一种基于误比特率门限的MIMO-OFDM系统自适应比特功率分配方案.pdf

- 1 -一种基于误比特率门限的一种基于误比特率门限的 MIMO-OFDM 系统自适应 比特功率分配方案系统自适应 比特功率分配方案 张清1，石明洋1，冯雪林1，王美玲2 1 北京邮电大学，北京（100876） 2 北京师范大学，北京（100875） E-mail：dirtyclean45@ 摘摘 要：要：本文提出一种新的 MIMO-OFDM 自适应方案，将由发送天线与可用子载波构成的 空频二维信道划分为若干个空频资源块， 根据每个资源块的信道状态自适应调整误比特率门 限，计算每个资源块最大可实现的频谱效率，再据此进行资源块上的自适应模式选择，进行 功率比特分配，确定下一个 TTI 内各资源块的编码调制方案以及空频分集复用方式，最终 使系统总的下行传输速率达到最大 关键词：关键词：误比特率门限；功率比特分配；自适应调制编码；MIMO-OFDM 1. 引言引言 AMC（自适应调制编码）是链路自适应主要涉及的关键技术之一[1]其思想就是不断的跟踪信道情况的变化，自适应的改变调制编码方式，以获得最佳的系统性能将不同的编码和调制方式组合成若干种“MCS（调制编码方案）”，供系统根据信道情况进行选择。

靠近基站的用户，拥有高质量的信道条件，信扰比较大, 将被分配级别较高的调制编码方案，这种调制编码方案的抗干扰性能和纠错能力较差， 对信道质量的要求较高， 但是能够赢得较高的数据速率，提高链路的平均数据吞吐量相反，处于小区边界的用户，信道衰落严重或存在严重干扰和噪声，将被分配级别较低、具有较强纠错能力、抗噪声干扰性能较好的调制编码方案，保证数据的可靠传输，提高频谱的利用效率如何根据信道状态信息(CSI)准确的选择最合适的 MCS 方案，使得系统的吞吐量达到最大，是 AMC 技术的关键问题 由于在不同的信道状态下最佳自适应模式对应的误比特率波动幅度较大， 所以不同信道状态对系统误比特率的要求是不同的[2]， 本文提出的方案在计算空频块频谱效率时采用的误比特率门限也随着信道状态的变化而做出自适应调整 与固定门限算法相比， 基于误比特率门限的自适应方案能够更好的跟踪信道状态的快速变化， 降低系统的误比特率， 进一步提高自适应性能 2. MIMO-OFDM 自适应比特功率分配系统模型自适应比特功率分配系统模型 考虑多用户的 MIMO-OFDM 系统下行链路传输，多个用户的调制信号合并在一起后通过频率选择性衰落信道传输给各个用户。

该系统具有UK个用户，发送端（BS）安装TN个天线， 接收端 （UE） 配有RN个天线， 每个 OFDM 符号包含SK个子载波， 系统总功率为0P，目标误码率为targetP 假设信道冲激响应在一个OFDM符号的持续时间内保持不变 在当前OFDM符号期间，TN维向量( , ),1,...,SX j kkK=是在第k个子载波上发送的信息符号，其平均能量为SE对于用户(1,...,)Uj jK=，在这第k个子载波上的接收信号表示为( , )R j k，在该子载波上的加性白高斯噪声（AWGN）为RN维向量( , )W j k，方差为0N令( , )H j k代表发送端和第j个用户间第k个子载波上的 MIMO 信道矩阵（RTNN×），其中每个元素为每个发 - 2 -送接收天线对之间信道的频率响应则有： ( , )( , )( , )( , )R j kH j k X j kW j k=+ (1) 多用户 MIMO-OFDM 自适应资源分配算法的目标是在给定可用总发射功率和误码率（BER）要求时，实现系统所有用户总的数据传输速率最大化这个最优化问题可用数学形式表达为： ,0 11max. .UUKKjj jjrstpP==≤∑∑(2) 其中jr表示第j个用户在一个 OFDM 符号周期内传输的比特数目，jp表示在满足 BER需求的条件下第j个用户传输jr比特数据时所需的发射功率。

图1 MIMO-OFDM 自适应比特功率分配系统框图 3. MIMO-OFDM 自适应比特功率分配处理过程自适应比特功率分配处理过程 3.1 空频资源块划分空频资源块划分 将SK个子载波与TN个发送天线构成的STKN×空频二维信道资源块划分为S个空频块， 每个空频块是一个KN×小资源块， 由K个子载波和N个发送天线构成， 其中,K N满足STKNS K N=iii用户j在第i个空频块上的信道增益可表示为： ,,,1,...,iin i jj k k K n NiSαλ∈∈==∑ ∑(3) 其中,n j kλ表示用户j在第k个子载波上对应于第n个发送天线的信道增益，iK和iN分别表示第i个空频块的子载波集和发送天线集[3] 以4 4×多天线系统为例（4TRNN==），如图 2 所示，可以取2KN==，即每个空频块由 2 个子载波和 2 个发送天线构成；若考虑以 RB(Resource Block)为单位进行链路自适应，则可取K等于一个 RB 内包含子载波的数目 - 3 -图 2 空频资源块划分 3.2 基于频谱效率的自适应模式选择基于频谱效率的自适应模式选择 在总发射功率和目标误比特率一定的约束条件下， 每个空频块上进行自适应模式选择以最大化频谱效率。

