一种用于OFDM系统的非等误码率自适应传输方法

摘要

本发明是一种用于OFDM系统的非等误码率自适应传输方法，用于设计OFDM系统中的自适应调制方案。本发明中，首先为所有参与比特和功率分配的子信道分配相同的比特数目，即所有这些子信道采用相同的调制方式；然后为这些子信道分配功率，使系统所需要的总功率最低。分配功率时各个子信道的目标误码率可以不相等。最后按照比特和功率分配结果进行信号的发送。本发明算法的复杂度、实际应用中所需要的信令开销都非常低，算法的性能优于等比特、等功率分配的非自适应传输方法，也优于传统的等比特、等误码率分配的自适应传输方法，适合实际当中的应用。

说明书

技术领域

本发明是一种自适应传输方法，用于为OFDM系统中各个子信道分配比特和功率，确定各个子信道的调制方式和发射信号平均功率，属于多载波通信系统中的自适应调制技术领域。

背景技术

OFDM(orthogonal frequency division multiplexing，正交频分复用)是一种能够有效提高通信系统在频率选择性衰落环境中性能的多载波通信技术。OFDM把整个传输信道划分成多个带宽足够窄的子信道，通过这些子信道来并行传输信息。由于每个子信道呈现平坦衰落特性，在接收端可以很容易的进行信号的解调，省去了单载波系统所必须采用的复杂的信道均衡技术，有效降低了系统复杂度。OFDM的各子信道频谱重叠，具有更高的频谱利用率。目前，OFDM技术已经被很多通信技术标准所采用，如ADSL、DVB、DAB、IEEE802.11a/g/n、HIPERLAN/2、IEEE802.16d/e等等。在下一代移动通信系统(Beyond 3G)中，OFDM技术也被认为是最关键的技术之一。

自适应传输就是采用自适应调制技术来发送信号，即根据不同时刻信道特性，选择合适的调制方式和发送功率来传输信号。自适应调制技术能够有效提高系统的传输速率以及系统传输的可靠性。在OFDM系统中，各个子信道的信道增益不同，因此可以根据各个子信道的传输条件，为各个子信道选择合适的调制方式和信号功率，以使系统性能达到最佳。为各个子信道选择调制方式和信号功率，通过自适应比特和功率分配过程来实现。目前已经有很多用于OFDM系统的自适应比特和功率分配方法被提出。这些方法中有的是在总发射功率和系统误码率一定的条件下，使系统传输速率达到最大；有的是在系统传输速率和误码率一定的条件下，使所需要的总发射功率最小，等等。但是现有这些比特和功率分配方法，几乎都是在等误码率条件下设计的，即分配过程中让各个子信道有相同的目标误码率，分配过程只有比特和功率两个自由度，而没有误码率这一个自由度。

非等误码率自适应分配方法允许各个子信道可以有不同的误码率，分配过程具有比特、功率和误码率三个自由度。由于分配过程增加了误码率这一个自由度，因此这类分配算法比传统的等误码率分配算法具有更好的性能。但由于求解理论最优解非常困难，这类算法目前很少，而已有的一些算法由于复杂度非常高，并不适合实际当中的应用。

另一方面，实际应用中的一些通信业务，如浏览网页、下载文件等，数据传输速率是变化的。这些业务不要求实时性。而对于另外的一些通信业务，如多媒体音频、视频业务，所要求的数据传输速率是固定的。为了满足服务质量要求，系统误码率必须低于一定的值。对于这些固定速率的通信业务，比特、功率分配的目标是，在一定的数据速率和目标误码率的要求下，使通信系统所需要的发射功率最小。本发明正是针对这些固定速率的通信业务而设计的。

本发明所提出的一种用于OFDM系统的非等误码率自适应传输方法，基于子信道误码率可以不相等这一条件设计，其优化目标是在给定比特速率以及系统目标误码率的条件下，使发射功率最低。该传输方法中的比特分配过程采用等比特分配方式，然后再为各个子信道分配功率。本发明方法的复杂度、实际应用中所需要的信令开销都非常低，性能优于等比特、等功率分配的非自适应传输方式，也优于传统的等比特、等误码率分配的自适应传输方式，因此非常适合实际当中的应用。

发明内容

本发明是一种用于OFDM系统的非等误码率自适应传输方法，用于设计OFDM系统中的自适应调制方案。本发明中，首先为所有参与比特和功率分配的子信道分配相同的比特数目，即所有这些子信道采用相同的调制方式；然后为这些子信道分配功率，使系统所需要的总功率最低。分配功率时各个子信道的目标误码率可以不相等。最后按照比特和功率分配结果进行信号的发送。

