專利名稱：：一種基于比特預(yù)分配的自適應(yīng)比特功率分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及無線通信系統(tǒng)中的一種自適應(yīng)比特功率分配方法，特別涉及具有高功率效率和較低復(fù)雜度的一種基于比特預(yù)分配的自適應(yīng)比特功率分配方法。該方法適用于所有釆用正交頻分復(fù)用(QFDM)技術(shù)或多輸入多輸出OFDM(MIMO-OFDM)技術(shù)的無線通信系統(tǒng)，屬于自適應(yīng)傳輸
技術(shù)領(lǐng)域：
。(二)技術(shù)背景OFDM技術(shù)由于能夠有效地抵抗多徑干擾和頻率選擇性衰落，并具有良好的高速數(shù)據(jù)傳輸能力、易實(shí)現(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn)，受到了越來越多的關(guān)注，目前已經(jīng)被確定為下一代移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。多徑頻率選擇性衰落和時變性是無線信道的兩大特性。傳統(tǒng)的OFDM單用戶系統(tǒng)可根據(jù)傳輸速率的要求在不同模式間切換，但在每個子信道上釆用相同的調(diào)制方式(如IEEE802.11a和DVB-T)。實(shí)際上，在一定的誤比特率下，信道條件好的子信道或者當(dāng)子信道的質(zhì)量有所提高后，可以在該子信道采用較高等級的調(diào)制方式或者裝載較小的發(fā)射功率。因而，傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)的資源沒有得到充分利用。為了解決上述問題，可以利用OFDM系統(tǒng)多載波結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，使其靈活地與自適應(yīng)傳輸技術(shù)相結(jié)合，從而優(yōu)化系統(tǒng)整體性能。依據(jù)香農(nóng)定理，信道容量限是實(shí)現(xiàn)可靠通信的最大傳輸極限。為了實(shí)現(xiàn)信道容量的最大化，在給定的發(fā)送功率條件下，現(xiàn)有通信系統(tǒng)通常釆用自適應(yīng)比特、功率分配。目前，許多文獻(xiàn)提出了各種自適應(yīng)比特功率分配算法。盡管"注水"能量分配方法確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的解決方案，但是這種方法的計算難度比較大，而且還需要假設(shè)星座規(guī)模量化精度要無限小，這在實(shí)際當(dāng)中是不可能實(shí)現(xiàn)的。一種廣泛用于多載波系統(tǒng)的，量化精度有限的最優(yōu)算法是貪婪(Greedy)算法。該算法基于數(shù)學(xué)中的"貪婪優(yōu)化"[1],系統(tǒng)性能優(yōu)化的準(zhǔn)則既可以采用邊值自適應(yīng)(MA)優(yōu)化準(zhǔn)則，也可以釆用速率自適應(yīng)(RA)優(yōu)化準(zhǔn)則[2]。該算法致命的缺點(diǎn)是復(fù)雜度過高，速度非常慢，消耗的運(yùn)算時間過長[3]。自適應(yīng)傳輸要求發(fā)送/接收設(shè)備快速、靈活地切換工作模式，因此，傳統(tǒng)的貪婪算法并不適合于實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)時性應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容1、目的自適應(yīng)比特功率分配技術(shù)，通過動態(tài)地為各個子信道選擇合適的調(diào)制方式和信號功率，能夠最大限度地利用信道容量，在可靠傳輸?shù)那疤嵯?，使各子信道承載更多的比特，極大地提高了系統(tǒng)的傳輸效率和功率效率。自適應(yīng)比特功率分配的目標(biāo)在于尋求最佳的比特和功率分配方案，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能。為了解決現(xiàn)有自適應(yīng)比特功率分配方法用于OFDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和實(shí)時性問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于比特預(yù)分配的自適應(yīng)比特功率分配方法，該方法在MA優(yōu)化準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上對貪婪算法進(jìn)行了改進(jìn)，即在一定的誤比特率和信息速率情況下，將一部分比特預(yù)先分配給子信道增益大于平均信道增益的子信道，而后再通過傳統(tǒng)的貪婪算法分配剩余比特，從而使得總發(fā)射功率最小化，同時降低了算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。