一种OFDM系统中的功率和速率自适应分配方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种ofdm系统中的功率和速率自适应分配方法。

背景技术：

正交频分复用(ofdm)的基本原理是将一路高速数据流分配到速率较低的多个正交子载波上进行传输，从而将宽带传输转化成并行的窄带传输，可以有效对抗多径时延扩展带来的频率选择性衰落。然而，对于所有子载波都使用相同调制方式的ofdm系统来说，其误比特率(ber)主要是由衰落最严重的子载波决定。因此，在频率选择性衰落信道中，随着信噪比(snr)的增加，ofdm系统的ber下降十分缓慢。这一问题一般可以通过对ofdm系统内不同子载波采用不同的调制方式，以及给它们分配不同的功率加以解决。

在已有的研究成果中，资源分配的目标主要有两种，第一种是最大化速率，第二种是最小化误比特率，后一种相比前一种更适合在实际系统中使用。因此，carlomutti等人在文章“bitandpowerloadingproceduresforofdmsystemwithbit-interleavedcodedmodulation”中提出了一种基于正方形星座图m-qam调制的功率和比特分配方案，在给定调制方式的情况下，该方案可以得到最优的功率分配，但要求在各子载波上传输的比特数必须为偶数的整数倍。peters.chow等人在文章“apracticaldiscretemultitonetransceiverloadingalgorithmfordatatransmissionoverspectrallyshapedchannels”中提出了一种快速分配比特和功率资源的方法。该方法通过引入一个与误码率有关的参数来调节和分配比特资源，虽然速度较快，但分配是在一定的误码率要求下得到的，没有考虑对功率和速率的具体要求。在实际通信系统中，更多的是考虑在给定总的比特传输速率和功率要求的情况下，通过给各个子载波分配适当的传输比特数以及功率使得ber最小，而这一问题目前还没有解决。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种ofdm系统中的功率和速率自适应分配方法，在总功率和总比特速率的约束条件下，通过给ofdm系统中子信道分配速率和功率使得系统误比特率最小。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种ofdm系统中的功率和速率自适应分配方法，包括如下步骤：

步骤1，求解非整数速率下的最优功率分配和最优速率分配，具体步骤如下：

步骤1.1，利用二分法最大化ofdm系统的信噪比差额γ，得到最大信噪比差额γmax；

步骤1.2，在最大信噪比差额γmax的基础上，使用灌水法得到非整数速率下的最优功率分配

步骤1.3，利用步骤1.2得到的非整数速率下的最优功率分配计算得到相应的非整数速率分配

步骤2，在步骤1所得非整数速率下的最优功率分配的基础上将步骤1.3所得非整数速率调整为整数，得到整数速率分配

步骤3，依据步骤2得到的整数速率分配调整步骤1.2得到的非整数速率下的最优功率分配，得到整数速率下的功率分配

其中，γ为信噪比差额；ns为子信道个数；hi，i＝0,1,...,ns-1，为子信道状态信息；σi，i＝0,1,...,ns-1，为信道噪声功率；γmax表示最大信噪比差额；表示非整数速率下的最优功率分配；表示非整数速率分配；表示整数速率分配；表示整数速率下的功率分配。

优选的，步骤1.1具体包括如下步骤：

步骤1.11，首先寻找最大值γmax所在的区间(γleft,γright)；

步骤1.12，在区间(γleft,γright)中，利用二分法寻找γ值的最大值γmax。

进一步的，步骤1.11寻找最大值γmax所在的区间(γleft,γright)，具体步骤如下：

步骤1.111，取γ的初值为1。

步骤1.112，利用灌水法得到对应γ值为1下的功率分配；

步骤1.113，利用步骤1.112得到的功率分配结果计算以及

步骤1.114，若sr＞rt，则将γ替换为2γ，返回步骤1.112，否则令γleft＝0,γright＝γ，得到最大值γmax所在的区间(γleft,γright)；

