專利名稱：一種適用于多載波系統(tǒng)的快速比特分配方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線通信技術領域，尤其涉及一種用于多載波系統(tǒng)的快速比特分配方法。

背景技術：
采用多載波調(diào)制(Multicarrier Modulation)可以解決無線信道中多徑效應所帶來的問題。多徑效應即接收機所接收到的信號是通過直射、反射、折射等不同的路徑到達接收機的。這些幅度衰減和時延各不同的信號相互重疊，產(chǎn)生干擾，造成接收機判斷錯誤，嚴重影響信號傳輸質(zhì)量。這種特性稱為信道的時間色散性(Time Dispersion)，同一個信號中不同的頻率成分體現(xiàn)出不同的衰落特性，在信號帶寬接近和超過信道相干帶寬處，會產(chǎn)生頻率選擇性衰落(FrequencySelective Fading)。在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，多徑效應對傳輸?shù)臄?shù)字信號產(chǎn)生時延擴展，造成接收端碼間干擾(ICI，Inter-Code Interference)。當數(shù)據(jù)傳輸速率非常高時，收端信號波形重疊程度將進一步加深，信號間干擾將更加嚴重。所以時間色散是無線信道傳輸速率受限的主要原因之一。衰落信道的傳遞函數(shù)是隨時間變化的。發(fā)送端在不同時刻發(fā)送相同的信號，在接收端收到的信號是不同的。時變性在移動通信系統(tǒng)中的具體體現(xiàn)就是多普勒頻移(Doppler Shift)。這樣就造成了信道的頻率色散性。多普勒頻移對載波頻偏敏感的通信系統(tǒng)性能會產(chǎn)生很大的影響。
多載波調(diào)制采用了多個載波信號。它把數(shù)據(jù)流分解為若干個子數(shù)據(jù)流，從而使子數(shù)據(jù)流具有低得多的傳輸速率，利用這些數(shù)據(jù)分別去調(diào)制若干個載波。所以，在多載波調(diào)制信道中，數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低，碼元周期加長，只要時延擴展與碼元周期相比小于一定的比值，就不會造成碼間干擾。因而多載波調(diào)制對于信道的時間色散性不敏感。
多載波調(diào)制可以通過多種技術途徑來實現(xiàn)，如多音實現(xiàn)、正交多載波調(diào)制(OFDM)、多載波CDMA(MC-CDMA)和編碼MCM(CodedMCM)。


發(fā)明內(nèi)容
使用傳統(tǒng)貪婪算法(Greedy Algorithm)為多載波系統(tǒng)分配比特的方法，其顯著特點是每次只為一個子載波分配單位比特，并且每次分配都需要進行必要的計算以確定目標載波即每次分配比特的子載波，包括一次減法和一次除法，其復雜度主要存在于每次目標子載波的選擇計算上。當用戶所持有的子載波較多或者需要傳輸?shù)谋忍亓枯^大時，該方法的實時性很難保證。而目前存在的復雜度低的比特分配方法相對于傳統(tǒng)往往存在性能損失。為了兼顧性能和復雜度兩個方面，有必要研究根據(jù)貪婪算法分配相同單位比特的子載波的信道增益的特點和規(guī)律，從而找出具有共同屬性的子載波，同時為這些子載波分配比特，簡化子載波選擇的計算。本發(fā)明正是從這一思想出發(fā)，研究了每次分配單位比特時的規(guī)律，得出了可以同時分配比特的子載波的信道增益的特點，從而可以將子載波劃分成多個集合，以集合為單位為其內(nèi)的子載波分配比特，在保證性能的同時極大地簡化了傳統(tǒng)Greedy算法。
