專利名稱：基于排序的ofdm系統(tǒng)動(dòng)態(tài)比特加載方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，一種用于正交頻分(OFDM)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)比特加載方法。

背景技術(shù)：
正交頻分復(fù)用(OFDM)是一種移動(dòng)通信環(huán)境下的多載波傳輸技術(shù)，其最大的特點(diǎn)就是將可用頻帶劃分成若干個(gè)子載波，從而將頻率選擇性信道轉(zhuǎn)化成一系列正交的平坦衰落信道，結(jié)合循環(huán)前綴，OFDM可以有效的對(duì)抗多徑效應(yīng)，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸速率；由于子載波在頻譜上的重疊，OFDM極大地提高了頻譜利用率；由于IFFT/FFT可以用來實(shí)現(xiàn)OFDM的調(diào)制/解調(diào)，極大地簡(jiǎn)化了多載波系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的設(shè)計(jì)。OFDM在數(shù)字視頻/音頻廣播(DVB-T/DAB)、無線局域網(wǎng)(IEEE802.11Serial、Hiper-LAN/2)、數(shù)字用戶線(xDSL)等領(lǐng)域中都獲得了廣泛的應(yīng)用。
OFDM易于同動(dòng)態(tài)資源分配技術(shù)相結(jié)合，可以顯著提高系統(tǒng)容量，從而受到廣泛關(guān)注。理論上，注水法可以獲得最優(yōu)的比特加載性能。但是采用注水法獲得的比特加載結(jié)果是連續(xù)的任意實(shí)數(shù)，與實(shí)際通信系統(tǒng)中的BPSK，QPSK，MQAM調(diào)制要求的離散整數(shù)比特加載相矛盾。目前，離散整數(shù)比特加載的算法可以分為兩類一類是在注水算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行舍入近似，如Chow算法、Fischer算法等；另一類是直接解決離散整數(shù)資源分配問題，如Greedy(貪婪)算法、Campello算法?？梢宰C明貪婪算法是離散整數(shù)比特加載的最優(yōu)算法，在比較OFDM系統(tǒng)資源分配算法性能時(shí)，常為人采用。但是貪婪算法在用戶資源較多時(shí)，復(fù)雜度很高，不能滿足實(shí)時(shí)通信的要求。有鑒于此，對(duì)性能優(yōu)而復(fù)雜度低的比特加載算法進(jìn)行研究具有很大的實(shí)際意義。


