OFDM自適應(yīng)子載波和比特分配研究

OFDM自適應(yīng)子載波和比特分配研究

劉毅

2003.12.81OFDM的基本原理，多用戶OFDM的子載波分配方案。多用戶OFDM系統(tǒng)的模型。自適應(yīng)分配算法(MAO)的討論,M-PSK和M-QAM的性能比較。以MAO為基礎(chǔ),討論一種更具實(shí)用性的方案.結(jié)論及展望報(bào)告的結(jié)構(gòu)2

OFDM是一種高效調(diào)制技術(shù)，它使用相互正交的一組子載波構(gòu)成子信道來傳輸各個子數(shù)據(jù)流，子信道的頻譜可以相互交疊，提高了頻譜效率，且能夠有效地對抗多徑傳播，使受到干擾的信號能夠可靠地接收。OFDM的優(yōu)良特性也促使人們試圖將其引入到移動通信中并成為了未來4G通信中很有發(fā)展前途的技術(shù)。

OFDM的基本原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3

1.TDMA方式:給每個用戶預(yù)先分配固定時隙,用戶在自己時隙內(nèi)使用所有子載波2.FDMA方式:給每個用戶分配固定的子載波,各個用戶間是頻分復(fù)用的.3.MAO方式:最優(yōu)的子載波分配方案,每個用戶分配的子載波數(shù)隨信道特性自適應(yīng)變化.

多用戶OFDM的子載波分配方案4

多用戶OFDM的系統(tǒng)模型

右圖是多用戶OFDM的系統(tǒng)模型,此系統(tǒng)中共有k個用戶,N個子載波.

(1)其中為分配給第n個子載波的第k個用戶的比特?cái)?shù).為對于第k個用戶來說第n個子載波的信道增益.根據(jù)每個用戶的不同速率,分配給其不同的子載波(每個子載波分配給一個用戶),然后分別使用不同的調(diào)制方式.如果用表示在信道增益等于1時,正確接收c

bits/symbol的信息時接收機(jī)需要收到的能量,那么,在發(fā)射端第n個載波,第k個用戶的發(fā)送能量最小應(yīng)該等于：5子載波,比特和功率分配結(jié)合的算法的目的是為了找到最佳的,使在所有子載波和所有用戶總的傳輸功率在給定的傳輸速率和QoS情況下達(dá)到最小.在數(shù)學(xué)上我們可以如下進(jìn)行描述:

(2)其中:D={0,1,2……..M}C1:C2:若

0則當(dāng)k時=0

k{1,2…….K}6單用戶的最佳比特分配

單用戶時問題簡化為:(3)

其中:(4)單用戶情況下的greedy算法:1.初始化:對所有的n

,令2.比特分配:(1).(2)(3)3.重復(fù)2的過程R次,則是得到的比特分配結(jié)果.7

多用戶的子載波和比特分配算法

多用戶的情況下無法再用greedy算法,因?yàn)椴辉试S共用子載波,一旦某個子載波被一個用戶占用,別的用戶就不能再用了.為了能夠解決這個問題,做如下考慮:將的要求放寬,讓c取[0,M]中的一個實(shí)數(shù).令(k=1,2,……K),在[0,1]內(nèi)取值,作為第n個子載波的共享因子.這樣,最優(yōu)化的問題變?yōu)?(5)其中:8多用戶的子載波和比特分配算法為了滿足前面提出的條件和，可以令：（6）有了這個約束，就與前面的問題等價了。9最優(yōu)值的求解

下面將給出最優(yōu)解的求解過程：設(shè)則：前面的式（5）變?yōu)椋海?）其中：

（8）（9）10最優(yōu)值的求解限定條件下的極值可利用拉格朗日乘數(shù)法來求。得到的拉格朗日函數(shù)為：（10）其中和分別是約束條件（8），（9）的參數(shù)將L分別對和求導(dǎo)，若極值點(diǎn)在，則其導(dǎo)數(shù)在處的值應(yīng)滿足：11（11）（12）從（11）中可得出：（13）其中：最優(yōu)值的求解12最優(yōu)值的求解從（12）可得到：（14）其中：（15）因?yàn)椴辉试S子載波復(fù)用，所以如果(k=1,…..K)都不相等,那么只有具有最小的

