基于ofdm的plc系統(tǒng)子載波比特位并行加載方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力線通信（PLC, Power Line Communication)技術(shù)領(lǐng)域，具體為基于 正交頻分復(fù)用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)的電力線通信 系統(tǒng)子載波比特位并行加載方案設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力線通信是指以電力線作為傳輸媒介，在電力線通信網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點(diǎn)之間以及 在電力線通信網(wǎng)絡(luò)與其他通信網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息傳遞。電力線載波通信技術(shù)在 國內(nèi)已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史，特別地，隨著近些年的智能電網(wǎng)的發(fā)展，高速、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的 電力線通信網(wǎng)已成為智能電網(wǎng)的重要組成部分，可見，此項(xiàng)技術(shù)正朝著實(shí)用化方向發(fā)展。因 此，研究開發(fā)此項(xiàng)技術(shù)，對于充分利用電力設(shè)施發(fā)展電力通信產(chǎn)業(yè)等具有十分重要的現(xiàn)實(shí) 意義。
[0003] 眾所周知，電力線信道中頻率選擇性衰落、時(shí)變性強(qiáng)、干擾等問題尤為嚴(yán)重，是人 們長期以來一直致力于研究的問題。因此，考慮到OFDM技術(shù)固有的優(yōu)勢，即較高的頻譜利 用效率和對抗頻率選擇性衰落的能力。本發(fā)明針對基于OFDM技術(shù)的電力線通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì) 一種低復(fù)雜度子載波比特位并行加載方案。
[0004] 在電力線OFDM系統(tǒng)中，由于載波間干擾（ICI，Inter-carrier Interference) 和符號間干擾（ISI，Inter-Symbol Interference)的存在，導(dǎo)致OFDM系統(tǒng)的性能會顯 著降低，從而使得在理想情況下設(shè)計(jì)的資源管理優(yōu)化方法在實(shí)際使用時(shí)效率降低。本 發(fā)明致力于在ICI和ISI干擾情況下比特位加載和功率分配問題的研究，旨在優(yōu)化 系統(tǒng)吞吐量。目前，文南犬[Thanh Nhan Vo, Karine Amis, Thierry Chonavel, Pierre Siohan, "Achievable Throughput Optimization in OFDM Systems in the Presence of Interference and its Application to Power Line Networks'，IEEE Transactions On Communications, Vol. 62, No. 5, May 2014]基于貪婪思想設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化吞吐量的基本比 特加載方法（GBL)。為了降低復(fù)雜度，該文獻(xiàn)的作者還對GBL方法進(jìn)行了改進(jìn)，即通過迭代 求逆實(shí)現(xiàn)GBL方法的復(fù)雜度降低，我們稱之為改進(jìn)型的GBL方法，然而通過本質(zhì)可以看出， 這種方法雖然降低了一定的復(fù)雜度，但是整體迭代次數(shù)并沒有減少，所以總的計(jì)算復(fù)雜度 仍然很高。為了能夠大幅度降低計(jì)算復(fù)雜度，本文設(shè)計(jì)了基于OFDM的PLC系統(tǒng)的低復(fù)雜 度并行比特位加載方法。本發(fā)明方法在改進(jìn)型GBL方法基礎(chǔ)上，利用二分法思想實(shí)現(xiàn)多個 子載波并行比特位加載，從而使得迭代次數(shù)大幅度降低，本方法不僅能夠保證系統(tǒng)性能不 低于甚至優(yōu)于改進(jìn)型GBL方法，同時(shí)能夠大幅度降低計(jì)算復(fù)雜度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于OFDM的PLC系統(tǒng)子載波比 特位并行加載方法，包括以下步驟：
[0006] 步驟1:發(fā)送端確定所使用的子載波集合Ause并計(jì)算L= |aus1,其中IausI表示集 合Ause的元素個數(shù)，同時(shí)設(shè)定每個子載波允許最大傳輸功率約束值
以及 總傳輸功率約束值Ptotal;
[0007] 步驟2 :初始化迭代次數(shù)k = 1，根據(jù)二分法思想，首先設(shè)定比特位并行加載的子 載波數(shù)