發(fā)明內(nèi)容
貪婪算法的顯著特點(diǎn)是每次只為一個(gè)子載波加載若干個(gè)比特，并且每次比特加載都需要進(jìn)行必要的計(jì)算以確定目標(biāo)子載波。其復(fù)雜度主要存在于每次目標(biāo)子載波的選擇計(jì)算上。當(dāng)為用戶分配的子載波較多或者要求的速率較高時(shí)，算法的實(shí)時(shí)性很難保證?，F(xiàn)存的復(fù)雜度低的比特加載算法相對(duì)于貪婪算法往往存在性能損失。為了兼顧性能和復(fù)雜度兩個(gè)方面，本發(fā)明首先確定具有相同貪婪算法比特加載共性的子載波的邊界，隨后將排序后的子載波分組，每次同時(shí)為多個(gè)子載波加載比特，極大地降低了目標(biāo)子載波選擇的復(fù)雜度。
本發(fā)明提供了OFDM系統(tǒng)中的基于Greedy算法的改進(jìn)方法，其原理為首先對(duì)為用戶分配的子載波按照其信道增益平方的大小進(jìn)行降序排列，然后按照計(jì)算出的分組邊界將子載波分組。將子載波分組的目的是當(dāng)進(jìn)行比特加載時(shí)，選定組內(nèi)的所有子載波可同時(shí)加載比特，極大地簡(jiǎn)化了比特加載過程。按組加載比特時(shí)各組的加載順序?yàn)榈谝淮渭虞d的組為A1；第二次加載的組為A1，A2；第三次加載的組為A1，A2，A3；第四次加載的組為A1，A2，A3，A4；......考慮到子載波信道增益的隨機(jī)性及由此引起的每組內(nèi)子載波個(gè)數(shù)的不確定性，為了滿足要求的速率，本發(fā)明利用劃分子組的方法或Greedy算法做進(jìn)一步的細(xì)化比特加載，逐步逼近要求的速率。
本發(fā)明提供的比特加載方法包括如下步驟 考慮一個(gè)OFDM系統(tǒng)，對(duì)于某個(gè)用戶，為其分配的子載波和相應(yīng)子載波的信道增益全部已知，用戶需要加載的總的比特?cái)?shù)記為R。
首先基站對(duì)為用戶分配的所有子載波按照信道增益平方的大小進(jìn)行降序排列，并將該用戶的子載波信道增益平方的最大值記為|αmax|2，計(jì)算分組界限的方法如下設(shè)速率-功率函數(shù)為f(c)(f(c)表示在信道增益等于1時(shí)，在某一個(gè)子載波上實(shí)現(xiàn)可靠接收c個(gè)信息比特所需的發(fā)射功率)，第一次加載ΔB比特時(shí)，第一組所有子載波全部加載ΔB比特，其邊界決定于該組內(nèi)子載波是否有子載波要加載第二個(gè)ΔB比特，故第一組內(nèi)的任意子載波j的信道增益平方|αj|2應(yīng)該滿足 考慮到實(shí)際情況中無線通信的調(diào)制方式多為MQAM(M＝4，16，64)，c為偶數(shù)，速率-功率函數(shù)的具體表達(dá)式可采用N0為噪聲方差，Pe為誤比特率，整理上式可得，若取ΔB＝2，則有即對(duì)于第n組的邊界，類似上述推導(dǎo)，可得根據(jù)算出的邊界比例系數(shù)為確定各組子載波信道增益平方的界限。第一組A1(b1|αmax|2，b0|αmax|2)，第二組A2(b2|αmax|2，b1|αmax|2)...，由于子載波已經(jīng)按其信道增益平方降序排列，只需按序?qū)⒆虞d波序號(hào)分入各組，即若|αn|2∈(b1|αmax|2，b0|αmax|2)，則αn∈A1；若|αn|2∈(b2|αmax|2，b1|αmax|2)，則αn∈A2L L。
比特加載時(shí)首先是整組加載，整組加載比特時(shí)，各組的順序?yàn)榈谝淮蜛1內(nèi)所有子載波同時(shí)加載ΔB比特；第二次A1，A2內(nèi)所有子載波同時(shí)加載ΔB比特；第三次為A1，A2，A3；依次類推，并在每次加載完畢后，將目前用戶已加載的比特?cái)?shù)與需要加載的總的比特?cái)?shù)R比較，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)三種結(jié)果一，兩者相等，此種情況下比特加載過程結(jié)束；二，前者大于后者，此種情況下取消此次比特加載，用劃分子組或貪婪算法完成剩余比特的加載；三，前者小于后者，此種情況下進(jìn)入下一次比特加載過程。
當(dāng)用戶整組加載比特>R時(shí)，記錄最近一次加載比特<R時(shí)的各組分配結(jié)果，用于后面的劃分子組操作。對(duì)上述記錄的分組劃分子組A1＝A11+A12，兩個(gè)子組的公共邊界取A1左右邊界的中點(diǎn)，其中A11稱為A1的左子組，A12稱為A1的右子組。各子組的比特加載原則和順序?yàn)槭紫燃僭O(shè)對(duì)所有左子組(A11，A21，A31，A41L)內(nèi)的所有子載波加載ΔB比特，將用戶已加載的比特?cái)?shù)與需要加載的總的比特?cái)?shù)R比較，會(huì)出現(xiàn)四種結(jié)果一，兩者相等，此種情況下比特加載過程結(jié)束；二，前者大于后者，將所有左子組作為原始分組再次劃分新的子組，對(duì)新劃分得到的子組進(jìn)行操作；三，前者小于后者且大于后者的β倍，此時(shí)用貪婪算法完成剩余比特的加載；四，前者小于后者的β倍，此時(shí)將所有右子組作為原始分組再次劃分新的子組，對(duì)新劃分得到的子組進(jìn)行操作。
本發(fā)明的特點(diǎn)是利用對(duì)子載波排序、分組的方法，一次為多個(gè)子載波加載比特，減少了Greedy算法每次選擇子載波時(shí)的復(fù)雜度。