本發(fā)明提供了一種多載波系統(tǒng)中的快速比特分配方法，其原理為該比特分配過程是循環(huán)過程，其中每個單次循環(huán)完成部分比特分配，循環(huán)過程結束時完成所有比特的分配。在每個單次循環(huán)，基站首先確定需要進行比特分配的所有子載波，同時對這些子載波進行劃分集合，之后根據(jù)比特分配情況和系統(tǒng)參數(shù)進行后續(xù)操作，循環(huán)結束條件是用戶所需要傳輸?shù)谋忍厝糠峙渫戤吇蛘叻峙涞谋忍財?shù)達到預先設定的要求?？紤]到子載波信道增益的隨機性及由此引起的集合內(nèi)子載波個數(shù)的不確定性，為了滿足比特傳輸要求，本發(fā)明采用將子載波集合劃分成子集合的方法或是傳統(tǒng)Greedy算法完成剩余比特的分配，逐步逼近要求的速率。與傳統(tǒng)Greedy算法相比，本發(fā)明每次為若干子載波同時分配比特，極大地降低了目標子載波選擇的復雜度。
本發(fā)明提供的比特分配方案包括如下步驟 考慮一個多載波系統(tǒng)，某個用戶需要傳輸?shù)谋忍赜洖镽，用戶所持有的子載波和相應子載波的信道增益全部已知?；敬_定需要進行比特分配的子載波。
分為三種情況對待，第一種情況，若n＝1，首先根據(jù)用戶所擁有的所有子載波的信道增益的平方的最大值以及每次為單個子載波分配的比特單位，確定第1個子載波集合的左邊界，而第1個子載波集合的右邊界為用戶所擁有的所有子載波的信道增益的平方的最大值，然后找出滿足左右邊界限制的子載波，組成子載波集合S1，則此子載波集合中的所有子載波就是第一次需要進行比特分配的子載波，具體操作方式如下 找出某個用戶所有子載波的信道增益平方的最大值，并記為|α|2，根據(jù)算出的左邊界比例因子其中ΔB為每次為每個子載波分配的單位比特，確定第1個子載波集合內(nèi)子載波的信道增益平方的左右邊界(b1|α|2，|α|2)，將信道增益平方滿足|αj|2∈(b1|α|2，b0|α|2)的子載波歸入此集合，即αj∈S1。
第二種情況，若n≠1且前n-1次循環(huán)結束時滿足已分配比特量小于所需傳輸?shù)谋忍亓窟@個條件，則首先根據(jù)用戶所擁有的所有子載波的信道增益的平方的最大值以及每次為單個子載波分配的比特單位，確定第n個子載波集合的右邊界，并將集合Sn-1的左邊界作為第n個子載波集合的右邊界，找出滿足左右邊界限制的子載波，組成子載波集合Sn，則前n個子載波集合(即S1，S2，…Sn)中的所有子載波就是此次需要進行比特分配的子載波，具體操作方式如下 根據(jù)算出的左邊界比例確定第n個子載波集合內(nèi)子載波的信道增益平方的左右邊界(bn|α|2，bn-1|α|2)，將子載波的信道增益平方滿足|αj|2∈(bn|α|2，bn-1|α|2)條件的子載波歸入此集合，即αj∈Sn。
第三種情況，若n≠1且第n次循環(huán)結束時滿足已分配比特量大于所需傳輸?shù)谋忍亓窟@個條件，此時在第n-1次循環(huán)時完成比特分配的基礎上，采用將子載波集合劃分子集合的方法或是傳統(tǒng)Greedy算法，確定需要進行比特分配的子載波，具體操作方式如下 將目前定義的所有子載波集合的左邊界和右邊界的中值作為新的邊界，對于原來集合的每個子載波，信道增益的平方位于原來集合左邊界和中值之間的子載波集合稱為該集合的左子集合，信道增益的平方位于原來中值和右邊界之間的子載波集合稱為該集合的右子集合。對已求出的所有集合的左右子集合，假設對所有左子集合的所有子載波都分配相等數(shù)量的比特單位，若此時比特分配滿足要求，即已分配比特量與所需傳輸?shù)谋忍亓肯嗟?，則需要進行比特分配的子載波就是所有左子集合中的子載波；若比特分配未滿足要求，根據(jù)比特分配完成情況分別進行處理，如果已分配比特量小于所需傳輸?shù)谋忍亓康摩卤?，此時需要進行比特分配的子載波則為所有左子集合中子載波，并且將所有的右子集合作為原始集合；如果已分配的比特量大于所需傳輸?shù)谋忍亓康摩卤叮藭r采用傳統(tǒng)貪婪算法完成剩余比特的分配；若比特分配溢出，即已分配比特量大于所需傳輸?shù)谋忍亓?，取消該步驟中假設的比特分配，并且將所有左子集合作為原始集合從新劃分左右子集合。
為需要進行比特分配的所有子載波同時分配單位比特，之后與用戶需要傳輸?shù)谋忍亓孔鞅容^，如果滿足要求，則結束循環(huán)，否則進入下一次循環(huán)，繼續(xù)進行比特分配。
本發(fā)明的特點是利用分配比特時子載波信道增益的特點，采用劃分子載波集合和劃分子載波左右子集合的方法，以集合為單位同時為若干子載波分配比特，避免了傳統(tǒng)貪婪方法每次選擇子載波時的重復計算。



