基于受限汤普森采样的OFDM波形参数自适应方法

基于受限汤普森采样的ofdm波形参数自适应方法
技术领域
1.本技术涉及通信技术领域，特别是涉及一种基于受限汤普森采样的ofdm波形参数自适应方法。


背景技术：

2.正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，ofdm)系统是一种在频率选择性信道中实现高速率传输的无线通信系统，但受无线信道小尺度衰落影响，多径效应和多普勒效应产生的符号间干扰(inter symbol interference，isi )和载波间干扰(inter-carrier interference ，ici)严重影响接收端信息比特的译码恢复。为此，ofdm通过引入循环前缀(cyclic prefix, cp)减小多径时延带来的影响，足够的cp可以消除多径时延引起的符号间干扰，或者可以通过减少子载波数目、增大子载波间隔的方式降低载波间干扰带来的影响。cp长度更长、子载波数目更少的ofdm波形固然能实现更可靠的传输，但频谱效率很低，为此，针对不同的无线信道，选择最佳的ofdm波形进行传输，是一项很有意义的工作。
3.现有的自适应ofdm算法大多基于公式推导实现，通过假设信道质量信息符合某种特定分布，然后给出ofdm波形参数与传输性能间的闭合表达式，最后通过简单的二分法或者求微分给出最佳ofdm波形参数。存在的问题是，一方面仅适用于特定信道假设下的ofdm波形自适应，难以解决实际通信中的ofdm波形选取问题；另一方面算法性能依赖精确的信道估计，接收端信道估计误差以及信道估计结果回传至发射端产生的时延都会造成算法性能下降。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够在不依赖任何信道假设和信道估计的情况下的基于受限汤普森采样的ofdm波形参数自适应方法。
5.一种基于受限汤普森采样的ofdm波形参数自适应方法，所述方法包括：发射端根据受限汤普森采样算法将候选ofdm波形的传输成功概率构建成形式为贝塔分布的传输成功概率模型；根据传输成功概率模型和顺序逆采样算法对候选ofdm波形的传输成功概率进行采样，得到符合波形特征要求的传输成功概率采样结果；对传输成功概率采样结果进行计算，得到候选ofdm波形的平均频谱效率，选择平均频谱效率最大的候选ofdm波形将预设的数据包传输至接收端；接收端通过循环冗余校验算法对接收的数据包进行校验，将校验结果发送给发射端；发射端接收校验结果，并根据校验结果对平均频谱效率最大的候选ofdm波形对应的贝塔分布参数进行重复更新，直至收敛得到当前信道下平均频谱效率最大的ofdm波形。
6.在其中一个实施例中，根据传输成功概率模型和顺序逆采样算法对候选ofdm波形
的传输成功概率进行采样，得到符合波形特征要求的传输成功概率采样结果，包括：对传输成功概率模型进行计算，得到传输成功概率模型的累计分布函数；根据顺序逆采样算法对候选ofdm波形的传输成功概率进行采样，得到传输成功概率采样随机值；根据累计分布函数和传输成功概率采样随机值进行计算，得到符合波形特征要求的传输成功概率采样结果。
7.在其中一个实施例中，根据顺序逆采样算法对候选ofdm波形的传输成功概率进行采样，得到传输成功概率采样随机值，包括：根据顺序逆采样算法对候选ofdm波形的传输成功概率进行采样，对于第i个候选ofdm波形，得到范围在内的采样随机值，其中，表示随机值下界，表示随机值上界，表示比当前待采样候选ofdm波形的循环前缀长度更长的波形采样结果，表示比当前待采样候选ofdm波形的子载波数目更少的波形采样结果，表示累计分布函数，和表示第i个候选ofdm波形传输成功概率对应的贝塔分布的参数。
8.在其中一个实施例中，根据累计分布函数和传输成功概率采样随机值进行计算，得到符合波形特征要求的传输成功概率采样结果，包括：当累计分布函数与传输成功概率采样随机值相等时，得到符合波形特征要求的传输成功概率采样结果，表示为其中，表示第i个传输成功概率采样结果，表示累计分布函数的逆函数。