其中，ri，i＝0,1,...,ns-1，为当前各个子信道的速率分配；pi表示γ值为1时的功率分配；sr表示ns个子信道当前分配速率和。

再进一步的，步骤1.112利用灌水法得到对应γ值为1下的功率分配，具体步骤为：

步骤1.1121，初始化λ的取值范围为(λleft，λright)，其中λleft＝0，

步骤1.1122，取

步骤1.1123，若|λright-λleft|＞ε1，则进入步骤1.1124，否则得到功率分配为并进入步骤1.113；

步骤1.1124，计算以及

步骤1.1125，若sp＞pt，则令λright＝λm，否则令λleft＝λm，返回步骤1.1122；

其中，λ、λs、λz均为中间常量；pt表示给定的总功率限制；ε1为λ的预设搜索精度；sp表示ns个子信道当前分配功率和。

进一步的，步骤1.12在区间(γleft,γright)中，利用二分法寻找最大γ值γmax，具体步骤为：预设精度为ε2，

步骤1.121，令

步骤1.122，使用灌水法得到与γm对应的功率分配psi，i＝0,1,...,ns-1；

步骤1.123，利用步骤1.122得到的与γm对应的功率分配计算以及

步骤1.124，若sr＞rt，则令γleft＝γm，否则令γright＝γm；

步骤1.125，若当|γright-γleft|＞ε2，返回步骤1.121；否则得到最大值γmax，γmax＝γm；

其中γm表示最大信噪比差额γmax所在的区间(γleft,γright)的平均值；psi表示与γm对应的功率分配；ε2为γ的预设搜索精度。

再进一步的，步骤1.122，使用灌水法得到与γm对应的功率分配，具体步骤为：

步骤1.1221，初始化λs的取值范围为(λsleft，λsright)，其中λsleft＝0，

步骤1.1222，取

步骤1.1223，若|λsright-λsleft|＞ε1，则进入步骤1.1224，否则得到功率分配为并进入步骤1.123；

步骤1.1224，计算以及

步骤1.1225，若sp＞pt，则令λsright＝λsm，否则令λsleft＝λsm，返回步骤1.1222；

其中，λs为中间常量；ε1为λ的预设搜索精度；pt表示给定的总功率限制；sp表示ns个子信道当前分配功率和。

优选的，步骤1.2，在最大信噪比差额γmax的基础上，使用灌水法得到非整数速率下的最优功率分配具体步骤为：

步骤1.21，初始化λz的取值范围为(λzleft，λzright)，其中λzleft＝0，

步骤1.22，取

步骤1.23，若|λzright-λzleft|＞ε1，则进入步骤1.24，否则得到功率分配并进入步骤1.3；

步骤1.24，计算以及

步骤1.25，若sp＞pt，则令λzright＝λzm，否则令λzleft＝λzm，返回步骤1.22；

其中，λz均为中间常量；pt表示给定的总功率限制；ε1为λ的预设搜索精度；sp表示ns个子信道当前分配功率和。

优选的，步骤2，在步骤1.2所得非整数速率下的最优功率分配的基础上将步骤1.3所得非整数速率调整为整数，得到整数速率分配具体步骤为：

步骤2.1，对步骤1.3得到的非整数速率向上取整得到整数速率

步骤2.2，若则进入步骤2.3，若进入步骤3，得到调整后的整数速率分配

步骤2.3，计算

步骤2.4，寻找k使得

步骤2.5，更新值为返回步骤2.2；

其中，表示整数速率；表示功率分配为速率分配为时各个子信道对应的信噪比差额；k表示第k个子信道。

优选的，步骤3，依据步骤2得到的整数速率分配调整步骤1.2得到的非整数速率下的最优功率分配，具体步骤为：计算得到整数速率下的功率分配为

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明首先通过引入信噪比差额γ，将关于最小化误比特率的复杂优化问题转化为最大化γ值的问题，使求解大大简化。其次，在优化过程中采用的算法复杂度低，这在实际使用中也是非常重要的。最后，在同等条件下本发明方法得到的速率/功率资源分配结果相较于已有的方法具有更低的误比特率。本发明在总功率和总比特速率的约束条件下，通过给ofdm系统中ns个子信道分配速率ri,i＝0,1,…,ns-1和功率pi,i＝0,1,…,ns-1使得系统误比特率最小，其中已知ns个子载波的信道系数为hi,i＝0,1,…,ns-1以及相应的噪声功率

附图说明

图1为本发明所涉及的ofdm系统框图；

图2为使用不同功率和速率分配方法得到的误比特率曲线对比图。图中abpl曲线代表使用本发明方法得到的误比特率曲线图，ubpl代表使用功率和速率平均分配得到的误比特率曲线图，chow代表使用peters.chow文中提出的方法得到的误比特率曲线图。具体参数设置如下，信道长度l＝32，h(l)～cn(0,1/l),l＝0,1,…,l-1，cp长度32，帧内dft块数100，信道采用1/2卷积码[171,133]，采用vitebi译码器进行硬判决译码，交织方式采用帧内比特交织，星座点采用gray映射。

图3为使用不同功率和速率分配方法得到误比特率曲线对比图。图中所有参数与图2中的一致，所不同的是采用vitebi译码器进行软判决译码。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明所涉及的ofdm系统框图如图1所示，本发明所述的ofdm系统中的功率和速率自适应分配方法，包括如下步骤：

