MIMO_OFDM系统自适应分步功率分配算法

B PS K , Q PS K , 16QAM , 64QAM , 256QAM) . 当 (1/ (λln 2) ) (| Hk | 2 /σ2kΓ) = 1 时 , bk = 0 , 令λ′= 1/ (λln 2) ;当| Hk | 2 =σ2k Γ/λ′时 , bk = 0 , 第 k 个子 信道不参加功率分配 ,表示关闭该子信道.
由上述优化目标约束条件和拉格朗日乘数算
r
法得 , F( b ,λ) = ∑lo g2 { [ 1 + Pk | Hk | 2 ]/ (σ2kΓ) } k=1 r
λ[ ∑Pk - P0 ] ,式中 :λ是待定的常数 ; b 是最优比 k=1
特分布向量 , b = [ b1 , b2 , …, br ] T . 假设 P 是最优
敏感 ,即它将频率选择性衰落信道变成一组并行 的平坦衰落信道 ,所以把 M IMO 和 O FDM 相结 合的 M IMO2O FDM 系统具有比单纯 的 O FDM 和单纯的 M IMO 更强的抗干扰能力 、更高的系统 容量[1～6 ] . 本文依据频率选择性衰落信道 , 基于 M IMO2O FDM 系统信道冲击响应矩阵的奇异值 分解 ( SVD) ,研究一种分步功率分配算法 ,使系统
MMSE 准则是指没有等效信道增益约束条 件的最小均方误差准则. 通过对信道冲激响应矩 阵进行奇异值分解 ( SVD) ,找出 M IMO 信道中包 含的正交子信道的最大特征值 ,根据各子信道的 最大特征值按照 MMSE 准则进行功率分配.
令 H = UDVH ,对式 (1) 中的 H 进行奇异值分 解 ,其中上标 H 表示矩阵的转置共轭运算. U 和 V 是 酉 矩 阵 , 即 UU H = IR , VV H = I T . D = diag
唐朝伟 赵丽娟 邵艳清 郭春旺
(重庆大学 通信工程学院 , 重庆 400030)
摘要 : 研究了一种针对 MIMO2O FDM 系统的自适应分步功率分配算法 ,在通信系统总功率约束的情况下 ,采 用速率最大化准则计算开关信道的临界值 ,从而利用最小均方误差准则进行自适应分步功率分配. 仿真表明 : 基于分步算法自适应功率分配的 MIMO2O FDM 系统误码率低于采用注水算法和 MMSE 算法的系统误码 率 ,其频谱效率也优于另外两种算法 ;同时 ,对于分步算法 ,随着天线数目的增加 ,系统的误码率明显降低 ,频 谱效率明显提高 ,验证了该算法没有奇异性. 关 键 词 : 最小均方误差算法 ; 功率分配 ; 多输入输出2正交频分复用 ; 分步算法 ; 奇异值分解 ; 误码率 中图分类号 : TN929. 5 文献标识码 : A 文章编号 : 167124512 (2010) 0420018204
( λmax1 , λmax2 , …, λmax s , 0 , …, 0 ) , 其 中 s =
min ( T , R) 为发射与接收天线数量的较小者 ,
λmax1 ,λmax2 , …,λmax s为信道相关 P 矩阵的特征值 ,
即 P 矩阵的最大秩. 于是有 :
P=
HH H ( R ≤ T) ;
po sitio n ( SVD) ; bit2erro r ratio
多输入多输出 (M IMO) 技术利用多个天线实 现多发多收 ,能在不增加带宽和天线发射功率的 情况下 ,较大地提高衰落信道下的信道容量和频 谱利用率. 宽带无线通信的信道是频率选择性衰 落信 道 而 非 平 坦 衰 落 信 道 , 正 交 频 分 复 用[1] (O FDM) 技术将高速的信息流分配到多个低速信 道中并行传输 ,从而使信号对符号间串扰变得不
(2006BB2163) .
第4期
唐朝伟等 : M IMO2O FDM 系统自适应分步功率分配算法
Hale Waihona Puke ·19 ·中功率得到最优分配. 该算法考虑实际通信系统 的要求 ,在通信系统总功率约束的情况下 ,采用速 率最大化准则计算开关信道的临界值 ,然后利用 最小均方误差准则进行自适应功率分配. 依据分 步功率分配算法与经典的注水算法[7] 和 MMSE 算法[8] 进行了比较 ,同时对比了采用自适应调制 技术[4] 情况下系统性能的改进 ;为验证该算法的 奇异性 ,仿真了不同天线数配置下系统性能的变 化趋势.