圖1示出了比特分配的總流程圖。
圖2示出了采用將子載波集合劃分子集合的方法或是傳統(tǒng)Greedy算法，確定需要進行比特分配的子載波的流程圖。
圖3示出了按此算法為子載波分配比特的一個實例。
圖4給出了本發(fā)明提出的算法與傳統(tǒng)Greedy算法在相同參數(shù)下的計算機運行時間關系。

具體實施例方式 下面通過附圖對本發(fā)明進行詳細闡述。
圖1示出了比特分配的總流程圖。
假定基站已知用戶的信道增益，用戶所要求傳輸?shù)谋忍貫镽。
由步驟101開始，進入步驟102，開始進入循環(huán)流程，設定計數(shù)變量初始值n＝1。
在步驟103，確定需要進行比特分配的所有子載波。
在步驟104，同時對若干個子載波進行比特分配。
在步驟105，判斷已分配的比特是否滿足用戶的比特傳輸需要，如果不滿足，則進入步驟106；否則，進入步驟107，結束流程。
在步驟106，計數(shù)變量增加一個計量單位，即n＝n+1。
圖2示出了采用將子載波集合劃分子集合的方法或是傳統(tǒng)Greedy算法，確定需要進行比特分配的子載波的流程圖。
由步驟201開始，進入步驟202，將所有子載波集合劃分為左右子集合。
在步驟203，假設對左子集合的所有子載波分配相等的比特單位。
在步驟204，判斷已分配的比特量與用于的比特傳輸要求的關系，若已分配的比特量＝R為真，則進入步驟205；否則進入步驟206。
在步驟205，假定需要進行比特分配的子載波為所有左子集合中的子載波。
在步驟206，判斷已分配的比特量與用于的比特傳輸要求的關系，若已分配的比特量>R為真，則進入步驟207；否則進入步驟208。
在步驟207，取消前面假定的比特分配，將所有左子集合作為原始集合從新劃分左右子集合。
在步驟208，判斷已分配的比特量與要求的比特傳輸要求的關系，若已分配的比特量<βR為真，則進入步驟209；否則進入步驟210。
在步驟209，確定需要進行比特分配的子載波為左子集合中子載波，將所有的右子集合作為原始集合從新劃分左右子集合。
在步驟210，根據(jù)貪婪算法完成剩余比特分配。
圖3給出了按此算法為子載波分配比特的一個實例。
其橫坐標為劃分的子載波集合序號，縱坐標為單次循環(huán)比特分配結束后，集合內(nèi)每個子載波上已分配的比特單位。方框中表示子載波集合比特分配順序。子集合的劃分和比特分配順序與此類似。
性能分析 表1給出了仿真系統(tǒng)中涉及到的具體參數(shù)，如用戶所持有的子載波數(shù)，用戶比特的傳輸要求與其速率要求的比例關系，采樣間隔，每次為子載波分配的比特單位等。
表1 圖4給出了本發(fā)明提出的基于分組的快速比特加載算法與Greedy算法的計算機運行時間在上述參數(shù)下的關系。圖中的橫坐標是算法每次實現(xiàn)的索引號?？v坐標中，時間比指的是本發(fā)明提出的算法的運行時間與Greedy算法運行時間的比值，由于每次信道生成的隨機性，兩個算法的運行的時間具有一定的隨機性，造成的時間比值也有一定的隨機性。
復雜度分析 實際應用中，無線通信采用的調(diào)制方式多為QPSK，16QAM，64QAM，每次分配給一個子載波的比特單位是2個比特，由于本專利提出的改進方法在每次為一個子載波分配2個比特的比特時與傳統(tǒng)方法性能相同，考慮到其他改進方法的性能損失，不具備可比性，這里只比較本發(fā)明提出的改進方法與傳統(tǒng)方法的復雜度。
復雜度分析如下 傳統(tǒng)Greedy算法第一次計算一共需要計算N次，其中為用戶所持有的子載波個數(shù)，從中挑出最小值需要的復雜度為O(N)；第二次計算

其中ii為上一次選中的分配比特的子載波，共只需計算一次，從中挑出最小值需要做N次比較；接下來的情況與第二次的情況類似。分配完畢后，共循環(huán)

次，R為該用戶需要傳輸?shù)谋忍亓俊Ｋ詡鹘y(tǒng)方法的總的復雜度為可以將其近似為

每次實數(shù)加法需要1次浮點操作，每次實數(shù)乘法需要1次浮點操作。
