CN101420407A - 一种基于喷泉编码控制ofdm信号峰均功率比的信息传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于喷泉编码控制OFDM信号峰均功率比的信息传输方法。该方法将包含K个信源数据包的报文经喷泉编码，得到喷泉包序列，经过调制、串并转换和IDFT后得到OFDM信号。计算OFDM信号的峰均功率比并选择满足控制要求的信号经并串转换后发送。在接收机端，接收到的信号经串并转换、DFT和并串转换后进行解调。当接收机接收到足够多的数据包时，则向发射机端反馈停止发送的信号，同时对数据包进行喷泉译码恢复出原始的K个信源包。发射机收到停止发送信号即停止发送。本发明能有效地控制OFDM信号的峰均功率比，具有较强的纠错能力、节省带宽和提高吞吐量，可应用于采用OFDM技术的各种通信系统。对64QAM，SNR＝18dB，本方法在高斯信道下归一化的数据吞吐量可提高10％。

Description

一种基于喷泉编码控制OFDM信号峰均功率比的信息传输方法

技术领域

本发明属于采用正交频分复用信号(OFDM)的无线和有线通信技术领域，具体涉及喷泉编码控制OFDM信号峰均功率比的信息传输。

背景技术

在移动无线信道中，信号从发射天线经过一个时变多径信道到达接收天线，会产生时间选择性衰落和频率选择性衰落。信道的时变特性引起信号频谱的展宽，导致Doppler效应，造成信号随时间呈选择性衰落。根据多径信道在频域中表现出的频率选择性衰落特性，人们提出了正交频分复用(OFDM)技术。OFDM正是将频域分割成多个子信道，各相邻子信道间正交重叠，从而提高频谱的利用效率。可见，OFDM一方面能够克服频率选择性衰落，另一方面，取小于相干时间的一段时间间隔作为一个OFDM符号的持续时间，还可以大大降低信道的时间选择性衰落对传输系统的影响。

尽管OFDM技术在提高频谱的效率以及抗信道频率选择性衰落方面具有独特的优势，但OFDM技术仍然存在一些重要问题没有得到很好地解决。其中难点和关键技术就是峰均功率比的控制。由于OFDM信号是由多个子载波信号叠加而成，与恒包络信号如单载波信号相比，OFDM信号的峰均功率比(峰值功率和平均功率之比)将是非常的高。如果信号的峰均功率比很高，发射机功率放大器的线性动态范围将要求很宽。使用宽线性动态范围的功率放大器，将使得发射机的成本将大大增加。使用低线性动态范围的功率放大器虽然可以降低成本，但发送信号将会严重失真，从而导致系统性能的严重下降。为了降低OFDM信号对发送功率放大器的要求，需要降低OFDM信号的峰均功率比。为了降低OFDM信号的峰均功率比，人们提出了很多解决方案。在这些方案中，采用编码方法降低峰均功率比最为引人注目。Tao Jiang和Yiyan Wu在“An Overview：Peak-to-AveragePower Ratio of OFDM Signals”(IEEE Transactions on Broadcasting，vol.54，no.2，pp.257-268，Jun.2008)中总结了降低OFDM峰均功率比的技术发展历程。首先Jones等人提出了加入校验比特的方法将3比特的分组映射为4比特的码字的分组编码来降低峰均功率比。Wulich等人使用循环码，Fragiacomo在此基础上提出了一种简单的分组码降低OFDM信号峰均功率比的方法。后来，人们进一步提出了使用互补码和改进的互补码降低OFDM的方法。虽然使用这些方法可以较好地控制和降低OFDM信号峰均功率比，但这些方法使用固定码率的编码降低峰均功率比，将带来传送信息速率的损失。同时，这些编码方案需要传送编码的边带信息(Side Information)，这将造成稀有的频谱资源的浪费。例如，当分组较大时，使用码率为3/4的互补码降低OFDM信号的峰均功率比时，降低2.75dB的峰均功率比将带来1/4信息传送效率的损失。

