CN101645863A - Ofdm系统中的信号发射方法及使用该方法的装置 - Google Patents

Abstract

一种OFDM系统中的信号发射方法，包括步骤：将子信道中特定子载波进行空载处理；向子信道中除特定子载波之外的子载波填充信息；将子信道中的所有信息与转移矩阵相乘，得到相应子信道信号；向所述子信道信号中的特定子载波填充相应的特定信息，得到完整子信道信号；将所述完整子信道信号映射成为OFDM符号进行发射。本发明通过转移矩阵的使用有效地改善了OFDM系统中的峰均比性能，同时既避免了利用升余弦脉冲成型技术造成的带宽利用率的下降，又可以简单、实用地应用于终端之中，同时系统性能并不受影响。

Description

OFDM系统中的信号发射方法及使用该方法的装置

技术领域

本发明涉及使用正交频分复用(OFDM)技术的系统，具体地，涉及一种OFDM系统中的信号发射方法及使用该方法的装置，用于解决峰均比问题。

背景技术

众所周知地，峰均比(Peak-to-Average Power Ratio)问题是所有使用OFDM技术的系统、装置和设备的瓶颈性问题。它直接影响了系统的性能和效率，并最终导致了设备成本的显著增加。

OFDM技术中PAPR的产生可以利用一个简单的原理来进行说明。在某一个时间点上，如果装载在大量子载波的符号信息被同相相加，则在时域上产生了与OFDM符号均值相比很大的峰值。这就需要系统发射端的功率放大器(Power Amplifier)具备相当大的线性动态范围。否则一旦这样的峰值进入到PA的非线性区域，将导致信号的失真和交调。更严重的是，这将导致子载波间正交性的丧失和频谱的带外泄漏，从而严重影响系统性能。另一方面，PA的大线性动态范围是以低放大效率以及格外昂贵的成本作为代价的。然而，在移动通信系统特别是上行链路上，传输能量的受限要求PA具有很高的放大效率。

现有的降低PAPR的技术方案，主要包含部分传输(PartialTransmission)、选择性映射(Selective Mapping)、基于脉冲成型(Pulse Shaping)、音调注入(Tone Injection)、音调预留(ToneReservation)和限幅(Clipping)等方法。而相关专利和文献中出现的其他方法为这几种基本方法的变形与改进，并无本质上的差别。

在现有降低PAPR的技术方案中，限幅方法是一种最为简单和直接的方法。然而，其非线性的运算将导致信号产生不必要的畸变和失真。音调注入和音调预留的方法虽然可以降低系统的PAPR值，但是会显著增加信号的平均功率，显然对于功率受限的终端来说是不适合的。部分传输和选择性映射方法可以获得比较好的PAPR性能，并且不会带来信号的任何失真，然而其庞大的计算量对于终端来说也是不合适的。

仅就PAPR性能来说，基于脉冲成型技术的处理方法是最好的，在获得令人满意的通信质量条件下可以获得非常理想的PAPR性能。然而，该方法在PAPR性能上的增益是以牺牲系统频率效率为代价的，因而也需要进行相应的改善。

鉴于此，本发明的目的在于为OFDM系统尤其是上行链路设计一种合理解决PAPR问题的方法。该方法在不改变系统其他性能的前提下，能够比较有效地降低系统发射端的PAPR。具体地说，较好的上行链路的PAPR解决方案应当具备以下性质：

1.频谱效率应当尽可能高。换句话说，对系统PAPR的改善尽量不应以牺牲频谱效率为代价；在基于脉冲成型的方法中，其升余弦滤波器的利用降低了频谱的使用效率(经过该方法处理后，其有效带宽为原始带宽的1/(1+β)，其中β为升余弦滤波器的滚降系数)。

