一種改進(jìn)的ofdm系統(tǒng)功率分配算法

一種改進(jìn)的ofdm系統(tǒng)功率分配算法

1基于自適應(yīng)分配的性能優(yōu)化正交頻率恢復(fù)技術(shù)是未來(lái)無(wú)線寬帶接入系統(tǒng)的基本技術(shù)之一，也被廣泛視為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。OFDM技術(shù)的優(yōu)越之處在于它可以對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾,同時(shí)又提高了頻譜利用率。目前OFDM技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。無(wú)線信道中高速數(shù)據(jù)的多徑傳輸往往會(huì)引起信道的頻率選擇性衰落。在頻率選擇性衰落信道中,不同的子信道受到不同的衰落,也就是說(shuō)有不同的傳輸質(zhì)量,因此將自適應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于OFDM系統(tǒng)。根據(jù)各子信道的瞬時(shí)估計(jì)值動(dòng)態(tài)地分配傳輸比特?cái)?shù)和發(fā)送功率,可以優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的性能。所以,子信道的自適應(yīng)分配技術(shù)是OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。實(shí)際中遇到的往往是多用戶OFDM情況,文獻(xiàn)等研究了多用戶OFDM系統(tǒng)的自適應(yīng)分配算法。由于還涉及到多址接入,因此多用戶OFDM系統(tǒng)的自適應(yīng)分配既包含了子信道的分配,又包含了子信道上的比特和功率分配。文獻(xiàn)將這兩種分配同時(shí)進(jìn)行,所以算法非常復(fù)雜,不適宜實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)在這種聯(lián)合分配算法的基礎(chǔ)上提出了一種分兩步走(Two-Step)的算法。它先根據(jù)業(yè)務(wù)為各用戶分配子信道,然后分別在每個(gè)用戶各自分得的子信道上進(jìn)行比特、功率分配。文獻(xiàn)的仿真結(jié)果表明,這種Two-Step算法大大減小了計(jì)算復(fù)雜度,性能也比較接近文獻(xiàn)分別提出的聯(lián)合分配算法。這里所要研究的是在子信道分配已經(jīng)完成的條件下對(duì)子信道進(jìn)行的比特、功率分配算法。從現(xiàn)實(shí)條件來(lái)看,需要考慮收發(fā)信機(jī)的復(fù)雜度,因此也就要求各子信道在每符號(hào)期間所攜帶的最大信息比特?cái)?shù)。文獻(xiàn)在算法中沒(méi)有考慮到這一點(diǎn)。這里筆者提出了一種改進(jìn)的比特、功率分配算法。2自適應(yīng)調(diào)制方式采用自適應(yīng)技術(shù)的OFDM系統(tǒng)如圖1所示。假設(shè)信道估計(jì)良好,每個(gè)OFDM符號(hào)期間,發(fā)送端的串行比特流根據(jù)信道的瞬時(shí)估計(jì)值,按自適應(yīng)算法被分配到每個(gè)可以利用的OFDM子信道。各子信道分配到的比特?cái)?shù)目決定該子信道所采用的調(diào)制方式,假設(shè)第n個(gè)子信道在某一符號(hào)期間分配到cn個(gè)比特?cái)?shù)據(jù),則在該子信道采用MQAM(M=2c)調(diào)制方式,子信道的數(shù)據(jù)被映射為MQAM符號(hào),其中n=1,2,…,N,N為子信道數(shù)。該OFDM的符號(hào)數(shù)據(jù)率(單位為比特/符號(hào))經(jīng)過(guò)自適應(yīng)調(diào)制后的各路信號(hào)被并行送入IFFT單元,再插入保護(hù)間隔。OFDM系統(tǒng)一般采用循環(huán)前綴(CP)的形式,這樣只要信道的最大傳輸時(shí)延小于保護(hù)間隔,就可以消除符號(hào)間干擾(ISI)。然后信號(hào)經(jīng)由衰落信道傳送到接收端,系統(tǒng)利用一個(gè)專用信道實(shí)時(shí)傳送自適應(yīng)分配信息。在接收端,去除接收信號(hào)中的保護(hù)間隔,經(jīng)FFT后獲得解調(diào)信號(hào),數(shù)據(jù)檢測(cè)器根據(jù)專用信道中的分配信息來(lái)進(jìn)行解調(diào)。在頻率選擇性衰落信道中,不同的子信道的衰落特性互不相同,第n個(gè)子信道的信道增益幅度可以用αn來(lái)表示。對(duì)于給定的傳輸質(zhì)量(主要以誤比特率來(lái)衡量),假設(shè)在接收端正確解調(diào)所需的最小信號(hào)功率為f(cn),則對(duì)第n子信道所需要的發(fā)送功率為:這樣,系統(tǒng)所需的發(fā)送總功率為:而對(duì)于給定的誤比特率pe,采用MQAM自適應(yīng)調(diào)制時(shí),c比特/符號(hào)所需的功率為:這里,N0為信道中加性高斯白噪聲(AWNG)的單邊功率譜密度,而3速率自適應(yīng)優(yōu)化OFDM子信道的自適應(yīng)分配的目的在于確定比特分配方案,尋找最佳的cn,從而優(yōu)化系統(tǒng)的性能。當(dāng)然,系統(tǒng)性能優(yōu)化的準(zhǔn)則不同,分配的方案也將不同。