可见，上述各种方法降低OFDM信号峰均功率比的效果是有限的，不能完全满足现实通信技术的发展需求。

发明内容

针对OFDM系统因为高的峰均功率比，从而导致发射机功率放大器线性动态范围要求很高或者发送信号的畸变等，而现有的控制和降低OFDM信号峰均功率比方法均存在计算复杂度高和信号发送效率低等缺点，本发明提出了一种基于喷泉编码控制OFDM信号峰均功率比的方法，目的在于实现低复杂度情况下，能根据系统需要来控制OFDM信号的峰均功率比。

本发明提供的基于喷泉编码控制OFDM信号峰均功率比的信息传输方法，设待发送报文包含K个信源数据包，每个信源数据包包含N个q进制符号，则一个待发送的报文由K·N个q进制符号构成；其中，q＝2^m，m为自然数，K和N均为正整数；

包括下述步骤：

(1)将待发送报文中的K个信源包(a₀，a₁，…，a_N-1)，(b₀，b₁，…，b_N-1)，…，(f₀，f₁，…，f_N-1)重新排序成数据包(a₀，b₀，…，f₀)，(a₁，b₁，…，f₁)，…，(a_N-1，b_N-1，…，f_N-1)；将重新排序后的第i个数据包(a_i，b_i，…，f_i)经过喷泉编码后输出半无限序列(A_i，B_i，…，F_i，…)，i＝0，1，…，N-1；按列序读半无限序列得到喷泉数据包序列(A₀，A₁，…，A_N-1)，(B₀，B₁，…，B_N-1)，…，(F₀，F₁，…，F_N-1)，…；

(2)依次对得到的每个喷泉数据包序列先后进行调制、串并转换，再进行反傅立叶变换，这样就得到了一个OFDM信号；

(3)利用式(I)计算每一个经IDFT变换后的OFDM信号的峰均功率比PAPR，如果PAPR小于预先设置的峰均功率比控制值PAPR₀，即PAPR<PAPR₀，则对该OFDM信号进行并串转换后被送入到信道中，否则该OFDM信号包将被丢弃；

$\mathrm{PAPR}=\frac{\arg \underset{N}{\max }\left\{P_n\right\}}{\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_n}---\left(I\right)$

式中，P_n为该OFDM信号中第n个取样值的功率；

(4)接收机接收到信道输出的信号，首先对此信号进行串并转换，然后对该信号进行傅立叶变换；接着对傅立叶变换后的信号先后进行并串转换和与发射机端的调制相对应解调；

(5)判断接收机是否已经正确接收到了M个正确数据包，如果是，转入步骤(6)；否则，接收机继续接收数据包；M依据所使用的喷泉编码方式确定，M＝K(1+ε)，ε为实际喷泉的开销，取值为0％～5％；

(6)接收机向发射机反馈停止发送的信号，发射机接收到接收机反馈的停止发送信号后，停止本报文的喷泉数据包的发送；同时，接收机对接收到的数据包进行喷泉码译码，正确恢复出原始的K个信源包。

本发明中待发送的K个信源数据包，构成一个待发送的报文。每个信源数据包含N个q进制符号。这些信源数据包经喷泉码编码得到新的喷泉包序列。新的喷泉包序列经过调制、串并转换、反傅立叶变换(IDFT)后得到OFDM信号。然后，计算OFDM信号的峰均功率比并选择满足峰均功率比控制要求的信号进行并串转换后发送。在接收机端，信道输出的信号首先进行串并转换后，再进行傅立叶变换(DFT)作用后进行并串转换和解调。每当接收机正确接收到足够多的数据包时，则向发射机端反馈一个停止发送信号。然后，接收机对所接收到的足够多的正确的数据包进行喷泉码译码。发射机收到停止发送信号，立即停止本报文喷泉数据包的发送。本发明能有效地控制OFDM信号的峰均功率比，同时，具有较强的信号纠错能力和节省带宽，实现复杂度也较低，可应用于采用OFDM技术的各种通信系统。当控制的峰均功率比PAPR₀＝8dB时，和传统的基于OFDM符号反馈重传方式(称为ACK)相比，对于采用64QAM调制，在SNR＝18dB的情形下，基于喷泉码的传送方式在高斯信道下归一化的数据吞吐量要提高10％。

