摘  要： 為了提高MIMO-OFDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率和頻譜利用率，提出一種新的自適應(yīng)算法。該算法在保證信道質(zhì)量所需誤碼率和總發(fā)射功率的前提下，按照各個子載波衰落程度動態(tài)地分配比特和功率，使系統(tǒng)的總數(shù)據(jù)傳輸速率最大。理論分析得出，該算法降低了系統(tǒng)運算復(fù)雜度，能很大地改善系統(tǒng)的整體性能。
關(guān)鍵詞： MIMO-OFDM；自適應(yīng)；功率分配；比特分配

    為了提高移動通信的數(shù)據(jù)傳輸速率，MIMO-OFDM技術(shù)應(yīng)運而生。MIMO-OFDM技術(shù)結(jié)合了正交頻分復(fù)用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）和多輸入多輸出MIMO（Multiple Input Multiple Output）兩種技術(shù)的優(yōu)點，利用時間、頻率和空間三種分集技術(shù)，不僅可以提高頻譜利用率，增大系統(tǒng)容量，還可以有效地克服多徑效應(yīng)和頻率選擇性衰落，在技術(shù)上相互補充、相得益彰，為新一代移動通信中最有前途的技術(shù)之一[1-4]。
1 MIMO-OFDM系統(tǒng)的自適應(yīng)技術(shù)
1.1 自適應(yīng)技術(shù)
    在多用戶情況下，如何為每個用戶最優(yōu)地分配系統(tǒng)資源，從而使系統(tǒng)的發(fā)送功率最低或者使系統(tǒng)的傳輸速率最高，是一個非常復(fù)雜的問題。MIMO-OFDM技術(shù)雖然具有很多優(yōu)點，但每個子載波上的衰落程度不同，其誤碼率主要由經(jīng)歷衰落最嚴(yán)重的子信道決定。在MIMO-OFDM系統(tǒng)中使用自適應(yīng)技術(shù)可以根據(jù)子載波衰落情況對各個子載波動態(tài)地分配發(fā)送功率和信息比特數(shù)，以最大限度地提高系統(tǒng)容量。自適應(yīng)技術(shù)可大大提高系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸性能，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能[5]。

2 自適應(yīng)算法
    在MIMO-OFDM系統(tǒng)中采用自適應(yīng)技術(shù)時，很重要的問題就是功率比特分配問題。通常對此內(nèi)容的研究主要從三個角度出發(fā)：(1)在保證給定的性能和要求的數(shù)據(jù)速率下，使系統(tǒng)的總發(fā)射功率最小；(2)在給定發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率下，使系統(tǒng)最??；(3)在一定的總發(fā)射功率和目標(biāo)下，使系統(tǒng)BER的總數(shù)據(jù)速率最大。目前國內(nèi)外已經(jīng)有了不少關(guān)于自適應(yīng)算法的研究，最具代表性的有Chow算法、Fischer算法等。在這些算法中，主要是運算復(fù)雜度和系統(tǒng)性能兩者之間的矛盾，即運算復(fù)雜度越高系統(tǒng)性能越好。
2.1 Fischer算法
    Fischer算法是在Chow算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)的算法，是犧牲一部分系統(tǒng)性能來降低復(fù)雜度。與Chow算法根據(jù)各個子載波的信道容量分配比特不同，F(xiàn)ischer算法是在維持恒定傳輸速率和給定總發(fā)射功率的前提下，使得系統(tǒng)的性能達(dá)到優(yōu)化[7-8]。Fischer算法的步驟如下：

2.2 基于MIMO-OFDM系統(tǒng)的自適應(yīng)算法
    在滿足一定MIMO-OFDM系統(tǒng)性能的條件下，合適的自適應(yīng)算法應(yīng)該是性能和復(fù)雜度的折中。本文提出一種新的MIMO-OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)算法，該算法是在保證一定的總發(fā)射功率和目標(biāo)下，使系統(tǒng)的總數(shù)據(jù)速率最大，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：


