MIMO-OFDM系统自适应技术(20学时).ppt

1第第 7章章 OFDM系统自适应技术系统自适应技术7.1 引言引言 链路级自适应技术的基本思想是，根据在发射端获取的链路级自适应技术的基本思想是，根据在发射端获取的某种形式的信道状态信息自适应调节各种信号传输的参数，某种形式的信道状态信息自适应调节各种信号传输的参数，实现对当前信道环境的充分利用。可以调节的基本参数包括实现对当前信道环境的充分利用。可以调节的基本参数包括调制方式、编码方式、符号速率、发射功率等。在多载波条调制方式、编码方式、符号速率、发射功率等。在多载波条件下可以调整每个子信道的编码调制方式和发送功率，在多件下可以调整每个子信道的编码调制方式和发送功率，在多用户条件下可以调整用户间资源分配的数量和方式等。通过用户条件下可以调整用户间资源分配的数量和方式等。通过自适应技术得到的系统信道容量的增益是非常明显的。这种自适应技术得到的系统信道容量的增益是非常明显的。这种自适应技术已经被广泛地认为是无线通信系统中有效提高频自适应技术已经被广泛地认为是无线通信系统中有效提高频谱利用率的重要手段之一。谱利用率的重要手段之一。2 OFDM系统把一个频率选择性衰落的实际信道划分成若系统把一个频率选择性衰落的实际信道划分成若干个独立的平坦窄带子信道，各个子信道之间信道状况差异干个独立的平坦窄带子信道，各个子信道之间信道状况差异很大，具有相对独立性，不同子信道受到不同的衰落，从而很大，具有相对独立性，不同子信道受到不同的衰落，从而具有不同的传输质量。这种特点的好处就是，能够根据各个具有不同的传输质量。这种特点的好处就是，能够根据各个子信道的实际状态自适应地分配信息比特和发射功率，从而子信道的实际状态自适应地分配信息比特和发射功率，从而减弱衰落的影响，更加有效地利用信道资源。所以与传统的减弱衰落的影响，更加有效地利用信道资源。所以与传统的单载波系统相比，多载波单载波系统相比，多载波OFDM系统使用自适应技术会具有系统使用自适应技术会具有更高的灵活性，并能够获得更好的性能。更高的灵活性，并能够获得更好的性能。当自适应传输技术应用于多天线环境中时，也可为系统当自适应传输技术应用于多天线环境中时，也可为系统带来系统容量提升和整体性能的提高。由于增加了空间上的带来系统容量提升和整体性能的提高。由于增加了空间上的自由度，自由度，MIMO系统的自适应算法的设计也更为灵活和复杂。系统的自适应算法的设计也更为灵活和复杂。3 在发射端，在发射端，MIMO 系统通过了解当前信道的状态信息，系统通过了解当前信道的状态信息，可自适应的调整天线上的发射功率、比特分配，并由此获得可自适应的调整天线上的发射功率、比特分配，并由此获得系统性能的提高。系统性能的提高。MIMO 系统有多种传输策略，有以提高系系统有多种传输策略，有以提高系统容量为目标的，有以改善系统性能为目标的，有的适用于统容量为目标的，有以改善系统性能为目标的，有的适用于存在空间相关的环境，有的需要天线之间服从独立衰落。根存在空间相关的环境，有的需要天线之间服从独立衰落。根据信道状况来选择适当的传输策略，包括多种不同传输策略据信道状况来选择适当的传输策略，包括多种不同传输策略的结合或选择，都是当前自适应的结合或选择，都是当前自适应 MIMO研究的热点题目。研究的热点题目。在在MIMO-OFDM系统中应用自适应技术，能充分利用空系统中应用自适应技术，能充分利用空间、时间和频率维上的自由度，可以设计更为灵活的传输结间、时间和频率维上的自由度，可以设计更为灵活的传输结构、可调整的参数更多，当然推导和实现也更为复杂。构、可调整的参数更多，当然推导和实现也更为复杂。47.2 自适应技术的理论基础自适应技术的理论基础仙农定理仙农定理 实际传输速率实际传输速率 该式的含义是某种调制、编码方法所能达到的实际传输速率该式的含义是某种调制、编码方法所能达到的实际传输速率 ，相当于信噪比相当于信噪比 损失了一个因子损失了一个因子后的信道容量。后的信道容量。