附图说明

图1是本发明的信息传输的系统框图；

图2是本发明中基于包的喷泉码编码示意图。

图3是本发明中控制峰均功率比的工作流程图

图4是本发明中接收机端数据包计数的工作示意图

具体实施方式

下面结合附图和一组具体参数对本发明进一步说明：

如图1所示，本发明提供的基于喷泉编码控制OFDM信号峰均功率比的信息传输方法，设待发送报文包含K个信源数据包，每个信源数据包包含N个q进制符号，则一个待发送的报文由K·N个q进制符号构成；其中，q＝2^m，m为自然数，K和N均为正整数，包括下述步骤：

(1)信源数据包喷泉编码步骤：

如图2所示，每K个信源数据包共K·N个q进制符号构成一个待发送的报文。一个信源包的长度为N。将K个信源包(a₀，a₁，…，a_N-1)，(b₀，b₁，…，b_N-1)，…，(f₀，f₁，…，f_N-1)重新排序成数据包(a₀，b₀，…，f₀)，(a₁，b₁，…，f₁)，…，(a_N-1，b_N-1，…，f_N-1)。重新排序后的第i个数据包(a_i，b_i，…，f_i)经喷泉编码输出半无限序列(A_i，B_i，…，F_i，…)，i＝0，1，…，N-1。按列序读半无限序列得到喷泉数据包序列(A₀，A₁，…，A_N-1)，(B₀，B₁，…，B_N-1)，…，(F₀，F₁，…，F_N-1)，…；

实际所使用的喷泉编码可以是LT(Luby Transform)码，Raptor码，Reed-Solomon码，或者基于有限域GF(q)的多进制随机喷泉码等。

(2)反傅立叶变换(IDFT)步骤：

依次对得到的每个喷泉数据包序列先后进行调制、串并转换，再进行IDFT变换，这样就得到了一个OFDM信号；

(3)OFDM信号峰均功率比控制步骤：

如图3所示，利用式(I)计算每一个经IDFT变换后的OFDM信号的峰均功率比PAPR，如果PAPR小于预先设置的峰均功率比控制值PAPR₀，即PAPR<PAPR₀，则对该OFDM信号进行并串转换后被送入到信道中，否则该OFDM信号包将被丢弃；

$\mathrm{PAPR}=\frac{\arg \underset{N}{\max }\left\{P_n\right\}}{\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_n}---\left(I\right)$

式中，P_n为该OFDM信号中第n个取样值的功率；

峰均功率比控制值PAPR₀可根据系统能够承受的成本(即计算复杂度)来预先设置。如果PAPR₀设置较小，计算复杂度就高，反之，计算复杂度就很低，如实例中的分析。通常情况下，PAPR₀的预设范围因调制方式和子载波的长度的不同而不同。一般情况下，对于任何情况下的OFDM系统，PAPR₀可设置为[7.58.0]dB之间的任何一个值，可以满足在成本比较低的情况下，所控制的PAPR也能满足系统性能的需求；

(4)接收机接收到信道输出的信号，首先对此信号进行串并转换，然后对该信号进行DFT变换；接着对DFT变换后的信号先后进行并串转换和解调(与发射机端的调制相对应)；

(5)判断接收机是否已经正确接收到了所需数目M个的正确数据包，如图4所示，如果已经正确接收到所需数目M的数据包，则转入到步骤(6)；否则，否则，接收机继续接收数据包；

所需接收到正确的数据包数M取决于所使用的喷泉编码方式，实际上，所需接收到的正确数据包数M通常设置为等于K(1+ε)，式中ε是实际喷泉的开销，一般取值在0％～5％间，由实际所选用的喷泉编码决定。例如，使用Reed-Solomon码作为喷泉码，则只需接收到K个数据包即可，此时ε＝0。如果Raptor码作为喷泉码，ε可选择为2％。

(6)发射机停止报文发送和接收机译码步骤：接收机向发射机反馈停止发送的信号，发射机接收到接收机反馈的停止发送信号后，立即停止本报文的喷泉数据包的发送；同时，接收机对接收到的数据包进行喷泉码译码(喷泉码译码与步骤(1)中的喷泉码编码相对应)，正确恢复出原始的K个信源包。

实例：

参数说明：调制方式采用QPSK、16QAM或64QAM。喷泉编码采用基于有限域GF(q)的随机编码，有限域q的值与调制阶数一致。例如，如果使用16QAM调制，则喷泉码是基于GF(16)进行编码。编码长度K＝100，所需正确数据包数M＝K。子载波数N＝512的OFDM系统。