步骤1，求解非整数速率下的最优功率分配和最优速率分配，具体步骤如下：

步骤1.1，利用二分法最大化信噪比差额γ，得到最大信噪比差额。

步骤1.11，首先寻找最大γ值所在的区间(γleft,γright)，具体步骤如下：

步骤1.111，取γ的初值为1。

步骤1.112，利用灌水法得到对应γ值为1下的功率分配，灌水法具体步骤如下：

步骤1.1121，初始化λ的取值范围为(λleft，λright)，其中λleft＝0，

步骤1.1122，取

步骤1.1123，若|λright-λleft|＞ε1(ε1为预设的搜索精度),则进入步骤1.1124，否则得到功率分配并进入步骤1.113；

步骤1.1124，计算以及

步骤1.1125，若sp＞pt，则令λright＝λm，否则令λleft＝λm，返回步骤1.1122；

步骤1.113，利用步骤1.1124得到的功率分配结果计算以及

步骤1.114，若sr＞rt，则将γ替换为2γ，返回步骤1.112，否则令γleft＝0,γright＝γ，得到最大值γmax所在的区间(γleft,γright)。

步骤1.12，在区间(γleft,γright)中，利用二分法寻找最大值γmax，预设精度为ε2，具体步骤如下：

步骤1.121，令

步骤1.122，使用步骤1.112中的灌水法得到与γm对应的功率分配；具体步骤如下：

步骤1.1221，初始化λs的取值范围为(λsleft，λsright)，其中λsleft＝0，

步骤1.1222，取

步骤1.1223，若|λsright-λsleft|＞ε1，ε1为预设的搜索精度,则进入步骤1.1224，否则得到功率分配为并进入步骤1.123；

步骤1.1224，计算以及

步骤1.1225，若sp＞pt，则令λsright＝λsm，否则令λsleft＝λsm，返回步骤1.1222。

步骤1.123，利用步骤1.122得到的功率分配计算以及

步骤1.124，若sr＞rt，则令γleft＝γm，否则令γright＝γm；

步骤1.125，若当|γright-γleft|＞ε2，返回步骤1.121；否则得到最大信噪比差额γmax＝γm。

步骤1.2，在得到最大信噪比差额γmax的基础上，再次使用步骤1.112中灌水法得到非整数速率下的最优功率分配具体步骤如下：

步骤1.21，初始化λz的取值范围为(λzleft，λzright)，其中λzleft＝0，

步骤1.22，取

步骤1.23，若|λzright-λzleft|＞ε1，ε1为预设的搜索精度,则进入步骤1.24，否则得到功率分配为并进入步骤1.3；

步骤1.24，计算以及

步骤1.25，若sp＞pt，则令λzright＝λzm，否则令λzleft＝λzm，返回步骤1.22。

步骤1.3，利用步骤1.2得到的非整数速率下的最优功率分配计算相应的非整数速率分配即非整数速率下的最优速率分配。

步骤2，在步骤1.2所得非整数速率下的最优功率分配的基础上将步骤1.3所得非整数速率调整为整数，得到整数速率分配具体步骤如下：

步骤2.1，对步骤1.3所得非整数速率向上取整得到整数速率

步骤2.2，若则进入步骤2.3，若进入步骤3，得到整数速率分配

步骤2.3，计算

步骤2.4，寻找k使得

步骤2.5，更新值为返回步骤2.2。

步骤3，依据步骤2得到的整数速率调整步骤1.2得到的非整数速率下的最优功率分配，得到整数速率下的功率分配具体步骤如下：

步骤3.1，计算相应的功率分配为与之前得到的一起构成最终的功率和速率分配。

对本发明中的符号进行解释：λ、λs、λz均为中间常量；ns为子信道个数；hi，i＝0,1,...,ns-1，为子信道状态信息；σi，i＝0,1,...,ns-1，为信道噪声功率；pt表示给定的总功率限制；rt表示给定的总速率限制；ε1为λ的预设搜索精度；ε2为γ的预设搜索精度；pi表示γ值为1时的功率分配；sp表示ns个子信道当前分配功率和；ri，i＝0,1,...,ns-1，为当前各个子信道的速率分配；sr表示ns个子信道当前分配速率和；γmax表示最大信噪比差额；γm表示最大信噪比差额γmax所在的区间(γleft,γright)的平均值；psi表示与γm对应的功率分配；表示非整数速率下的最优功率分配；表示非整数速率分配；表示整数速率分配；表示整数速率；表示功率分配为速率分配为时各个子信道对应的信噪比差额；k表示第k个子信道；表示整数速率下的功率分配。

由图2和图3仿真结果可以看出，采用本文提出的仿真方法相对于peters.chow文中提出的方法在相同的条件下达到相同误比特率时所需信噪比降低0.5db左右。

本发明公开了一种在总功率和总比特速率一定的情况下，通过分配ofdm系统中各个子载波上的速率和功率来最小化系统误比特率的方法。该方法复杂度低，在同等条件下的误比特率等性能相较于已有算法有较大的提高。