改進方法首先挑出具有最大信道增益平方的子載波，并記該最大值為|α|2，共需要N次比較操作。確定子載波集合S1的元素時，需要將用戶所有子載波信道增益的平方與b1|α|2＝|α|21/4比較，將信道增益平方大于該邊界值的子載波序號放入集合S1，總的比較操作次數(shù)為N，并記#S1＝N1(#S表示集合S的勢)；確定集合S2的元素時，需要將剩余子載波的信道增益平方與b2|α|2＝|α|21/16進行比較，將信道增益平方大于該值的子載波放入集合S2，比較復雜度為N-N1，并記#S2＝N2；其它各集合的復雜度分析情況與此類似，并記劃分子集合前劃分的集合個數(shù)為G，且參與比特分配的集合的總子載波個數(shù)為N0。本次劃分集合所需的比較次數(shù)為N+(N-N1)+(N-N1-N2)+…+(N-N1-…-NG-1)＝G·N-G·N1-(G-1)·N2-…-NG-1。
第一次劃分子集合時，需要的復雜度為將S1劃分為左子集合S11和右子集合S12時，需要將S1內(nèi)所有子載波信道增益平方與子集合的公共邊界做比較，將信道增益平方大于該值的子載波放入子集合S11，并記#S11＝N11，將余下元素歸入子集合S12，并記#S12＝N12，劃分子集合過程需要的總比較次數(shù)為N1；對集合S2進行劃分時，需要將S2內(nèi)所有子載波信道增益平方與子集合的公共邊界做比較，將信道增益平方大于該值的子載波放入子集合S21，并記#S21＝N21，其余元素歸入子集合S22，并記#S22＝N22，此次劃分子集合需要的比較次數(shù)為N2；后面對S3，S4，…SG劃分子集合的復雜度分析與此類似。本次劃分子集合需要的比較復雜度為N1+N2+N3+…+NG＝N0。
第二次劃分子集合時，應該根據(jù)分配情況，確定是對第一次劃分的集合(S1)的左邊子集合(S11)還是右邊子集合(S12)進行劃分。若是對左子集合進行劃分，則通過類似上述第一次劃分子集合時的分析，需要的比較次數(shù)為N11；若是對右子集合進行劃分，需要的總的比較次數(shù)為N12；考慮到實際劃分集合時速率要求是任意情況，對左右子集合劃分的概率均為1/2，故平均比較次數(shù)為對集合S2，S3，…SG的左子集合和右子集合進行劃分的復雜度分析與此類似，其需要的比較次數(shù)依次為

故此次劃分子集合需要的平均比較次數(shù)為 第三次及后面劃分子集合的復雜度分析情況與上述第二次劃分子集合的情形類似，需要的復雜度依次約為
在以上復雜度的分析中，每次劃分子集合時需要確定集合的界限bj|α|2，考慮到實際集合和子集合的個數(shù)，與上述復雜度相比，完全可以忽略。
改進方法所需的總的比較次數(shù)為各步驟的比較次數(shù)之和，約為上式中變量N1，N2，…，NG-1的取值與用戶所持有的總子載波個數(shù)和信道的統(tǒng)計特性有關，應取統(tǒng)計平均值。在一般信道模型中，|αi|2(1≤i≤N)通常假定為互相獨立，且服從χ2(2)(自由度為2的卡方分布)，并記其分布函數(shù)為F1(x)，概率密度函數(shù)為f1(x)，則的分布函數(shù)為Φ(y)＝(F1(y))n，(|α|2，|αi|2)(1≤i≤N)的聯(lián)合分布函數(shù)為F(x，y)，聯(lián)合概率密度函數(shù)記為f(x，y)。
計算N1的步驟如下 經(jīng)過推導，x，y的聯(lián)合概率密度函數(shù)為 則 上面概率的大小與N有關，其它所需參數(shù)Ni(1≤i≤N)的計算與此類似。N0的大小不僅與信道的統(tǒng)計特性相關，還與用戶要求的速率的大小有關，應根據(jù)實際情況而定。
權利要求
1、一種用于多載波系統(tǒng)的快速動態(tài)比特分配方法，該方法的特征在于比特分配過程是循環(huán)過程，每個單次循環(huán)完成部分比特分配，每次循環(huán)開始時，基站首先確定需要進行比特分配的子載波，同時對若干個已分組的子載波進行比特分配，之后根據(jù)比特分配情況和系統(tǒng)參數(shù)劃分子集合，進行后續(xù)比特分配操作，循環(huán)結束條件是用戶所需要傳輸?shù)谋忍厝糠峙渫戤吇蛘叻峙涞谋忍貪M足預先設定的門限的要求。