频谱效率定义为每个 OFDM 符号的整体比特率和整体信道带宽的比率由于每个空频块占用的信道带宽为定值， 则最大化频谱效率的问题即等同于最大化比特速率的问题此时式（2）中的优化问题可由以下公式表述： ,0 11max. .SSii iiRstPP==≤∑∑其中iP为分配给第i个空频块的功率，iR为第i个空频块可传输的比特速率，可由下式表示： 2 0log (1)iin ik i k K n NPRNλ β∈∈=+∑ ∑(4) 其中β表示系统目标误比特率argtetP所对应的 SNR 差值（gapSNR）： arg2ln(5)3tetPβ= −(5) 根据 Jensen 不等式可知 22221log (1)log (1)iini ik kK n NiiPRKMKMPKMλσ βα σ β∈∈≤+=+∑ ∑i则优化问题可以表述为各空频块上发射功率的求解问题： - 4 -1212202(,,...,)11(,,...,)argmaxlog (1),. .;0,SSS ii Sii P PPiiPP PPstPP Piα σ β===+≤≥∀∑∑利用拉格朗日乘子法求解条件极值问题，最后可以得到 0() ,1i iNPiSβ α+= Ψ −≤ ≤(6) 其中( )max( ,0)xx+=。

Ψ为一个常数由功率约束条件，可得 00 1//Si iPSNSβ α=Ψ =+∑ (7) 将式（6）代入式（4）可得 20[log (/)]iiRKMNαβ+=Ψ (8) 在实际系统中， 还需要按照信道编码速率、 调制方式以及空频分集复用方式对比特数进行量化，将iR就近取整到可用的比特数： ^ ()iiRround R= (9) 其中^11{ ,..., }(...)illRrrrr∈≤≤为自适应系统可实现的比特数由此得到第i个空频块的发射功率为 ^^ 0(21)iR i iNPβ α=−(10) 在上述分析中，比特的量化会降低所需的发射功率，故需要再次进行功率注水，这是一个迭代的过程，具体步骤如下： 步骤 1，参数初始化：由式（7）给定Ψ一个初始化值，给定目标误比特率argtetP值，由式（5）计算β 步骤 2，令可传输数据的空频资源块数onSS⇐，对每一个空频块(1)iiS≤ ≤，根据式（6）-（10）计算各空频块上的发射功率和比特数如果^ 0iR =，则第i个空频块不参加功率注水，1ononSS⇐−。

步骤 3，将Ψ更新为0 11()onSi ionPPSµ=Ψ ⇐ Ψ +−∑i，其中(0,1)µ∈为步长修正因子返回步骤 2，对onS个空频块再次进行功率注水，直到不再有^ 0iR =的情况出现 步骤 4，结束最终得各空频块上的发射功率为^1{ }SiiP=，比特数为^1{}SiiR= 各空频块的比特数目^iR确定之后，即得到各空频块最大可实现的频谱效率然后根据^iR进行各空频块的自适应模式（以下简称为 MCSFS）选择，包括调制方式、编码速率和空频分集复用方式 - 5 -2.3 自适应调整误比特率门限自适应调整误比特率门限 系统的实际吞吐量性能与信噪比以及选用的 MCSFS 有关，如图 3 所示： (, )Throughputf MCSFSγ=而每个信噪比值都对应有一个最佳 MCSFS，使系统达到该信噪比下的最大吞吐量： 1,...,( )(( ))MCSFSQMCSFSargmaxThroughputγγ==其中Q为供系统备选的 MCSFS 的数目 -5051015202530354001234567x 104Throughput(kbps)MCSFS 1 MCSFS 2 MCSFS 3 MCSFS 4 MCSFS 5 MCSFS 6 MCSFS 7 MCSFS 8 Th1 Th2 Th3 Th4 Th5 Th6 Th7 SNR(dB)图 3 不同 MCSFS 的吞吐量性能 在不同信噪比范围内，最佳 MCSFS 对应的误比特率随信噪比的变化而上下波动，即每个信噪比值都对应有一个误比特率值： ( )(( ))FERg MCSFSγγ=如果采用固定不变的目标误比特率门限计算空频块频谱效率，很难使系统性能达到最优：若门限值过高，导致算得的最大可实现频谱效率偏高，选用的自适应模式过高，使得误比特率升高，系统可靠性下降，而当误比特率门限值偏低时，过低的自适应模式又会带来吞吐量的损失。

结合图 3 和图 4 可以看出， 为了使系统在不同的信道状态下都能按照图 3 中的最佳模式实现最大吞吐量， 根据信道状态， 选择图 4 中对应的误比特率值作为该信噪比下的目标误比特率门限（即式（5）中的argtetP）： arg( )( )tetPFERγγ= 2.4 AMCSFBC/SM（自适应调制编码空频分集（自适应调制编码空频分集/复用）复用） 所有用户的空频块的自适应模式确定以后， 先计算总共需要产生的比特数， 然后生成相应数目的比特流，并进行信道编码，再根据各个空频块的模式所对应的比特数，将编码后的数据分配到各个空频块上，各空频块按照各自模式对应的 MCSFS，分别进行数据匹配和调 - 6 -制，然后进行空频分集或空频复用 令( )R k表示子载波k上的接收信号，则 ( )( ) ( )( )R kH k s kW k=+ 其中1( )[( ),...,( )] RT NR kr krk=，(1,...,)iRr iN=为第i根接收天线上的接收信号向量1( )[ ( ),...,( )] TT Ns ks ksk=，(1,...,)jTsjN=为第j根发送天线上的发送信号向量。

信道矩阵( )H k的元素{ }ijh表示第j根发送天线与第i根接收天线之间的频域信道响应 )W k为噪声向量 如果每个空频块由 2 个子载波和 2 个发送天线构成， 可直接以空频块为单元进行自适应空频分集复用；若取 RB 长度作为空频块内子载波的数目，则可将空频块继续划分为更小的单元， 每个单元仍由 2 个子载波和 2 个发送天线构成， 在这些单元内进行自适应空频分集复用，同一个 RB 内所有单元采用相同的空频分集复用方式 假设单元1i由发送天线 1， 2。