基于ofdm的plc系統(tǒng)的低復(fù)雜度比特位加載方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力線通信（PLC,PowerLineCommunication)技術(shù)領(lǐng)域，具體為基于 正交頻分復(fù)用（OFDM，OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)技術(shù)的電力線通信 系統(tǒng)子載波比特加載方案。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力線載波通信是指利用電力線作為信息傳輸媒介進(jìn)行語音或者數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?種特殊通信方式。近年來，電力線載波通信已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字化時代，不再局限于單片機的簡單 應(yīng)用，特別地，隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力線載波通信正成為通信領(lǐng)域乃至關(guān)系到 千家萬戶的一項熱門技術(shù)，其在國外傳媒中更是被喻為"未被挖掘的金山"。因此，對電力線 載波技術(shù)的研究是大勢所趨。
[0003] 然而，電力線通信卻具有頻率選擇性衰落大等特點。為了解決這個問題，常采用一 些調(diào)制技術(shù)，而常用的調(diào)制技術(shù)中要么頻帶利用率不高，如QPSK，F(xiàn)SK;要么最大數(shù)據(jù)傳輸 速率受到限制，比如擴頻技術(shù)。而OFDM技術(shù)不僅能夠很好地對抗頻率選擇性衰落，同時還 是解決傳輸頻帶利用率低這一問題的最有效方法之一。不失一般性，本發(fā)明將基于OFDM技 術(shù)，結(jié)合電力線載波通信，設(shè)計一種低復(fù)雜度的比特加載方法。
[0004]在電力線OFDM系統(tǒng)中，載波間干擾（ICI，Inter-carrierInterference)和 符號間干擾（ISI，Inter-SymbolInterference)會顯著降低OFDM系統(tǒng)的性能，使 得在理想情況下設(shè)計的資源管理優(yōu)化方法在實際使用時效率降低。本發(fā)明通過研 究ICI和ISI干擾下的比特加載和功率分配問題，旨在優(yōu)化系統(tǒng)吞吐量。目前，流行 的設(shè)計方案大都為基于貪婪思想的基本比特加載方法（GBL)，而這種方法復(fù)雜度較 高，難以實施。因此，文獻(xiàn)[ThanhNhanVo，KarineAmis,ThierryChonavel，Pierre Siohan,"AchievableThroughputOptimizationinOFDMSystemsinthePresenceof InterferenceanditsApplicationtoPowerLineNetworks'，IEEETransactionsOn Communications,Vol. 62,No. 5,May2014]的作者為了降低復(fù)雜度，對GBL方法進(jìn)行了改 進(jìn)，即通過迭代求逆實現(xiàn)GBL方法復(fù)雜度降低的目的，我們稱之為改進(jìn)型的GBL方法，然而 通過本質(zhì)可以看出，這種方法雖然降低了一定復(fù)雜度，但是整體迭代次數(shù)并沒有減少，所以 總的計算復(fù)雜度仍然很高。基于此目的，本文設(shè)計了基于OFDM的PLC系統(tǒng)的低復(fù)雜度比特 加載方法。本方法首先設(shè)計一種快速收斂的連續(xù)型吞吐量優(yōu)化方法，得到非整數(shù)型的比特 位分配方案，然后進(jìn)行整數(shù)化得到一個整數(shù)型比特位分配方案，最后結(jié)合改進(jìn)型GBL方法 實現(xiàn)比特位加載。本發(fā)明所設(shè)計方法不僅能夠優(yōu)化系統(tǒng)性能，同時大幅度降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于OFDM的PLC系統(tǒng)的低復(fù)雜 度比特位加載方法，包括以下步驟：
[0006] 步驟1:發(fā)送端確定所使用子載波數(shù)目L、每個子載波允許最大傳輸功率約束值 P_(m)，mGAus6以及總傳輸功率約束值？_31，其中Aus6為發(fā)送端所使用的子載波集合，且L=IAusI，IAusI表示集合Ause的元素個數(shù)；
[0007] 步驟2 :引入權(quán)重，將連續(xù)型吞吐量優(yōu)化問題等價為加權(quán)最小化均方誤差問題，然 后結(jié)合塊坐標(biāo)下降算法和二分法迭代求解得到一個非整數(shù)型子載波比特數(shù)集合IClnl (m)}， 其中Clnl (m)，mGAuse表示求解連續(xù)型吞吐量優(yōu)化問題后得到的第m個子載波上的非整數(shù) 比特位數(shù)；
[0008] 步驟3 :根據(jù)式子 A,",(川）4 八=騰X'[/7, 到一個整數(shù)比特位分配集合{bInI(m)}，其中Ad(_)表示整數(shù)化函數(shù)，bInI(m)表示第m個子 載波最初的比特位數(shù)，E表示子載波采用的M進(jìn)制-QAM調(diào)制方式所對應(yīng)的整數(shù)比特位數(shù)有 序集合，V.Me丨0,2,-18J(v特別地，M= 0表示在M集合中所對應(yīng)的比特位數(shù)為0,即子 載波上不攜帶比特位數(shù)；