2、技術(shù)方案本發(fā)明是一種基于比特預(yù)分配的自適應(yīng)比特功率分配方法，它的主要特征在于優(yōu)化準(zhǔn)則釆用MA優(yōu)化準(zhǔn)則，優(yōu)化方程描述為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中尸(/)為分配到第"個子信道上的功率，表示系統(tǒng)所需要的目標(biāo)誤碼率(BER),C"/)表示第/個子信道上發(fā)送的信息比特數(shù)，W為子信道數(shù)目。在頻率選擇性衰落信道中，不同子信道的衰落特性是不同的。假設(shè)第/子信道的信道增益為"、/C"/))表示信道增益為1時、滿足BER要求時、在一個子信道內(nèi)可靠接收G(/)個信息比特所需要的接收功率，由目標(biāo)BER,調(diào)制方式和編碼方法決定。幾乎所有的調(diào)制和編碼方式都滿足以下兩個條件首先，./(0)=0即沒有比特發(fā)送時，所需要的功率為0;其次，XG(/))為下凸單調(diào)增函數(shù)。第/個子信道所需要的發(fā)送功率為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>系統(tǒng)總的發(fā)射功率為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>對于MQAM自適應(yīng)調(diào)制，給定誤比特率，/(e"("可表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(4)這里，C"/)表示第/個子信道分配的比特，M)表示信道中加性高斯白噪聲(AWGN)的單邊功率譜密度。為了降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，本發(fā)明方法把子信道增益大于平均信道增益的子信道進(jìn)行比特預(yù)分配。對于一定的比特傳輸速率，平均每個子信道承載的比特數(shù)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(5)可以將e"做為子信道比特預(yù)分配的數(shù)目，將其-次分配到子信道上，避免了一部分迭代過程，從而降低了算法的時間復(fù)雜度。剩余比特通過傳統(tǒng)的貪婪算法分配到各個子信道，在保證給定的誤比特率和信息速率的情況下，使得系統(tǒng)總發(fā)射功率最小化。圖1給出了釆用本發(fā)明方法的OFDM系統(tǒng)方框示意圖。系統(tǒng)發(fā)射機(jī)由子載波比特功率分配器101，IFFT模塊102，并串轉(zhuǎn)換器103和添加循環(huán)前綴(CP)模塊104構(gòu)成。為了提高系統(tǒng)的可靠性，信道估計與自適應(yīng)分配算法均在接收端進(jìn)行。發(fā)送端首先向接收端發(fā)送訓(xùn)練符號，接收端根據(jù)估計的信道瞬時狀況確定每個子載波的調(diào)制方案，并將表示調(diào)制方案的信息比特通過反饋信道反饋給發(fā)送端。子載波比特功率分配器101根據(jù)接收端的反饋信息為OFDM子載波選擇調(diào)制方式并分配發(fā)射功率，自適應(yīng)調(diào)制得到的各路信號被并行送入IFFT模塊102,再經(jīng)并串轉(zhuǎn)換器103和添加CP模塊104完成OFDM調(diào)制，輸出的OFDM符號經(jīng)由天線發(fā)射出去。系統(tǒng)接收機(jī)是由對應(yīng)的去除CP模塊106，串并轉(zhuǎn)換器107,FFT模塊108,信道估計器109，自適應(yīng)比特功率分配算法模塊110,均衡器111和自適應(yīng)解調(diào)器112構(gòu)成。信號經(jīng)過無線衰落信道105到達(dá)系統(tǒng)接收端，完成去除CP、串并轉(zhuǎn)換、FFT解調(diào)、信道估計和均衡，最后經(jīng)過對應(yīng)的自適應(yīng)解調(diào)器得到輸出的比特流。一旦信道被估計得到，就可以用于對應(yīng)所有子載波的信道狀態(tài)信息(CSI)的估算，從而為下一組發(fā)送數(shù)據(jù)選擇調(diào)制方案。這里假設(shè)發(fā)射機(jī)能夠獲得子載波的完整信道特性，且系統(tǒng)收、發(fā)兩端完全同步，信道信息的反饋及時、有效。圖2給出了本發(fā)明方法自適應(yīng)比特功率分配的流程示意圖。首先根據(jù)瞬時CSI結(jié)果計算平均信道增益；對于信道增益大于平均信道增益的子信道進(jìn)行比特預(yù)分配;對于剩余比特，按照傳統(tǒng)的貪婪算法在分配每一個比特時選擇增加一個比特所需功率最少的子信道，直到所有比特分配完畢；計算各子信道功率，得到最小化的總功率。綜上所述，針對OFDM通信系統(tǒng)，本發(fā)明是一種基于比特預(yù)分配的自適應(yīng)比特功率分配方法，比特分配及調(diào)制方案選擇主要在系統(tǒng)接收端完成，該方法具體搡作步驟如下步驟一瞬時CSI估計.接收端通過信道估計得到對應(yīng)所有子載波的瞬時CSI,即"'(/=1,2,…，A0。