OFDM系统中动态子信道和功率的分配
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收稿日期:2008—01—22 作者简介:蒋字这(1粥3..)。粥,硕士研究生,研究方向为无线通信
的信邀估计。
wk.baidu.com设第k用户分配给第n予信道的比特数用ch表
示,岛.。∈l l,2,…,c一}为一个MQAM符号所携带 的最大院特数。因为在每个OFDM符号期闯一个子 信道只能被一个用户占用,所以若吼.。≠0,则对任
Subcarrier and power allocation of the constant bit rate
user and variable bit rate user in oFDM system
(aep艋删谍丑∽觏滴c&酒艘醴JI堍AN,GShYaun.ghdaai,ymQoItAoNng
准雯1j。并且进一步考虑了系统中有固定速率用户和可变速率用户同时存在的情况:在子信道分 配对,党给辫定速率蛹蕉户分配子信遂,再给可变速率用户按照子信道链路增益最大记分配剩 余酚子信遘;在信号发射功率分配上,按照“注水”法则分配,链路增益太的予信道分配爵磅 率大,链路增益小的子信道分配的功率小,则系统的目标遵数,总传输速率可以达到最大。仿 真证明了此方案优于一般的方案。 关键词:OFDM系统;子载波分配;功率控制
3 子信道上的功率的分配
完成予信道分配后,分别对每个用户在各自分 得的子倍遴上进行巍适应毙特和功率分配,分配依 然按照MA优化准则,使每个用户的发送总功率最 小化。最常用的自适应比特分配算法是一维逼近算 法。由于各子信道裰翌独立,所以一维逼近算法对予 这一类问题是最优的。其基本方法是:首先将所有子 信遂的比特数设置为0,然后依据各子信道的瞬时增 益对子信道进行比特分配,每一次分配1个比特,选 择所需发送功率最小的那个子信道进行分配。
l 1+鲁}·I口。I 2》l占f 2
其孛,霜是雳疹子信道盼最傀予倍道的信于毙,爨 此予信道不分配功率,满足的子信道集合,对定速率 用户按照用户总功率最小分配功率,对变速率用户 按照注水理论分配功率大小,这样系统容量最优。
这个问题其实可以描述为:对于任意一个变速
率用户,它有肘个子信道,减少一个或几个子信道, 恧撼功率分配绘链路最姆的子信遘,系统的容量是
P,=∑∑斟“ 系统需要豹发送总功率为
在MA的准则下,多用声OFDM巍适应分配算法
的目的是确定予信道,比特分配方案,邵寻找最佳的 ch,使系统的总功率岛最小化。
2 动态的子信道分配
在分配之前,先根据每个用户渡务量的大小确
定各囱应分得的子信道数霸,然后根据各用户的瞬
嚣雩信邋增益动态地分配子傣道。这一阶段缓设调制
Hang
UI如嘞,Slmgh盆200240,china)
Abstract:Bash On龇analysis《a multi—user OFDM s黟tem’s adaptive subcarrier,巍l and power allocation
algorithm,出is article eomidem出e技越tip地frequency sektive fading channel’s instantaneom
巾圈分类号:TN911 文藏栋识码:A 交章编号:1009一签52《200s;10一0130一阻
2008毒第18舷
OFDM系统中动态子信道和功率的分配
蒋字达,钱 良
(上海交通大学电予工程系,上海2x瑚z40)
摘要:在分析一种多用户OFDM系统中鸯适应子信遗和比特功率分配算法酶基础上,根据多 径频率选择性衰落信道的瞬时特性,动态地为多用户分配子信遗和传输比特数,并服从MA优化
端,用户g的第m个子载波的信于眈珞。。为
v 一生!墨!!。:塑!:’
。s’”一
NBB“
其中,口,.。表示基靖等用户g之阕的复衰弱,蕊是嗓 声的功率谱密度,巩是每个子载波的带宽。
采用P-QAM调制和理想棚位检测,用户g的第 黼个子载波信号的谈码率BER的上限与的关系 为‘2】
BER。<吾e印(杀鲁)
其中,为每个数据符号包含的比特数,对上式进行变 形得到:
重建信遂模型,假设系统有定个霞定速率用 户,每个固定速率用户传输速率是足(i s 1,2,…,
K);同时有Ⅳ个可变速率用户,每个用户的传输速