[0009] 步驟4:根據(jù)貪婪思想，在{bInI(m)}基礎(chǔ)上進(jìn)行比特位加載，即初始化 迭代次數(shù)k= 1，令{b(k)(m) =bInI(m)}，則有B⑷全[妒 表示子載波比特位分配向量，并求出對應(yīng)的子載波功率分配向量P⑴全[嚴(yán)>(])，...，嚴(yán)>(,")，...，嚴(yán)>(i)]r =M(*-廣IV，其中：（?）(k)表示第k輪迭代所 求的對應(yīng)值，b(m)表示第m個子載波上的比特位數(shù)，P(m)表示第m個子載波的傳輸功率，
和a(m)分別表示信噪比差額和信道增益，…，of(if表示噪聲功率向量，其中M(/〃）$ <7丨（/?)表示第m個子載波的噪聲功率，W表示干擾矩陣；
[0010] 步驟5 :更新迭代次數(shù)k=k+1，L個子載波根據(jù)M依次跳到下一 級來更新自己的比特位數(shù)，并記錄下每次更新后的比特位分配向量B(k) (m)， mGAus%即B(kl)中的第m個子載波根據(jù)K更新比特位后得到的比特位分配向量
以得到更新后的比特位分配向量集合{B(k)(m)}，并迭代求出對應(yīng)矩陣集合|[^A(bU,(b|))^|j和對應(yīng)的子載波功率分配向量集合{P(k) (m)}，即：

[0015] 其中：S(x)表示對向量x中所有元素的求和；根據(jù)上式如果能夠找到滿足
向量和功率分配向量分別為K= B (k 和P $= P (k ?;
[0016] 步驟7 :發(fā)送端按照最后得到的比特位分配向量K確定每個子載波對應(yīng)的調(diào)制方 式，同時根據(jù)K設(shè)定每個子載波的傳輸功率，從而實現(xiàn)PLC系統(tǒng)收發(fā)兩端的業(yè)務(wù)傳輸。
[0017] 所述的步驟2中進(jìn)一步包含以下步驟：
[0018] 步驟2. 1 :初始化：迭代次數(shù)n = 1、最大迭代次數(shù)e、麗SE均衡器集合和相 應(yīng)的麗SE誤差估計值集合[、權(quán)重值集合，其中：&% C和0>分別表示第m個 子載波上的第n次迭代所求的MMSE均衡器、MMSE誤差估計值和權(quán)重值；
[0019] 步驟2.2:更新迭代次數(shù)n = n+l，利用二分法求解傳輸功率{P(n)(m)};
[0020] 步驟2. 3 :利用塊坐標(biāo)下降法，首先求解麗SE均衡器
[0021]步驟2.4:判斷迭代次數(shù)n是否大于e，滿足則求出
[0022] 在上述步驟2. 2進(jìn)一步包含以下步驟：
[0023] 步驟2.2.1:設(shè)拉格朗日乘子A =〇,根據(jù)式子：
[0027] 否則執(zhí)行下一步；
[0028] 步驟2. 2.2:設(shè)X=A+La，其中La為步長，同理得到對應(yīng)的j，重復(fù)該 步驟直至找到滿足總功率約束條件的拉格朗日乘子A，得到拉格朗日乘子上界Au=入；
[0029] 步驟2. 2. 3:利用二分法思想求解拉格朗日乘子， 〇為拉格朗日乘子下界，求解得到，判斷是否滿足總功率約束條件，如滿足則 令A(yù)u=A，否則令A(yù)1=A，重復(fù)該步驟直至
，其中A為判定閾值，得到解
并輸出該解。
[0030] 本發(fā)明有益效果：本發(fā)明通過優(yōu)先考慮連續(xù)型吞吐量優(yōu)化問題，利用塊坐標(biāo)下降 算法和二分法迭代求解該問題，然后對所求得的非整數(shù)型子載波比特位數(shù)進(jìn)行整數(shù)化，以 此為基礎(chǔ)，再采用貪婪思想迭代求得整數(shù)比特位和功率分配方案，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能的同 時使得比特位加載問題迭代次數(shù)大幅度降低，即系統(tǒng)計算復(fù)雜度大幅降低。
【附圖說明】
[0031]圖1是本發(fā)明所述實施例的非整數(shù)比特位分配方法流程圖。
[0032] 圖2是本發(fā)明所述實施例的連續(xù)型吞吐量最大化流程圖。
[0033] 圖3是本發(fā)明所述實施例二分法求解連續(xù)型傳輸功率分配方案流程圖。
[0034]圖4是本發(fā)明所述實施例平均吞吐量的性能仿真比較圖。
[0035]圖5是本發(fā)明所述實施例平均執(zhí)行時間的仿真比較圖。
【具體實施方式】
[0036] 為了使本發(fā)明的目的和效果更加清楚，下面對電力線OFDM通信系統(tǒng)模型及本文 發(fā)明方法進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0037] 與傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)不同，本文考慮一個單用戶加窗型OFDM系統(tǒng)。假設(shè)系統(tǒng)共有 U個子載波，占用的總帶寬為BMHz，OFDM系統(tǒng)的循環(huán)前綴長度為s(此處，s代表單位： 秒）：Tep=GI+RI，其中GI為保護(hù)間隔，RI為滾降長度。在傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)中，一般有RI= 0,而在PLC系統(tǒng)中卻不等于零。另外，OFDM符號長度為Ts，其中T=TQ+GI，T。為FFT窗口
為子載波間隔。假設(shè)在U個子載波中使用L個子載波來傳輸數(shù)據(jù)，根據(jù)多載 波通信系統(tǒng)原理知識，第n。個OFDM符號中的第m。個子載波的解調(diào)樣本y(m。，n。）可以表示 為：
[0038] V (m0 ,/?〇) = ?(/?〇,n0)cm〇n〇 +ICI(ma,n0) +ISI(ma,n〇)+ b( m0,n0) CI)
[0039]其中：a(m。,n。)、％,%、ICI(m。,n。)、ISI(m。,n。）和b(m。,n。）分別表示第n。個OFDM 符號中的第m。個子載波的信道增益，調(diào)制符號，載波間干擾、符號間干擾和循環(huán)復(fù)高斯型系 統(tǒng)噪聲。
[0040] 不失一般性，考慮塊時不變信道，則等式（1)可以簡化為：
[0041] r(/?2")