9.在其中一个实施例中，根据候选ofdm波形的循环前缀长度和子载波数目确定波形特征要求，根据自适应算法确定循环前缀长度和子载波数目，其中，候选ofdm波形的子载波具有相同的编码方式。
10.在其中一个实施例中，根据候选ofdm波形的循环前缀长度和子载波数目确定波形特征要求，包括：根据候选ofdm波形的循环前缀长度和子载波数目确定波形特征要求为，其中，表示第j个传输成功概率采样结果，表示第i个候选ofdm波形的循环前缀长度，表示第j个候选ofdm波形的循环前缀长度, 表示第i个候选ofdm波形的子载波数目，表示第j个候选ofdm波形的子载波数目。
11.在其中一个实施例中，对传输成功概率采样结果进行计算，得到候选ofdm波形的平均频谱效率，选择平均频谱效率最大的候选ofdm波形将预设的数据包传输至接收端，包括：对传输成功概率采样结果进行计算，得到传输成功概率采样结果的平均频谱效
率，表示为率，表示为其中，表示平均频谱效率，表示频谱效率，表示候选ofdm波形中加载的比特数，表示根据传输成功概率采样结果得到的预测传输成功概率，表示符号持续时间，表示采样间隔，表示信号带宽，表示候选ofdm波形的子载波数目，表示候选ofdm波形的循环前缀长度；选择平均频谱效率最大的候选ofdm波形将预设的数据包传输至接收端。
12.在其中一个实施例中，接收端通过循环冗余校验算法对接收的数据包进行校验，将校验结果发送给发射端，包括：接收端通过循环冗余校验算法对接收数据进行校验，若检验成功，则反馈确认接收信息给发射端；若校验失败，则反馈否定确认接收信息给发射端。
13.在其中一个实施例中，发射端接收校验结果，并根据校验结果对平均频谱效率最大的候选ofdm波形对应的贝塔分布参数进行重复更新，直至得到当前信道下平均频谱效率最大的ofdm波形，包括：当发射端接收确认接收信息时，根据确认接收信息对平均频谱效率最大的候选ofdm波形对应的贝塔分布参数中的参数的进行更新；当发射端接收否定确认接收信息时，根据否定确认接收信息对平均频谱效率最大的候选ofdm波形对应的贝塔分布参数中的参数的进行更新；通过对参数和参数进行重复更新，直至得到当前信道下平均频谱效率最大的ofdm波形。
14.上述基于受限汤普森采样的ofdm波形参数自适应方法，将使用多种候选ofdm波形的传输成功概率建模为形式为贝塔分布的传输成功概率模型，每次传输前根据传输成功概率模型和顺序逆采样算法对候选ofdm波形的传输成功概率进行采样，得到符合波形特征要求的传输成功概率采样结果，通过对传输成功概率采样结果进行计算和比较，选择平均频谱效率最大的候选ofdm波形将预设的数据包传输至接收端，然后根据接收端进行循环冗余校验后反馈的检验结果更新平均频谱效率最大的候选ofdm波形对应的贝塔分布参数，最后通过不断试错收敛到当前信道下平均频谱效率最大的ofdm波形。相比与现有技术，本发明所提方法克服传统自适应ofdm波形算法对精确的信道建模和信道估计的依赖，在不知道信道质量信息的情况下，通过与信道不断地及进行信道交互智能选择适合当前信道的最佳ofdm波形，有效解决了实际无线通信中最佳ofdm波形选取问题。
附图说明
15.图1为一个实施例中基于受限汤普森采样的ofdm波形参数自适应方法的流程示意
图；图2为一个实施例中基于本发明所提方法实现的无线通信系统示意图；图3为一个实施例中在传输100个时间步内本发明所提方法与经典汤普森采样算法获得的平均奖励性能的对比图；图4为一个实施例中在传输1000个时间步内本发明所提方法与经典汤普森采样算法获得的平均奖励性能对比图。
具体实施方式
16.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