表示在特定的调制方式、信道纠错编码方式以及误码表示在特定的调制方式、信道纠错编码方式以及误码率下，达到一定的传输速率时，理论所需要的功率与实际所率下，达到一定的传输速率时，理论所需要的功率与实际所需要的功率之间的比值需要的功率之间的比值，被称之，被称之为为信噪比差信噪比差额额（SNR GapSNR Gap）。它是一个与它是一个与调调制方式和信道制方式和信道纠错编码纠错编码方式、以及目方式、以及目标误码标误码率率都有关的量。都有关的量。7.2.1 注水原理注水原理5当当时，时，就是对功率利用的最理想的情况。在特定调制就是对功率利用的最理想的情况。在特定调制方式编码方式以及误码率下，方式编码方式以及误码率下，是一个大于是一个大于1 1的常量，表明的常量，表明对对功率利用的降低或对信噪比的实际利用能力。功率利用的降低或对信噪比的实际利用能力。由于由于实际实际上信道的特性是随机的，因此在上信道的特性是随机的，因此在设计传输设计传输速率速率时时，时时，实际传输实际传输的速率的速率为为：还还要留出一个信噪比的裕量要留出一个信噪比的裕量 ,以便在信道特性以便在信道特性变变差差时时，传传输输的速率和性能仍不受影响。当考的速率和性能仍不受影响。当考虑虑信噪比裕量信噪比裕量（SNR Margin）6信道容量：信道容量：信道带宽：信道带宽：信道的：信道的传输传输增益增益：信道的加性高斯白噪声的功率：信道的加性高斯白噪声的功率谱谱密度密度：信号的功率：信号的功率谱谱密度密度假假设设信号的信号的总发总发射功率射功率为为，则则 拉格朗日乘子法拉格朗日乘子法 为为拉格朗日乘数。拉格朗日乘数。7注水原理中的核心公式：注水原理中的核心公式：上式的物理意上式的物理意义义是：当信噪比是：当信噪比 较较大大时时，信道，信道对应对应的分配功率的分配功率应该较应该较大，反之，信道大，反之，信道对应对应的分配功率的分配功率应该较应该较小，小，或者关或者关闭闭部分信噪比极低的信道，即部分信噪比极低的信道，即绝绝大多数大多数发发射功率集中在射功率集中在信道衰减信道衰减较较小的小的频带频带范范围围内。内。8注水功率分配示意注水功率分配示意图图 9自适自适应应分配的分配的OFDM系系统结统结构框构框图图 7.2.2 自适自适应应OFDM系系统统模型模型107.2.3 自适自适应应分配的原分配的原则则 按照系按照系统统的比特的比特传输传输速率来分，速率来分，OFDM自适自适应应比特功率比特功率分配算法可以分分配算法可以分为为两大两大类类，即固定，即固定传输传输速率算法和速率算法和变传输变传输速速率算法。其中固定率算法。其中固定传输传输速率算法又可以分速率算法又可以分为为固定功率算法和固定功率算法和变变功率算法。具体介功率算法。具体介绍绍如下：如下：其工作其工作过过程大致分析程大致分析为为：在接收端：在接收端对对信道的参量作出估信道的参量作出估计计，当系，当系统统有数据要有数据要发发送送时时，首先由信道估，首先由信道估计获计获得各个用得各个用户户的信道特性，比特的信道特性，比特及功率分配模及功率分配模块块根据根据这这一估一估计计信息信息为为用用户户所用子所用子载载波分配比特，在此波分配比特，在此基基础础上上进进行行发发射功率分配，所有射功率分配，所有这这些分配策略将通些分配策略将通过专过专用信道反用信道反馈给馈给发发送端，而接收端利用送端，而接收端利用这这些分配信息些分配信息进进行相行相应应解解调调和数据和数据还还原。原。11 变传输变传输速率算法。在速率算法。在给给定的定的总发总发射功率和系射功率和系统误统误比特率比特率(BER)条件下，条件下，实现实现信道容量信道容量(传输传输速率速率)最大化。也称最大化。也称为为最大最大比特率准比特率准则则，即，即RA(RateAdaptive)准准则则。其。其对应对应的的优优化模型化模型可用下式描述可用下式描述 1.基于信道容量最基于信道容量最优优化的原化的原则则 122.基于基于发发射功率最小化的原射功率最小化的原则则 固定固定传输传输速率、速率、变变功率算法。