步驟二比特預(yù)分配(1)計算平均信道增益;(2)對于信道增益大于^的子載波分配比特^'(/)=^，統(tǒng)計信道增益大于平均信道增益的子載波個數(shù)M。步驟三比特單步分配n)對所有的K2，…，見計算,.)=[/("/)")-/(c,'柳/",2，腳》可由要求的5￡《^"和可能的c,，(/)在運(yùn)行自適應(yīng)算法之前計算出來，存入索引表格，使用時可以查表取出,例如，5￡《叫"=10—4時，<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>(2)查找^W(一1，2，…，M中的最小值，選擇"二argminAP(0的子信道，為該子載波多分配一個比特&('.)=&+1;(3)重復(fù)(1)(2)^—MxC"次，完成所有比特在子載波上的分配。尸=2步驟四計算各子載波功率"'和總功率《。3、優(yōu)點(diǎn)及功效本發(fā)明提出的這種基于比特預(yù)分配的自適應(yīng)比特功率分配方法，由于是針對傳統(tǒng)貪婪算法的比特分配流程做了優(yōu)化，因而在很大程度上降低了算法的時間復(fù)雜度，但比特功率分配的效率并沒有明顯損失。本發(fā)明自適應(yīng)比特功率分配方法具有以下幾個主要優(yōu)點(diǎn)利用比特預(yù)分配策略，將部分比特一次分配到子信道上，避免了一部分迭代過程，(1)(9從而降低了算法的時間復(fù)雜度。貪婪算法的時間復(fù)雜度為,而本發(fā)明方法時間復(fù)雜度為，其中M表示子信道增益大于平均信道增益的子信道的個數(shù)，由信道條件決定，是一個隨機(jī)變量，由此帶來的時(2)(3)間復(fù)雜度的節(jié)省也是一個隨機(jī)變量，即/CG(W可以由事先建立的索引表格查表取出，避免了每次迭代重復(fù)計算/(e"('.))，進(jìn)一步降低了算法的時間復(fù)雜度?；谧顑?yōu)的貪婪算法進(jìn)行自適應(yīng)比特功率分配，具有較高的傳輸效率和功率效率。圖1采用本發(fā)明方法的OFDM系統(tǒng)方框示意圖圖2本發(fā)明方法自適應(yīng)比特功率分配流程方框示意圖圖中符號說明如下101子載波比特功率分配器；102IFFT模塊；103并串轉(zhuǎn)換器；104添加CP模塊；105無線衰落信道；106去除CP模塊；107串并轉(zhuǎn)換器；108FFT模塊；109信道估計器；110自適應(yīng)比特功率分配算法模塊；lll均衡器；112自適應(yīng)解調(diào)器。尸0〕分配到第n個子信道上的功率C力')第/個子信道上承載的信息比特數(shù)/C"/))信道增益為1時、滿足誤比特率要求時、在一個子信道內(nèi)可靠接收C,力')個信息比特所需要的接收功率TV子信道數(shù)目G子信道比特預(yù)分配的數(shù)目平均信道增益信息速率，即所有子信道上承載的信息比特數(shù)"'第/個子信道的信道增益具體實(shí)施例方式見圖l、圖2所示，以子載波數(shù)為W的OFDM通信系統(tǒng)為例，考慮自適應(yīng)調(diào)制可選的調(diào)制方式為不傳輸、QPSK、16QAM和64QAM,本發(fā)明一種基于比特預(yù)分配的自適應(yīng)比特功率分配方法，該方法的具體步驟如下步驟一瞬時CSI估計接收端通過信道估計得到對應(yīng)所有子載波的瞬時CSI，即"'(/=1，2，…，M。步驟二比特預(yù)分配(1)計算平均信道增益;(2)對于信道增益大于^0的子載波分配比特(〕(/)=^;=3，統(tǒng)計信道增益大于平均信道增益的子載波個數(shù)M。步驟三比特單步分配("對所有的K2，…，見計算,.)=[/("0")-/(C,'柳/"，',，可由事先建立的索引表格查表取出；(2)査找A尸(0(—1，2,…，AO中的最小值，選擇"、argminA尸(0的子信道，為該子信道多分配一個比特&(/)=e"0')+1;(3)重復(fù)(1)(2)^一MxC"次，完成所有比特在子信道上的分配。=/(C"2(/))尸—I/)步驟四計算各子信道功率W和總功率'='"'2。以上便完成了OFDM子載波比特和功率的自適應(yīng)分配。綜上所述，本發(fā)明一種基于比特預(yù)分配的自適應(yīng)比特功率分配方法，利用比特預(yù)分配策略將一部分比特預(yù)先分配給子信道增益大于平均信道增益的子信道，避免了一部分迭代過程，同時可以由事先建立的索引表格查表取出/(^，(/))，避免了每次迭代過程中重復(fù)計算，因而在很大程度上降低了算法復(fù)雜度，提高了運(yùn)算速度，因而非常適用于實(shí)時性要求較高的系統(tǒng)。另一方面，本發(fā)明方法在進(jìn)行比特預(yù)分配后，進(jìn)一步通過貪婪算法分配剩余比特，從而具有較高的傳輸效率和功率效率。