混合载波系统的近似最小误码率功率分配方法与流程

本发明涉及混合载波系统的近似最小误码率功率分配技术。

背景技术：

近年来，随着通信技术的飞速发展，人们也不在局限于语音传输，视频资源的快速传输也逐渐成为人们的追求目标。因此，通信链路中的负载也越来大，将来的无线通信系统就需要更好的准则来精确地控制资源。资源分配策略也就成为了无线通信网络中的核心部分，它包括一系列的功能，例如调度、速率控制、功率控制、带宽预留等。目前很多技术都是依据信道的特征来提升系统的性能的，比如功率分配技术和比特分配技术等。

功率分配技术是一项兼容性很强的技术，既适用于lte系统的上下行链路，也适用于非正交多址等5g中新型的多址方案。功率分配的度量目标一般包括系统可达速率(achievablerate，ar)、误码率和公平性等。通常我们研究的是lte系统下行的ofdm系统的功率分配方法，包括最大可达速率分配和最小误码率分配等。

此外，在未来的5g系统中将考虑更加复杂的场景和需求，因此在设计时就需要灵活的波形方案来实现多性能目标的联合优化问题。而混合载波系统恰恰符合了5g的这种需求，它把lte系统下行的ofdm和上行的sc系统相融合，通过灵活可调的参数，得到更加适用于场景需求的系统。

文献[1](n.wang和s.d.blostein于2003年公开的《powerloadingforcp-ofdmoverfrequency-selectivefadingchannels》)研究了cp-ofdm系统的功率分配方法并给出了不同功率分配的表达式，包括最小误码率功率分配、逼近的最小误码率功率分配、等增益功率分配以及最小均方误差(mmse)功率分配。此外，文献[1]指出，可以通过拉格朗日乘数法求得ofdm系统的最小误码率功率分配的表达式。

文献[2](n.wang和s.d.blostein于2005年公开的《comparisonofcp-basedsinglecarrierandofdmwithpowerallocation》)把文献[1]提出的几种多载波分配方法和单载波频域迫零(zf)均衡的系统性能进行了比较。对于ofdm系统，逼近的最小误码率功率分配的误码率性能要优于mmse功率分配；单载波zf均衡的性能和ofdm系统等增益功率分配的性能是一致的。

文献[3](d.zanattafilho,l.f′ety和m.terr′e于2007年公开的《ahybridsinglecarrier/multicarriertransmissionschemewithpowerallocation》)对于单载波zf均衡和mmse均衡系统的功率分配方法进行了分析，提出了单载波的最优功率分配方法，对于单载波而言，由于各个子载波上的信噪比一样，所以最大容量策略等于最小误码率策略。但是，对于ofdm系统二者就不相同。

文献[4](e.castaneda,a.silva,a.gameiro和m.kountouris公开的《anoverviewonresourceallocationtechniquesformulti-usermimosystems》)指出了ofdm系统不同功率分配策略之间的关系，在总功率恒定的情况下，最大容量策略通常把更多的功率分配给信道条件较好的子载波，而最小误码率策略把更多的功率分配给信道条件较差的子载波，也就是说两种分配策略存在一定的互斥性，即在实现最大系统容量时往往意味着ber性能的恶化，实现ber最优时，系统的可达速率将有所下降。

对于多载波ofdm系统，通过功率分配使系统容量的最大化往往意味着ber性能的恶化，而为了实现最优ber性能，又会使系统容量下降，所以怎样实现系统容量和ber的公平性，就成为了一个研究课题。

技术实现要素：

本发明是为了提升混合载波系统ber性能，以及为了提升了系统的可达速率，从而提供一种混合载波系统的近似最小误码率功率分配方法。

混合载波系统的近似最小误码率功率分配方法，它包括以下步骤：

步骤一、在发射端，对每一个频带上的数据进行α阶的加权分数傅里叶变换，得到频域的数据；

步骤二、在频域，对步骤一获得的数据进行功率分配操作：

矩阵p是一个对角矩阵，其对角线上的元素为[p]i,i＝pi，第i个子载波分配的功率为且分配的总功率满足：其中：n为调制子载波的数量，功率分配矩阵服从下式，

其中：e[·]表示取均值操作，λi为信道参数；

步骤三、对步骤二分配后的数据进行ifft变换，将数据变换到时域，并发送到信道；

步骤四、在接收端，对接收到的步骤三的数据进行fft变换，将数据变换回频域，其中：信道矩阵h被傅里叶矩阵f对角化，表示为λ＝fhf^-1，其中：[λ]i,i＝λi；

步骤五、在频域进行信道均衡，均衡矩阵为：λ^-1；

步骤六、均衡后，在频域进行功率分配的逆操作，功率分配逆矩阵为：p^-1；

步骤七、对步骤六获得的数据进行-α阶的分数傅里叶变换解调，并输出。

本发明主要研究混合载波系统的功率分配技术，并提出了一种混合载波系统的近似最优误码率(approximatedminimumber，amber)功率分配方法，这种方法在有效提升混合载波系统ber性能的同时，也提升了系统的可达速率，也就是说实现了系统的ber和ar的联合优化。

附图说明

图1是混合载波系统的近似最小误码率功率分配方法的原理示意图；

图2是多载波、混合载波和单载波的ber性能对比示意图；

图3是多载波、混合载波和单载波的可达速率对比示意图；

图4是多载波、混合载波和单载波的峰均功率比对比示意图；

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至4说明本具体实施方式，混合载波系统的近似最小误码率功率分配方法，具体实施步骤如下：

步骤一、在发射端对每一个频带上的数据进行α阶的加权分数傅里叶变换，得到频域的数据；

步骤二、在频域对数据进行功率分配操作，矩阵p是一个对角矩阵，其对角线上的元素为[p]i,i＝pi，第i个子载波分配的功率为且分配的总功率一定，满足其中n为调制子载波的数量，功率分配矩阵服从下式，