率是‘(.,=I,2,…,掰),慧的用户数秀K+Ⅳ。假设 每~个子载波的带宽小于信道的相干带宽,即每一 个子载波经历的是非频率选择性衰弱。并假设已知 所有用户所有子载波的信道状态信息(CSI),采用子 载波信道分配方案和功率控制技术给每个子载波的 OFDM符号分配合适的比特数和功率德。在接收
%.。《lo&l l+等j
其中,r=一加(5BER),1.5 在多掰户多速率的OFDM系统孛,本文的霉标
是在保证每一个用户的服务质量的前提下,使系统 的总速率达到最大,系统的目标函数表示为【4】
霞枷=兹∑∑log。(1+爷)+∑Ri
—13】一
在文献[3】中已经证明了,在多用户多速率(包 含定速率和变速率)的OFDM系统中,首先按照子倍 道链路增摘最优原则先给定速率用户分配子信道; 鲞所有定速率用户分配有子傣道并满足速率限定条 件后,再把剩余的予信道按照链路增益最优原则分 配给变速率用户,这样系统的容量最大。
一132一 万方数据
要求的同时花赞的功率最小。对予变速率用产,采用 “注水”方案分配功率秘】:链路增益大的用户分配的 功率大,链路增益小的用户分配功率小,使优先的功 率能获得最大熬系统容爨。对某一照户,如果链路增 益不在给定的取值范围,那么超出这个范围的子信 道不分配功率。
文献[3】涯硬了,对予某一用声,如憩考嚣令子 信道,其路径增益分别为口。,口:,…,口肼,令,I五i- ltllax(1口,l,I群:I,…,I口耐I)如果某一子信道的链路 增益不满是戴
意k’乒k,k7 e{l,2,…,必},有劬.。=0。每个 OFDM符号期间各用户酶数据党特数为:
RI=∑%张,。
式中: f0,仇。。=0
‰“1,Ck.。:1
对于给定纯属质量QoS(主要用误比特率采衡 量),假设在接收端正确解调所需要的最小信号功率 为.双c),则第k个用户对第挂个子信道的发送功率
‰:丛掣 a^.^
bit
si韶a王协蒯t rote I.ISe懋and&en the vari曲le bit rate use玛.While allocafing the
power,according to重量le
“water-fi珏ing”policy,龇L越ger她gain of她sub-channel,the黼power is assi删。And氐simulation
这样的话,就是说受限给菇个定逮零用户分配 子信道,就是说在膨-(K+Ⅳ)个子信道中选择麒· K个子信道分配给定速率用户。那么这髹个定速率 耀户的予信遭分配方案就可以按照文献[1】新说的 初始分配和迭代逼近进行,在保证系统的总功率最 小的同时保证每个定速率用户分配到了膨个子信 道,黍l余掰·N个子傣道分配给露个变速率用户。
下霹给出在第用户分碍的予信道比特分配具体 过程:
(I)初始化 对所有珏,拜=珏l,菇2,…,珏藏,令呶。。=0
一^ph“一一.赵12口=:..。题Q2.’
S=& (2)比特分配 重复以下步骤飓次:
珏=arg妒轴;
△‰:丝选哩型。 cI.i 2吼.二+l; 口五.4
分配结束。 每—个用户递过前面酶子偿道分配,获缛了嚣个 子信道,遴一步应合理分配功率让系统的容量最大。 对于定速率用户,可以基于功率增加最小化算 法对功率进行分配。假设把一个比特的信号分别分 配到不同的膨个子信道,比较这掰次分功率增量的 大小,选出最小的一个作为子信道的分配,以上过程 重复是次,这榉的分配结果是定速率用户满足速率
方式固定,且各用户要求的误比特率相同,则在子信
道分配时所要解决的问题变为:
K
N
n
麓}?r。露?善蚤蕞≯.一
式中P为嗣定调制方式下一个信息符号的传
输功率。
有一种比较好的试探算法来确定子信道的分
配,它分两步来实现较优的子信道动态分配,即初始
分配秘迭代遥近。韧始分配酚段先搬据各震户的信
道特性初步给蹦分配矩阵P;迭代迢近阶段通过迭 代交换不断地逼近最终结果,以尽可能地减小发送
opt岫rule.When characteristic,allocate t}le subcarrier aIld bit for multi·user,according t0 MA
tlle system
bo¥汹tant tlle删tant has
bit rote useIs md variable bit rate usefs.flint itaUocates tlle subcarriem to
量 系统模型和问题阐述
设系统有必个用户,撑个子待道,每个OFDM 符号期间各用户的数据比特数为娥(蠡=1,2,…,
~130一 万方数据