本发明方法中，比特和功率分配过程的优化目标可以简述为：在系统数据速率和系统目标误码率给定、所有参与分配的子信道的比特数目相等、子信道目标误码率可以不相等的条件下，为各个参与分配的子信道分配功率，使系统所需要的总的发送功率最低。该优化目标及约束条件可以用下面式子表示

$$ >>[>>\Sigma >>i>=>1>>>N>C>\; >>P>i>>>]>Min>>,>>$$

同时满足$$ >>>b>i>>=>>>R>b>>>N>C>>>,>>\Sigma >>i>=>1>>>N>C>\; >>>>E>i>>>b>i>>>>R>b>>>=>>P>e>>,>>$$并且P_i≥0，b_i≥0，i＝1，2，…，N_C。

其中函数[x]_Min表示最小化x，P_i是系统中第i个子信道为达到一定的误码率所需要的信号传输功率，b_i是分配给第i个子信道的比特数目，E_i是第i个子信道的目标误码率。P_e是系统的目标误码率。N_C是所有参与比特和功率分配的子信道的总数。R_b是每个OFDM符号所包含的比特数目(即每次分配过程中待分配比特总数)，由系统数据速率决定。

本发明所提出的一种用于OFDM系统的非等误码率自适应传输方法，其主要步骤可以简述为：首先，根据系统数据速率和参与比特和功率分配的子信道总数，以及系统可用的调制方式，为所有参与分配的子信道分配相同数目的比特，根据比特数目确定子信道采用的调制方式；其次，在子信道的目标误码率可以不相等的条件下，求得参与分配的各个子信道的最优的目标误码率，使系统所需总功率最小；然后，根据各个参与分配的子信道的目标误码率和比特数目，以及子信道增益和噪声功率，计算各个参与分配的子信道所需要的发送信号功率；最后，根据子信道的调制方式以及功率分配结果，进行信号的调制发送。

本发明方法的流程图如说明书附图中的图1所示。

下面对本发明算法的各个步骤进行详细说明。

第一步：根据系统数据速率和参与比特和功率分配的子信道总数，以及系统可用的调制方式，为所有参与分配的子信道分配相同数目的比特，根据比特数目确定子信道采用的调制方式。

系统可用调制方式的集合可以表示为B＝{B₁，B₂，…，B_M}，其中B_i(i＝1，2，…，M)表示每个调制信号包含的比特数目，M表示系统可用调制方式总数。系统数据速率为R_b比特/OFDM符号，N_C是所有参与比特和功率分配的子信道的总数，则为每个参与分配的子信道分配的比特数目b可以表示为

其中函数表示取集合B中不小于x、并且最接近x的元素。一般来说R_b和N_C的值应该选择合适，以使R_b/N_C的值刚好等于集合B中的某个数值。如果b·N_C的值大于R_b，则需要在待分配比特序列末尾补充合适数目的比特。

计算得到b后，根据集合B与调制方式的对应关系即可确定所有参与分配的子信道采用的调制方式。

第二步：在子信道的目标误码率可以不相等的条件下，求得参与分配的各个子信道的最优的目标误码率，使系统所需总功率最小。

这一步包含以下3个小步骤：

步骤1：设定子信道序号集合U为所有参与分配的子信道组成的集合，即U＝{1，2，…，N_C}，并初始化从集合U中排除的子信道的数目k＝0。

步骤2：计算集合U中所有子信道的目标误码率。按照公式(2)计算

$$ >>>E>i>>=>>(>>N>C>>>P>e>>->0.2>·>k>)>>>>C>i>>sup>>\Sigma >>i>=>1>>>N>C>sup>>>C>i>>>>,>i>\in >U>.>->->->>(>2>)>>>$$

其中$$ >>>C>i>>=sup>>\sigma >i>2sup>>/>>a>i>>,>>$$a_i是第i个子信道的功率增益，即a_i＝|H_i|²，H_i是第i个子信道的传输函数。σ_i²是第i个子信道中噪声的方差。

步骤3：统计集合U中所有目标误码率E_i大于0.2的子信道的数目k。如果k＝0，进行算法的第三步；否则，将所有目标误码率大于0.2的子信道从集合U中排除，并将所有排除的子信道的功率值设值为0。跳回算法第二步中的步骤2。

经过上述步骤1～步骤3后，可以得到所有参与比特和功率分配的子信道最终的目标误码率为

$$ >>>E>i>>=>\begin{array}{}>>>(>>N>C>>>P>e>>->0.2>·>K>)>>>>C>i>>>>\Sigma >>i>\in >U>\; >>C>i>>>>,>i>\in >U>.>\; >>0.2>,>i>\notin >U>.>\; >\; >->->->>(>3>)>>>\end{array}$$

