專利名稱：一種用于ofdm系統(tǒng)的非等誤碼率自適應(yīng)傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種自適應(yīng)傳輸方法，用于為OFDM系統(tǒng)中各個子信道分配比特和功率，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)調(diào)制技術(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/g/n、HIPERLAN/2、IEEE802.16d/e等等。在下一代移動通信系統(tǒng)(Beyond 3G)中，OFDM技術(shù)也被認為是最關(guān)鍵的技術(shù)之一。
自適應(yīng)傳輸就是采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)來發(fā)送信號，即根據(jù)不同時刻信道特性，選擇合適的調(diào)制方式和發(fā)送功率來傳輸信號。自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)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)各個子信道的傳輸條件，為各個子信道選擇合適的調(diào)制方式和信號功率，以使系統(tǒng)性能達到最佳。為各個子信道選擇調(diào)制方式和信號功率，通過自適應(yīng)比特和功率分配過程來實現(xiàn)。目前已經(jīng)有很多用于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，等等。但是現(xiàn)有這些比特和功率分配方法，幾乎都是在等誤碼率條件下設(shè)計的，即分配過程中讓各個子信道有相同的目標誤碼率，分配過程只有比特和功率兩個自由度，而沒有誤碼率這一個自由度。
非等誤碼率自適應(yīng)分配方法允許各個子信道可以有不同的誤碼率，分配過程具有比特、功率和誤碼率三個自由度。由于分配過程增加了誤碼率這一個自由度，因此這類分配算法比傳統(tǒng)的等誤碼率分配算法具有更好的性能。但由于求解理論最優(yōu)解非常困難，這類算法目前很少，而已有的一些算法由于復(fù)雜度非常高，并不適合實際當(dāng)中的應(yīng)用。
另一方面，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。為了滿足服務(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、功率分配的目標是，在一定的數(shù)據(jù)速率和目標誤碼率的要求下，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。
本發(fā)明所提出的一種用于OFDM系統(tǒng)的非等誤碼率自適應(yīng)傳輸方法，基于子信道誤碼率可以不相等這一條件設(shè)計，其優(yōu)化目標是在給定比特速率以及系統(tǒng)目標誤碼率的條件下，使發(fā)射功率最低。該傳輸方法中的比特分配過程采用等比特分配方式，然后再為各個子信道分配功率。本發(fā)明方法的復(fù)雜度、實際應(yīng)用中所需要的信令開銷都非常低，性能優(yōu)于等比特、等功率分配的非自適應(yīng)傳輸方式，也優(yōu)于傳統(tǒng)的等比特、等誤碼率分配的自適應(yīng)傳輸方式，因此非常適合實際當(dāng)中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種用于OFDM系統(tǒng)的非等誤碼率自適應(yīng)傳輸方法，用于設(shè)計OFDM系統(tǒng)中的自適應(yīng)調(diào)制方案。本發(fā)明中，首先為所有參與比特和功率分配的子信道分配相同的比特數(shù)目，即所有這些子信道采用相同的調(diào)制方式；然后為這些子信道分配功率，使系統(tǒng)所需要的總功率最低。分配功率時各個子信道的目標誤碼率可以不相等。最后按照比特和功率分配結(jié)果進行信號的發(fā)送。
本發(fā)明方法中，比特和功率分配過程的優(yōu)化目標可以簡述為在系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)目標誤碼率給定、所有參與分配的子信道的比特數(shù)目相等、子信道目標誤碼率可以不相等的條件下，為各個參與分配的子信道分配功率，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以用下面式子表示[Σi=1NCPi]Min,]]>同時滿足bi=RbNC,Σi=1NCEibiRb=Pe,]]>并且Pi≥0，bi≥0，i＝1，2，…，NC。
