OFDM系統(tǒng)中自適應(yīng)調(diào)制和功率分配方案

王艷嶺,達新宇

(空軍工程大學電訊工程學院,陜西西安710077)

0 引言

多載波的OFDM調(diào)制技術(shù)可有效地處理Ka頻段信道干擾,提高系統(tǒng)的傳輸速率。為了進一步發(fā)揮OFDM的技術(shù)優(yōu)勢,文獻[2]提出一種子帶選擇方法;文獻[3]在文獻[2]的基礎(chǔ)上改進了子帶的選擇方法準則,并獲得了相對較好的系統(tǒng)頻譜利用率。文獻[4]運用基于子帶的對偶分解方法求解OFDM系統(tǒng)的資源分配問題,但沒有充分利用分解方法所隱含的分布式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,并且具有較大的反饋開銷。文獻[5]基于不等錯誤保護建立了一種最小功率AM-OFDM系統(tǒng),該系統(tǒng)實現(xiàn)了最小發(fā)射功率,但是對于功率一定的系統(tǒng),該方法不能達到最優(yōu)的頻譜效率。

下面根據(jù)目標誤比特率的要求,分析了子帶信噪比和子帶調(diào)制方式的關(guān)系,通過初始等功率分配方法,迭代運算出最優(yōu)的有效子帶個數(shù)、調(diào)制方案和功率分配的比例關(guān)系。由于有效子帶個數(shù)的確定,使得該算法只需2～3次迭代即可得出最優(yōu)的運算結(jié)果,大大簡化了算法的運算量,并且仿真結(jié)果證明了該算法的有效性。

1 系統(tǒng)模型

1.1 自適應(yīng)OFDM的系統(tǒng)模型

基于自適應(yīng)調(diào)制和功率分配算法的OFDM系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)OFDM的系統(tǒng)模型

發(fā)送端經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后根據(jù)接收端的信道估計信息,按照自適應(yīng)調(diào)制和功率分配算法控制各個子帶的調(diào)制方式和發(fā)送功率。經(jīng)過IFFT、加入保護間隔(CP)、并串轉(zhuǎn)化后發(fā)送到Ka頻段的移動衛(wèi)星信道,各個子帶調(diào)制方式也作為信令信息同時發(fā)送。接收端經(jīng)串并轉(zhuǎn)換、去除保護間隔、FFT后,根據(jù)自適應(yīng)調(diào)制的信令信息對各個子帶做相應(yīng)的解調(diào),然后經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后輸出。

1.2 OFDM子帶的資源分配準則

多徑效應(yīng)的影響使得OFDM系統(tǒng)中的不同子帶具有不同的信道增益,因此可根據(jù)子帶的信道增益的不同合理分配系統(tǒng)資源以提高系統(tǒng)的頻譜利用率。目前OFDM子帶資源分配準則主要有MA(Margin Adaptive)準則和RA(Rate Adaptive)準則[6]2種。

1.2.1 MA準則

在保證一定吞吐量大小的前提下最小化整個系統(tǒng)的功率損耗。其數(shù)學表示如下:

1.2.2 RA準則

在給定的功率約束條件下最大化系統(tǒng)的吞吐量。其數(shù)學表示為:

式中,N為子帶的個數(shù);Pi、Ri和BERi分別為第i個子帶的發(fā)送功率、傳輸速率和誤比特率;Rtarget、BERtarget和Ptarget分別為系統(tǒng)的目標數(shù)據(jù)速率、誤比特率和發(fā)射功率。

1.3 OFDM子帶的自適應(yīng)調(diào)制

子帶的信噪比可定義為:

式中,N0為噪聲功率。由于不同進制的MPSK和MQAM信號采用相干解調(diào)時,系統(tǒng)誤比特率分別為:

所以,當信噪比確定時,選擇不同調(diào)制階數(shù)的MPSK和MQAM,會有不同的誤碼特性。發(fā)送端可根據(jù)各個子帶的信噪比來自適應(yīng)選擇不同的調(diào)制方式和調(diào)制階數(shù),從而使系統(tǒng)達到最小的誤碼特性。

2 自適應(yīng)調(diào)制和功率分配算法

OFDM系統(tǒng)的頻譜效率為[7]:

可見,當某一子帶信噪比較低時,其對系統(tǒng)的頻譜效率貢獻很小。關(guān)閉該子帶,將其功率分配給其他具有較好信道條件的子帶,將有利于提高系統(tǒng)的頻譜效率。由于子帶的信道增益不同,等功率分配不是最優(yōu)的分配方案,其會造成不必要的浪費。所以,這里提出的自適應(yīng)調(diào)制和功率分配算法可根據(jù)子帶信道特性的不同按比例分配各個子帶的功率,并根據(jù)子帶的發(fā)射功率和信道增益選擇相應(yīng)的調(diào)制方式。子帶調(diào)制方式的確定又反作用于其發(fā)射功率的大小。

具體算法如下:子帶的初始個數(shù)為 N,有效個數(shù)為 ~N,~N的初始值為N。目標誤比特率為BERtarget,系統(tǒng)的總功率為 PT,第 i個子帶的信道增益、功率、誤比特率和信噪比依次為:hi、Pi、BERi和SNRi,可選的調(diào)制方式為 BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM五種,用M={1,2,3,4,5}表示。