在功率算法。在给给定的定的传输传输速率速率准准则则。其。其对应对应的的优优化模型可表示化模型可表示为为：和系和系统误统误比特率比特率 条件下，根据子信道的增益条件下，根据子信道的增益对对子子载载波上的比特数波上的比特数进进行行动态动态自适自适应应分配，同分配，同时调时调整各子整各子载载波上波上的的发发射功率，使得需要的射功率，使得需要的总发总发射功率射功率(或者平均每比特信噪或者平均每比特信噪比比)最小，称最小，称为为功率最小化准功率最小化准则则，即，即MA(MarginAdaptive)133.基于基于误误比特率性能最比特率性能最优优化的原化的原则则 固定固定传输传输速率、固定功率算法，即在系速率、固定功率算法，即在系统总发统总发射功率射功率和和传输传输速率速率都保持一定的情况下，通都保持一定的情况下，通过过自适自适应应分配各子分配各子载载化算法。化算法。对应对应的的优优化模型可表示化模型可表示为为波上的比特和功率，直接提高系波上的比特和功率，直接提高系统统的的 性能性能为为出出发发点的点的优优147.3.1 Hughes-Hartogs算法算法Hughes-Hartogs算法是算法是经经典的典的贪贪婪算法。婪算法。对对于于功功率率最最小小化化准准则则(MA准准则则)，该该算算法法的的主主要要思思想想是是，首首先先将将各各个个子子载载波波的的比比特特数数目目均均设设为为0，然然后后将将所所有有的的待待分分配配比比特特依依次次分分配配给给相相应应的的子子载载波波。在在每每次次比比特特分分配配过过程程中中，首首先先找找到到增增加加 1比比特特时时，只只需需增增加加最最少少发发射射功功率率就就能能维维持持目目标标误误比比特特率率的的子子载载波波，然然后后将将该该子子载载波波的的比比特特数数目目增增加加1。如如此此循循环环迭迭代代，直直到到所所有有的的比比特特被被分分配配完完，最最后后计计算算各各个个子子载载波波所所需需要要的的发发射射功功率率。而而对对于于比比特特率率最最大大化化的的准准则则(RA准准则则)，则则只只需需重重复复分分配配至至加加载载到到子子载载波波的的总总功功率率达达到到指指定定的的发发射射功功率率为为止止即即可可。7.3 OFDM系系统统自适自适应应算法算法15Step 1:比特分配比特分配 1)初始化：初始化：每个子每个子载载波的初始比特和功率分配均波的初始比特和功率分配均设为设为0，即，即 2)计计算每个子算每个子载载波增加波增加1比特信息比特信息时时所需要增加的功率，即所需要增加的功率，即 差差额额功率功率 3)求得求得中的最小中的最小值值，及其，及其对应对应的子的子载载波波编编号号，即，即 164)给编给编号号为为的子的子载载波分配波分配1比特的信息，即比特的信息，即 计计算当前已分配的比特算当前已分配的比特总总数数 ；若若，判断，判断是否成立，是否成立，若是若是转转至至(5)，否，否则转则转至至(2)；若若，则则比特分配完比特分配完毕毕，转转至至step2进进行功率分配；行功率分配；5)置置，转转至至(3)。Step 2:功率分配功率分配 至此，分配完成。至此，分配完成。17 Hughes-Hartogs算法能达到最算法能达到最优优的比特和功率分配的比特和功率分配结结果，果，保保证证了系了系统统的性能要求，但需要的性能要求，但需要额额外的搜索和排序。外的搜索和排序。该该算法的算法的复复杂杂度相当高，特度相当高，特别别是在子是在子载载波数波数较较多或者每个多或者每个OFDM符号包符号包含的比特数含的比特数较较多的多多的多载载波系波系统统中。目前中。目前难难以在无以在无线环线环境中境中应应用，用，实时实时性性较较差。差。18Hughes-Hartogs算法的比特和功率分配算法的比特和功率分配 197.3.3 Chow算法算法Chow算法是根据各个子信道的信道容量来分配比特。算法是根据各个子信道的信道容量来分配比特。Chow算法的算法的优优化准化准则则是在是在维维持目持目标误标误比特率的前提下，比特率的前提下，使系使系统统的余量最大。