其中K为所有不属于集合U的、参与比特和功率分配的子信道的总数。

第三步：根据各个参与分配的子信道的目标误码率和比特数目，以及子信道增益和噪声功率，计算各个参与分配的子信道所需要的发送信号功率。

为集合U中所有剩余子信道计算所需要的功率按照(4)式计算

$$ >>>P>i>>=>>\Gamma >i>>>C>i>>>(>>2ver>>b>‾>\; >->1>)>>,>i>\in >U>.>->->->>(>4>)>>>$$

其中Γ_i＝-ln(5·E_i)/1.5，是第i个子信道的信噪比间隔(SNR gap)。不属于集合U的、参与比特和功率分配的子信道，它们被分配的功率值为0。

第四步：根据子信道的调制方式以及功率分配结果，进行信号的调制发送。至此自适应传输过程结束。

需要说明的是，在本发明方法的设计中，考虑调制方式采用QAM调制方式，并且采用采用简化的QAM误码率公式，即第i个子信道的误码率可以表示成

$$ >>>E>i>>=>0.2>exp>\{>->>>1.5>>P>i>>>a>i>>>>>(>>2>>b>i>\; >->1>)>sup>>\sigma >i>2sup>>>>\}>,>i>=>1,2>,>·>·>·>,>>N>C>>.>->->->>(>5>)>>>$$

其中exp{x}表示指数函数，即exp{x}＝e^x。上式中各参数意义与前文一致。

本发明方法最大的特点是，比特和功率分配过程增加了误码率这个自由度，去掉了各个子载波有相同误码率这一限制条件。同时，本发明方法采用了等比特分配的方法，减小了分配过程的复杂度，使实际应用中所需要传输调制方式的信令信息大大减少，提高系统的传输效率。因此，本发明算法具有复杂度低、适合实际应用的优点。与现有同类方法相比，本发明方法的性能优于等比特、等功率分配的非自适应传输方式，也优于传统的等比特、等误码率分配的自适应传输方式，因此具有较高实用价值。

附图说明

图1是本发明提出的一种用于OFDM系统的非等误码率自适应传输方法的流程图。

具体实施方式

在FDD(频分双工)通信系统中，本发明可以放在发射端来实现、作为发射机功能的一部分，也可以放在接收端来实现、作为接收机功能的一部分。(注：当接收机发射数据、发射机接收数据时，这里所说的发射机和接收机角色互换。)

如果本发明放在发射端来实现，发射端首先发送导频信号，接收端接收到导频信号后，对所有子信道的信道增益进行估计，同时估计各子信道噪声功率值。估计完成之后，接收端把这些估计信息反馈到发射端。发射端解调出这些信道信息之后，即进比特和功率的分配，确定各子信道的发送信号功率，然后对各子信道的数据进行调制、功率调整，将信号发送到信道中。同时还要传输指明调制参数的信令信息。接收端根据信令信息，得到自适应调制参数的信息，即可对接收到的信号进行解调。

如果本发明放在接收端来实现，发射端首先发送导频信号，接收端接收到导频信号后，对所有子信道的信道增益和各子信道噪声功率值进行估计。估计完成之后，接收端根据这些信道估计信息，进行比特和功率的分配，确定发送端发送信号时各子信道的需要信号功率，然后把分配的结果反馈给发射端(采用发送端已知的信号格式)。发送端根据反馈回来的分配结果信息，对各子信道的数据进行调制、功率调整，将信号发送到信道中。接收端接收到信号后，即可以对接收到的信号进行正确解调(此时接收端对调制参数的信息是已知的)。

在TDD(时分双工)通信系统中，除了可以采用与FDD系统相同的应用方式之外，还可以采用如下的工作方式：发射端首先根据从接收端发送过来的数据信号或者导频信号，对信道进行估计，得到各子信道的增益值和噪声功率。然后进行比特和功率的分配，确定发送信号时各子信道的需要采用的调制方式和信号功率。然后按照分配结果，调制和发射信号。同时，发射端也要把自适应调制的信息发送到接收端(采用接收端已知的信号格式，使接收端能够正确解调信号)。

本发明方法应用中需要对事先子信道增益及子信道噪声功率进行估计，得到估计结果后可以进行比特和功率的分配过程。在初次发送时，需要确定子信道比特数目及调制方式；如果在后续发送过程中系统比特速率和参与分配的子信道数目不变，则确定调制方式的过程，即本发明方法的第一步，可以省略，按照第一次发送时得到的调制方式的结果即可。

需要注意的是，在实际应用中如果出现一些被分配的功率值为零的子信道，这些子信道中将没有信号传输，但是仍然为这些子信道分配了比特。在接收端不需要对这种情况做任何特殊处理，只需要按照正常的解调方式对这些功率为零的子信道中的接收信号(实际上为噪声)进行解调即可。实际上，这样处理是允许这些子信道出现较高的误码率，但整个系统的平均误码率仍将能够满足目标误码率的要求。