2、根據(jù)權利要求1中所述的第n次循環(huán)時基站確定需要進行比特分配的子載波集合，其特征在于根據(jù)比特分配情況和信道增益情況的不同，采用三種方法確定子載波集合的邊界，規(guī)定每個子載波集合的左邊界小于子載波集合的右邊界；第一種為n＝1的情況，首先根據(jù)用戶所擁有的所有子載波的信道增益平方的最大值以及每次為單個子載波分配的比特單位，確定第1個子載波集合的左邊界，而第1個子載波集合的右邊界為用戶所擁有的所有子載波的信道增益的平方的最大值，然后找出信道增益的平方滿足左右邊界限制的子載波，組成子載波集合S1，則此子載波集合中的所有子載波就是第一次需要進行比特分配的子載波；第二種情況，若n≠1且前n-1次循環(huán)結束時滿足已分配比特量小于所需傳輸?shù)谋忍亓窟@個條件，則首先根據(jù)用戶所擁有的所有子載波的信道增益的平方的最大值以及每次為單個子載波分配的比特單位，確定第n個子載波集合的左邊界，并將集合Sn-1的左邊界作為第n個子載波集合的右邊界，找出滿足左右邊界限制的子載波，組成子載波集合Sn，則前n個子載波集合(即S1，S2，…，Sn)中的所有子載波就是此次需要進行比特分配的子載波；第三種情況，若n≠1且前n次循環(huán)結束時滿足已分配比特量大于所需傳輸?shù)谋忍亓窟@個條件，此時在第n-1次循環(huán)時完成比特分配的基礎上，采用對前n-1個子載波集合劃分子集合的方法或是傳統(tǒng)Greedy算法，確定需要進行比特分配的子載波。
3、根據(jù)權利要求1中所述的設定條件，其特征在于根據(jù)算法要求的實際情況選取參數(shù)β，且0<β<1，其目的是為了避免出現(xiàn)大量子載波個數(shù)較少的子集合，提高算法效率。
4、根據(jù)權利要求3中所述的劃分子載波集合的方法，其特征在于將目前定義的所有子載波集合的左邊界和右邊界的中值作為新的邊界，對于原來某個集合的子載波，信道增益的平方位于原來集合左邊界和中值之間的子載波集合稱為該集合的左子集合，信道增益的平方位于中值和原來右邊界之間的子載波集合稱為該集合的右子集合。
5、根據(jù)權利要求3中所述的采用將子載波集合劃分子集合的方法或是傳統(tǒng)Greedy算法確定需要進行比特分配的子載波，其特征在于根據(jù)權利要求4求出所有集合的左右子集合，并假設對所有左子集合的所有子載波都分配相等數(shù)量的比特單位，若此時比特分配滿足要求，即已分配比特量與所需傳輸?shù)谋忍亓肯嗟?，則需要進行比特分配的子載波就是所有左子集合中的子載波；若比特分配未滿足要求，根據(jù)比特分配完成情況分別進行處理，如果已分配比特量小于所需傳輸?shù)谋忍亓康摩卤?，此時需要進行比特分配的所有子載波則為所有左子集合中子載波，并且將所有的右子集合作為原始集合從新劃分左右子集合；如果已分配比特量大于所需傳輸?shù)谋忍亓康摩卤?，此時按照傳統(tǒng)Greedy算法，需要進行比特分配的子載波就是根據(jù)貪婪算法確定的一個特定子載波；若比特分配溢出，即已分配比特量大于所需傳輸?shù)谋忍亓?，則取消先前假設的比特分配，并且將所有左子集合作為原始集合。
全文摘要
本發(fā)明對多載波系統(tǒng)中的傳統(tǒng)貪婪比特分配算法(Greedy Algorithm)進行了改進，用于快速動態(tài)分配子載波的承載比特，適用于單用戶和多用戶的多載波系統(tǒng)。本發(fā)明提供的方法對傳統(tǒng)貪婪算法的最大改進，是根據(jù)子載波信道衰落情況，對用戶所擁有的全部子載波劃分集合以及子集合，以集合為單位對若干子載波同時分配比特，從而達到降低比特分配復雜度的目的。與每次為一個子載波分配比特的傳統(tǒng)貪婪算法相比，本發(fā)明提供的方法能在保證頻譜效率的同時大幅度降低分配過程的計算復雜度。
文檔編號H04L27/26GK101534277SQ20091007640
公開日2009年9月16日 申請日期2009年1月7日 優(yōu)先權日2009年1月7日
發(fā)明者劉元安, 曾令康, 剛 謝, 胡玉佩, 劉凱明 申請人:北京郵電大學