论文研究-OFDM系统中的自适应比特和功率分配算法研究 .pdf

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OFDM系统中的自适应比特和功率分配算法研究,李凯凯,寿国础,本文对OFDM系统自适应比特和功率分配的三种算法:注水算法,最优离散比特分配算法和Chow算法进行分析和仿真,并对这些算法的性能进行
山国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 不同固定发射功率下注水算法性能匕较曲线 F-tot 3=160'N P-10 →-ct2=120N BER=le-2 习GCR1e3 BER=le-4 BER=1e-5 sNR(旧) 图2不同发射功率下汴水算法性能曲 图3注水算法平均比特分配特性由线 最优离散分配算法 最优离散算法将离散分配算法作为数学中最优化的一个例子。基本的概念就是通过多路 传输系统传输的附加信息的每个増量将被分配到子信道上,这些子信道需要最低附加能量供 其传输。当对」所有信息间隔β(β=1,2,3..N)和子信道的一样的话,这些算法对」分 配是最优的。最优离散分忾算法是通过不断的调整分配到每个子载波上的比特薮,使得最后 根据信道的特征,使得比特分配得到最优化,从而使得发射的总功率为最小。所以它是种 最优的分配算法。 对于最优离散分配算法,当设定在频谱效率为4bits/Iz时,仿真曲线如图4。当在EbNo 为17.16GB时,BFR误比特率达到1.302×103。同未加自适应特性相比,在信号抗衰落特 性方面具有明显改善作用,使得OFDM系统的优化结果达到设计要求,改善了系统的传输 特性。图5是在不同的频谱效率下,在同样的条件下,通过加入最优离散分配算法,对比系 统的性能改善状况。可以看岀,随着频谱效率的增加,频谱利用率増加,相应地所需要的能 量也増加了。对于不冋的频谱效率,其系统特性在最优离散分配算法下郤得到了显著改善。 末加适应 X:17.1 Y:1.502e005 图4加入H-H算法OFDM系统性能曲线 图5频谱效率为=6、7=4和1=2的 H-H算法0FDM系统性能曲线 算法 1955年, Peter s.Chow提出了种实用的自适应比特分配算法,大大降低了算法的复 杂度,提髙了比特分配的速度,使自适应调制可以应用在髙速数据传输中。之后,许多类似 的算法出现,它们的主要区别就是在于优化的目标和计算的复杂度。Chow算法是根据各个 山国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 了信道的信道容量来分配比特的。它的优化准则是在维持目标误比特率的前提下是系统的频 谱达到最优,算法的原理主要有三个步骤完成,首先要确定使系统性能达到最优的门限 然后确定各个」载波的调制方式,最后调整各个」载波的功率 由于Chow算法的思想是在发射功率保持不变得前提下,实现传输速率最大化,所以我 们有必要对不同发射功率的情况下OFDM系统利用chow算法实现系统优化的效果进行分析。 图6仿真为在相同条件下,固定发射功率,当BER不断增加时,系统平均在每个可用子载波 上分配的比特数是不断上升的,即两者是正比例关系,符合理论推导。对于不同发射功率时, 由于发射功率的不断上升,从120N到200*N,在相同BER误比特率时,平均在每个可用子 载波上分配的比特数是不断增加的。以BER=102为例,发射功率为120*N时频谱利用率约为 5 bit/symbol;发射功率为160*N时频谱利用率约为5.5 bit/symbol;发射功率为200*N时频谱利 用率约为6 oit/symbol。也就是说,随着发射功率的增加平均分配在每个可用子载波数上的比 特数是不断增加的,频谱利用率是不断上升的。图7为Chow算法对每个子载波进行比特和 功率自适应分配情况。在某一固定时刻和固定误比特率的情况下,在每个子载波上分配的比 特数和分配功率是成正比例关系的。当分配功率大(小时同样分配比特数就多(少),即当信 道条件好的时候采用高阶调制,当信道条件差的时候采用低阶调制。 65 点 55 - Ptot- 200N 子载波数 图6不同固定发射功率下Chow算法平均比特分配 特性曲线 图7某一时刻Chw算法比特功率分配 ER=0.0213 图8当误比特率BER固定时,随着发射功率的不断变化,当采用chow算法时,在收 端的信噪比SNR和平均每个了载波上分配比特数之间的关系。对于固定误比特凇BER情况 下随着SNR的不断增加,平均分配比特数即频谱利用率是随之接近于线性增加的。对于不 同的预期误比特率的要求,其系统频谱效率性能曲线是随着BER的增加而增加的,这主要 是因为Chow算法在BER要求增加时,其在每个发射可用子载波上的线性调制阶数也是随 之增加的,使得频谱利用率増加。巾于chow算法和注水算法均是在发射功率固定的情况下, 实现传输速率最人化,所以有必要对二者的性能进行比较分析。