可见 ,α^ =σ2k Γ/λ′为 开 关 子 信 道 的 门 限 : 当 | Hk | 2 ≤α^ ( k = 1 , 2 , …, r) 时 , 关闭子信道 , 把它们 作为不可用子信道从 r 中剔除 , 即不为该子信道 分配功率 ,统计不可用子信道的总数 l , 则可用子 信道总数为 r = r - l. 2. 2 功率分配策略
Pk = P0 , (3)
k =1
k =1
式中 : bk 代表第 k 个子信道分配的比特数 ; Pk 代
表第 k 个子信道分配的功率. 由香农公式有
bk = lo g2 { [1 + Pk | Hk | 2 ]/ (σ2kΓ) } , (4)
式中 :σ2k 是信道的噪声功率 ;Γ是信道的信噪比差
额 ( SN R Gap) ,它表示采用一定调制方式和误码 率下 ,所能达到的信道容量与理论信道容量的差 值 ,在 QAM 调制方式下 ,Γ= - [ 2ln ( 5 ×rber ) ]/ 3 , rber 为误码率.
功率分布向量 , P = [ P1 , P2 , …, Pr ]T . 当 P 取得最
优值时 ,拉格朗日函数的梯度为 0 , 即5 F/ 5 Pk = 0
( Πk = 1 ,2 , …, r) ,可得 :
Pk = 1/ (λl n 2) - σ2kΓ/ | Hk | 2 .
(5)
将式 (5) 代入 (4) 式得
收稿日期 : 2009209214. 作者简介 : 唐朝伟 (19662) ,男 ,副教授 , E2mail : williamcq @163. com. 基金项目 : 国 家 发 改 委 CN GI 示 范 工 程 及 应 用 试 验 项 目 ( CN GI2042422D) ; 重 庆 市 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目
Abstract : The st udy was directed to step2by2step as adaptive power allocatio n in multiple2inp ut multi2 ple2o utp ut ort hogo nal f requency divisio n multiplexing ( M IMO2O FDM ) systems. The critical value was calculated by t he maximum rate criteria in t he case of power co nst raint of co mmunicatio n system. Then t he minimum mean square erro r ( MMSE) criteria was adopted to allocate power for effective sub2channel by t he critical value. Simulatio n result s show t hat t he bit error ratio of M IMO2O FDM system based o n step2by2step power allocatio n algorit hm is lower t han t hat of based o n Water2 filling algorit hm and MMSE algorit hm , and t he spect rum efficiency is al so bet ter t han t hat of t he ot her t wo algorit hms. The system error ratio is reduced and t he spect rum efficiency is imp roved wit h t he in2 crease of t he antenna number for t he adap tive step2by2step power allocatio n algorit hm. Key words : MMSE ; power allocatio n ; M IMO2O FDM ; step2by2step algorit hm ; singular value deco m2
1 系统模型描述
假设闭环 M IMO2O FDM 系统有 T 个发射天 线 , R 个接收天线和 r 个子信道 , 用 s = [ s1 ( t) , s2 ( t) , …, sT ( t) ]T 表示 t 时刻的发射信号列矢 量 ,其中 si ( t) 表示第 i ( i = 1 , 2 , …, T , T 代表发 射天线的数量) 根天线的发射信号 ; Y = [ y1 ( t) , y2 ( t) , …, y R ( t) ]T表示 t 时刻的归一化接收信号 列矢量 , yi ( t) 表示第 i ( i = 1 ,2 , …, R , R 代表接收 天线的 数 量 ) 根 接 收 天 线 接 收 到 的 信 号 ; n = [ n1 ( t) , n2 ( t) , …, nR ( t) ]T 表示 t 时刻的归一化 接收噪声列矢量 , ni ( t) 表示第 i ( i = 1 , 2 , …, R) 根接收天线接收到的噪声. 则有
HH H ( R > T) .
文献[9 ]直接依据 MMSE 准则 ,在没有关闭
质量很差的信道的情况下直接分配. 本文首先分
析信道质量 ,依据速率最大化准则计算开关信道
的临界值 ,关闭那些质量很差的信道 ,然后再依据
·20 ·
2. 1 信道质量判定
假设接收端的信道估计足够精确地反馈到发