2.原有的系统性能应尽可能地得到保持。即系统应当尽可能地保持诸如误符号率(SER)、误比特率(BER)等质量参数在内的原有系统性能。

3.处理方法应当是有效(Effective)和实用的(Practical)。要求解决方案在有效降低系统PAPR的条件下，尽可能地减少计算复杂度和计算成本。

发明内容

根据本发明的一方面，一种OFDM系统中的信号发射方法，包括步骤：

将子信道中特定子载波进行空载处理；

向子信道中除特定子载波之外的子载波填充信息；

将子信道中的所有信息与转移矩阵相乘，得到相应子信道信号；

向所述子信道信号中的特定子载波填充相应的特定信息，得到完整子信道信号；

将所述完整子信道信号映射成为OFDM符号进行发射。

根据本发明的另一方面，一种OFDM系统中的信号接收方法，包括步骤：

对接收到的信号执行处理，并将处理得到的并行信号放置在预先分配的子信道中的各个子载波上；

特定子载波对子信道内的所有子载波进行信道估计和补偿，并得到信息向量；

将所述信息向量与转移矩阵的逆相乘，恢复所述特定子载波的信息，从而得到所述子信道的信息；以及

对所述子信道的信息进行处理，从而得到原始的信息。

根据本发明的另一方面，一种OFDM系统中的信号发射装置，包括：

将子信道中特定子载波进行空载处理的模块；

向子信道中除特定子载波之外的子载波填充信息的模块；

将子信道中的所有信息与转移矩阵相乘并得到相应子信道信号的模块；

向所述子信道信号中的特定子载波填充相应的特定信息以得到完整子信道信号的模块；

将所述完整子信道信号映射成OFDM符号进行发射的模块。

一种OFDM系统中的信号接收装置，包括：

对接收到的信号执行处理、并将处理得到的并行信号放置在预先分配的子信道中的各个子载波上的模块；

利用特定子载波对子信道内的所有子载波进行信道估计和补偿并得到信息向量的模块；

将所述信息向量与转移矩阵的逆相乘，恢复所述特定子载波的信息，从而得到所述子信道的信息的模块；以及

对所述子信道的信息进行处理从而得到原始的信息的模块。

本发明中给出了一种基于线性相位偏移和子载波频域扩展的改善PAPR的解决方案。该方法通过转移矩阵的使用，既避免了利用升余弦脉冲成型技术造成的带宽利用率的下降，又可以简单、实用地应用于终端之中，同时系统性能并不受影响。

附图说明

根据结合附图的以下详细描述，本发明特定典型实施方式的以上和其它目的、特点和优点将更加显而易见，附图中：

图1示出了根据本发明的OFDM系统的发射机原理图；

图2示出了根据本发明的OFDM系统的接收机原理图

图3示出了根据本发明第一实施例的子信道分配方式；

图4示出了根据本发明第一实施例的发射端子信道处理方式；

图5示出了根据本发明第一实施例的接收端子信道处理方式；

图6示出了根据本发明第二实施例的子信道分配方式；

图7示出了根据本发明第二实施例的发射端子信道处理方式；

图8示出了根据本发明第二实施例的接收端子信道处理方式；

图9示出了单个子载波是OFDM符号时域波形的比较；

图10示出了QPKS调制下，根据本发明的方法与现有技术的CCDF性能曲线比较；以及

图11示出了16-QAM调制下，根据本发明的方法与现有技术的CCDF性能曲线比较。

贯穿上述附图，相同的附图参考标号将被理解为用来指示相同元件、特征和结构。

具体实施方式

提供了例如详细的结构和元件之类的说明书中定义的内容，以帮助更全面地理解本发明的实施方式。因此，本领域的普通技术人员将意识到，可以对这里描述的实施方式进行各种变化和修改，而不背离本发明的范围和精神。此外，为了清楚和简洁，省略了对已知功能和结构的描述。

图1示出了根据本发明基于转移矩阵加权方法的OFDM系统发射机的原理图。如图1所示，根据本发明基于转移矩阵加权方法的OFDM系统发射端的处理可以包括如下步骤：

在101执行串行信号的前处理过程，包括信息的交织、编码、信息均衡等处理，并形成比特信号序列。

在102执行串并转换过程。其中信号序列由串行转换为并行，并分配给事先给用户分配好的一个子信道中的各个子载波上。

在103执行比特信号的符号转换过程。将比特信号进行调制等处理，转换成为调制后的符号，并装载在相应的子载波上。这里在进行装载时，可以对例如导频信号的特定子载波位置进行空载处理，即不进行操作，或填充1或0或者随机化内容，而将导频信号以外的信息装载到相应的子载波上。

在104，将在步骤103形成的信息与转移矩阵相乘，从而完成相位偏移和子载波扩展的过程。

Y_T＝X_T·P    (1)

