿足Eb/N0＜19dB時的最大的L的值為24＝16，則選擇L＝16。如果要求所需要的Eb/N0的值不超過18.6dB，在上圖中NU＝4的那條曲線上，找到滿足Eb/N0＜18.6dB時的最大的L的值為23＝8，則選擇L＝8。假設(shè)實際中系統(tǒng)選擇L的值為16。
確定了NU和L的值后，系統(tǒng)即可進行比特和功率的分配。在每次分配過程的開始，首先通過信道估計，得到512個子信道的信道增益的幅度值。將這512個信道幅值，按照等間隔劃分的方式(參見附圖2)，分成4組，每組包含NC′＝512/4＝128個子信道。然后，將4個分組各自所包含的128個信道幅值，分別送進4個自適應(yīng)分配處理器中，在4個處理器中同時進行比特和功率的分配。在每個處理器中，首先對128個信道幅值進行排序，再將排序后的信道幅值，按照連續(xù)劃分的方式(參見附圖3)，分成NS＝128/16＝8個子信道簇，每個子信道簇包含16個子信道。然后為每個子信道簇生成一個對應(yīng)的采樣子信道。根據(jù)“最小增益”方案，計算得到每個采樣子信道的信道增益幅值。接下來，在采樣子信道上，按照貪婪分配方法，進行比特分配。分配時需要注意，在每個處理器中進行比特分配，實際所需分配的比特數(shù)目為Rb*＝2560/(4×16)＝40。根據(jù)系統(tǒng)可用調(diào)制方式，可以得到比特分配的步長為d＝2，并且每個子信道最大允許比特數(shù)目為8。比特分配完畢后，將8個采樣子信道上的比特數(shù)，分別復(fù)制給對應(yīng)的子信道簇中的16個子信道。最后，分別為每個子信道，計算各自所需要的發(fā)送功率。這樣，比特和功率分配過程完成。
從可用調(diào)制方式可以看到，比特分配的步長為d＝2，可用調(diào)制方式總數(shù)為M＝5，每個子信道最大允許比特數(shù)目為D＝8。下表給出了NU＝4、L＝16時，本發(fā)明算法以及Hughes-Hartogs算法和S.K.Lai算法各自的運算復(fù)雜度。

由上表可見，通過本發(fā)明提出的算法，每個自適應(yīng)分配處理單元所需要的運算復(fù)雜度大大降低，則每個自適應(yīng)分配處理器的硬件復(fù)雜度可以大大降低，自適應(yīng)分配處理器的響應(yīng)時間大大減少，并且系統(tǒng)性能接近于最優(yōu)的性能。因此本發(fā)明算法適合于實際當中的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種用于OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制的比特和功率分配算法，主要步驟包括首先，根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境，以及系統(tǒng)采用的自適應(yīng)分配處理器的數(shù)目，確定子信道的分組數(shù)目NU，以及每個分組中的子信道簇包含的子信道數(shù)目L；其次，對所有的NC個需要分配比特和功率的子信道，按照它們在頻譜中的位置，進行等間隔劃分，分成NU個分組，每個分組中包含相同數(shù)目的子信道；然后，在每個分組中分別進行比特和功率的分配；在每個分組中進行比特和功率的分配時，首先按照子信道增益的幅度的大小，對該分組中的子信道按從小到大或者從大到小的順序進行排序；然后在每個分組中，將排序后的子信道，按連續(xù)劃分的方式，分成NS個子信道簇(NS＝NC/(LNU))，每個子信道簇中包含的子信道數(shù)目均為L；接下來為每個子信道簇生成一個采樣子信道，生成采樣子信道的方案可以選擇“最小增益”方案或“倒數(shù)平均”方案；接著在所有采樣子信道上按貪婪分配的方法進行比特分配，按貪婪分配的方法進行比特分配時，實際所需分配的比特數(shù)為Rb/(LNU)；比特分配完后，將各采樣子信道上分配的比特數(shù)目，復(fù)制給對應(yīng)的子信道簇中的各個子信道，最后分別計算每個子信道所需要的信號功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制的比特和功率分配算法，其特征在于對所有需要分配比特的子信道進行分組時，按照它們在頻譜中的位置，進行等間隔劃分，分成若干個分組，每個分組中包含相同數(shù)目的子信道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制的比特和功率分配算法，其特征在于在每個分組中劃分子信道簇時，需要先對分組中的子信道進行排序，排序是根據(jù)子信道增益的幅度的大小，按照從大到小的順序進行，也可以按照從小到大的順序進行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制的比特和功率分配算法，其特征在于劃分子信道簇時，是在每個分組中，對排序后的子信道中，將相鄰的幾個子信道劃分為一簇，每個子信道簇包含相同數(shù)目的子信道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制的比特和功率分配算法，其特征在于排序和劃分子信道簇完成之后，需要為每個子信道簇生成一個對應(yīng)的“采樣子信道”，采樣子信道的增益是對應(yīng)的子信道簇中所有子信道的增益的函數(shù)，該函數(shù)的生成，可以選擇“最小增益”方案或者“倒數(shù)平均”方案。
6.根據(jù)權(quán)利要求1和5所述的一種用于OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制的比特和功率分配算法，其特征在于“最小增益”方案，是取每個子信道簇中，所有子信道的增益幅度值中的最小值，作為該子信道簇對應(yīng)的采樣子信道增益的幅度值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1和5所述的一種用于OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制的比特和功率分配算法，其特征在于“倒數(shù)平均”方案，是取每個子信道簇中，所有子信道的增益幅度的倒數(shù)的平均值，作為該子信道簇對應(yīng)的采樣子信道增益幅度的倒數(shù)值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制的比特和功率分配算法，其特征在于生成采樣子信道完畢后，分別在每個分組中的采樣子信道上，按照貪婪分配算法進行比特分配。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制的比特和功率分配算法，其特征在于在每個分組中的采樣子信道上進行比特分配時，每個分組中實際所需要分配的比特總數(shù)為Rb/(LNU)(其中Rb是待分配比特總數(shù)，L是每個子信道簇包含的子信道數(shù)，NU是分組數(shù)目)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制的比特和功率分配算法，其特征在于在每個分組中，比特分配的過程結(jié)束后，將每個采樣子信道被分配的比特數(shù)，復(fù)制給對應(yīng)的子信道簇中的所有子信道，然后分別計算每個子信道所需要的信號平均功率。
全文摘要
本發(fā)明提出一種用于OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制的比特和功率分配算法，用于設(shè)計OFDM系統(tǒng)中的自適應(yīng)調(diào)制方案。本發(fā)明首先對所有子信道按等間隔劃分分組，然后在每個分組中，分別同時進行比特和功率的分配。每個分組中的比特和功率分配過程包括按子信道增益排序、劃分子信道簇、生成采樣子信道、按貪婪分配方法分配比特、復(fù)制比特數(shù)目和計算子信道所需功率等六個步驟。本發(fā)明算法的復(fù)雜度非常低，并且復(fù)雜度可以靈活的進行調(diào)整。同時，通過本發(fā)明算法得到的比特和功率分配結(jié)果，非常接近于最優(yōu)的比特和功率分配結(jié)果。因此本發(fā)明算法適合實際當中的應(yīng)用。
文檔編號H04J13/02GK1722719SQ20051000008
公開日2006年1月18日 申請日期2005年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月7日
發(fā)明者劉凱明, 劉元安 申請人:北京郵電大學(xué)