其中函數(shù)[x]Min表示最小化x，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，Ei是第i個子信道的目標誤碼率。Pe是系統(tǒng)的目標誤碼率。NC是所有參與比特和功率分配的子信道的總數(shù)。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總數(shù))，由系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率決定。
本發(fā)明所提出的一種用于OFDM系統(tǒng)的非等誤碼率自適應(yīng)傳輸方法，其主要步驟可以簡述為首先，根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率和參與比特和功率分配的子信道總數(shù)，以及系統(tǒng)可用的調(diào)制方式，為所有參與分配的子信道分配相同數(shù)目的比特，根據(jù)比特數(shù)目確定子信道采用的調(diào)制方式；其次，在子信道的目標誤碼率可以不相等的條件下，求得參與分配的各個子信道的最優(yōu)的目標誤碼率，使系統(tǒng)所需總功率最??；然后，根據(jù)各個參與分配的子信道的目標誤碼率和比特數(shù)目，以及子信道增益和噪聲功率，計算各個參與分配的子信道所需要的發(fā)送信號功率；最后，根據(jù)子信道的調(diào)制方式以及功率分配結(jié)果，進行信號的調(diào)制發(fā)送。
本發(fā)明方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。
第一步根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率和參與比特和功率分配的子信道總數(shù)，以及系統(tǒng)可用的調(diào)制方式，為所有參與分配的子信道分配相同數(shù)目的比特，根據(jù)比特數(shù)目確定子信道采用的調(diào)制方式。
系統(tǒng)可用調(diào)制方式的集合可以表示為B＝{B1，B2，…，BM}，其中Bi(i＝1，2，…，M)表示每個調(diào)制信號包含的比特數(shù)目，M表示系統(tǒng)可用調(diào)制方式總數(shù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率為Rb比特/OFDM符號，NC是所有參與比特和功率分配的子信道的總數(shù)，則為每個參與分配的子信道分配的比特數(shù)目b可以表示為 其中函數(shù) 表示取集合B中不小于x、并且最接近x的元素。一般來說Rb和NC的值應(yīng)該選擇合適，以使Rb/NC的值剛好等于集合B中的某個數(shù)值。如果b·NC的值大于Rb，則需要在待分配比特序列末尾補充合適數(shù)目的比特。
計算得到b后，根據(jù)集合B與調(diào)制方式的對應(yīng)關(guān)系即可確定所有參與分配的子信道采用的調(diào)制方式。
第二步在子信道的目標誤碼率可以不相等的條件下，求得參與分配的各個子信道的最優(yōu)的目標誤碼率，使系統(tǒng)所需總功率最小。
這一步包含以下3個小步驟步驟1設(shè)定子信道序號集合U為所有參與分配的子信道組成的集合，即U＝{1，2，…，NC}，并初始化從集合U中排除的子信道的數(shù)目k＝0。
步驟2計算集合U中所有子信道的目標誤碼率。按照公式(2)計算Ei=(NCPe-0.2·k)CiΣi=1NCCi,i∈U.---(2)]]>其中Ci=σi2/ai,]]>ai是第i個子信道的功率增益，即ai＝|Hi|2，Hi是第i個子信道的傳輸函數(shù)。σi2是第i個子信道中噪聲的方差。
步驟3統(tǒng)計集合U中所有目標誤碼率Ei大于0.2的子信道的數(shù)目k。如果k＝0，進行算法的第三步；否則，將所有目標誤碼率大于0.2的子信道從集合U中排除，并將所有排除的子信道的功率值設(shè)值為0。跳回算法第二步中的步驟2。
經(jīng)過上述步驟1～步驟3后，可以得到所有參與比特和功率分配的子信道最終的目標誤碼率為Ei=(NCPe-0.2·K)CiΣi∈UCi,i∈U.0.2,i∉U.---(3)]]>其中K為所有不屬于集合U的、參與比特和功率分配的子信道的總數(shù)。
第三步根據(jù)各個參與分配的子信道的目標誤碼率和比特數(shù)目，以及子信道增益和噪聲功率，計算各個參與分配的子信道所需要的發(fā)送信號功率。
為集合U中所有剩余子信道計算所需要的功率按照(4)式計算
Pi=ΓiCi(2b‾-1),i∈U.---(4)]]>其中Γi＝-ln(5·Ei)/1.5，是第i個子信道的信噪比間隔(SNR gap)。不屬于集合U的、參與比特和功率分配的子信道，它們被分配的功率值為0。
第四步根據(jù)子信道的調(diào)制方式以及功率分配結(jié)果，進行信號的調(diào)制發(fā)送。至此自適應(yīng)傳輸過程結(jié)束。