圖1示出了對(duì)子載波加載比特的總流程圖。
圖2示出了采用劃分子組或Greedy算法加載剩余比特的流程圖。
圖3給出了整組加載比特時(shí)各組加載順序的一個(gè)實(shí)例。
表1給出了對(duì)復(fù)雜度數(shù)值仿真時(shí)涉及到的具體參數(shù)。
表1 圖4給出了當(dāng)子載波個(gè)數(shù)的范圍為8～128時(shí)，兩種算法計(jì)算復(fù)雜度的比例關(guān)系(改進(jìn)算法的復(fù)雜度除以Greedy算法的復(fù)雜度)。
圖5給出了當(dāng)子載波個(gè)數(shù)的范圍為128～512時(shí)，兩種算法計(jì)算復(fù)雜度的比例關(guān)系(改進(jìn)算法的復(fù)雜度除以Greedy算法的復(fù)雜度)。

具體實(shí)施例方式 下面通過附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述。
圖1示出了對(duì)子載波加載比特的總流程圖。
假定基站已知用戶的信道增益，R表示用戶需要加載的總的比特?cái)?shù)。
該流程從步驟101開始，進(jìn)入步驟102，找出用戶的子載波信道增益平方的最大值|αmax|2，并根據(jù)|αmax|2確定各子載波分組的邊界。
在步驟103，對(duì)子載波按信道增益排序，并根據(jù)102確定的邊界對(duì)子載波進(jìn)行分組。
在步驟104，開始進(jìn)入循環(huán)流程，設(shè)定計(jì)數(shù)變量初始值n＝1。
在步驟105，完成整組加載比特過程，第n次各組加載的順序?yàn)锳1，A2，…，An。
在步驟106，將已經(jīng)加載的比特?cái)?shù)與R相比較，若兩者相等，則進(jìn)入步驟110，比特加載過程結(jié)束；若兩者不相等，則轉(zhuǎn)步驟107。
在步驟107，將已經(jīng)加載的比特?cái)?shù)與R相比較，若是前者小于后者，則進(jìn)入步驟108；若是前者大于后者，則進(jìn)入步驟109。
在步驟108，計(jì)數(shù)變量增加一個(gè)計(jì)量單位，即n＝n+1。
在步驟109，撤銷第n次比特加載，采用劃分子組或Greedy算法完成剩余比特加載。
圖2示出了采用劃分子組或Greedy算法加載剩余比特的流程圖。
該流程從步驟201開始，進(jìn)入步驟202，確定各個(gè)子組的邊界，將子載波分組分為左右子組。
在步驟203，假設(shè)為所有左子組內(nèi)的子載波同時(shí)加載ΔB比特。
在步驟204，將已經(jīng)加載的比特?cái)?shù)與R相比較，若兩者相等，則進(jìn)入步驟210，比特加載過程結(jié)束；若兩者不相等，則轉(zhuǎn)步驟205。
在步驟205，將已經(jīng)加載的比特?cái)?shù)與R相比較，若是前者小于后者，則進(jìn)入步驟207；若是前者大于后者，則進(jìn)入步驟206。
在步驟206，將左子組作為原始分組繼續(xù)劃分新的左右子組，并進(jìn)入步驟203。
在步驟207，將已經(jīng)加載的比特?cái)?shù)與βR相比較，若是前者小于后者，則進(jìn)入步驟208；若是前者大于等于后者，進(jìn)入步驟209。
在步驟208，將所有左子組全部同時(shí)加載ΔB比特，并將右子組作為原始分組繼續(xù)劃分新的左右子組，進(jìn)入步驟203。
在步驟209，用貪婪算法完成剩余的比特加載。
圖3給出了整組加載比特時(shí)各組子載波加載順序的一個(gè)實(shí)例。
其橫坐標(biāo)為子載波的組號(hào)，縱坐標(biāo)為每組子載波加載的比特?cái)?shù)。劃分子組后子組的比特加載順序與此類似。
性能分析 表1給出了對(duì)方案復(fù)雜度數(shù)值仿真時(shí)涉及到的具體參數(shù)，如為每個(gè)用戶分配的子載波數(shù)，每個(gè)用戶加載的比特?cái)?shù)與其速率要求的比例關(guān)系，參與比特加載的組數(shù)、劃分子組的次數(shù)等等。
圖4，圖5的橫坐標(biāo)表示用戶分配的子載波數(shù)，縱坐標(biāo)表示兩種算法計(jì)算復(fù)雜度的比例(改進(jìn)算法的復(fù)雜度除以Greedy算法的復(fù)雜度)，其中圖4中用戶分配的子載波個(gè)數(shù)的范圍為8～128，圖5中用戶分配的子載波個(gè)數(shù)的范圍為128～512。從圖中可以看出，本發(fā)明的復(fù)雜度在用戶的速率要求較高時(shí)或者分配的子載波較多時(shí)明顯低于Greedy算法，資源分配問題的規(guī)模越大，本專利提供的算法的相對(duì)性能越好。
復(fù)雜度分析 實(shí)際應(yīng)用中，無線通信采用的調(diào)制方式多為QPSK，16QAM，64QAM，每次加載的比特?cái)?shù)均為2個(gè)，由于本專利提出的改進(jìn)算法在每次加載2個(gè)比特時(shí)與Greedy算法性能相同，這里將本專利與Greedy算法的復(fù)雜度進(jìn)行比較。
復(fù)雜度分析如下 Greedy算法第一次加載ΔB比特，計(jì)算