17.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于受限汤普森采样的ofdm波形参数自适应方法，包括以下步骤：步骤102，发射端根据受限汤普森采样算法将候选ofdm波形的传输成功概率构建成形式为贝塔分布的传输成功概率模型。
18.具体地，对于第i种候选ofdm波形，根据受限汤普森采样算法将的传输成功概率构建成形式为贝塔分布的传输成功概率模型，表示为，其中表示传输成功概率，和表示贝塔分布的两个形状参数；建模后，还需将所有的贝塔分布参数初始化为，，此时贝塔分布等效于均匀分布。
19.可以理解，候选ofdm波形的传输成功概率是指使用ofdm波形进行传输，接收端反馈确认接收信息(ack)的概率。
20.步骤104，根据传输成功概率模型和顺序逆采样算法对候选ofdm波形的传输成功概率进行采样，得到符合波形特征要求的传输成功概率采样结果。
21.可以理解，顺序逆采样算法是指对于所有候选ofdm波形，按照鲁棒性从大到小的顺序进行逆采样，得到符合波形特征要求的传输成功概率采样结果，这里的波形特征要求是由候选ofdm波形的循环前缀长度和子载波数目确定的，符合波形特征要求的传输成功概率采样结果是指cp长度越长、固定带宽下子载波数目越少，即子载波间隔越大的候选ofdm波形的鲁棒性更强，采样得到的传输成功概率更高。
22.步骤106，对传输成功概率采样结果进行计算，得到候选ofdm波形的平均频谱效率，选择平均频谱效率最大的候选ofdm波形将预设的数据包传输至接收端。
23.可以理解，平均频谱效率可以认为是期望奖励，受信道多径时延和多普勒频移影响，不同ofdm波形具有不同传输成功概率，选择期望奖励最大的采样ofdm波形进行数据传输的成功概率更高。
24.步骤108，接收端通过循环冗余校验算法对接收的数据包进行校验，将校验结果发送给发射端。
25.可以理解，接收端通过循环冗余校验算法对接收的数据包进行校验，接收端若成功恢复数据包，则反馈确认接收信息(ack)给发射端，否则，反馈否定接收信息(nack)给发射端。
26.步骤110，发射端接收校验结果，并根据校验结果对平均频谱效率最大的候选ofdm波形对应的贝塔分布参数进行重复更新，直至收敛得到当前信道下平均频谱效率最大的ofdm波形。
27.可以理解，发射端根据接收端反馈的ack/nack重复更新使用的平均频谱效率最大的采样ofdm波形对应的贝塔分布参数，在与信道交互过程中逐渐收敛到当前信道下期望奖励最高的ofdm波形，能解决实际无线通信中最佳ofdm波形选取问题，在反馈有限的未知时变信道中表现良好。
28.上述基于受限汤普森采样的ofdm波形参数自适应方法，将使用多种候选ofdm波形的传输成功概率建模为形式为贝塔分布的传输成功概率模型，每次传输前根据传输成功概率模型和顺序逆采样算法对候选ofdm波形的传输成功概率进行采样，得到符合波形特征要求的传输成功概率采样结果，通过对传输成功概率采样结果进行计算和比较，选择平均频谱效率最大的候选ofdm波形将预设的数据包传输至接收端，然后根据接收端进行循环冗余校验后反馈的检验结果更新平均频谱效率最大的候选ofdm波形对应的贝塔分布参数，最后通过不断试错收敛到当前信道下平均频谱效率最大的ofdm波形。相比与现有技术，本发明所提方法克服传统自适应ofdm波形算法对精确的信道建模和信道估计的依赖，在不知道信道质量信息的情况下，通过与信道不断地及进行信道交互智能选择适合当前信道的最佳ofdm波形，有效解决了实际无线通信中最佳ofdm波形选取问题。
29.在其中一个实施例中，根据传输成功概率模型和顺序逆采样算法对候选ofdm波形进行采样，得到初步采样结果，包括：对传输成功概率模型进行计算，得到传输成功概率模型的累计分布函数为；根据顺序逆采样算法对候选ofdm波形的传输成功概率进行采样，对于第i个候选ofdm波形，得到范围在内的采样随机值，其中，表示随机值下界，表示随机值上界，表示比当前待采样候选ofdm波形的循环前缀长度更长的波形采样结果，表示比当前待采样候选ofdm波形的子载波数目更少的波形采样结果，和表示第i个候选ofdm波形传输成功概率对应的贝塔分布的参数；根据累计分布函数和传输成功概率采样随机值进行计算，当累计分布函数与传输成功概率采样随机值相等时，得到符合波形特征要求的传输成功概率采样结果，表示为其中，表示第i个传输成功概率采样结果，表示累计分布函数的逆函数。