的那個用戶可以用那個子載波。即：其中：（16）13最優(yōu)值的求解所以對于一個固定的拉格朗日乘數(shù)(k=1,…..K)的集合,當(dāng)n取不同值的時候，可以用(16)來確定同時得到的和就是最佳的解。此時只有(8)式單個用戶速率的約束條件有可能不滿足。

為了找到滿足約束條件的集合我們可以用迭代的搜索算法,這個算法的思想是將由一個非常小的數(shù)值開始逐步增加直到這個用戶的速率滿足(8)的條件。在逐步調(diào)整(k=1,…..K)的時候，對于一個固定的n值還應(yīng)考慮到出現(xiàn)2個或更多的相等的情況。這時必須在（0,1）內(nèi)取值,就是說這個子載波被不同的用戶共享。實(shí)際上，可以通過將這些在不同的時間段共用這子載波，每個用戶使用的時間與成正比。14最優(yōu)值的求解現(xiàn)在我們已經(jīng)得到了最優(yōu)的，但是現(xiàn)在得到的只是總傳輸功率的最低限，還不能直接應(yīng)用，存在著如下問題：可能不在集合D中。可能在(0,1)內(nèi)取值表明多用戶時間上共享子載波。簡單的將和離散化可能會不滿足約束條件C1。為了解決這個問題,我們在分配子載波的時候用(5)的方法,然后在分配好的子載波上使用單用戶的位分配算法，保證在同一時刻每個子載波只供一個用戶使用。15性能仿真

我們考慮系統(tǒng)一種是采用BPSK,QPSK,8PSK,16PSK,32PSK幾種調(diào)制方式，此時D={0,1,2,3,4,5}.另一種是采用4QAM,16QAM,64QAM的調(diào)制方式，此時D={0,2,4,6}。信道是具有5條多徑的頻率選擇性衰落信道，選用128個子載波的OFDM系統(tǒng)，總傳輸速率384bit/symbol，噪聲單邊功率譜＝1，假設(shè)每個載波信道增益對于所有k和n有

定義：AverageBitSNR＝

16M-PSK調(diào)制時，在給定誤比特率Pe條件下，傳輸c比特所需要發(fā)射功率為：

M-QAM調(diào)制時，在給定誤比特率Pe條件下，傳輸c比特所需要發(fā)射功率為：性能仿真17單用戶分別采用M-QAM和M-PSK調(diào)制18多用戶性能比較

19一種更具實(shí)用性的方案

前述方案是建立在限定系統(tǒng)誤碼率的條件下，使發(fā)射機(jī)的發(fā)送功率做到最小，但這在實(shí)際應(yīng)用中可能會遇到一些問題。如用戶突然增多？換一個角度考慮：即在限定發(fā)射機(jī)最大發(fā)射功率和最大誤碼率Pe條件下使總發(fā)送比特?cái)?shù)達(dá)到最大值。方案的實(shí)現(xiàn)：

1.初始化.對于所有n,n=1,2…….N,令；

S={1,2,…..,N}.

202.比特分配：重復(fù)以下步驟，直到若；則分配結(jié)束。3.完成：即為最終分配結(jié)果；

為該OFDM符號的總比特?cái)?shù)。21結(jié)論與展望本文討論了多用OFDM的子載波和比特的分配問題，分析了基于動態(tài)子載波和比特分配算法(MAO)的M-PSK調(diào)制和M-QAM調(diào)制的性能。通過對比可以看出，采用M-PSK調(diào)制的MAO性能與采用M-QAM調(diào)制的TDMA/OBA性能相近，而與采用M-QAM調(diào)制的MAO性能相差大約3dB。所以采用M-QAM調(diào)