i＝1，2，L，N，一共需要計(jì)算N次，其中N表示為用戶分配的子載波個(gè)數(shù)，從中挑出最小值需要的復(fù)雜度為

；第二次加載ΔB比特，計(jì)算

其中ii為上一次選中的子載波，共只需計(jì)算一次，從中挑出最小值需要做N次比較；后續(xù)復(fù)雜度分析與第二次類似。分配完畢后，共循環(huán)

次，R為該用戶需要發(fā)送的比特?cái)?shù)。所以總的復(fù)雜度為近似為

其中每次實(shí)數(shù)加法需要1次浮點(diǎn)操作，每次實(shí)數(shù)乘法需要1次浮點(diǎn)操作。
改進(jìn)算法首先挑出具有最大信道增益平方的子載波，其需要比較的次數(shù)為N，對(duì)用戶的所有子載波按照信道增益平方的大小進(jìn)行降序排列，其需要的比較次數(shù)近似為1.386Nlog2N-2.846N。開始分組時(shí)，首先確定A1內(nèi)的子載波，其方法為將A1的右邊界b1|αmax|2插入排序后的子載波中間，其最壞情況下的比較次數(shù)為


表示取小于x的最小的整數(shù)，插入其它組(子組)邊界地分析情況與此類似，只不過插值時(shí)問題的規(guī)模變小(更小)?？紤]到N值的實(shí)際范圍在幾十至幾百之間，插入引起的復(fù)雜度完全可以忽略。
設(shè)操作中，分組的總數(shù)為G，實(shí)際比特加載過程中，開始劃分子組時(shí)，參與比特加載的子載波分組數(shù)為g，則未劃分子組前需要的比較次數(shù)為g。劃分子組過程中，每次確定子組的邊界需要計(jì)算一次bg2＝(bl+br)/2，其復(fù)雜度為2g，同時(shí)還需要一次與R的比較，所以復(fù)雜度為2g+1；假定分配過程中需要?jiǎng)澐肿咏Mk次，則復(fù)雜度為kg(2g+1)；考慮到實(shí)際應(yīng)用和對(duì)于αmax的設(shè)定，g，k一般為個(gè)位數(shù)，且最后用Greedy算法完成剩余比特分配的復(fù)雜度可以忽略。所以總的復(fù)雜度為N+1.386N1gN-2.486N+k(2g+1)≈1.386N log2N-1.486N+k(2g+1)。實(shí)際分配過程中，N一般在幾十至幾百間取值。
權(quán)利要求
1、一種用于正交頻分(OFDM)多載波系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)比特加載方法，該方法的特征在于基站根據(jù)用戶的信道狀態(tài)信息，將子載波按信道增益平方的大小進(jìn)行降序排列；根據(jù)Greedy算法比特加載過程中的特點(diǎn)，將排序后的子載波按確定的界限分組，然后以分組為單位對(duì)各組子載波按序整組進(jìn)行比特加載；根據(jù)比特加載的完成情況，以及系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定，采用劃分子組或貪婪算法完成剩余比特加載。
2、根據(jù)權(quán)利要求1中所述的按照子載波的信道增益，將給用戶分配的子載波按信道增益平方的大小進(jìn)行降序排列，對(duì)排序后的子載波進(jìn)行分組，其特征在于，首先基站對(duì)給用戶分配的所有子載波按照信道增益平方進(jìn)行降序排列，并選出用戶所有子載波信道增益平方的最大值，記為|αmax|2，根據(jù)算出的各組的邊界比例系數(shù)n＝0，1，2，...，其中ΔB為每次為每個(gè)子載波加載的比特?cái)?shù)。確定各子載波分組內(nèi)子載波的信道增益平方的界限b0|αmax|2＝|αmax|2，...，則各子載波分組按信道增益平方劃分的區(qū)間分別為第一組A1(b1|αmax|2，b0|αmax|2)，第二組A2(b2|αmax|2，b1|αmax|2)…，由于子載波已經(jīng)按其信道增益的平方降序排列，只需按序?qū)⒆虞d波序號(hào)分入各組，即若|αn|2∈(b1|αmax|2，b0|αmax|2)，則αn∈A1；若|αn|2∈(b2|αmax|2，b1|αmax|2)，則αn∈A2……。