本发明方法可以用于任何多载波系统中。例如，可以用于OFDMA系统中，用于为不同用户确定调制方式和信号功率；也可以用于多载波CDMA(MC-CDMA)系统中，将一个扩频之路看作一个等效子信道，用等效子信道增益代替子信道增益，即可得到一个扩频之路的调制方式和信号功率。任何对本发明方法的不违反实质的调整，均应看作属于本发明方法的范畴。

下面给出一个采用本发明方法的设计实例。考虑系统参与比特和功率分配的子信道有N_C＝30个，数据速率为R_b＝60比特/OFDM符号，调制方式集合为B＝{0，2，4，6}，分别对应的调制方式为{不发送，QPSK，16-QAM，64-QAM}，系统目标误码率为P_e＝0.008。假设各个子信道噪声的功率均为0.1毫瓦。各个子信道的功率增益如下表所示

  1  2  3  4  5  6  6.4511e-001  1.5469e+000  9.3119e-001  2.7383e-002  6.6824e+000  4.2530e+000  7  8  9  10  11  12  1.6517e+000  3.0083e+000  1.8084e+000  3.7195e-001  1.0321e-001  2.0153e+000  13  14  15  16  17  18  1.1308e-001  2.6554e+000  3.0579e+000  2.2524e-001  1.7376e+000  1.0394e+000  19  20  21  22  23  24  3.8109e+000  4.3023e-001  3.7962e-001  2.5088e+000  9.8853e-001  4.2633e+000  25  26  27  28  29  30  2.4634e+000  3.5815e+000  2.0539e-001  5.3370e-001  8.3640e-001  5.7564e-001

首先可以确定各个参与分配的子信道的比特数目为b＝R_b/N_C＝48/24＝2，即每个子信道包含两个比特，对应的调制方式为QPSK，因此各个参与分配的子信道采用的调制方式均为QPSK。根据本发明方法的第二步，可以求得各个子信道的目标误码率如下表所示

  1  2  3  4  5  6  3.8269e-004  6.6556e-005  1.8367e-004  0.2  3.5665e-006  8.8048e-006  7  8  9  10  11  12  5.8378e-005  1.7598e-005  4.8699e-005  1.1512e-003  1.4951e-002  3.9213e-005  13  14  15  16  17  18  1.2455e-002  2.2587e-005  1.7032e-005  3.1392e-003  5.2749e-005  1.4742e-004  19  20  21  22  23  24  1.0966e-005  8.6042e-004  1.1051e-003  2.5303e-005  1.6298e-004  8.7623e-006  25  26  27  28  29  30  2.6245e-005  1.2416e-005  3.7753e-003  5.5913e-004  2.2766e-004  4.8063e-004

根据本发明方法的第三步，可以求得各个子信道所需要的信号功率如下表所示

(单位：毫瓦)

  1  2  3  4  5  6  3.0079e+000  6.6932e-001  1.6129e+000  0  4.8974e-002  1.1091e-001  7  8  9  10  11  12  5.9669e-001  2.0637e-001  5.0885e-001  7.4560e+000  4.8695e+001  4.2040e-001  13  14  15  16  17  18  4.3422e+001  2.5779e-001  2.0043e-001  1.6377e+001  5.4587e-001  1.3353e+000  19  20  21  22  23  24  1.3511e-001  5.8873e+000  7.2144e+000  2.8519e-001  1.4557e+000  1.1043e-001  25  26  27  28  29  30  2.9460e-001  1.5104e-001  1.8821e+001  4.1285e+000  1.9378e+000  3.6401e+000

根据调制方式和子信道的信号功率，即可对传输比特进行子信道中的调制、功率调整等过程，然后再进行多载波调制，将信号发送到信道中。需要注意的是，计算得到的功率结果中，第4个子信道的功率为0，即该子信道没有信号发送。这是由于该子信道的目标误码率为0.2，根据公式(4)计算得到的功率值恰好为0。接收端进行解调时，仍然对第4个子信道中的信号按正常方法解调，只是此时该子信道中的接收信号完全为噪声信号。

在后续发送过程中，如果数据速率和参与分配的子信道数目不变，则不需要确定调制方式，各个子信道的调制方式均采用QPSK方式即可，而只需要根据信道增益和噪声功率调整各个子信道的信号功率。

根据功率计算结果，可以求得按照本发明方法，系统所需要的总功率为169.53毫瓦。如果采用传统的等比特、等误码率分配方式，各个子信道目标误码率均等于P_e，可以求得系统所需要的总功率为1020.3毫瓦。可见本发明方法与传统的自适应传输方法相比，能够大大降低系统所需要的功率。