MA(MarginAdaptive即邊值自適應(yīng))優(yōu)化和RA(RateAdaptive即速率自適應(yīng))優(yōu)化是多載波系統(tǒng)中最常用的兩種自適應(yīng)分配優(yōu)化準(zhǔn)則。筆者知道,一個(gè)系統(tǒng)的性能主要是從服務(wù)質(zhì)量(QoS)和服務(wù)的代價(jià)(CoS)兩方面來(lái)考慮的。服務(wù)質(zhì)量可以由誤比特率和數(shù)據(jù)速率這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量,服務(wù)代價(jià)主要由發(fā)送總功率來(lái)衡量。這里所討論的優(yōu)化準(zhǔn)則是在給定所要求的誤比特率的前提下,考慮怎樣減小發(fā)送總功率或增加系統(tǒng)容量(即數(shù)據(jù)率)?！A優(yōu)化準(zhǔn)則假設(shè)數(shù)據(jù)率固定為達(dá)到服務(wù)質(zhì)量所要求的誤比特率,MA優(yōu)化準(zhǔn)則使系統(tǒng)總發(fā)送功率最小化。MA的優(yōu)化模型為:·RA優(yōu)化準(zhǔn)則限制系統(tǒng)總發(fā)送功率,為達(dá)到一定誤比特率,RA優(yōu)化準(zhǔn)則使數(shù)據(jù)率最大化,即盡可能增大系統(tǒng)容量。RA的優(yōu)化模型為:4信號(hào)比特分配最常用的自適應(yīng)比特分配算法是一維逼近算法。由于各子信道相互獨(dú)立,所以可以證明,一維逼近算法對(duì)于這一類問(wèn)題是最優(yōu)的,其基本方法是:首先將所有子信道的比特?cái)?shù)設(shè)置為0,然后依據(jù)各子信道的瞬時(shí)特性,對(duì)子信道進(jìn)行比特分配,每一次分配一個(gè)比特,并且每一次分配都要遵循一定的分配準(zhǔn)則。對(duì)于MA準(zhǔn)則和RA準(zhǔn)則,OFDM符號(hào)期間每一次分配都依據(jù)增加功率最小準(zhǔn)則。前者是在總發(fā)送比特?cái)?shù)約束的條件下使發(fā)送總功率達(dá)到最小值;而后者是在發(fā)送總功率約束的條件下使總發(fā)送比特?cái)?shù)達(dá)到最大值。這里,筆者規(guī)定子信道上每符號(hào)期間的最大傳輸比特?cái)?shù)為cmax。兩種準(zhǔn)則下自適應(yīng)比特分配的具體過(guò)程如下:(1)RA準(zhǔn)則下的比特分配算法A初始化:對(duì)所有n,n=1,2,…,N,令cn=0;B比特分配:重復(fù)以下步驟R次:分配結(jié)束。C完成:即為最終比特分配的結(jié)果。對(duì)所有n,n=1,2,…,N,令cn=0;分配結(jié)束。C完成:即為最終比特分配的結(jié)果;5數(shù)值模擬參數(shù)為了檢驗(yàn)自適應(yīng)分配算法(AdaptiveBitAllocationAlgorithm,ABA)的性能,筆者通過(guò)Matlab仿真將自適應(yīng)算法與等比特分配算法(EqualBitAllocationAlgorithm,EBA)作比較。假定多徑頻率選擇性衰落信道的帶寬為5MHz,信道中AWNG的單邊功率譜密度為N0=1,時(shí)變信道對(duì)第l個(gè)OFDM符號(hào)的沖激響應(yīng)為:其中,μl(i)、θl(i)、τl(i)分別是第i條路徑的幅度、相位和相對(duì)時(shí)延,r是路徑數(shù)。各路徑的隨機(jī)變量μl(i)滿足Rayleigh分布,θl(i)滿足均勻分布且相互獨(dú)立,τl(i)滿足最大值為τmax的均勻分布。hl(t)是均值為零的復(fù)高斯變量,具有指數(shù)型功率延遲分布特性。仿真中用到的模擬參數(shù)見(jiàn)表1。仿真結(jié)果如下:圖2為MA優(yōu)化準(zhǔn)則下,自適應(yīng)子信道比特分配方案(ABA)和等比特分配方案(EBA)的誤比特率和平均比特信噪比關(guān)系曲線。從圖2中可以看出,為達(dá)到相同的誤比特率,自適應(yīng)比特分配可以比等比特分配節(jié)省3-5dB的平均比特信噪比。比如,為達(dá)到pe=10-4的誤比特率,采用本自適應(yīng)分配方案可以節(jié)省大約4.4dB的平均比特信噪比。圖3為RA準(zhǔn)則下,且要求誤比特率達(dá)到pe=10-4的前提下,規(guī)定最大發(fā)送總功率時(shí)采用自適應(yīng)子信道比特分配方案(ABA)和等比特分配方案(EBA)分別得到的平均每OFDM符號(hào)的最大比特?cái)?shù)。可以看出,當(dāng)發(fā)送總功率相同時(shí),自適應(yīng)分配方案平均每符號(hào)可以比等比特分配多分得70～80比特,這個(gè)結(jié)果用于以一幀為單位的數(shù)據(jù)塊提高的比特?cái)?shù)將是一個(gè)不小的數(shù)目。因此可以得出,采用本自適應(yīng)分配算法大大增加了數(shù)據(jù)率,從而提高了系統(tǒng)容量。6系統(tǒng)可適應(yīng)分配算法性能筆者提出了一種改進(jìn)的適用于多徑選擇性衰落信道中OFDM系統(tǒng)子信道的比特、功率分配算法。算法在MA和RA兩種不同的系統(tǒng)優(yōu)化準(zhǔn)則下,根據(jù)信道的瞬時(shí)特性,對(duì)系統(tǒng)各子信道中傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)和發(fā)送功率進(jìn)行自適應(yīng)分配。并從實(shí)際情況出發(fā),規(guī)定了各子信道在每符號(hào)期間所攜帶的最大信息