其中P表示转移矩阵，X_T表示处理之前的信息，Y_T表示处理之后的信息。

具体地，转移矩阵P的形成方式表示为

$P_{M\×M}(m,k)=\left\{\begin{array}{cc}0& k=q_i\mathrm{andm}\≠q_i\\ 1& k=q_i\mathrm{andm}=q_i\\ C\left(k\right)\·e^{-j2\mathrm{\π}\·\frac{m\·k}{M}}& \mathrm{otherswhen}0\≤m,k\≤M-1\end{array}---\left(2\right)\right.$

其中，C(k)为一个向量，其结构为C(k)＝[1/M,......，1/M]，为一个(Mx1)的向量；q_i为用于监听信道信息的Pilot所处的子载波位置，i为特定子载波的序列号。而m和k分别代表转移矩阵P的行和列，M代表一个连续子信道中子载波的个数。

也就是，可以按照如下方式形成一个转移矩阵：

1.在每一个特定子载波位置所在的列上，如果行位置不等于列的标号，则矩阵元素为0；这里，特定子载波可以例如Pilot之类的信号。

2.在每一个特定子载波位置所在的列上，如果行位置等于列的标号，那么该矩阵元素为1；

3.对于除该特定子载波之外的其他的位置，矩阵元素等于与行和列位置均线性相关的相位和一个常数的乘积，该常数用于控制实际发送功率的大小。这里，参见上述公式(2)。

在105执行Pilots加载过程。将Pilot信息装载在各自所处的对应子载波位置，并形成信息向量；

106是其他子信道的处理过程。对于用户使用的其他子信道，做与104、105和106步骤等同的处理；

107将所有的子载波进行合并处理；

108并串转换过程；将并行的符号信息进行并行向串行的处理，重新回到时域符号的串行序列；

109基带信号的后处理，该后处理包括波形成型等过程

110射频信号处理，该过程主要包括中频处理和射频处理等过程，然后由天线发射经处理的信号。

相应地，在系统的接收端的处理如图2所示，可以包括如下的步骤：

在201执行射频信号处理，包括由天线接收来自发射端的信号，并进行射频处理和中频处理等处理过程；

在202进行基带信号的前处理，该后处理包括图1中步骤109的逆处理；

在203执行串并转换，信号由串行转换为并行，并放置在分配给用户的子信道中的各个子载波上；

在204进行子载波的信道估计和信道补偿；对于某一个子信道，利用子载波上的特定信息(如Pilot)对子信道内的所有子载波进行信道估计与补偿；

在205，将在204中形成的信息，与转移矩阵P的逆相乘，如下式所示：

$X_R={\hat{Y}}_R\·P---\left(3\right)$

206子载波上信息恢复过程，即通过解调等过程将符号信息转换为比特信息；

207对于用户使用的其他子信道进行与204、205、206、207和208步骤相同的处理

208将所有的子载波进行合并处理；将并行的符号信息进行并行向串行的处理，重新得到比特级的串行序列；

209并串转换：比特信号由并行，转换为串行，并将放置在子信道中各个子载波上的信息形成的比特流；

210串行信号的后处理步骤：带有信息的信号经过解调、解码和解交织等处理，恢复原始的信息。

根据本发明的第一实施例，假设在OFDM符号的频域上，对于某个用户而言，他可以使用如图3所示的子信道分配方式。在图3中，黑色部分是pilot所在的位置，白色部分是数据信息。在频域中，18个连续的子载波组成了一个子信道，一个或者几个不连续的子信道可以分配给一个用户。

由此可见，转移矩阵为

$P(m,k)$

以第一个OFDM符号中的一个子信道为例，可以采用如图4所示的发射端的处理方式。子信道由18个连续的子载波构成，其中有装载Pilot的子载波和装载信息的子载波，比例可以根据信道条件不同而有不同的设计。同一符号的其他子信道处理方式与该子信道相同。而其他符号中子信道的处理方式，只是形式不同，本质与该符号的处理方式无异。

在接收端，对该符号中某一个子信道的处理如图5所示。

相应地，同一符号的其他子信道处理方式与该方式相同；其他符号中子信道的处理方式，只是形式不同，本质与该符号的处理方式无异。

根据本发明的第二实施例，假设在OFDM符号的频域上，对于某个用户而言，可以使用如图6所示的子信道分配方式。图中黑色部分是pilot所在的位置，白色部分是数据信息。在频域中，6个连续的子载波组成了一个单元，三个非连续的单元组成子信道；一个或者几个不连续的子信道可以分配给一个用户。