鬈),屋假设信道估计良好,第露个用户在第菇子信道 的瞬时信道增益用%。来表示。在发送端,每个用户 的串行比特流根据信道的瞬时估计值,按自适应算 法被分配到各个OFDM子信道。各子信道分配到的 沈特数决定了该子信道所采用的调制方式。假设某 一子信遵被分配G个沈特数据,剐在该子信道采用 MQAM(M=2。)调制方式,子信道的数据被映射为 MQAM个符号。经过自适应调制后的各路信号被并 行送入IFFr单元,再插入保护间隔。
万方数据
个子信道同时在两个用户的排序相同的情况下,则 将它分配给增益较大的用户,完成一列的分配后转 离下一列。这群就可以褥到初始分配矩阵。完成了 初始分配后,可以通过让子信道的不同用户之间迭 代交换来减少系统的发射总功率。那些在不同用户 之闻交换焉能减少系统的发送惑功率的予信道都必 须完成交换。
这样系统经迭代逼近后,就可以得到最后的分
配矩阵。
上述的子信道分配只考虑了固定速率用户,它 的目标函数是系统的总功率,一般的OFDM系统中 往往蕊有露定速率用户又有爵变速率用产,铡如不 单有语音通话的用户,也有进行视频,网络等等各种 服务的用户。下面要看以下可变速率和蹋定速率结 合在一起的信道分配,这样就不能把系统的惑功率 作为目标函数,而是要把系统的总速率作为目标函 数:
shows吐le system∞pci够is larger than dtller me&ods.
Key words:0FDM sy鼬m;subcarrier allocation;power control
无线信道中高速数据的多径传输往往会弓l起信 道的频率选择性衰弱。实际的通信系统大多数是支 持多用户并发通信的。由于不间用户的衰弱参数是 互相独立的,对于某一用户来讲是深衰弱信道,而对 予其他用户来讲并不一定是深衰弱的,即信道衰弱 存在用户差异性。因此,根据各用户的子信道瞬时 特性动态地分配子信道,可以避免静态子信道分配 带来的子信道资源的浪费,充分利用系统资源。这 实质上是一个多垃接入的问题。
这说明,对予信道的分配不~定要每个用户都 要平等的分配到膨个子信道,用户最多可分得艇个 子信遭,但也可以分配到少于掰个子信道。辫进行 IF聊变还的时候,按照肘点进行,不够的补O。那些 信道可以分配给其他用户,丽不是让它的功率为0。
4仿真结果
首先设置仿真参数,假设每一个用户的予信道的 链路增益为互捆独立豹Rayleigh衰落,平均信遭缛睾增 益对所有的用户和信道都为I。系统的BER=10一。
否比原来好。
可以通过假设单用户的速率表达式来求证
掰
r
l
l 21
k=蚤Bmlg卜s汕鼍旁j,
可以假设这/'n个子载波的增益依次递减,然后
可以设第瓣个子载波不分配能量,将这部分能量分 配给最优的第一个子载波,求两种分配方式中ri的
差值即可。
最后通过运算可以褥到,如果有
l 1+等}k雕l 2>k。I 2
可以将所有子信遂都分配功率,这样系统的容 量最大,反之如果不满足最小信道的增益,就把这个 子信道的信号功率设定为0,将这部分功率分配给 最优的子信遂,用户速率最大。
总功率。 藏算法在文献中[1]已经有详细描述,即先根据
每个用户对各子信道的增益按从高到低的顺序排
羽,将这些子信道的序号缝或一个K×N的矩阵,
然后从矩阵的第一列开始,给用户分配子信道,如果
该子信道还未分配,并且该用户还没有被分配完所 需要酌子信道,裂将子信遂分配给该用户,在分配矩 阵的相应位置赋1,该列其余位置为0,如果遇到一
的信邀估计。
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Subcarrier and power allocation of the constant bit rate
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(aep艋删谍丑∽觏滴c&酒艘醴JI堍AN,GShYaun.ghdaai,ymQoItAoNng
准雯1j。并且进一步考虑了系统中有固定速率用户和可变速率用户同时存在的情况:在子信道分 配对,党给辫定速率蛹蕉户分配子信遂,再给可变速率用户按照子信道链路增益最大记分配剩 余酚子信遘;在信号发射功率分配上,按照“注水”法则分配,链路增益太的予信道分配爵磅 率大,链路增益小的子信道分配的功率小,则系统的目标遵数,总传输速率可以达到最大。仿 真证明了此方案优于一般的方案。 关键词:OFDM系统;子载波分配;功率控制