參考文獻(xiàn)申租伉，安德魯斯JG，埃文斯BL,多用戶OFDM系統(tǒng)中固定比特速率下的自適應(yīng)資源分配，IEEE無線通訊傳輸，2005,4(6):2726-2737(ShenZukang，AndrewsJG，EvansBL.AdaptiveResourceAllocatationinMultiuserOFDMSystemswithProportionalRateConstraints[J.IEEETransactionsonWirelessCommunications,2005，4(6):2726-2737)[21休斯，非理想傳輸媒質(zhì)下的調(diào)制解調(diào)算法，美國專利Nos.4679227(1987年7月)，4731816(1988年3月)和4833796(1989年5月)(D.Hughes-I-Iartogs，"Ensemblemodemstructureforimperfecttransmissionmedia",U.S.PatentsNos.4679227(July1987)，4731816(march1988)and4833796(May1989).)[3金英勇，李海林，金比薩，多用戶OFDM系統(tǒng)中的動態(tài)子載波和比特分配在線性規(guī)劃中的應(yīng)用，IEEE全球電信會議，2001年，6:3648-3652(KimInhyoung，LeeI-IaeLeem，KimBeoms叩，"OntheuseoflinearprogrammingfordynamicsubchannelandbitallocationinmultiuserOFDM[Jj"，IEEEGlobalTelecommunicationsConference,2001，6:3648-3652)權(quán)利要求1、一種基于比特預(yù)分配的自適應(yīng)比特功率分配方法，它適用于OFDM系統(tǒng)，是在由子載波比特功率分配器、IFFT模塊、并串轉(zhuǎn)換器、添加循環(huán)前綴CP模塊構(gòu)成的系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和由對應(yīng)的去除CP模塊、串并轉(zhuǎn)換器、FFT模塊、信道估計器、自適應(yīng)比特功率分配算法模塊、均衡器、自適應(yīng)解調(diào)器構(gòu)成的系統(tǒng)接收機(jī)上實(shí)現(xiàn)的，比特分配及調(diào)制方案選擇主要在系統(tǒng)接收端完成，其特征在于該方法具體操作步驟如下步驟一瞬時CSI估計接收端通過信道估計得到對應(yīng)所有子載波的瞬時CSI，即αi(i＝1，2，...，N)；其中，αi表示第i個子信道的信道增益；步驟二比特預(yù)分配(1)計算平均信道增益<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mi>ga</mi><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><msub><mi>α</mi><mi>i</mi></msub><mo>/</mo><mi>N</mi><mo>;</mo></mrow>]]></math>id="icf0001"file="A2009100847520002C1.tif"wi="28"he="12"top="110"left="75"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>其中，ga表示平均信道增益；N表示子信道數(shù)目；(2)對于信道增益大于ga的子載波分配比特Cn(i)＝<overscore>Cn</overscore>，統(tǒng)計信道增益大于平均信道增益的子載波個數(shù)M；其中，Cn(i)表示第i個子信道上承載的信息比特數(shù)；<overscore>Cn</overscore>表示子信道比特預(yù)分配的數(shù)目；步驟三比特單步分配(1)對所有的i＝1，2，...，N，計算<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><mi>ΔP</mi><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mo>[</mo><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>C</mi><mi>n</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>C</mi><mi>n</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>/</mo><msubsup><mi>α</mi><mi>i</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0002"file="A2009100847520002C2.tif"wi="69"he="7"top="173"left="93"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>f(Cn(i))表示信道增益為1時、滿足誤比特率要求時、在一個子信道內(nèi)可靠接收Cn(i)個信息比特所需要的接收功率，它可由要求的BERtarget和可能的Cn(i)在運(yùn)行自適應(yīng)算法之前計算出來，存入索引表格，使用時可以查表取出，例如，BERtarget＝10-4時，<tablesid="tabl0001"num="0001"><table><tgroupcols="7"><colspeccolname="c001"colwidth="14%"