基于OFDM的PLC系统的低复杂度比特位加载方法

摘要

本发明公开了一种基于OFDM的PLC系统的低复杂度比特位加载方法，包括以下步骤：首先发送端确定所使用子载波集合、总传输功率约束值以及每个子载波允许的最大传输功率约束值，引入权重，将连续型吞吐量优化问题等价为加权最小化均方误差问题，并结合块坐标下降算法和二分法迭代求解该问题，然后对所求得的非整数型子载波比特数进行整数化，以此为基础，再采用贪婪思想迭代求得整数比特位和功率分配方案，发送端最后根据分配方案将信号比特流映射到每个子载波上并设定子载波传输功率，实现PLC系统收发两端的业务传输。本发明方法不仅能够优化系统性能还能使得比特位加载问题的迭代次数大幅减少，从而降低系统的计算复杂度。

主权项

一种基于OFDM的PLC系统的低复杂度比特位加载方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：发送端确定所使用子载波数目L、每个子载波允许最大传输功率约束值P_max(m)，m∈A^use以及总传输功率约束值P_total，其中A^use为发送端所使用的子载波集合，且L＝|A^use|，|A^use|表示集合A^use的元素个数；步骤2：引入权重，将连续型吞吐量优化问题等价为加权最小化均方误差问题，然后结合块坐标下降算法和二分法迭代求解得到一个非整数型子载波比特数集合{C_InI(m)}，其中C_InI(m)，m∈A^use表示求解连续型吞吐量优化问题后得到的第m个子载波上的非整数比特位数；步骤3：根据式子m∈A^use对{C_InI(m)}整数化得到一个整数比特位分配集合{b_InI(m)}，其中Λ_d(·)表示整数化函数，b_InI(m)表示第m个子载波最初的比特位数，表示子载波采用的M进制‑QAM调制方式所对应的整数比特位数有序集合，特别地，M＝0表示在集合中所对应的比特位数为0，即子载波上不携带比特位数；步骤4：根据贪婪思想，在{b_InI(m)}基础上进行比特位加载，即初始化迭代次数k＝1，令{b^(k)(m)＝b_InI(m)}，则有表示子载波比特位分配向量，并求出对应的子载波功率分配向量$P^{\left(k\right)}\stackrel{\Delta }{=}{[P^{\left(k\right)}\left(1\right),...,P^{\left(k\right)}\left(m\right),...,P^{\left(k\right)}\left(L\right)]}^T=M^{\left(k\right)}{\left({\Lambda }_{\left(B^{\left(k\right)}\right)}\right)}^{\left(k\right)}N,$其中：(·)^(k)表示第k轮迭代所求的对应值，b(m)表示第m个子载波上的比特位数，P(m)表示第m个子载波的传输功率，$M^{\left(k\right)}\stackrel{\Delta }{=}{(I-{\left({\Lambda }_{\left(B^{\left(k\right)}\right)}\right)}^{\left(k\right)}W)}^{-1},{\left({\Lambda }_{\left(B^{\left(k\right)}\right)}\right)}^{\left(k\right)}\stackrel{\Delta }{=}diag({\gamma }_1^{\left(k\right)},...,{\gamma }_m^{\left(k\right)},...,{\gamma }_L^{\left(k\right)}),$Γ和α(m)分别表示信噪比差额和信道增益，表示噪声功率向量，其中表示第m个子载波的噪声功率，W表示干扰矩阵；步骤5：更新迭代次数k＝k+1，L个子载波根据依次跳到下一级来更新自己的比特位数，并记录下每次更新后的比特位分配向量B^(k)(m)，m∈A^use，即B^(k‑1)中的第m个子载波根据更新比特位后得到的比特位分配向量$B^{\left(k\right)}\left(m\right)\stackrel{\Delta }{=}{[b^{(k-1)}\left(1\right),...,b^{(k-1)}(m-1),b^{\left(k\right)}\left(m\right),b^{(k-1)}(m+1),...b^{(k-1)}\left(L\right)]}^T,$m∈A^use，由此可以得到更新后的比特位分配向量集合{B^(k)(m)}，并迭代求出对应矩阵集合和对应的子载波功率分配向量集合{P^(k)(m)}，即：${\left({\Lambda }_{\left(B^{\left(k\right)}\right(m\left)\right)}\right)}^{\left(k\right)}\stackrel{\Delta }{=}{\left({\Lambda }_{\left(B^{(k-1)}\right)}\right)}^{(k-1)}+{\mathrm{\Delta \gamma }}_{\left(m\right)}^{\left(k\right)}{e}_m{e}_m^T$和$P^{\left(k\right)}\left(m\right)=M_{\left(m\right)}^{\left(k\right)}{\left({\Lambda }_{\left(B^{\left(k\right)}\right(m\left)\right)}\right)}^{\left(k\right)}N,m\in A^{use}$其中：e_m为列向量，且只有第m行为1，其余行均为0，$W_m\stackrel{\Delta }{=}{e}_m^{T}W,{\mathrm{\Delta \gamma }}_{\left(m\right)}^{\left(k\right)}\stackrel{\Delta }{=}\frac{(2^{b^{\left(k\right)}\left(m\right)}-2^{b^{(k-1)}\left(m\right)})\Gamma }{|\alpha \left(m\right){|}^2};$步骤6：执行下列选择方案，即：$\left\{\begin{array}{c}{m}^{*}=\arg \underset{m}{\min }\Delta f=\arg \underset{m}{\min }\frac{S\left(P^{\left(k\right)}\right(m)-P^{(k-1)})}{b^{\left(k\right)}\left(m\right)-b^{(k-1)}\left(m\right)}\\ S\left(P^{\left(k\right)}\right(m^{*}))\le P_{total}\\ 0\le P^{\left(k\right)}\left(m^{*}\right)\le P_{max}\left(m^{*}\right)\end{array}\right.$其中：S(x)表示对向量x中所有元素的求和；根据上式如果能够找到满足条件的子载波m^*，那么更新B^(k)＝B^(k)(m^*)，P^(k)＝P^(k)(m^*)，并重复步骤5；如果找不到，则得到最后的比特位分配向量和功率分配向量分别为B^*＝B^(k‑1)和P^*＝P^(k‑1)；步骤7：发送端按照最后得到的比特位分配向量B^*确定每个子载波对应的调制方式，同时根据P^*设定每个子载波的传输功率，从而实现PLC系统收发两端的业务传输。