3 子信道上的功率的分配
完成予信道分配后,分别对每个用户在各自分 得的子倍遴上进行巍适应毙特和功率分配,分配依 然按照MA优化准则,使每个用户的发送总功率最 小化。最常用的自适应比特分配算法是一维逼近算 法。由于各子信道裰翌独立,所以一维逼近算法对予 这一类问题是最优的。其基本方法是:首先将所有子 信遂的比特数设置为0,然后依据各子信道的瞬时增 益对子信道进行比特分配,每一次分配1个比特,选 择所需发送功率最小的那个子信道进行分配。
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其孛,霜是雳疹子信道盼最傀予倍道的信于毙,爨 此予信道不分配功率,满足的子信道集合,对定速率 用户按照用户总功率最小分配功率,对变速率用户 按照注水理论分配功率大小,这样系统容量最优。
这个问题其实可以描述为:对于任意一个变速
率用户,它有肘个子信道,减少一个或几个子信道, 恧撼功率分配绘链路最姆的子信遘,系统的容量是
P,=∑∑斟“ 系统需要豹发送总功率为
在MA的准则下,多用声OFDM巍适应分配算法
的目的是确定予信道,比特分配方案,邵寻找最佳的 ch,使系统的总功率岛最小化。
2 动态的子信道分配
在分配之前,先根据每个用户渡务量的大小确
定各囱应分得的子信道数霸,然后根据各用户的瞬
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Abstract:Bash On龇analysis《a multi—user OFDM s黟tem’s adaptive subcarrier,巍l and power allocation
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OFDM系统中动态子信道和功率的分配
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摘要:在分析一种多用户OFDM系统中鸯适应子信遗和比特功率分配算法酶基础上,根据多 径频率选择性衰落信道的瞬时特性,动态地为多用户分配子信遗和传输比特数,并服从MA优化
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重建信遂模型,假设系统有定个霞定速率用 户,每个固定速率用户传输速率是足(i s 1,2,…,
K);同时有Ⅳ个可变速率用户,每个用户的传输速
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是在保证每一个用户的服务质量的前提下,使系统 的总速率达到最大,系统的目标函数表示为【4】
霞枷=兹∑∑log。(1+爷)+∑Ri
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在文献[3】中已经证明了,在多用户多速率(包 含定速率和变速率)的OFDM系统中,首先按照子倍 道链路增摘最优原则先给定速率用户分配子信道; 鲞所有定速率用户分配有子傣道并满足速率限定条 件后,再把剩余的予信道按照链路增益最优原则分 配给变速率用户,这样系统的容量最大。
一132一 万方数据
要求的同时花赞的功率最小。对予变速率用产,采用 “注水”方案分配功率秘】:链路增益大的用户分配的 功率大,链路增益小的用户分配功率小,使优先的功 率能获得最大熬系统容爨。对某一照户,如果链路增 益不在给定的取值范围,那么超出这个范围的子信 道不分配功率。
文献[3】涯硬了,对予某一用声,如憩考嚣令子 信道,其路径增益分别为口。,口:,…,口肼,令,I五i- ltllax(1口,l,I群:I,…,I口耐I)如果某一子信道的链路 增益不满是戴
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这样的话,就是说受限给菇个定逮零用户分配 子信道,就是说在膨-(K+Ⅳ)个子信道中选择麒· K个子信道分配给定速率用户。那么这髹个定速率 耀户的予信遭分配方案就可以按照文献[1】新说的 初始分配和迭代逼近进行,在保证系统的总功率最 小的同时保证每个定速率用户分配到了膨个子信 道,黍l余掰·N个子傣道分配给露个变速率用户。
下霹给出在第用户分碍的予信道比特分配具体 过程:
(I)初始化 对所有珏,拜=珏l,菇2,…,珏藏,令呶。。=0
一^ph“一一.赵12口=:..。题Q2.’
