一種基于harogs的自適應(yīng)比分法

一種基于harogs的自適應(yīng)比分法

正交頻恢復(fù)（obd）是一種高效的多段頻源調(diào)制技術(shù)。它具有高分辨率高、抗多徑通道干擾、良好的抗噪聲性能等優(yōu)點，是高速無線通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。在OFDM系統(tǒng)中,信道衰落的影響也會因為各個子信道的不同而有所不同,因而會具有不同的傳輸能力。假如各個子信道采用相同的調(diào)制方式,在保證系統(tǒng)能夠正常工作的前提下,系統(tǒng)參數(shù)將由傳輸能力最差的子信道設(shè)計,系統(tǒng)資源將不會被充分利用。因此,利用相對特性好的子信道是很有意義的。通過對OFDM各個子載波進行自適應(yīng)調(diào)制,不僅能夠減少發(fā)射所需能量,而且能夠增加頻譜利用率,從而實現(xiàn)充分利用無線資源。對正交頻分復(fù)用系統(tǒng)進行自適應(yīng)調(diào)制就需要相應(yīng)的自適應(yīng)算法。自適應(yīng)算法有很多種,常見的自適應(yīng)算法有Hughes-Hartogs算法,Chow算法,簡單分塊加載算法等。Hughes-Hartogs算法是一種最優(yōu)算法,能保證性能要求,但是計算所需的迭代次數(shù)太大。Chow算法相比Hughes-Hartogs算法簡化了很多,但是仍然比較復(fù)雜。簡單分塊加載算法雖然計算量較少,但是性能相對其他兩種算法較差。文獻對自適應(yīng)比特分配算法,最佳功率分配算法和次佳功率分配算法進行分析和比較,得出自適應(yīng)比特分配技術(shù)可以優(yōu)化系統(tǒng)的容量和誤比特率,是一種有效的算法。文獻提出了一種有效的改進的貪婪算法,但是在改進部分仍然需要少量的迭代運算。文獻指出在低信噪比和嚴重頻率選擇性衰落信道的情況下,不能使用Chow算法。文獻提出一種改進的注水算法,它是一種次優(yōu)比特分配算法,但是這種算法的編程實現(xiàn)較復(fù)雜。本文針對OFDM中使用貪婪算法進行自適應(yīng)比特分配迭代次數(shù)多的不足,提出一種改進的貪婪算法。采用自適應(yīng)技術(shù),根據(jù)信道狀態(tài)的變化自適應(yīng)的調(diào)整每個子載波上的比特數(shù)、發(fā)送功率,以及調(diào)制方式等參數(shù),來充分利用當前信道,進而有效提高頻譜效率。在進入貪婪算法的迭代循環(huán)之前,根據(jù)信道特性,將需要發(fā)送比特中的一些比特由Chow算法提前分配到各個子載波上,余下的比特再使用貪婪算法分配。該算法在低信噪比和嚴重頻率選擇性衰落信道的情況下,也能進行比特分配,并且該算法編程實現(xiàn)較為簡單。1子等含能量的分配比特分配有兩個準則:裕量最大化準則和速率最大化準則。本文采用裕量最大化準則,其優(yōu)化模型如下。假設(shè)子載波的數(shù)目為N,bn是分配在子載波n上的比特數(shù),pn是分配在子載波上的功率,在實際通信系統(tǒng)中,bn通常只能取整數(shù)。需要解決的問題是在一定的數(shù)據(jù)傳輸比特總數(shù)R和誤碼率RRE下,使OFDM系統(tǒng)的發(fā)射功率達到最小。即2系統(tǒng)的整體性能自適應(yīng)改進算法就是根據(jù)信道實時狀態(tài)信息去適當?shù)母淖兠總€子載波的傳輸參數(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能。當信道狀況不好的時候,分配較少的比特,當信道狀況好的時候,分配較多比特。2.1基于最小功率越界的推動力Hughes-Hartogs貪婪算法是一種最優(yōu)的自適應(yīng)算法,但是在貪婪算法每分配一個比特的時候?qū)θ孔虞d波進行搜索,因此它的計算量比較大,并且隨著傳輸比特總數(shù)的增加而增加,對于實時性要求較高的數(shù)據(jù)傳輸不是很適用。將所使用貪婪算法的步驟歸納如下。步驟1令bn=0,pn=0(n=1,2,…,N)。步驟2計算每個子載波增加一個比特需要的額外功率Δpn。步驟3選擇最小的Δpn,該Δpn對應(yīng)的子載波為n*,即若結(jié)束,否則置返回步驟2。最后得到的{bn}Nn-1是各個子載波上得到的比特數(shù),{pn}Nn=1為各個子載波上所分配的功率。最終可得傳輸所需要的最小功率貪婪算法所得到的解為最優(yōu)解。但是貪婪算法每分配一個比特就需要迭代一次,隨著傳輸比特總數(shù)R的提高算法所需要的迭代次數(shù)也將隨之增加。