需要說明的是，在本發(fā)明方法的設(shè)計中，考慮調(diào)制方式采用QAM調(diào)制方式，并且采用采用簡化的QAM誤碼率公式，即第i個子信道的誤碼率可以表示成Ei=0.2exp{-1.5Piai(2bi-1)σi2},i=1,2,···,NC.---(5)]]>其中exp{x}表示指數(shù)函數(shù)，即exp{x}＝ex。上式中各參數(shù)意義與前文一致。
本發(fā)明方法最大的特點是，比特和功率分配過程增加了誤碼率這個自由度，去掉了各個子載波有相同誤碼率這一限制條件。同時，本發(fā)明方法采用了等比特分配的方法，減小了分配過程的復(fù)雜度，使實際應(yīng)用中所需要傳輸調(diào)制方式的信令信息大大減少，提高系統(tǒng)的傳輸效率。因此，本發(fā)明算法具有復(fù)雜度低、適合實際應(yīng)用的優(yōu)點。與現(xiàn)有同類方法相比，本發(fā)明方法的性能優(yōu)于等比特、等功率分配的非自適應(yīng)傳輸方式，也優(yōu)于傳統(tǒng)的等比特、等誤碼率分配的自適應(yīng)傳輸方式，因此具有較高實用價值。


圖1是本發(fā)明提出的一種用于OFDM系統(tǒng)的非等誤碼率自適應(yīng)傳輸方法的流程圖。
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(dāng)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，即進比特和功率的分配，確定各子信道的發(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。同時還要傳輸指明調(diào)制參數(shù)的信令信息。接收端根據(jù)信令信息，得到自適應(yīng)調(diào)制參數(shù)的信息，即可對接收到的信號進行解調(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信號功率，然后把分配的結(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)反饋回來的分配結(jié)果信息，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)。
本發(fā)明方法應(yīng)用中需要對事先子信道增益及子信道噪聲功率進行估計，得到估計結(jié)果后可以進行比特和功率的分配過程。在初次發(fā)送時，需要確定子信道比特數(shù)目及調(diào)制方式；如果在后續(xù)發(fā)送過程中系統(tǒng)比特速率和參與分配的子信道數(shù)目不變，則確定調(diào)制方式的過程，即本發(fā)明方法的第一步，可以省略，按照第一次發(fā)送時得到的調(diào)制方式的結(jié)果即可。
需要注意的是，在實際應(yīng)用中如果出現(xiàn)一些被分配的功率值為零的子信道，這些子信道中將沒有信號傳輸，但是仍然為這些子信道分配了比特。在接收端不需要對這種情況做任何特殊處理，只需要按照正常的解調(diào)方式對這些功率為零的子信道中的接收信號(實際上為噪聲)進行解調(diào)即可。實際上，這樣處理是允許這些子信道出現(xiàn)較高的誤碼率，但整個系統(tǒng)的平均誤碼率仍將能夠滿足目標誤碼率的要求。
本發(fā)明方法可以用于任何多載波系統(tǒng)中。例如，可以用于OFDMA系統(tǒng)中，用于為不同用戶確定調(diào)制方式和信號功率；也可以用于多載波CDMA(MC-CDMA)系統(tǒng)中，將一個擴頻之路看作一個等效子信道，用等效子信道增益代替子信道增益，即可得到一個擴頻之路的調(diào)制方式和信號功率。任何對本發(fā)明方法的不違反實質(zhì)的調(diào)整，均應(yīng)看作屬于本發(fā)明方法的范疇。
下面給出一個采用本發(fā)明方法的設(shè)計實例?？紤]系統(tǒng)參與比特和功率分配的子信道有NC＝30個，數(shù)據(jù)速率為Rb＝60比特/OFDM符號，調(diào)制方式集合為B＝{0，2，4，6}，分別對應(yīng)的調(diào)制方式為{不發(fā)送，QPSK，16-QAM，64-QAM}，系統(tǒng)目標誤碼率為Pe＝0.008。假設(shè)各個子信道噪聲的功率均為0.1毫瓦。各個子信道的功率增益如下表所示

首先可以確定各個參與分配的子信道的比特數(shù)目為b＝Rb/NC＝48/24＝2，即每個子信道包含兩個比特，對應(yīng)的調(diào)制方式為QPSK，因此各個參與分配的子信道采用的調(diào)制方式均為QPSK。根據(jù)本發(fā)明方法的第二步，可以求得各個子信道的目標誤碼率如下表所示

根據(jù)本發(fā)明方法的第三步，可以求得各個子信道所需要的信號功率如下表所示(單位毫瓦)

根據(jù)調(diào)制方式和子信道的信號功率，即可對傳輸比特進行子信道中的調(diào)制、功率調(diào)整等過程，然后再進行多載波調(diào)制，將信號發(fā)送到信道中。需要注意的是，計算得到的功率結(jié)果中，第4個子信道的功率為0，即該子信道沒有信號發(fā)送。這是由于該子信道的目標誤碼率為0.2，根據(jù)公式(4)計算得到的功率值恰好為0。接收端進行解調(diào)時，仍然對第4個子信道中的信號按正常方法解調(diào)，只是此時該子信道中的接收信號完全為噪聲信號。
