一種基于harogs的自適應(yīng)比分法

一種基于harogs的自適應(yīng)比分法

正交頻恢復(fù)（obd）是一種高效的多段頻源調(diào)制技術(shù)。它具有高分辨率高、抗多徑通道干擾、良好的抗噪聲性能等優(yōu)點(diǎn)，是高速無線通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。在OFDM系統(tǒng)中,信道衰落的影響也會(huì)因?yàn)楦鱾€(gè)子信道的不同而有所不同,因而會(huì)具有不同的傳輸能力。假如各個(gè)子信道采用相同的調(diào)制方式,在保證系統(tǒng)能夠正常工作的前提下,系統(tǒng)參數(shù)將由傳輸能力最差的子信道設(shè)計(jì),系統(tǒng)資源將不會(huì)被充分利用。因此,利用相對(duì)特性好的子信道是很有意義的。通過對(duì)OFDM各個(gè)子載波進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制,不僅能夠減少發(fā)射所需能量,而且能夠增加頻譜利用率,從而實(shí)現(xiàn)充分利用無線資源。對(duì)正交頻分復(fù)用系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制就需要相應(yīng)的自適應(yīng)算法。自適應(yīng)算法有很多種,常見的自適應(yīng)算法有Hughes-Hartogs算法,Chow算法,簡(jiǎn)單分塊加載算法等。Hughes-Hartogs算法是一種最優(yōu)算法,能保證性能要求,但是計(jì)算所需的迭代次數(shù)太大。Chow算法相比Hughes-Hartogs算法簡(jiǎn)化了很多,但是仍然比較復(fù)雜。簡(jiǎn)單分塊加載算法雖然計(jì)算量較少,但是性能相對(duì)其他兩種算法較差。文獻(xiàn)對(duì)自適應(yīng)比特分配算法,最佳功率分配算法和次佳功率分配算法進(jìn)行分析和比較,得出自適應(yīng)比特分配技術(shù)可以優(yōu)化系統(tǒng)的容量和誤比特率,是一種有效的算法。文獻(xiàn)提出了一種有效的改進(jìn)的貪婪算法,但是在改進(jìn)部分仍然需要少量的迭代運(yùn)算。文獻(xiàn)指出在低信噪比和嚴(yán)重頻率選擇性衰落信道的情況下,不能使用Chow算法。文獻(xiàn)提出一種改進(jìn)的注水算法,它是一種次優(yōu)比特分配算法,但是這種算法的編程實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜。本文針對(duì)OFDM中使用貪婪算法進(jìn)行自適應(yīng)比特分配迭代次數(shù)多的不足,提出一種改進(jìn)的貪婪算法。采用自適應(yīng)技術(shù),根據(jù)信道狀態(tài)的變化自適應(yīng)的調(diào)整每個(gè)子載波上的比特?cái)?shù)、發(fā)送功率,以及調(diào)制方式等參數(shù),來充分利用當(dāng)前信道,進(jìn)而有效提高頻譜效率。在進(jìn)入貪婪算法的迭代循環(huán)之前,根據(jù)信道特性,將需要發(fā)送比特中的一些比特由Chow算法提前分配到各個(gè)子載波上,余下的比特再使用貪婪算法分配。該算法在低信噪比和嚴(yán)重頻率選擇性衰落信道的情況下,也能進(jìn)行比特分配,并且該算法編程實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。1子等含能量的分配比特分配有兩個(gè)準(zhǔn)則:裕量最大化準(zhǔn)則和速率最大化準(zhǔn)則。本文采用裕量最大化準(zhǔn)則,其優(yōu)化模型如下。假設(shè)子載波的數(shù)目為N,bn是分配在子載波n上的比特?cái)?shù),pn是分配在子載波上的功率,在實(shí)際通信系統(tǒng)中,bn通常只能取整數(shù)。