30.可以理解，顺序逆采样方法利用候选ofdm波形之间的关系，认为鲁棒性更强的ofdm波形即为cp长度更长、子载波数目更少的ofdm波形应该采样得到更高的数据包传输成功概率，因此只记录满足波形特征要求的采样结果。顺序逆采样算法利用了无线通信理论
知识，采样得到的鲁棒性更高的ofdm波形可以预测得到更高的传输成功概率，通过减少不合理的采样结果能更快地收敛。
31.在其中一个实施例中，根据候选ofdm波形的循环前缀长度和子载波数目确定波形特征要求，表示为，其中，表示第j个传输成功概率采样结果，表示第i个候选ofdm波形的循环前缀长度，表示第j个候选ofdm波形的循环前缀长度, 表示第i个候选ofdm波形的子载波数目，表示第j个候选ofdm波形的子载波数目，记录所有满足波形特征要求的传输成功概率采样结果为，i表示采样结果的总数；根据自适应算法确定循环前缀长度和子载波数目，其中，候选ofdm波形的子载波具有相同的编码方式。
32.可以理解，通过引入循环前缀可以减小多径时延带来的影响，足够的循环前缀可以消除多径时延引起的符号间干扰，通过减少子载波数目、增大子载波间隔的方式可以降低载频间干扰带来的影响，循环前缀长度更长、子载波数目更少的ofdm波形能实现更可靠的传输。
33.在其中一个实施例中，对传输成功概率采样结果进行计算，得到候选ofdm波形的平均频谱效率，选择平均频谱效率最大的候选ofdm波形将预设的数据包传输至接收端，包括：对传输成功概率采样结果进行计算，得到传输成功概率采样结果的平均频谱效率，表示为为其中，表示平均频谱效率，表示频谱效率，表示候选ofdm波形中加载的比特数，表示根据传输成功概率采样结果得到的预测传输成功概率，表示符号持续时间，表示采样间隔，表示信号带宽，表示候选ofdm波形的子载波数目，表示候选ofdm波形的循环前缀长度；选择平均频谱效率最大的候选ofdm波形将预设的数据包传输至接收端。
34.可以理解，选择平均频谱效率最大的候选ofdm波形作为数据包的载体进行传输，收发两端之间具体的传输方式为自动请求重传机制，根据自动请求重传机制（arq）使用确认和超时这两个机制，在不可靠服务的基础上进行数据包传输，从而实现发射端和接收端之间的可靠通信。
35.在其中一个实施例中，接收端通过循环冗余校验算法对接收的数据包进行校验，将校验结果发送给发射端，包括：接收端通过循环冗余校验算法对接收的数据包进行校验，若检验成功，接收端若
成功恢复数据包，反馈ack，记为传输反馈；若校验失败，则反馈nack给发射端，记为传输反馈。
36.在其中一个实施例中，发射端接收校验结果，并根据校验结果对平均频谱效率最大的候选ofdm波形对应的贝塔分布参数进行重复更新，直至得到当前信道下平均频谱效率最大的ofdm波形，包括：当发射端接收确认接收信息时，根据确认接收信息对平均频谱效率最大的候选ofdm波形对应的贝塔分布参数中的参数的进行更新，更新后的参数为；当发射端接收否定确认接收信息时，根据否定确认接收信息对平均频谱效率最大的候选ofdm波形对应的贝塔分布参数中的参数的进行更新，更新后的参数为；通过对参数和参数进行重复更新，更新后的贝塔分布表示为，直至收敛得到当前信道下平均频谱效率最大的ofdm波形。
37.可以理解，通过对参数和参数进行重复更新，随着数据包的传输，每次传输的平均频谱效率会逐渐趋于稳定，每次传输前通过采样得到的平均频谱效率最大的ofdm波形逐渐收敛到当前信道下的最佳波形。
38.在一个具体的实施例中，候选ofdm波形的参数包括3种cp长度和3种子载波数目，共组成9种候选ofdm波形，其具体的仿真参数如表1所示。