其中：e[·]表示取均值操作，λi为信道参数；

步骤三、对得到的数据进行ifft变换，把数据变换到时域进行传输；

步骤四、经过信道后，对数据进行fft变换，把数据变换回频域，其中信道矩阵h可以被傅里叶矩阵f对角化，表示为λ＝fhf^-1，其中[λ]i,i＝λi；

步骤五、在频域进行信道均衡，可用的信道均衡方法包括zf均衡和mmse均衡，这里我们使用zf均衡策略，即均衡矩阵为λ^-1；

步骤六、在均衡后，在频域进行功率分配的逆操作，这里我们使用zf准则，即功率分配逆矩阵为p^-1；

步骤七、进行-α阶的分数傅里叶变换解调输出。

名词解释：

wfrft：weighted-typefractionalfouriertransform，加权分数傅变换；

pa：powerallocation，功率分配；

ofdm：orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，正交频分复用；

ber：biterrorrate，误码率；

mmse：minimummean-squarederror，最小均方误差；

ar：achievablerate，可达速率；

amber：approximatedminimumber，近似最优ber；

sc：singlecarrier，单载波；

papr：peaktoaveragepowerratio，峰均功率比；

本发明提出了一种混合载波的amber功率分配方法，这种方法在提升混合载波系统ber性能的同时也提升了系统的可达速率。

在数学模型上，我们知道混合载波系统通过其wfrft阶数的可调性，可以等效为单载波系统和ofdm系统。在图1中，α＝0时，本发明所提出的功率分配方法等效于ofdm系统mmse功率分配方法；当α＝1时，本发明所提出的功率分配方法等效于sc最优(optimal，op)功率分配方法。

理论基础：wfrft理论

对于长度为n的离散信号d，则d的α阶离散四项加权分数傅里叶变换是：f^α[d]＝wαd，其中fα表示四项加权分数傅里叶变换，wα是wfrft矩阵，在不会引起歧义的情况下，在本发明里，把wα简记为w，表示为

w＝a0^αi+a1^αf+a2^αγi+a3^αγf(1)

这里a0^α～a3^α是加权系数定义如下：

i是n×n单位矩阵，f是n×n离散傅里叶变换矩阵。γ是置换矩阵，它每一行每一列只有一个元素非零，具体可以表如下：

另外加权分数傅里叶逆变换可以表示为：w-αd，其中w-α表示wα的逆矩阵，可以证明w是一个酉矩阵，则根据酉矩阵的性质，w^-1＝w^h。并且可以证明矩阵wα满足变换阶数的可加性，即wα+β＝wαwβ。需要指出的是，本发明提及的混合载波系统是通过wfrft变换实现的。

如前文所述，本发明提出了功率分配方法是一种基于混合载波的近似最小误码率的功率分配方法，此外，步骤二给出的功率分配方法在多载波ofdm系统(α＝0)中等效为mmse功率分配，在单载波系统(α＝1)中等效为最优功率分配方法。

下面给出了使用所提出的amber功率分配算法时的系统的误码率、可达速率和峰均功率比。

如图2所示，在衰落信道条件下给出了混合载波系统(包括单载波和多载波)在没有功率分配和amber功率分配下的理论和仿真误码率。信道模型为多径衰落信道，每一条路径的延迟为[0,100,200,300,500,700]ns，码片速率10mcps，每一条路径的功率衰减为[0,-3.6,-7.2,-10.8,-18,-25.2]db。为了保证仿真的准确性，每一次我们产生500个独立的信道，每一个信道我们仿真20次。如图所示，本专利提出的amber算法可以有效的提升系统的ber性能。此外，没有功率分配操作时，在低信噪比区间，多载波的ber较优，但是文献[5](y.-p.lin和s.-m.phoong于2003年公开的《berminimizedofdmsystemswithchannelindependentprecoders》)证明在高信噪比时，单载波的系统性能更优。

图3给出了单载波、多载波和混合载波系统的可达速率。整体上，ofdm系统的可达速率要高于sc系统的可达速率，但是mmse功率分配会使系统的可达速率降低，而op功率分配会提升系统的可达速率。本发明所提出的amber功率分配在提升ber性能的同时，仍然会提升混合载波系统的可达速率。

图4给出了单载波、多载波和混合载波系统在本文所提出的功率分配下、4倍频域过采样后的峰均功率比。对于多载波系统，mmse功率分配不会影响系统的papr，对于单载波系统，op功率分配会显著的增大系统的papr，而作为单载波和多载波体制的折中，混合载波的papr性能只会有轻微的下降。

综上所述，经过功率分配后，对于ofdm系统，mmse功率分配虽然可以有效提升系统的ber性能，但是系统的可达速率有所下降；对于单载波系统，op功率分配既可以提升ber性能也可以提升可达速率，但是会显著恶化峰均功率比性能；对于混合载波而言，由于它是单载波和多载波系统的融合，其误码率和可达速率均有性能提升，仅papr性能有小幅度恶化。

此外，横向比较三种系统，单载波系统在高信噪比时的误码率和papr性能较优，ofdm系统在低信噪比时的误码率和可达速率较优，因此二者均有不同程度的性能缺陷，而混合载波系统实现了误码率、可达速率和papr的性能折中。不仅如此，利用其灵活的参数选择特性，可以根据信道条件、需求的不同合理的选取wfrft阶数以获得所需的系统性能。

因此，本发明提出的基于混合载波的功率分配方法实现了系统的ber、可达速率和papr的性能折中，在此基础上，所提出的amber功率分配方法实现了ber和可达速率的联合性能提升。