其中Lmin= 0和Lmax= L分別表示并行加載子載波數(shù)的下界和 上界，
表示不大于
_的最大整數(shù)，同時(shí)令
從而得到比特位分配向量
傳輸功率分配向量
表示第m 個子載波第k輪迭代的比特位數(shù)，P(k) (m)表示第m個子載波第k輪迭代分配的傳輸功率，
表不?目 噪比差額，a (m)表示第m個子載波的信道增益，I表示單位矩陣，W為干擾矩陣，即：
[0009] 其中W(m。，m)表示第m個子載波對第m。個子載波的干擾；
[0010] 步驟3 :更新迭代次數(shù)k = k+Ι，根據(jù)貪婪思想，每個子載波依次根據(jù)子載波可選比 特位有序集合通跳到下一級更新自己所分配的比特位數(shù)，并且記錄下每個子載波更新比特 位數(shù)后得到比特位分配向量B(k) (m)，即
從而得到比特位分配向量集合{B(k) (m) }，并采用迭代方式求出對應(yīng)
(m)}，即：
中：
示對任意向量X的求和；
[0014] 步驟4 :找到{AfOn)}中前ζ個最小值所對應(yīng)的子載波，然后B(kl)中所對應(yīng) 的這些子載波根據(jù)麗同時(shí)跳到其所對應(yīng)下一級得到新的比特位分配向量:，同樣地， 迭代求出
是否滿足功率約束條件，即

如果滿足，執(zhí)行步驟5 ;如果不滿足，則執(zhí)行步驟6 ;
[0015] 步驟5:更新
并令 L_= ζ，然后更新并行加載子載波數(shù)
重復(fù)步驟3 ;
[0016] 步驟6 :令L_= 0, L _= ζ，更新并行加載子載波數(shù)
重復(fù)步驟 3直至ζ〈1，得到最后的比特位分配向量K= B (k)和功率分配向量Pi= P (k);
[0017] 步驟7 :PLC系統(tǒng)發(fā)射端按照最后確定的比特分配向量K將發(fā)射符號調(diào)制映射到 相應(yīng)子載波上，同時(shí)根據(jù)確定的功率分配向量K設(shè)定每個子載波的發(fā)射功率，從而實(shí)現(xiàn)PLC 系統(tǒng)收發(fā)兩端的業(yè)務(wù)傳輸。
[0018] 本發(fā)明有益效果：本發(fā)明方法在改進(jìn)型GBL方法基礎(chǔ)上，利用二分法思想實(shí)現(xiàn)多 個子載波并行比特位加載，從而使得迭代次數(shù)大幅度降低，本方法不僅能夠保證系統(tǒng)性能 不低于甚至優(yōu)于改進(jìn)型GBL方法，同時(shí)能夠使得計(jì)算復(fù)雜度降低90%以上，因此，本發(fā)明不 僅能夠優(yōu)化系統(tǒng)性能同時(shí)還能夠大幅度降低復(fù)雜度。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明所述實(shí)施例采用該方法的具體流程圖。
[0020] 圖2是本發(fā)明所述實(shí)施例平均吞吐量的性能仿真比較圖。
[0021] 圖3是本發(fā)明所述實(shí)施例平均執(zhí)行時(shí)間的仿真比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 為了使本發(fā)明的目的和效果更加清楚，下面對OFDM電力線通信系統(tǒng)模型及本文 發(fā)明方法進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0023] 與傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)不同，本文考慮一個單用戶加窗型OFDM系統(tǒng)。假設(shè)系統(tǒng)共有 U個子載波，占用的總帶寬為BMHz，OFDM系統(tǒng)的循環(huán)前綴長度為I s (此處，s代表單位： 秒）：Tep= GI+RI，其中GI為保護(hù)間隔，RI為滾降長度。在傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)中，一般有RI = 0,而在PLC系統(tǒng)中卻不等于零。另外，OFDM符號長度為Ts，其中T = TQ+GI，T。為FFT窗口 周期，
為子載波間隔。假設(shè)在U個子載波中使用L個子載波來傳輸數(shù)據(jù)，根據(jù)多載 波通信系統(tǒng)原理知識，第η。個OFDM符號中的第m。個子載波的解調(diào)樣本y (m。，η。）可以表示 為：
符號中的第m。個子載波的信道增益，調(diào)制符號，載波間干擾、符號間干擾和循環(huán)復(fù)高斯型系 統(tǒng)噪聲。
[0026] 不失一般性，考慮塊時(shí)不變信道，則等式（1)可以簡化為：
[0028] 由于實(shí)際PLC系統(tǒng)中使用的子載波數(shù)L比較大，根據(jù)中心極限定理可以假設(shè)干擾 在L個子載波上是服從正態(tài)分布的。因此，第m。個子載波上的信干噪比（SINR，Signal to interference plus noise ratio)可以表不為：
[0030] 其中：P (m。）是載波m。的傳輸功率，)為載波m。上的噪聲功率。
[0031] 相應(yīng)地，載波m。上容量函數(shù)可以表示為：
⑷ 表示載波m。的比特?cái)?shù)，式中Γ表示信噪比差額。
[0034] 為了方便，定義Au