??? 摘 要: MIMO技術(shù)作為未來移動(dòng)通信" title="移動(dòng)通信">移動(dòng)通信中關(guān)鍵技術(shù)，其系統(tǒng)的功率分配" title="功率分配">功率分配問題在未來移動(dòng)通信發(fā)展中非常重要。在傳統(tǒng)WF(Water-Filling)功率分配算法基礎(chǔ)上提出了一種優(yōu)化自適應(yīng)功率分配算法QOSWF，并對(duì)該算法的有效性進(jìn)行了MATLAB仿真研究。
??? 關(guān)鍵詞: MIMO? 功率分配?? QOSWF?? MATLAB
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??? 在MIMO系統(tǒng)中應(yīng)用WF算法可以在理論上獲得最優(yōu)的容量增益，但是這種算法假設(shè)量化度為無限小，因此并不可行。而在傳統(tǒng)的比特分配算法中，等功率自適應(yīng)比特分配算法雖然計(jì)算量小，算法復(fù)雜度低，但功率等分會(huì)造成資源浪費(fèi)以及系統(tǒng)性能" title="系統(tǒng)性能">系統(tǒng)性能下降較大， Hughes-Hartongs算法和Fisher算法雖然可以非常有效地優(yōu)化系統(tǒng)性能，但受 “恒定間隔”的限制，且計(jì)算量也隨著承載的比特?cái)?shù)和子信道數(shù)目的增大而迅速提高，不適合應(yīng)用在空間子信道相對(duì)較少的MIMO系統(tǒng)中。為了克服WF算法和傳統(tǒng)的比特分配算法的這些不足，本文給出了一種可以有效利用頻率資源來提高系統(tǒng)性能，且更符合實(shí)際情況的自適應(yīng)比特功率分配算法。
1 優(yōu)化算法介紹
??? 基于QOS的WF算法是WF算法與比特分配算法兩者的結(jié)合。該算法的優(yōu)化目標(biāo)為在滿足給定的誤比特率" title="誤比特率">誤比特率條件下，最大化各子信道的比特傳輸速率。它首先以WF算法為基礎(chǔ)根據(jù)各個(gè)子信道的衰落特性進(jìn)行初始的比特和功率分配，再求出在滿足所要求的QOS的情況下，各個(gè)子信道所應(yīng)該分配的最小功率及比特?cái)?shù)，也就是調(diào)制階數(shù)；然后對(duì)剩余的功率和比特進(jìn)行再分配。再分配是按照下文所示的步驟來進(jìn)行的，主要通過信噪比" title="信噪比">信噪比和調(diào)制階數(shù)的交互計(jì)算來完成，分配直至達(dá)到總功率的限制為止。這里的QOS指的是所限制的誤比特率的門限值。
??? 該算法過程可以描述如下：假設(shè)Mi，ρi和βi分別表示第i個(gè)正交子信道的調(diào)制階數(shù)、信噪比和誤碼率，則有:
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??? 其中
為各信道所分配的功率，λH,i為H矩陣的奇異值，σ2為基帶噪聲功率。對(duì)于給定的調(diào)制方式，根據(jù)文獻(xiàn)很容易得到在AWGN信道下誤碼率和信噪比的關(guān)系。為了更直觀地說明，圖1給出了仿真得到的AWGN信道下各種調(diào)制制式的BER曲線。
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??? 這里以BER為10-3為例，根據(jù)圖1可以得到Mi等于2～256進(jìn)制的各種調(diào)制制式下滿足此QOS的信噪比門限，為了以后計(jì)算方便，把各種調(diào)制制式關(guān)系下的這個(gè)門限值用圖表表示出來，如表1所示。
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??? 根據(jù)(1)式，可以得到各個(gè)子信道的信噪比ρi，根據(jù)表1就可以確定各個(gè)子信道可以承載的調(diào)制方式，并找出所確定的調(diào)制方式下相對(duì)應(yīng)的SNR門限，再用各個(gè)子信道的ρi分別減去這些相應(yīng)的SNR門限，即可得到剩余的功率。為了方便，這里用函數(shù)F來表示調(diào)用這個(gè)表的作用。
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??? 則上述過程可以表示如下:
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??? 這里設(shè)信噪比門限為Γi，則有:
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??? 這里Φ表示所設(shè)定的目標(biāo)誤比特率。這個(gè)基于QOS的WF算法的優(yōu)化目標(biāo)是在保持目標(biāo)誤比特率不變的情況下，使各個(gè)子信道的比特速率最大化?？梢杂靡韵聝蓚€(gè)子式來表示:
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??? 且滿足:
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??? 在一定的QOS限制下，如果確定信道調(diào)制階數(shù)，會(huì)有一個(gè)信噪比門限來滿足這個(gè)要求，若不能達(dá)到更高的調(diào)制階數(shù)，則給各個(gè)子信道多分配在信噪比門限之上的功率是完全沒有必要的，因?yàn)檫@樣并不會(huì)增加信道的比特傳輸速率?；赒OS的WF算法的主要思想就是有效地利用最少的功率資源來滿足QOS的要求，來獲得一些剩余的功率，對(duì)這些剩余的功率進(jìn)行再分配，以盡可能地提高各子信道的比特速率。對(duì)于剩余的功率，可以用一個(gè)帶有參數(shù)的流程來進(jìn)行再分配，這個(gè)流程可以表示如下:
??? 計(jì)算現(xiàn)在剩余的功率:
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??? 找到在QOS限制下的各子信道最大可能的Mi：
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??? 找到可以滿足Mi的信噪比門限:
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??? 計(jì)算各子信道所對(duì)應(yīng)的需要的發(fā)射功率:
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??? 基于QOS的WF算法在滿足誤比特率的前提下，盡可能地把剩余的功率按順序分配到各個(gè)子信道，獲得更高的調(diào)制階數(shù)。如果可以獲得更高的調(diào)制階數(shù)，則重新分配剩余功率，直至分配完畢。
??? 這個(gè)算法具體步驟可以表示如下:
??? (1)計(jì)算基于WF算法的
??? (2)v=0，從1到min(MT,MR)運(yùn)行上面給出的再分配流程;
??? (3)v=1，從1到min(MT,MR)運(yùn)行上面給出的再分配流程;
??? (4)對(duì)所有子信道進(jìn)行功率再分配，直至總功率分配完畢。
??? 基于QOS的WF算法在滿足誤比特率的前提下，對(duì)BER和調(diào)制階數(shù)的關(guān)系進(jìn)行交替使用，各子信道的比特速率在QOS的限制下，有一定的提高。此算法的復(fù)雜度與WF算法相近，因?yàn)楦鱾€(gè)子信道所分配的最初功率值是由WF算法得到的。將對(duì)此算法和簡(jiǎn)單量化后的WF算法進(jìn)行仿真分析比較。仿真時(shí)遇到有的子信道的信噪比非常低，以致連二階調(diào)制的誤比特率門限值都達(dá)不到，對(duì)于這種情況，為了保證整個(gè)系統(tǒng)有一個(gè)固定的QOS水平，在這里對(duì)這些性能較差的子信道實(shí)行關(guān)閉，也就是說不用它們發(fā)射信號(hào)，以此來保證整個(gè)系統(tǒng)能維持一定的服務(wù)質(zhì)量水平。
2 算法的仿真分析
??? 首先簡(jiǎn)要介紹經(jīng)常使用的自適應(yīng)速率量化和功率分配的算法SR(Simple Rate)簡(jiǎn)單速率量化算法。SR速率量化算法只是簡(jiǎn)單地對(duì)分配的總發(fā)送功率按“注水”原理進(jìn)行分配，然后進(jìn)行量化，折算出離散速率。這種算法雖然計(jì)算量小，但是由于它僅僅是對(duì)所分配的功率進(jìn)行了簡(jiǎn)單的量化，所以肯定會(huì)存在一些剩余的功率未被使用，從而造成資源的浪費(fèi)。
??? (1)先根據(jù) WF算法，求得最初的
??? (2)在QOS的限制下，找到最大可能的Mi值
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??? 仿真時(shí)不考慮信道編碼，傳輸?shù)闹袛喔怕?Poutage)為0.01， QOS要求BER必須低于門限值10-3，σ2=1。MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別為2×2,4×4。
??? 同時(shí)對(duì)QOSWF算法下的誤碼率也進(jìn)行仿真，根據(jù)MIMO道下的誤碼率，可以通過對(duì)各個(gè)子信道的誤碼率求均值得到。這里假設(shè)MIMO系統(tǒng)在調(diào)制階數(shù)為2和4時(shí)，采用MPSK的調(diào)制方式，在調(diào)制階數(shù)大于4時(shí)，采用MQAM調(diào)制方式。
??? 從圖2和圖3可以看到，QOS WF算法通過上面所講述的方法對(duì)所剩余的功率進(jìn)行再分配后，它的比特速率比簡(jiǎn)單的ROUND WF算法有很明顯的提高。其中，在2×2的天線結(jié)構(gòu)中，所提高的比特速率平均約有1bps/Hz，而對(duì)于4×4的天線結(jié)構(gòu)，比特速率約有2～4bps/Hz的提高。
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參考文獻(xiàn)
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