需要解決的問題是在一定的數(shù)據(jù)傳輸比特總數(shù)R和誤碼率RRE下,使OFDM系統(tǒng)的發(fā)射功率達(dá)到最小。即2系統(tǒng)的整體性能自適應(yīng)改進(jìn)算法就是根據(jù)信道實(shí)時(shí)狀態(tài)信息去適當(dāng)?shù)母淖兠總€(gè)子載波的傳輸參數(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能。當(dāng)信道狀況不好的時(shí)候,分配較少的比特,當(dāng)信道狀況好的時(shí)候,分配較多比特。2.1基于最小功率越界的推動(dòng)力Hughes-Hartogs貪婪算法是一種最優(yōu)的自適應(yīng)算法,但是在貪婪算法每分配一個(gè)比特的時(shí)候?qū)?huì)對(duì)全部子載波進(jìn)行搜索,因此它的計(jì)算量比較大,并且隨著傳輸比特總數(shù)的增加而增加,對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)傳輸不是很適用。將所使用貪婪算法的步驟歸納如下。步驟1令bn=0,pn=0(n=1,2,…,N)。步驟2計(jì)算每個(gè)子載波增加一個(gè)比特需要的額外功率Δpn。步驟3選擇最小的Δpn,該Δpn對(duì)應(yīng)的子載波為n*,即若結(jié)束,否則置返回步驟2。最后得到的{bn}Nn-1是各個(gè)子載波上得到的比特?cái)?shù),{pn}Nn=1為各個(gè)子載波上所分配的功率。最終可得傳輸所需要的最小功率貪婪算法所得到的解為最優(yōu)解。但是貪婪算法每分配一個(gè)比特就需要迭代一次,隨著傳輸比特總數(shù)R的提高算法所需要的迭代次數(shù)也將隨之增加。2.2基于其求解的方法在進(jìn)入貪婪算法的迭代循環(huán)之前,改進(jìn)的貪婪算法根據(jù)信道特性,將需要發(fā)送比特中的一些比特通過Chow算法提前分配到各個(gè)子載波上,計(jì)算此時(shí)每個(gè)子載波上的能量pn以及每個(gè)子載波上的比特?cái)?shù)bn,并計(jì)算出提前分配的總比特?cái)?shù)R1以及發(fā)送這些比特所需要的能量,然后再用貪婪算法將剩余的比特R-R1分配到各個(gè)子載波上。用于比特分配的Chow算法有3個(gè)主要部分。(1)得到系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)時(shí)的性能門限γ。本文使用的Chow算法中的γ,將其值置為0。(2)得到每個(gè)子載波的編碼以及調(diào)制方式。(3)通過迭代得到的γ來調(diào)整每個(gè)子載波的比特和功率分配。其步驟可以歸納如下。估計(jì)分配給第n路子載波的比特?cái)?shù)量。γ為性能門限,^bn為Chow算法分配給第n路子載波的比特?cái)?shù)量;GAP是一個(gè)有效的協(xié)調(diào)參數(shù)。步驟3四舍五入^bn到bn。步驟4限制bn取值為0,1,2,4,6,8(與調(diào)制順序有關(guān))。步驟5基于式(2)計(jì)算第n路子載波有bn個(gè)比特時(shí)的能量改進(jìn)的貪婪算法步驟如下。步驟1通過Chow算法進(jìn)行初始化,得到初始的bn和pn。步驟2令貪婪算法中的bn和pn等于步驟1中得到的bn和pn。步驟3計(jì)算增加一個(gè)比特時(shí),每個(gè)子載波需要的額外功率Δpn。步驟4選擇最小的Δpn,該Δpn對(duì)應(yīng)的子載波為n*,即若結(jié)束,否則置返回步驟3。改進(jìn)的貪婪算法提前所分配的一些比特是由Chow算法分配的,這些比特為R1,剩余的R-R1通過貪婪算法分配,因此其迭代次數(shù)為(R-R1-R(4,6,8))。R(4,6,8)為最終子載波上分配的比特?cái)?shù)為4,6,8時(shí)的子載波數(shù)目。