39.表1仿真参数对于9种候选ofdm波形，基于受限汤普森采样的ofdm波形参数自适应方法得到当前信道下平均频谱效率最大的ofdm波形的具体步骤为：（1）用表示可选的候选ofdm波形，将每个ofdm波形传输成功概率建模为贝塔分布记为；初始化、；初始化传输数据包数量记录。
40.（2）。
41.（3）对于所有ofdm波形，根据逆采样算法按照鲁棒性从大到小的顺序进行逆采样，具体操作为：对于波形，其数据包传输成功概率符合贝塔分布，首先生成内的随机数，然后根据累计分布函数的逆函数得到采样结果为。上述操作中，表示随机数取值下界，满足，表示随机数取值上界，满足，表示比当前待采样波形的循环前缀长度更长的波形采样结果，表示比当前待采样波形的子载波数目更少的波形采样结果。按照上述操作按顺序可采样得到满足要求的所有的传输成功概率采样结果为。
42.（4）根据采样结果计算使用每个波形传输数据包得到的期望奖励即平均频谱效率：比较得到期望奖励最大的候选ofdm波形为并使用该波形传输一个数据包，其中，表示第个时间步选择的ofdm波形，表示选择结果为第个候选ofdm波形。
43.（5）接收端校验后反馈ack或者nack，发射端根据当前时间步传输反馈更新对应候选ofdm波形的贝塔分布，更新后的贝塔分布为（6）重复上述步骤中（2）-（5），直至。
44.（7）重复上述步骤中（1）-（6）做100次蒙特卡罗仿真，计算得到每个时间步的平均奖励，每个时间步的平均奖励是100次蒙特卡罗仿真在该时间步获得奖励的均值。
45.在一个具体的实施例中，如图2所示，还提出了一种基于本发明所提方法实现的无线通信系统。通信系统发射端发送信号比特数据进行卷积编码得到编码比特，根据正交幅度调制（m-qam）方法将编码比特映射为星座符号，根据逆傅里叶变换(ifft)将调制星座符号为ofdm符号，并根据自适应算法在每个ofdm符号前加入cp，根据本发明所提的基于受限汤普森采样的ofdm波形参数自适应方法选择当前信道下平均频谱效率最大的ofdm波形传输数据，在数据传输中通信系统采用自动请求重传机制实现两端可靠的数据通信。通信系统的接收端接收传输数据，通过去cp以及傅里叶变换处理ofdm符号，通过对ofdm符号依次进行正交幅度解调制以及维特比译码成功恢复得到信息比特，最后通过循环冗余校验算法校验恢复得到的信息比特，并将表示当前数据包是否传输成功的ack/nack信息反馈给接收端，完成数据通信。其中，通信系统中每个子载波使用相同的调制编码方式，系统中cp长度和子载波数目选取基于自适应算法实现。
46.为了进一步验证本发明所提出的基于受限汤普森采样的ofdm波形参数自适应方
法的有益效果，在表1所示的仿真参数下，对比了本发明所提方法与经典汤普森采样（ts）算法在100个时间步内100次蒙特卡罗仿真获得的平均奖励，其中，在一个时间步中仅传输一个数据包，比较结果如图3所示。从平均奖励可以看出，本发明所提方法很好地实现了不知道精确信道模型和信道估计下的自适应ofdm波形选择，与简单的将经典汤普森采样用于自适应ofdm波形相比，所提算法有效地利用了ofdm波形间的关系，收敛更快，在算法前期能获得更高的平均奖励。
47.进一步地，在表1所示的仿真参数下，对比了本发明所提方法与经典汤普森采样（ts）算法在1000时间步内100次蒙特卡罗仿真获得的平均奖励，比较结果如图4所示，可以看出，两种算法均收敛之后，每次传输获得的平均奖励性能相当，所提算法不仅加快了算法收敛速度，也没有带来算法收敛后性能的降低。
48.应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
49.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
50.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。