仿真结果表明，对于预先给定的峰均功率比控制值PAPR₀，本发明基于喷泉编码的峰均功率比控制方法，确实可以将OFDM信号的峰均功率比控制在要求的范围之内。

当PAPR₀比较大时，使用此发明的方法，其复杂度比较低。例如当PAPR₀>8.5dB时，每平均传送一个OFDM符号需要进行的IDFT运算小于1.3次。随着PAPR₀的降低，使用喷泉码控制峰均功率比的计算复杂度逐渐上升。例如，当PAPR₀＝7.5dB时，每平均传送一个OFDM符号需要进行的IDFT运算上升到6.4次。当PAPR₀＝7.0dB时，每平均传送一个OFDM符号需要进行的IDFT运算将大于30次。因此，使用喷泉编码控制峰均功率比，应根据需要选择适当的预设值PAPR₀，将计算复杂度控制在合适的水平。

发送端发送的OFDM符号经过信道传送后，由于信道中存在干扰和噪声，在收端译码可能会出错。出错的包将被丢弃。采用喷泉编码，16QAM的调制方式，SNR＝15dB时，接收机每成功译出一个OFDM符号，发送端需要作IFFT的平均次数为3次。如果信道质量很差(<10dB)，信道包丢失率严重，采用此方面方法，其复杂度较高。但在实际系统中，一般丢包率远小于1。因此，信道误帧所造成的复杂度增加可忽略。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1、一种基于喷泉编码控制OFDM信号峰均功率比的信息传输方法，设待发送报文包含K个信源数据包，每个信源数据包包含N个q进制符号，则一个待发送的报文由K·N个q进制符号构成；其中，q＝2^m，m为自然数，K和N均为正整数；

包括下述步骤：

(1)将待发送报文中的K个信源包(a₀，a₁，…，a_N-1)，(b₀，b₁，…，b_N-1)，…，(f₀，f₁，…，f_N-1)重新排序成数据包(a₀，b₀，…，f₀)，(a₁，b₁，…，f₁)，…，(a_N-1，b_N-1，…，f_N-1)；将重新排序后的第i个数据包(a_i，b_i，…，f_i)经过喷泉编码后输出半无限序列(A_i，B_i，…，F_i，…)，i＝0，1，…，N-1；按列序读半无限序列得到喷泉数据包序列(A₀，A₁，…，A_N-1)，(B₀，B₁，…，B_N-1)，…，(F₀，F₁，…，F_N-1)，…；

(2)依次对得到的每个喷泉数据包序列先后进行调制、串并转换，再进行反傅立叶变换，这样就得到了一个OFDM信号；

(3)利用式(I)计算每一个经IDFT变换后的OFDM信号的峰均功率比PAPR，如果PAPR小于预先设置的峰均功率比控制值PAPR₀，即PAPR<PAPR₀，则对该OFDM信号进行并串转换后被送入到信道中，否则该OFDM信号包将被丢弃；

$\mathrm{PAPR}=\frac{\arg \underset{N}{\max }\left\{P_n\right\}}{\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_n}---\left(I\right)$

式中，P_n为该OFDM信号中第n个取样值的功率；

(4)接收机接收到信道输出的信号，首先对此信号进行串并转换，然后对该信号进行傅立叶变换；接着对傅立叶变换后的信号先后进行并串转换和与发射机端的调制相对应的解调；

(5)判断接收机是否已经正确接收到了M个正确数据包，如果是，转入步骤(6)；否则，接收机继续接收数据包；M依据所使用的喷泉编码方式确定，M＝K(1+ε)，ε为实际喷泉的开销，取值为0％～5％；

(6)接收机向发射机反馈停止发送的信号，发射机接收到接收机反馈的停止发送信号后，停止本报文的喷泉数据包的发送；同时，接收机对接收到的数据包进行喷泉码译码，正确恢复出原始的K个信源包。

2、根据权利要求1所述的基于喷泉编码控制OFDM信号峰均功率比的信息传输方法，其特征在于：

峰均功率比控制值PAPR₀的取值范围为7.5至8.0dB。

Images