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1、1,第 7章 OFDM系统自适应技术,7.1 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。,2,OFDM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很大
2、，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。所以与传统的单载波系统相比，多载波OFDM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。,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自由度，MIMO系统的自适应算法的设计也更为灵活和复杂。,3,在发射端，MIMO 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，并由此获得系统性能的提高。MIMO 系统有多种传
3、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的结合或选择，都是当前自适应 MIMO研究的热点题目。,在MIMO-OFDM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构、可调整的参数更多，当然推导和实现也更为复杂。,4,7.2 自适应技术的理论基础,仙农定理,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，,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需
4、要的功率之间的比值，被称之为信噪比差额（SNR Gap）。,它是一个与调制方式和信道纠错编码方式、以及目标误码率都有关的量。,7.2.1 注水原理,5,功率利用的降低或对信噪比的实际利用能力。,由于实际上信道的特性是随机的，因此在设计传输速率时，,时，实际传输的速率为：,还要留出一个信噪比的裕量,以便在信道特性变差时，传,输的速率和性能仍不受影响。当考虑信噪比裕量（SNR Margin）,6,信道容量：,：信道带宽,：信道的传输增益,：信道的加性高斯白噪声的功率谱密度,：信号的功率谱密度,拉格朗日乘子法,为拉格朗日乘数。,7,注水原理中的核心公式：,上式的物理意义是：当信噪比 较大时，信道对应
5、,的分配功率应该较大，反之，信道对应的分配功率应该较小，或者关闭部分信噪比极低的信道，即绝大多数发射功率集中在信道衰减较小的频带范围内。,8,注水功率分配示意图,9,自适应分配的OFDM系统结构框图,7.2.2 自适应OFDM系统模型,10,7.2.3 自适应分配的原则,按照系统的比特传输速率来分，OFDM自适应比特功率分配算法可以分为两大类，即固定传输速率算法和变传输速率算法。其中固定传输速率算法又可以分为固定功率算法和变功率算法。具体介绍如下：,其工作过程大致分析为：在接收端对信道的参量作出估计，当系统有数据要发送时，首先由信道估计获得各个用户的信道特性，比特及功率分配模块根据这一估计信息
6、为用户所用子载波分配比特，在此基础上进行发射功率分配，所有这些分配策略将通过专用信道反馈给发送端，而接收端利用这些分配信息进行相应解调和数据还原。,11,变传输速率算法。在给定的总发射功率和系统误比特率(BER)条件下，实现信道容量(传输速率)最大化。也称为最大比特率准则，即RA(RateAdaptive)准则。其对应的优化模型可用下式描述,1.基于信道容量最优化的原则,12,2.基于发射功率最小化的原则,固定传输速率、变功率算法。在给定的传输速率,准则。其对应的优化模型可表示为：,和系统误比特率 条件下，根据子信道的增益对子载,波上的比特数进行动态自适应分配，同时调整各子载波上,的发射功率，
7、使得需要的总发射功率(或者平均每比特信噪,比)最小，称为功率最小化准则，即MA(MarginAdaptive),13,3.基于误比特率性能最优化的原则,固定传输速率、固定功率算法，即在系统总发射功率,化算法。对应的优化模型可表示为,波上的比特和功率，直接提高系统的 性能为出发点的优,14,7.3.1 Hughes-Hartogs算法,Hughes-Hartogs算法是经典的贪婪算法。,对于功率最小化准则(MA准则)，该算法的主要思想是，首先将各个子载波的比特数目均设为0，然后将所有的待分配比特依次分配给相应的子载波。在每次比特分配过程中，首先找到增加1比特时，只需增加最少发射功率就能维持目标误
8、比特率的子载波，然后将该子载波的比特数目增加1。如此循环迭代，直到所有的比特被分配完，最后计算各个子载波所需要的发射功率。而对于比特率最大化的准则(RA准则)，则只需重复分配至加载到子载波的总功率达到指定的发射功率为止即可。,7.3 OFDM系统自适应算法,15,Step 1:,比特分配,1)初始化：,每个子载波的初始比特和功率分配均设为0，即,2)计算每个子载波增加1比特信息时所需要增加的功率，即 差额功率,，即,16,计算当前已分配的比特总数；,是否成立，,若是转至(5)，否则转至(2)；,Step 2:,功率分配,至此，分配完成。,17,Hughes-Hartogs算法能达到最优的比特和
9、功率分配结果，保证了系统的性能要求，但需要额外的搜索和排序。该算法的复杂度相当高，特别是在子载波数较多或者每个OFDM符号包含的比特数较多的多载波系统中。目前难以在无线环境中应用，实时性较差。,18,Hughes-Hartogs算法的比特和功率分配,19,7.3.3 Chow算法,Chow算法是根据各个子信道的信道容量来分配比特。,Chow算法的优化准则是在维持目标误比特率的前提下，使系统的余量最大。该算法通过迭代过程，逐步分配比特，同时使系统的余量逐步增大，直到所有的比特都分配完毕。算法中设置了一个最大的迭代次数，以保证算法的收敛速度。,Chow算法主要由三个步骤完成，首先确定使系统性能达到
10、最优的门限，然后确定各个子载波的调制方式，最后调整各个子载波的功率。,余量定义为在满足系统要求的比特差错率条件下，系统可以容许的噪声增加量。,20,具体描述如下:,1)计算各个子载波的信噪比，,并假设所有子载波上的信号能量都是归一化的，,；,已使用的子载波数,21,22,，然后转到步骤 3)，否则转到步骤 8)；,23,调整发射总功率：对所有已使用的子载波乘以相同 的比例因子，使分配的总信号功率。,与Hughes-Hartogs算法相比，P.S.Chow算法摒弃了大量的搜索和排序，简化了算法复杂度。但是由于信号功率的分配和支持的传输速率是直接相关的，优化的余地有限，因此性能无法达到最优。,；,24,Chow算法的比特和功率分配,25,7.3.4 Fischer算法,Fischer算法的优化准则是在确定的系统总比特速率和发射功率的约束条件下，使系统的误比特率BER达到最小。,Fischer算法是目前效率比较高的算法之一。Fisher的表达式无论是对于实际应用还是理论分析，都具有指导作用。,26,Fischer算法的比特和功率分配,27,三种算法的比特分配比较,比特总数：,发射总功率：,子载波噪声功率：,子载波数：,目标误比特率：,信道为瑞利衰落信道,28,三种算法的功率分配比较,29,系统仿真参数,30,三种算法的性能比较,