的余量最大。该该算法通算法通过过迭代迭代过过程，逐步分配比特，同程，逐步分配比特，同时时使系使系统统的余量逐步增大，直到所有的比特都分配完的余量逐步增大，直到所有的比特都分配完毕毕。算法。算法中中设设置了一个最大的迭代次数，以保置了一个最大的迭代次数，以保证证算法的收算法的收敛敛速度。速度。Chow算法主要由三个步算法主要由三个步骤骤完成，首先确定使系完成，首先确定使系统统性能达性能达到最到最优优的的门门限限 ，然后确定各个子，然后确定各个子载载波的波的调调制方式，最制方式，最后后调调整各个子整各个子载载波的功率波的功率。余量定余量定义为义为在在满满足系足系统统要求的比特差要求的比特差错错率条件下，系率条件下，系统统可以容可以容许许的噪声增加量。的噪声增加量。20具体描述如下具体描述如下:1)计计算各个子算各个子载载波的信噪比，波的信噪比，并假并假设设所有子所有子载载波上的信号能量都是波上的信号能量都是归归一化的，一化的，；已使用的子已使用的子载载波数波数其中其中为为可用的子可用的子载载波数的最大数目；波数的最大数目；3)从从到到依次依次计计算算、和和：2)令令(dB)，迭代次数，迭代次数 ，214)计计算算。若。若，则则信道状况太差，无法使用；信道状况太差，无法使用；5)计计算新的算新的：若若，则则令令 ；226)；7)若若且且，令，令，然后，然后转转到步到步骤骤 3)，否，否则转则转到步到步骤骤 8)；8)若若，那么找到最小的，那么找到最小的，相，相应应的的减减1，加加1，重复此步，重复此步骤骤直到直到；9)若若，那么找到最大的，那么找到最大的，相，相应应的的加加1，减减1，重复此步，重复此步骤骤直到直到；2311)调调整整发发射射总总功率：功率：对对所有已使用的子所有已使用的子载载波乘以相同波乘以相同 的比例因子，使分配的的比例因子，使分配的总总信号功率信号功率 。与与Hughes-Hartogs算法相比，算法相比，P.S.Chow算法摒弃了大算法摒弃了大量的搜索和排序，量的搜索和排序，简简化了算法复化了算法复杂杂度。但是由于信号功率度。但是由于信号功率的分配和支持的的分配和支持的传输传输速率是直接相关的，速率是直接相关的，优优化的余地有限，化的余地有限，因此性能无法达到最因此性能无法达到最优优。10)调调整每个子整每个子载载波上的波上的发发射功率，使得射功率，使得对对于相于相应应的的，；24Chow算法的比特和功率分配算法的比特和功率分配 257.3.4 Fischer算法算法 Fischer算法的算法的优优化准化准则则是在确定的系是在确定的系统总统总比特速率和比特速率和发发射功率的射功率的约约束条件下，使系束条件下，使系统统的的误误比特率比特率BER达到最小。达到最小。Fischer算法是目前效率比算法是目前效率比较较高的算法之一。高的算法之一。Fisher的表的表达式无达式无论论是是对对于于实际应实际应用用还还是理是理论论分析，都具有指分析，都具有指导导作用。作用。26Fischer算法的比特和功率分配算法的比特和功率分配27三种算法的比特分配比三种算法的比特分配比较较 比特比特总总数：数：发发射射总总功率：功率：子子载载波噪声功率：波噪声功率：子子载载波数：波数：目目标误标误比特率：比特率：信道信道为为瑞利衰落信道瑞利衰落信道 28 三种算法的功率分配比三种算法的功率分配比较较29信道参数信道参数RMS时时延延扩扩展（采展（采样样点数）点数）(2)最大最大时时延延扩扩展（采展（采样样点数）点数）(8)信道径数信道径数4OFDM系系统统参数参数采采样样速率速率5 MHz系系统带宽统带宽5 MHz子子载载波数波数64OFDM符号周期符号周期(采采样样点数点数)(64)保保护间护间隔隔(采采样样点数点数)(8)数据速率数据速率256 bit/OFDM符号符号子子载载波最大分配比特数波最大分配比特数8 bit 系系统统仿真参数仿真参数30三种算法的性能比三种算法的性能比较较