一种改进的ofdm系统功率分配算法

一种改进的ofdm系统功率分配算法

1基于自适应分配的性能优化正交频率恢复技术是未来无线宽带接入系统的基本技术之一，也被广泛视为第四代移动通信系统的关键技术。OFDM技术的优越之处在于它可以对抗频率选择性衰落或窄带干扰,同时又提高了频谱利用率。目前OFDM技术已经得到广泛应用。无线信道中高速数据的多径传输往往会引起信道的频率选择性衰落。在频率选择性衰落信道中,不同的子信道受到不同的衰落,也就是说有不同的传输质量,因此将自适应技术应用于OFDM系统。根据各子信道的瞬时估计值动态地分配传输比特数和发送功率,可以优化整个系统的性能。所以,子信道的自适应分配技术是OFDM系统的关键技术之一。实际中遇到的往往是多用户OFDM情况,文献等研究了多用户OFDM系统的自适应分配算法。由于还涉及到多址接入,因此多用户OFDM系统的自适应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。文献将这两种分配同时进行,所以算法非常复杂,不适宜实际应用。文献在这种联合分配算法的基础上提出了一种分两步走(Two-Step)的算法。它先根据业务为各用户分配子信道,然后分别在每个用户各自分得的子信道上进行比特、功率分配。文献的仿真结果表明,这种Two-Step算法大大减小了计算复杂度,性能也比较接近文献分别提出的联合分配算法。这里所要研究的是在子信道分配已经完成的条件下对子信道进行的比特、功率分配算法。从现实条件来看,需要考虑收发信机的复杂度,因此也就要求各子信道在每符号期间所携带的最大信息比特数。文献在算法中没有考虑到这一点。这里笔者提出了一种改进的比特、功率分配算法。2自适应调制方式采用自适应技术的OFDM系统如图1所示。假设信道估计良好,每个OFDM符号期间,发送端的串行比特流根据信道的瞬时估计值,按自适应算法被分配到每个可以利用的OFDM子信道。各子信道分配到的比特数目决定该子信道所采用的调制方式,假设第n个子信道在某一符号期间分配到cn个比特数据,则在该子信道采用MQAM(M=2c)调制方式,子信道的数据被映射为MQAM符号,其中n=1,2,…,N,N为子信道数。该OFDM的符号数据率(单位为比特/符号)经过自适应调制后的各路信号被并行送入IFFT单元,再插入保护间隔。OFDM系统一般采用循环前缀(CP)的形式,这样只要信道的最大传输时延小于保护间隔,就可以消除符号间干扰(ISI)。然后信号经由衰落信道传送到接收端,系统利用一个专用信道实时传送自适应分配信息。在接收端,去除接收信号中的保护间隔,经FFT后获得解调信号,数据检测器根据专用信道中的分配信息来进行解调。在频率选择性衰落信道中,不同的子信道的衰落特性互不相同,第n个子信道的信道增益幅度可以用αn来表示。对于给定的传输质量(主要以误比特率来衡量),假设在接收端正确解调所需的最小信号功率为f(cn),则对第n子信道所需要的发送功率为:这样,系统所需的发送总功率为:而对于给定的误比特率pe,采用MQAM自适应调制时,c比特/符号所需的功率为:这里,N0为信道中加性高斯白噪声(AWNG)的单边功率谱密度,而3速率自适应优化OFDM子信道的自适应分配的目的在于确定比特分配方案,寻找最佳的cn,从而优化系统的性能。当然,系统性能优化的准则不同,分配的方案也将不同。MA(MarginAdaptive即边值自适应)优化和RA(RateAdaptive即速率自适应)优化是多载波系统中最常用的两种自适应分配优化准则。笔者知道,一个系统的性能主要是从服务质量(QoS)和服务的代价(CoS)两方面来考虑的。服务质量可以由误比特率和数据速率这两个指标来衡量,服务代价主要由发送总功率来衡量。这里所讨论的优化准则是在给定所要求的误比特率的前提下,考虑怎样减小发送总功率或增加系统容量(即数据率)。·MA优化准则假设数据率固定为达到服务质量所要求的误比特率,MA优化准则使系统总发送功率最小化。MA的优化模型为:·RA优化准则限制系统总发送功率,为达到一定误比特率,RA优化准则使数据率最大化,即尽可能增大系统容量。RA的优化模型为:4信号比特分配最常用的自适应比特分配算法是一维逼近算法。由于各子信道相互独立,所以可以证明,一维逼近算法对于这一类问题是最优的,其基本方法是:首先将所有子信道的比特数设置为0,然后依据各子信道的瞬时特性,对子信道进行比特分配,每一次分配一个比特,并且每一次分配都要遵循一定的分配准则。对于MA准则和RA准则,OFDM符号期间每一次分配都依据增加功率最小准则。前者是在总发送比特数约束的条件下使发送总功率达到最小值;而后者是在发送总功率约束的条件下使总发送比特数达到最大值。这里,笔者规定子信道上每符号期间的最大传输比特数为cmax。两种准则下自适应比特分配的具体过程如下:(1)RA准则下的比特分配算法A初始化:对所有n,n=1,2,…,N,令cn=0;B比特分配:重复以下步骤R次:分配结束。C完成:即为最终比特分配的结果。对所有n,n=1,2,…,N,令cn=0;分配结束。C完成:即为最终比特分配的结果;5数值模拟参数为了检验自适应分配算法(AdaptiveBitAllocationAlgorithm,ABA)的性能,笔者通过Matlab仿真将自适应算法与等比特分配算法(EqualBitAllocationAlgorithm,EBA)作比较。假定多径频率选择性衰落信道的带宽为5MHz,信道中AWNG的单边功率谱密度为N0=1,时变信道对第l个OFDM符号的冲激响应为:其中,μl(i)、θl(i)、τl(i)分别是第i条路径的幅度、相位和相对时延,r是路径数。各路径的随机变量μl(i)满足Rayleigh分布,θl(i)满足均匀分布且相互独立,τl(i)满足最大值为τmax的均匀分布。hl(t)是均值为零的复高斯变量,具有指数型功率延迟分布特性。仿真中用到的模拟参数见表1。仿真结果如下:图2为MA优化准则下,自适应子信道比特分配方案(ABA)和等比特分配方案(EBA)的误比特率和平均比特信噪比关系曲线。从图2中可以看出,为达到相同的误比特率,自适应比特分配可以比等比特分配节省3-5dB的平均比特信噪比。比如,为达到pe=10-4的误比特率,采用本自适应分配方案可以节省大约4.4dB的平均比特信噪比。图3为RA准则下,且要求误比特率达到pe=10-4的前提下,规定最大发送总功率时采用自适应子信道比特分配方案(ABA)和等比特分配方案(EBA)分别得到的平均每OFDM符号的最大比特数。可以看出,当发送总功率相同时,自适应分配方案平均每符号可以比等比特分配多分得70～80比特,这个结果用于以一帧为单位的数据块提高的比特数将是一个不小的数目。因此可以得出,采用本自适应分配算法大大增加了数据率,从而提高了系统容量。6系统可适应分配算法性能笔者提出了一种改进的适用于多径选择性衰落信道中OFDM系统子信道的比特、功率分配算法。算法在MA和RA两种不同的系统优化准则下,根据信道的瞬时特性,对系统各子信道中传输的比特数和发送功率进行自适应分配。并从实际情况出发,规定了各子信道在每符号期间所携带的最大信息