由于限制bn取值為0,1,2,4,6,8,當(dāng)子載波分配為2,4,6時(shí),能量增加表使用平均技術(shù),會(huì)自動(dòng)為該子載波再分配一個(gè)比特,這樣就減少了一次迭代。3改進(jìn)算法與改進(jìn)算法的比較對(duì)貪婪算法以及改進(jìn)算法在計(jì)算機(jī)上使用Matlab軟件進(jìn)行模擬仿真。仿真參數(shù)子載波數(shù)為N=64,采用無線信道為3徑瑞利衰落信道,信道增益矢量為(1,1/e,1/e2),誤比特率為RBE=10-4,并假設(shè)信道狀態(tài)在一個(gè)OFDM符號(hào)周期內(nèi)不變。在仿真中,不同子信道上采用不同的調(diào)制方法來使系統(tǒng)資源充分利用,如二進(jìn)制相移鍵控(BinaryPhaseShiftKeying,BPSK),四相相移鍵控(QuadraturePhaseShiftKeying,QPSK),4符號(hào)正交幅度調(diào)制(4QuadratureAmplitudeModulation,4QAM),16QAM,64QAM和256QAM。通過對(duì)迭代次數(shù)和發(fā)送所需能量?jī)蓚€(gè)衡量指標(biāo)對(duì)貪婪算法以及該文的改進(jìn)算法進(jìn)行對(duì)比,從而得出兩種算法的性能對(duì)比。當(dāng)傳輸比特?cái)?shù)R=150時(shí),改進(jìn)算法和原貪婪算法在每個(gè)子載波所分配的比特、需要能量以及該子載波的信噪比(SNR)情況如圖1和圖2所示。圖1表明該算法符合預(yù)期的效果,當(dāng)信道狀況不好時(shí),分配很少的比特,當(dāng)信道狀況好的時(shí)候,分配較多的比特,即該改進(jìn)算法是有效的。與圖2相比,改進(jìn)的貪婪算法在各個(gè)子載波上所分配的比特與貪婪算法幾乎是一樣的,所以可得改進(jìn)貪婪算法與貪婪算法在性能上十分接近。圖3是貪婪算法與改進(jìn)算法之間迭代次數(shù)的比較。隨著傳輸比特?cái)?shù)的增加,貪婪算法與改進(jìn)算法的迭代次數(shù)也會(huì)隨之增加,然而貪婪算法所需的迭代次數(shù)增加幅度要大于改進(jìn)算法。在傳輸比特?cái)?shù)為150時(shí),改進(jìn)算法的迭代次數(shù)是貪婪算法的7.4%;當(dāng)傳輸比特?cái)?shù)為250時(shí),改進(jìn)算法的迭代次數(shù)是貪婪算法的24.4%;當(dāng)傳輸比特?cái)?shù)為350時(shí),改進(jìn)算法的迭代次數(shù)是貪婪算法的31.7%;當(dāng)傳輸比特?cái)?shù)為400時(shí),改進(jìn)算法的迭代次數(shù)是貪婪算法的34%,可知改進(jìn)算法對(duì)迭代次數(shù)的減少是比較明顯的。隨著數(shù)據(jù)傳輸比特?cái)?shù)的提高,改進(jìn)算法的性能有所下降。這是因?yàn)橄薅嗣總€(gè)子載波上最多所分配的比特?cái)?shù),當(dāng)傳輸比特總數(shù)達(dá)到所有子載波傳輸能力的上限時(shí),即每個(gè)子載波上最多所分配的比特?cái)?shù)乘以子載波數(shù)。此時(shí),各個(gè)子載波所分配的比特?cái)?shù)幾乎一樣,這樣就失去了自適應(yīng)調(diào)制的作用,故應(yīng)當(dāng)增加子載波數(shù)目,來完成更多傳輸比特的自適應(yīng)比特分配。圖4是在不同傳輸比特總數(shù)下,貪婪算法與改進(jìn)算法的系統(tǒng)發(fā)送所需功率比較,從圖中可知在迭代次數(shù)明顯減少的情況下,改進(jìn)貪婪算法的性能非常逼近貪婪算法。同時(shí)該算法的實(shí)現(xiàn)也較為簡(jiǎn)單。通過仿真可以得出,改進(jìn)的貪婪算法在傳輸比特?cái)?shù)為[150,400]的情況下,改進(jìn)貪婪算法的迭代次數(shù)僅是貪婪算法的7.4%~34%,并且改進(jìn)的貪婪算法與貪婪算法在性能上十分接近,即較好的解決了OFDM中使用貪婪算