基于ofdm的plc系统子载波比特位并行加载方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力线通信（PLC, Power Line Communication)技术领域，具体为基于 正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术的电力线通信 系统子载波比特位并行加载方案设计。
【背景技术】
[0002] 电力线通信是指以电力线作为传输媒介，在电力线通信网络的各个节点之间以及 在电力线通信网络与其他通信网络之间实现数据交换和信息传递。电力线载波通信技术在 国内已经有几十年的发展历史，特别地，随着近些年的智能电网的发展，高速、实时、稳定的 电力线通信网已成为智能电网的重要组成部分，可见，此项技术正朝着实用化方向发展。因 此，研究开发此项技术，对于充分利用电力设施发展电力通信产业等具有十分重要的现实 意义。
[0003] 众所周知，电力线信道中频率选择性衰落、时变性强、干扰等问题尤为严重，是人 们长期以来一直致力于研究的问题。因此，考虑到OFDM技术固有的优势，即较高的频谱利 用效率和对抗频率选择性衰落的能力。本发明针对基于OFDM技术的电力线通信系统，设计 一种低复杂度子载波比特位并行加载方案。
[0004] 在电力线OFDM系统中，由于载波间干扰（ICI，Inter-carrier Interference) 和符号间干扰（ISI，Inter-Symbol Interference)的存在，导致OFDM系统的性能会显 著降低，从而使得在理想情况下设计的资源管理优化方法在实际使用时效率降低。本 发明致力于在ICI和ISI干扰情况下比特位加载和功率分配问题的研究，旨在优化 系统吞吐量。目前，文南犬[Thanh Nhan Vo, Karine Amis, Thierry Chonavel, Pierre Siohan, "Achievable Throughput Optimization in OFDM Systems in the Presence of Interference and its Application to Power Line Networks'，IEEE Transactions On Communications, Vol. 62, No. 5, May 2014]基于贪婪思想设计了一种优化吞吐量的基本比 特加载方法（GBL)。为了降低复杂度，该文献的作者还对GBL方法进行了改进，即通过迭代 求逆实现GBL方法的复杂度降低，我们称之为改进型的GBL方法，然而通过本质可以看出， 这种方法虽然降低了一定的复杂度，但是整体迭代次数并没有减少，所以总的计算复杂度 仍然很高。为了能够大幅度降低计算复杂度，本文设计了基于OFDM的PLC系统的低复杂 度并行比特位加载方法。本发明方法在改进型GBL方法基础上，利用二分法思想实现多个 子载波并行比特位加载，从而使得迭代次数大幅度降低，本方法不仅能够保证系统性能不 低于甚至优于改进型GBL方法，同时能够大幅度降低计算复杂度。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于OFDM的PLC系统子载波比 特位并行加载方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤1:发送端确定所使用的子载波集合Ause并计算L= |aus1,其中IausI表示集 合Ause的元素个数，同时设定每个子载波允许最大传输功率约束值
以及 总传输功率约束值Ptotal;
[0007] 步骤2 :初始化迭代次数k = 1，根据二分法思想，首先设定比特位并行加载的子 载波数
其中Lmin= 0和Lmax= L分别表示并行加载子载波数的下界和 上界，
表示不大于
_的最大整数，同时令
从而得到比特位分配向量
传输功率分配向量
表示第m 个子载波第k轮迭代的比特位数，P(k) (m)表示第m个子载波第k轮迭代分配的传输功率，
表不?目 噪比差额，a (m)表示第m个子载波的信道增益，I表示单位矩阵，W为干扰矩阵，即：
[0009] 其中W(m。，m)表示第m个子载波对第m。个子载波的干扰；
[0010] 步骤3 :更新迭代次数k = k+Ι，根据贪婪思想，每个子载波依次根据子载波可选比 特位有序集合通跳到下一级更新自己所分配的比特位数，并且记录下每个子载波更新比特 位数后得到比特位分配向量B(k) (m)，即
从而得到比特位分配向量集合{B(k) (m) }，并采用迭代方式求出对应
(m)}，即：
中：
示对任意向量X的求和；
[0014] 步骤4 :找到{AfOn)}中前ζ个最小值所对应的子载波，然后B(kl)中所对应 的这些子载波根据麗同时跳到其所对应下一级得到新的比特位分配向量:，同样地， 迭代求出
是否满足功率约束条件，即
如果满足，执行步骤5 ;如果不满足，则执行步骤6 ;
[0015] 步骤5:更新
并令 L_= ζ，然后更新并行加载子载波数
重复步骤3 ;
[0016] 步骤6 :令L_= 0, L _= ζ，更新并行加载子载波数
重复步骤 3直至ζ〈1，得到最后的比特位分配向量K= B (k)和功率分配向量Pi= P (k);
[0017] 步骤7 :PLC系统发射端按照最后确定的比特分配向量K将发射符号调制映射到 相应子载波上，同时根据确定的功率分配向量K设定每个子载波的发射功率，从而实现PLC 系统收发两端的业务传输。
[0018] 本发明有益效果：本发明方法在改进型GBL方法基础上，利用二分法思想实现多 个子载波并行比特位加载，从而使得迭代次数大幅度降低，本方法不仅能够保证系统性能 不低于甚至优于改进型GBL方法，同时能够使得计算复杂度降低90%以上，因此，本发明不 仅能够优化系统性能同时还能够大幅度降低复杂度。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明所述实施例采用该方法的具体流程图。
[0020] 图2是本发明所述实施例平均吞吐量的性能仿真比较图。
[0021] 图3是本发明所述实施例平均执行时间的仿真比较图。
【具体实施方式】
[0022] 为了使本发明的目的和效果更加清楚，下面对OFDM电力线通信系统模型及本文 发明方法进行详细描述。
[0023] 与传统的OFDM系统不同，本文考虑一个单用户加窗型OFDM系统。假设系统共有 U个子载波，占用的总带宽为BMHz，OFDM系统的循环前缀长度为I s (此处，s代表单位： 秒）：Tep= GI+RI，其中GI为保护间隔，RI为滚降长度。在传统OFDM系统中，一般有RI = 0,而在PLC系统中却不等于零。另外，OFDM符号长度为Ts，其中T = TQ+GI，T。为FFT窗口 周期，
为子载波间隔。假设在U个子载波中使用L个子载波来传输数据，根据多载 波通信系统原理知识，第η。个OFDM符号中的第m。个子载波的解调样本y (m。，η。）可以表示 为：
符号中的第m。个子载波的信道增益，调制符号，载波间干扰、符号间干扰和循环复高斯型系 统噪声。
[0026] 不失一般性，考虑块时不变信道，则等式（1)可以简化为：
[0028] 由于实际PLC系统中使用的子载波数L比较大，根据中心极限定理可以假设干扰 在L个子载波上是服从正态分布的。因此，第m。个子载波上的信干噪比（SINR，Signal to interference plus noise ratio)可以表不为：
[0030] 其中：P (m。）是载波m。的传输功率，)为载波m。上的噪声功率。
[0031] 相应地，载波m。上容量函数可以表示为：
⑷ 表示载波m。的比特数，式中Γ表示信噪比差额。
[0034] 为了方便，定义Au