图9所示为当发射功率均为 200*N时,随着误比特率的变化,两种算法的性能比较曲线。从图中可以看出,两者性能很 接近,在等发射功牽的前提下chow算法和注水算法两者对OFDM系统性能的改善特性很 接近,当目标BER要求较高时,注水算法相对来说只有较好的性能。 山国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 等发射功率下chow和 water filling红法性能比较 (B三=1e3 -B三R=1e4 eB三R=1c1 图表8固定误比特率下chow算法特性曲线图9等发射功率下chow和汁水算法性能比较 结论 通过对最优的离散比特自适应算法,注水算法,以及次优的chow方法进行硏究与仿真, 我们验证了上述三种算法的性能指标。离散比特自适应算法,即在保持恒定的数据传输速率 Rb以及接收端误比特率BER的情况下,使总的发射功率Pb达到最小。注水算法,即在保 持恒定的发射功率Pb以及接收端误比特率BER的情况下,使其总的数据传输速率Rb最大。 Chow算法,即在保持恒定的发射功率Pb以及接收端误比特率BER的情况下,使总的数据 传输速率Rb最大。通过采用自适应算法,OFDM系统的性能在对抗多径干扰上得到了优化, 系统的整体性能也得到了很大的改善,体现了自适应算法的优越性。 参考文献 [l].佟学俭,罗涛.《OFDM移动通信技术原理与应用》[M]北京:人民邮电出版社,2003.56。 [2].王文博,郑侃.《宽带无线通信-0FDM技术》[M,北京:人民邮电出版社,2003 [3]. Dr. Mary Ann Ingram Guillermo Acosta (OFDM(DVB-T) simulation using MATLAB> [J] August, 2000 [44]. John A. C. Bingham. KMulti-carrier modulation for data transmission an idea whose time has come)[J, May 1990-IEEE Communications Magazine 15. J. M. Ciotti (multi-channel modulation)[J] Lecture notes for advanced digital communicat ions, pp. 285-309, Standford, 2002 [6]. Jiho Jang*, Kwang Bok Lee, and Yong-Hlwan Lee. (Transmit Power and Bit Allocations for OFDM Systems in a Fading Channel)[j], GLOBECOM 2003 [7]. Peter S Chow, John M. Cioffi, and John A C. Bingham. <A Practical Discrete Multitone Transceiver Loading Algorithm for Data Transmission over Spectrally Shaped Channels )[J], IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS. VOL, 43, NO. 2/3/4 FEBRUARY/MARCH/APRIL 1995 Li Kaikai, Shou Guochu, Hu Yihong BUPT Comtcst r&D Centcr buPT, Bcijing 100876 In this paper, we analyze and simulate three classical bit and power loading algorithms: Water-filling algorithm, Optimum Discrete Bit Loading Algorithm and Chow algorithm. The performance of above three algorithms is also compared herein. The simulation results show that adaptive bit and power loading algorithm can improve the system performance significantly, by exploiting the fading characteristics of the wireless channel OFDM, self-adaptive technique, FFT, gauss noise, bit error rate 作者简介:李凯凯,男,1983年生,硕士研究生,主要研究方向是接入网技术与测试技术。

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