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分配结束。 每—个用户递过前面酶子偿道分配,获缛了嚣个 子信道,遴一步应合理分配功率让系统的容量最大。 对于定速率用户,可以基于功率增加最小化算 法对功率进行分配。假设把一个比特的信号分别分 配到不同的膨个子信道,比较这掰次分功率增量的 大小,选出最小的一个作为子信道的分配,以上过程 重复是次,这榉的分配结果是定速率用户满足速率
方式固定,且各用户要求的误比特率相同,则在子信
道分配时所要解决的问题变为:
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式中P为嗣定调制方式下一个信息符号的传
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分配秘迭代遥近。韧始分配酚段先搬据各震户的信
道特性初步给蹦分配矩阵P;迭代迢近阶段通过迭 代交换不断地逼近最终结果,以尽可能地减小发送
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bit rote useIs md variable bit rate usefs.flint itaUocates tlle subcarriem to
量 系统模型和问题阐述
设系统有必个用户,撑个子待道,每个OFDM 符号期间各用户的数据比特数为娥(蠡=1,2,…,
~130一 万方数据
鬈),屋假设信道估计良好,第露个用户在第菇子信道 的瞬时信道增益用%。来表示。在发送端,每个用户 的串行比特流根据信道的瞬时估计值,按自适应算 法被分配到各个OFDM子信道。各子信道分配到的 沈特数决定了该子信道所采用的调制方式。假设某 一子信遵被分配G个沈特数据,剐在该子信道采用 MQAM(M=2。)调制方式,子信道的数据被映射为 MQAM个符号。经过自适应调制后的各路信号被并 行送入IFFr单元,再插入保护间隔。
万方数据
个子信道同时在两个用户的排序相同的情况下,则 将它分配给增益较大的用户,完成一列的分配后转 离下一列。这群就可以褥到初始分配矩阵。完成了 初始分配后,可以通过让子信道的不同用户之间迭 代交换来减少系统的发射总功率。那些在不同用户 之闻交换焉能减少系统的发送惑功率的予信道都必 须完成交换。
这样系统经迭代逼近后,就可以得到最后的分
配矩阵。
上述的子信道分配只考虑了固定速率用户,它 的目标函数是系统的总功率,一般的OFDM系统中 往往蕊有露定速率用户又有爵变速率用产,铡如不 单有语音通话的用户,也有进行视频,网络等等各种 服务的用户。下面要看以下可变速率和蹋定速率结 合在一起的信道分配,这样就不能把系统的惑功率 作为目标函数,而是要把系统的总速率作为目标函 数:
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Key words:0FDM sy鼬m;subcarrier allocation;power control
无线信道中高速数据的多径传输往往会弓l起信 道的频率选择性衰弱。实际的通信系统大多数是支 持多用户并发通信的。由于不间用户的衰弱参数是 互相独立的,对于某一用户来讲是深衰弱信道,而对 予其他用户来讲并不一定是深衰弱的,即信道衰弱 存在用户差异性。因此,根据各用户的子信道瞬时 特性动态地分配子信道,可以避免静态子信道分配 带来的子信道资源的浪费,充分利用系统资源。这 实质上是一个多垃接入的问题。
这说明,对予信道的分配不~定要每个用户都 要平等的分配到膨个子信道,用户最多可分得艇个 子信遭,但也可以分配到少于掰个子信道。辫进行 IF聊变还的时候,按照肘点进行,不够的补O。那些 信道可以分配给其他用户,丽不是让它的功率为0。
4仿真结果
首先设置仿真参数,假设每一个用户的予信道的 链路增益为互捆独立豹Rayleigh衰落,平均信遭缛睾增 益对所有的用户和信道都为I。系统的BER=10一。
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可以设第瓣个子载波不分配能量,将这部分能量分 配给最优的第一个子载波,求两种分配方式中ri的
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最后通过运算可以褥到,如果有
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总功率。 藏算法在文献中[1]已经有详细描述,即先根据
每个用户对各子信道的增益按从高到低的顺序排
羽,将这些子信道的序号缝或一个K×N的矩阵,
然后从矩阵的第一列开始,给用户分配子信道,如果
该子信道还未分配,并且该用户还没有被分配完所 需要酌子信道,裂将子信遂分配给该用户,在分配矩 阵的相应位置赋1,该列其余位置为0,如果遇到一