在后續(xù)發(fā)送過程中，如果數(shù)據(jù)速率和參與分配的子信道數(shù)目不變，則不需要確定調(diào)制方式，各個子信道的調(diào)制方式均采用QPSK方式即可，而只需要根據(jù)信道增益和噪聲功率調(diào)整各個子信道的信號功率。
根據(jù)功率計算結(jié)果，可以求得按照本發(fā)明方法，系統(tǒng)所需要的總功率為169.53毫瓦。如果采用傳統(tǒng)的等比特、等誤碼率分配方式，各個子信道目標誤碼率均等于Pe，可以求得系統(tǒng)所需要的總功率為1020.3毫瓦?？梢姳景l(fā)明方法與傳統(tǒng)的自適應(yīng)傳輸方法相比，能夠大大降低系統(tǒng)所需要的功率。
權(quán)利要求
1.一種用于OFDM系統(tǒng)的非等誤碼率自適應(yīng)傳輸方法，其重要步驟包括首先，根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率和參與比特和功率分配的子信道總數(shù)，以及系統(tǒng)可用的調(diào)制方式，為所有參與分配的子信道分配相同數(shù)目的比特，根據(jù)比特數(shù)目確定子信道采用的調(diào)制方式；其次，在子信道的目標誤碼率可以不相等的條件下，求得參與分配的各個子信道的最優(yōu)的目標誤碼率，使系統(tǒng)所需總功率最??；然后，根據(jù)各個參與分配的子信道的目標誤碼率和比特數(shù)目，以及子信道增益和噪聲功率，計算各個參與分配的子信道所需要的發(fā)送信號功率；最后，根據(jù)子信道的調(diào)制方式以及功率分配結(jié)果，進行信號的調(diào)制發(fā)送。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于OFDM系統(tǒng)的非等誤碼率自適應(yīng)傳輸方法，其特征在于所有參于比特和功率分配的子信道具有相同的比特數(shù)目和調(diào)制方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于OFDM系統(tǒng)的非等誤碼率自適應(yīng)傳輸方法，其特征在于在子信道的目標誤碼率可以不相等的條件下，求得參與分配的各個子信道的最優(yōu)的目標誤碼率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和3所述的一種用于OFDM系統(tǒng)的非等誤碼率自適應(yīng)傳輸方法，其特征在于在子信道的目標誤碼率可以不相等的條件下，求得的參與分配的各個子信道的最優(yōu)的目標誤碼率，是使系統(tǒng)所需總功率最小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于OFDM系統(tǒng)的非等誤碼率自適應(yīng)傳輸方法，其特征在于得到各個參與分配的子信道的目標誤碼率和比特數(shù)目后，需要為各個參與分配的子信道所需要的發(fā)送信號功率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于OFDM系統(tǒng)的非等誤碼率自適應(yīng)傳輸方法，其特征在于如果在后續(xù)發(fā)送過程中系統(tǒng)比特速率和參與分配的子信道數(shù)目不變，則確定調(diào)制方式的過程，即本發(fā)明方法的第一步，可以省略，按照第一次發(fā)送時得到的調(diào)制方式的結(jié)果即可。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于OFDM系統(tǒng)的非等誤碼率自適應(yīng)傳輸方法，用于設(shè)計OFDM系統(tǒng)中的自適應(yīng)調(diào)制方案。本發(fā)明中，首先為所有參與比特和功率分配的子信道分配相同的比特數(shù)目，即所有這些子信道采用相同的調(diào)制方式；然后為這些子信道分配功率，使系統(tǒng)所需要的總功率最低。分配功率時各個子信道的目標誤碼率可以不相等。最后按照比特和功率分配結(jié)果進行信號的發(fā)送。本發(fā)明算法的復(fù)雜度、實際應(yīng)用中所需要的信令開銷都非常低，算法的性能優(yōu)于等比特、等功率分配的非自適應(yīng)傳輸方法，也優(yōu)于傳統(tǒng)的等比特、等誤碼率分配的自適應(yīng)傳輸方法，適合實際當(dāng)中的應(yīng)用。
文檔編號H04L27/26GK1921469SQ20061011298
公開日2007年2月28日 申請日期2006年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月14日
發(fā)明者劉凱明, 劉元安 申請人:北京郵電大學(xué)