/><colspeccolname="c002"colwidth="14%"/><colspeccolname="c003"colwidth="14%"/><colspeccolname="c004"colwidth="14%"/><colspeccolname="c005"colwidth="14%"/><colspeccolname="c006"colwidth="14%"/><colspeccolname="c007"colwidth="14%"/><thead></column></row><row><column><entrymorerows="1">Cn(i)</entry><entrymorerows="1">1</entry><entrymorerows="1">2</entry><entrymorerows="1">3</entry><entrymorerows="1">4</entry><entrymorerows="1">5</entry><entrymorerows="1">6</entry></column></row></thead><tbody></column></row><row><column><entrymorerows="1">f(Cn(i))</entry><entrymorerows="1">f(1)</entry><entrymorerows="1">f(2)</entry><entrymorerows="1">f(3)</entry><entrymorerows="1">f(4)</entry><entrymorerows="1">f(5)</entry><entrymorerows="1">f(6)</entry></column></row></tbody></tgroup></column></row><table></tables>(2)查找ΔP(i)(i＝1，2，...，N)中的最小值，選擇n*＝argminΔP(i)的子信道，為該子載波多分配一個比特Cn(i)＝Cn(i)+1；(3)重復(fù)(1)(2)R-M×<overscore>Cn</overscore>次，完成所有比特在子載波上的分配；步驟四計算各子載波功率<mathsid="math0003"num="0003"><math><![CDATA[<mrow><mi>P</mi><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>C</mi><mi>n</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><msubsup><mi>α</mi><mi>i</mi><mn>2</mn></msubsup></mfrac></mrow>]]></math>id="icf0003"file="A2009100847520003C1.tif"wi="29"he="11"top="51"left="82"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>和總功率<mathsid="math0004"num="0004"><math><![CDATA[<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mfrac><mrow><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>C</mi><mi>n</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><msubsup><mi>α</mi><mi>i</mi><mn>2</mn></msubsup></mfrac><mo>.</mo></mrow>]]></math>id="icf0004"file="A2009100847520003C2.tif"wi="31"he="12"top="51"left="130"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>全文摘要本發(fā)明一種基于比特預(yù)分配的自適應(yīng)比特功率分配方法，它有四大步驟步驟一瞬時CSI估計；步驟二比特預(yù)分配；步驟三比特單步分配；步驟四計算各子載波功率公式1和總功率公式2，本發(fā)明利用比特預(yù)分配策略將一部分比特預(yù)先分配給子信道增益大于平均信道增益的子信道，避免了一部分迭代過程，同時可以由事先建立的索引表格查表取出f(C<sub>n</sub>(i))，避免了每次迭代過程中重復(fù)計算，在很大程度上降低了算法復(fù)雜度，提高了運(yùn)算速度，因而非常適用于實(shí)時性要求較高的系統(tǒng)。另一方面，本方法在進(jìn)行比特預(yù)分配后，進(jìn)一步通過貪婪算法分配剩余比特，從而具有較高的傳輸效率和功率效率。本發(fā)明在無線通信領(lǐng)域中具有廣泛的實(shí)用價值和應(yīng)用前景。文檔編號H04L27/26GK101562874SQ20091008475公開日2009年10月21日申請日期2009年5月21日優(yōu)先權(quán)日2009年5月21日發(fā)明者修春娣,楠李,齊電海申請人:北京航空航天大學(xué)