第1步:分配各個子帶的初始功率

第2步:計算各個子帶的調(diào)制方式

令 r0=min{SNRi,i∈(1,2,…,N)},

r5=max{SNRi,i∈(1,2,…,N)},將子帶的信噪比均勻劃分為5個子集,即[r0,r1),[r1,r2),…,[r4,r5]。每個信噪比的子集對應(yīng)于一種調(diào)制方式,根據(jù)信噪比的所屬子集,選擇各個子帶的調(diào)制方式Mi,Mi∈M 。

第3步:確定子帶的有效個數(shù) ~N

根據(jù)各個子帶的調(diào)制方式 Mi,利用式(1)和式(2)計算出各自的誤比特率BERi。

重新計算誤比特率,進行上述比較。else 關(guān)閉該子帶,即

第4步:計算各子帶的發(fā)射功率

第5步:分配各個子帶功率

第6步:迭代循環(huán)計算

跳回第2步再次迭代計算

else 運算結(jié)束,此時子帶的有效個數(shù)為 ~N,第i個子帶的調(diào)制方式為Mi,發(fā)射功率為Pi。

該算法流程圖如圖2所示。

圖2 算法流程

OFDM子帶自適應(yīng)調(diào)制和功率分配算法關(guān)閉了低信噪比情況下不作為的子帶,并將其功率按比例分發(fā)給其他子帶,提高了低信噪比下的系統(tǒng)性能。該算法的復(fù)雜度較低,由于第3步運算確定了有效的子帶個數(shù),使得該算法只需2～3次迭代即可得出最優(yōu)的運算結(jié)果。從而也簡化了算法的運算量。

3 仿真分析

假設(shè)系統(tǒng)具有較好的同步和較準確的信道估計,不存在載波間干擾(ICI)和其他因素的影響。選擇子帶的初始個數(shù)為128,系統(tǒng)的目標誤比特率為BERtarget=10-5,可選的調(diào)制方式為 BPSK、QPSK、16QAM、64QAM 和256QAM,不失一般性,令Ka頻段移動衛(wèi)星信道的等效頻域復(fù)噪聲的功率為1。

圖3給出了不同迭代次數(shù)的自適應(yīng)調(diào)制和功率分配算法和等功率分配算法的頻譜效率的仿真比較。當信噪比較低時,自適應(yīng)調(diào)制和功率分配算法較等功率分配算法能獲得更高的頻譜效率。在高信噪比時,2種算法的頻譜效率差別不大。另外,對于不同迭代次數(shù)的自適應(yīng)調(diào)制和功率分配算法,2次迭代比1次迭代能更好地提高系統(tǒng)的頻譜效率,而3次迭代和2次迭代的頻譜效率幾乎相等,這是因為有效子帶數(shù)目的確定使得算法的迭代要求降低,在迭代2次時即可達到最優(yōu)的分配方案。

圖3 頻譜效率仿真比較

圖4給出了目標誤比特率BERtarget=10-5和BERtarget=10-4下的頻譜效率仿真比較。

圖4 不同目標誤比特率的頻譜效率仿真比較

降低目標誤比特率等同于降低門限,使得有效子帶數(shù)增加,同時也改變了初始調(diào)制選擇方案的結(jié)構(gòu),從而增加了系統(tǒng)的頻譜效率。

4 結(jié)束語

自適應(yīng)調(diào)制和功率分配算法可根據(jù)目標誤比特率的大小、各子帶的信道增益和等功率分配來確定初始有效的子帶數(shù),各子帶根據(jù)其信噪比的大小選擇不同的調(diào)制方式,在滿足目標誤比特率下,迭代計算出最優(yōu)的有效子帶數(shù)目和功率分配的最優(yōu)比例關(guān)系,并將關(guān)閉的子帶功率按比例分配給其他高信噪比的子帶,從而得出最優(yōu)的分配方案。并且該算法只需迭代2～3次即可得出最優(yōu)分配結(jié)果,大大簡化了算法的運算量。仿真結(jié)果表明,該算法可提高中低信噪比下的系統(tǒng)頻譜效率。

[1]黃 和,王東進,劉發(fā)林.Ka波段移動衛(wèi)星信道的綜合模型及誤碼率分析[J].中國科學技術(shù)大學學報,2005,35(3):346-352.

[2]SHIN Y S,MUN C,YOOK J G,et al.Capacity Maximising Efficient Adaptive Subcarrier Selection in OFDM with Limited Feedback[J].Electronics Letters,2006,42(7):430-431.

[3]史鋒峰,趙春明.一種提高低信噪比OFDM系統(tǒng)頻譜效率的資源分配算法[J].東南大學學報(自然科學版),2009,39(4):662-666.

[4]SEONG K,MOHSENI M,CIOFFI J M.Optimal Resource Allocation forOFD MA Downlink Systems[C].IEEE International Symposium on Information Theory,2006:1394-1398.

[5]張艷玲,孫獻璞,李建東.實現(xiàn)不等錯誤保護的最小發(fā)射功率AM-OFDM系統(tǒng)[J].電子學報,2008,36(7):1314-1318.

[6]侯利明,林孝康.基于OFD M技術(shù)的多用戶子帶分配算法[J].清華大學學報(自然科學版),2009,49(4):528-530.

[7]李曉輝,劉乃安,易克初,等.多用戶OFDM系統(tǒng)中的聯(lián)合子載波和功率分配算法[J].西安電子科技大學學報(自然科學版),2006,33(3):366-370.