其中，H(k)代表第k個子載波上的信道頻域增益。在該算法中bk=0，1，2，4，6，它們分別對應(yīng)不傳輸、BPSK、QPSK、16QAM和64QAM五種調(diào)制方式。對于多進(jìn)制調(diào)制，隨著進(jìn)制數(shù)M的增大，相應(yīng)的傳輸效率也會增加，但是調(diào)制方式的抗干擾性能會有所下降。在調(diào)制進(jìn)制數(shù)M相同時，MQAM調(diào)制具有最高的數(shù)據(jù)吞吐量。在實際設(shè)計中可以在信道質(zhì)量較差的時候，采用性能較好的低階調(diào)制方式(如QPSK)；在信道質(zhì)量較好時，采用高階調(diào)制方式(如16QAM)，從而提供高速率傳輸和高頻譜利用率。BPSK、QPSK、16QAM和64QAM的誤碼率公式分別為[9]：

    自適應(yīng)算法的基本過程如圖3所示。首先設(shè)定一個系統(tǒng)可承受的目標(biāo)誤碼率λ，假設(shè)目標(biāo)誤碼率為10-3，把10-3代入式(5)計算BPSK、QPSK、16QAM及64QAM四種調(diào)制方式在此誤碼率下的各個信噪比門限值γ0、γ1、γ2、γ3；接著利用式(4)計算每個子載波上的信噪比SNRk，為了選擇每一個子載波上的調(diào)制方式，拿SNRk與各門限值一一比較，當(dāng)SNRk≥γ0時，可以根據(jù)SNRk落入的門限區(qū)間來選擇相應(yīng)的調(diào)制方式，例如γ0≤SNRk<γ1，子載波k上就選用BPSK作為調(diào)制方式。而當(dāng)SNRk<γ0時，說明此時的信道情況很惡劣，所以子載波k上不進(jìn)行傳輸并不斷根據(jù)變化的信道狀態(tài)信息重復(fù)上述過程；然后根據(jù)選擇的調(diào)制方式對每個子載波分配相應(yīng)的比特數(shù)，例如16QAM調(diào)制方式分配4個比特；最后再對每一個子載波進(jìn)行功率分配，即：
 

3 仿真結(jié)果及分析
    在Matlab仿真軟件平臺上對Fischer算法與本文提出算法間的性能進(jìn)行了仿真比較。圖4為Fischer算法與本文提出算法間的性能比較。本文提出算法只需根據(jù)各個子載波的信道衰落用預(yù)先確定的信噪比門限選定各個子載波的調(diào)制方式，不需要任何迭代過程，因此算法復(fù)雜度比Fischer算法大為降低。從圖中可看出在相同SNR下，本文提出算法能得到更低的誤碼率。

    在MIMO-OFDM系統(tǒng)中，如果采用固定電平(m=)調(diào)制方案，例如16QAM調(diào)制方式，可知每個子載波都攜帶4個碼元，那么各個子載波所分配到的功率也都相同。為了保證系統(tǒng)的誤碼率性能，只能根據(jù)衰減最大的子信道來決定功率的分配，這樣對信道資源造成了浪費。如果采用自適應(yīng)調(diào)制方案，信噪比大的子載波就會分配到較多的比特數(shù)，而那些信噪比較小的子載波就會分配到較少的比特數(shù)，甚至幾個信道質(zhì)量特別差的子載波不傳輸任何比特。根據(jù)上述分析，該算法在保證信道質(zhì)量所需誤碼率和總發(fā)射功率的前提下，按照各個子載波衰落情況動態(tài)地分配比特和功率，使系統(tǒng)的總數(shù)據(jù)速率最大，很好地改善了系統(tǒng)的整體性能。
    為了增強MIMO-OFDM系統(tǒng)的整體性能，提供高數(shù)據(jù)傳輸率和高頻譜利用率，避免資源浪費，本文提出一種新的自適應(yīng)算法。該算法在信道傳輸質(zhì)量滿足一定系統(tǒng)誤碼率和總發(fā)射功率下，根據(jù)信道狀態(tài)信息自適應(yīng)地使每個子載波的調(diào)制方式在BPSK、QPSK、16QAM和64QAM之間自如切換，動態(tài)地分配比特和功率，使系統(tǒng)的總數(shù)據(jù)速率最大。理論分析得出，在滿足MIMO-OFDM系統(tǒng)性能條件下，該算法能夠降低系統(tǒng)運算復(fù)雜度，并使系統(tǒng)的整體性能得到了優(yōu)化，體現(xiàn)出該算法的優(yōu)越性。
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