3、根據(jù)權(quán)利要求1中所述的對(duì)各組進(jìn)行整組比特加載，其特征在于整組加載比特的順序?yàn)椋谝淮螌?duì)A1內(nèi)所有子載波加載ΔB比特；第二次對(duì)A1，A2內(nèi)所有子載波加載ΔB比特；第三次對(duì)A1，A2，A3內(nèi)所有子載波加載ΔB比特；第四次對(duì)A1，A2，A3，A4內(nèi)所有子載波加載ΔB比特；......以此類推，并在每次加載完畢后，將目前用戶已加載的比特?cái)?shù)與需要加載的總的比特?cái)?shù)比較，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)三種結(jié)果一，兩者相等，此種情況下比特加載過程結(jié)束；二，前者大于后者，此種情況下取消此次比特加載，用劃分子組或貪婪算法完成剩余比特的加載；三，前者小于后者，此種情況下進(jìn)入下一次整組比特加載過程。
4、根據(jù)權(quán)利要求1中所述的劃分子組，其特征在于記第g分組的左右邊界分別為bl，br，則重新劃分的兩個(gè)子組的邊界分別為bg1＝bl，bg2＝(bl+br)/2，bg3＝br，左邊子組Ag1為信道增益平方在(bg1|αmax|2，bg2|αmax|2)內(nèi)的子載波，右邊子組Ag2為信道增益平方在(bg2|αmax|2，bg3|αmax|2)內(nèi)的子載波；繼續(xù)對(duì)子組劃分時(shí)的情形與此類似；若計(jì)算的子組區(qū)間內(nèi)沒有子載波，則劃分的子組為空集。
5、根據(jù)權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定條件，其特征在于，0<β<1，參數(shù)β根據(jù)算法要求的實(shí)際情況選取，設(shè)定β的目的是降低分組過小引起的復(fù)雜度。
6、根據(jù)權(quán)利要求1中所述的采用劃分子組或是貪婪算法加載比特，其特征在于，新劃分的子組與原來的子載波分組的關(guān)系為，A11+A12＝A1，A21+A22＝A2，…；對(duì)子組加載比特的原則為假設(shè)對(duì)所有左邊的子組(A11，A21，A31，A41…)的所有子載波加載ΔB比特，將用戶已加載的比特?cái)?shù)與需要加載的總的比特?cái)?shù)比較，會(huì)出現(xiàn)四種結(jié)果一，兩者相等，此種情況下比特加載過程結(jié)束；二，前者大于后者，將上次劃分子組所得所有左子組作為原始分組按照權(quán)利要求4再次劃分新的左右子組，對(duì)新劃分得到的子組進(jìn)行操作；三，前者小于后者且大于后者的β倍，此時(shí)用貪婪算法完成剩余比特的加載；四，前者小于后者的β倍，此時(shí)將所有右子組作為原始分組按照權(quán)利要求4再次劃分新的子組，對(duì)新劃分得到的子組進(jìn)行操作。
全文摘要
本發(fā)明是對(duì)基于Greedy(貪婪)算法的傳統(tǒng)比特加載方法的改進(jìn)，用于動(dòng)態(tài)分配子載波的加載比特，適用于采用正交頻分(OFDM)技術(shù)的多用戶和單用戶系統(tǒng)。其對(duì)Greedy算法的最大改進(jìn)是利用實(shí)時(shí)反饋的信道狀態(tài)信息，對(duì)子載波進(jìn)行排序分組，實(shí)現(xiàn)一次對(duì)多個(gè)子載波進(jìn)行比特加載，從而加速比特加載過程。與傳統(tǒng)的每次對(duì)一個(gè)子載波加載比特的Greedy算法相比，本發(fā)明提供的方法在保證性能的同時(shí)大幅度降低了算法的復(fù)雜度。
文檔編號(hào)H04L27/26GK101478517SQ200810222668
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2008年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月22日
發(fā)明者劉元安, 胡玉佩, 毅 趙, 剛 謝, 唐碧華, 高錦春 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)