2.2基于其求解的方法在進入貪婪算法的迭代循環(huán)之前,改進的貪婪算法根據(jù)信道特性,將需要發(fā)送比特中的一些比特通過Chow算法提前分配到各個子載波上,計算此時每個子載波上的能量pn以及每個子載波上的比特數(shù)bn,并計算出提前分配的總比特數(shù)R1以及發(fā)送這些比特所需要的能量,然后再用貪婪算法將剩余的比特R-R1分配到各個子載波上。用于比特分配的Chow算法有3個主要部分。(1)得到系統(tǒng)性能達到最優(yōu)時的性能門限γ。本文使用的Chow算法中的γ,將其值置為0。(2)得到每個子載波的編碼以及調(diào)制方式。(3)通過迭代得到的γ來調(diào)整每個子載波的比特和功率分配。其步驟可以歸納如下。估計分配給第n路子載波的比特數(shù)量。γ為性能門限,^bn為Chow算法分配給第n路子載波的比特數(shù)量;GAP是一個有效的協(xié)調(diào)參數(shù)。步驟3四舍五入^bn到bn。步驟4限制bn取值為0,1,2,4,6,8(與調(diào)制順序有關(guān))。步驟5基于式(2)計算第n路子載波有bn個比特時的能量改進的貪婪算法步驟如下。步驟1通過Chow算法進行初始化,得到初始的bn和pn。步驟2令貪婪算法中的bn和pn等于步驟1中得到的bn和pn。步驟3計算增加一個比特時,每個子載波需要的額外功率Δpn。步驟4選擇最小的Δpn,該Δpn對應(yīng)的子載波為n*,即若結(jié)束,否則置返回步驟3。改進的貪婪算法提前所分配的一些比特是由Chow算法分配的,這些比特為R1,剩余的R-R1通過貪婪算法分配,因此其迭代次數(shù)為(R-R1-R(4,6,8))。R(4,6,8)為最終子載波上分配的比特數(shù)為4,6,8時的子載波數(shù)目。由于限制bn取值為0,1,2,4,6,8,當子載波分配為2,4,6時,能量增加表使用平均技術(shù),會自動為該子載波再分配一個比特,這樣就減少了一次迭代。3改進算法與改進算法的比較對貪婪算法以及改進算法在計算機上使用Matlab軟件進行模擬仿真。仿真參數(shù)子載波數(shù)為N=64,采用無線信道為3徑瑞利衰落信道,信道增益矢量為(1,1/e,1/e2),誤比特率為RBE=10-4,并假設(shè)信道狀態(tài)在一個OFDM符號周期內(nèi)不變。在仿真中,不同子信道上采用不同的調(diào)制方法來使系統(tǒng)資源充分利用,如二進制相移鍵控(BinaryPhaseShiftKeying,BPSK),四相相移鍵控(QuadraturePhaseShiftKeying,QPSK),4符號正交幅度調(diào)制(4QuadratureAmplitudeModulation,4QAM),16QAM,64QAM和256QAM。通過對迭代次數(shù)和發(fā)送所需能量兩個衡量指標對貪婪算法以及該文的改進算法進行對比,從而得出兩種算法的性能對比。當傳輸比特數(shù)R=150時,改進算法和原貪婪算法在每個子載波所分配的比特、需要能量以及該子載波的信噪比(SNR)情況如圖1和圖2所示。圖1表明該算法符合預(yù)期的效果,當信道狀況不好時,分配很少的比特,當信道狀況好的時候,分配較多的比特,即該改進算法是有效的。與圖2相比,改進的貪婪算法在各個子載波上所分配的比特與貪婪算法幾乎是一樣的,所以可得改進貪婪算法與貪婪算法在性能上十分接近。圖3是貪婪算法與改進算法之間迭代次數(shù)的比較。隨著傳輸比特數(shù)的增加,貪婪算法與改進算法的迭代次數(shù)也會隨之增加,然而貪婪算法所需的迭代次數(shù)增加幅度要大于改進算法。在傳輸比特數(shù)為150時,改進算法的迭代次數(shù)是貪婪算法的7.4%;當傳輸比特數(shù)為250時,改進算法的迭代次數(shù)是貪婪算法的24.4%;當傳輸比特數(shù)為350時,改進算法的迭代次數(shù)是貪婪算法的31.7%;當傳輸比特數(shù)為400時,改進算法的迭代次數(shù)是貪婪算法的34%,可知改進算法對迭代次數(shù)的減少是比較明顯的。隨著數(shù)據(jù)傳輸比特數(shù)的提高,改進算法的性能有所下降。這是因為限定了每個子載波上最多所分配的比特數(shù),當傳輸比特總數(shù)達到所有子載波傳輸能力的上限時,即每個子載波上最多所分配的比特數(shù)乘以子載波數(shù)。此時,各個子載波所分配的比特數(shù)幾乎一樣,這樣就失去了自適應(yīng)調(diào)制的作用,故應(yīng)當增加子載波數(shù)目,來完成更多傳輸比特的自適應(yīng)比特分配。圖4是在不同傳輸比特總數(shù)下,貪婪算法與改進算法的系統(tǒng)發(fā)送所需功率比較,從圖中可知在迭代次數(shù)明顯減少的情況下,改進貪婪算法的性能非常逼近貪婪算法。同時該算法的實現(xiàn)也較為簡單。通過仿真可以得出,改進的貪婪算法在傳輸比特數(shù)為[150,400]的情況下,改進貪婪算法的迭代次數(shù)僅是貪婪算法的7.4%~34%,并且改進的貪婪算法與貪婪算法在性能上十分接近,即較好的解決了OFDM中使用貪婪算