由此可见，转移矩阵可以是

$P(m,k)=\left[\begin{array}{ccccc}1& C\left(1\right)\·e^{-j\·2\mathrm{\π}\·\frac{0.1}{M}}& ...& C\left(4\right)\·e^{-j\·2\mathrm{\π}\·\frac{0.4}{M}}& 0\\ 0& C\left(1\right)\·e^{-j\·2\mathrm{\π}\·\frac{1.1}{M}}& ...& C\left(4\right)\·e^{-j\·2\mathrm{\π}\·\frac{1.4}{M}}& 0\\ 0& C\left(1\right)\·e^{-j\·2\mathrm{\π}\·\frac{2.1}{M}}& ...& C\left(4\right)\·e^{-j\·2\mathrm{\π}\·\frac{2.4}{M}}& 0\\ 0& C\left(1\right)\·e^{-j\·2\mathrm{\π}\·\frac{3.1}{M}}& ...& C\left(4\right)\·e^{-j\·2\mathrm{\π}\·\frac{3.4}{M}}& 0\\ 0& C\left(1\right)\·e^{-j\·2\mathrm{\π}\·\frac{4.1}{M}}& ...& C\left(4\right)\·e^{-j\·2\mathrm{\π}\·\frac{4.4}{M}}& 0\\ 0& C\left(1\right)\·e^{-j\·2\mathrm{\π}\·\frac{5.1}{M}}& ...& C\left(4\right)\·e^{-j\·2\mathrm{\π}\·\frac{5.4}{M}}& 1\end{array}\right]$

以第一个OFDM符号中的一个子信道为例，可以采用如图7所示的发射端的处理方式。子信道由3个非连续的单元构成，每个单元由6个连续的子载波构成，其中有装载Pilot的子载波和装载信息的子载波，比例可以根据信道条件不同而由不同的设计。同一符号的其他子信道处理方式与该子信道相同，而其他符号中子信道的处理方式，只是形式不同，本质与该符号的处理方式无异。

在接收端，对该符号中某一个子信道的处理如图8所示。

相应地，同一符号的其他子信道处理方式与该方式相同；其他符号中子信道的处理方式，只是形式不同，本质与该符号的处理方式无异。

以第一实施例为例，将本发明中给出的方法与传统的方法进行比较，下表为要进行比较的参数。

参数序列	参数	描述
			1	IFFT点数	1024
2	调制方式	QPSK、16-QAM
			3	占有的子信道个数	1
4	子信道中的子载波个数	18
			5	Pilot的信息描述	BPSK，1或者-1

如图9所示，假设单个子载波在一个子信道中的情况。可以看出，随着子载波的序列变化，OFDM时域符号中出现峰值的位置出现了随线性相位相关的偏移，因此有效地降低了PAPR值。

按照上表的假设，利用10000000次Monte Carlo试验，得到了图10所示的曲线，从而有力地证实了该方法获得的PAPR性能远好于传统的方法。

尽管已经参考本发明的特定典型实施例示出和描述了本发明，本领域普通技术人员可以理解，可以在形式和细节上作出各种改变，而不背离本发明的精神和范围，所述精神和范围由所附权利要求及其等价物进行定义。

Claims (10)

1.一种OFDM系统中的信号发射方法，包括步骤：

向子信道中除特定子载波之外的子载波填充信息；

将子信道中的所有信息与转移矩阵相乘，得到相应子信道信号；

向所述子信道信号中的特定子载波填充相应的特定信息，得到完整子信道信号；

将所述完整子信道信号映射成为OFDM符号进行发射。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特定子载波是Pilot信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照以下方式构造所述转移矩阵：将所述特定子载波的位置处的元素置为0或1，并将所述特定子载波以外的其它子载波位置处的元素置为与元素行列序号相关的线性相位信息和常数的乘积。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，如果矩阵的列序号等于特定信息的列序号，且行序号不等于列序号，则矩阵元素被置为0；如果矩阵的列序号等于特定信息的列序号，且行序号等于列序号，则矩阵元素被置为1。

5.一种OFDM系统中的信号接收方法，包括步骤：

对接收到的信号执行处理，并将处理得到的并行信号放置在预先分配的子信道中的各个子载波上；

利用特定子载波对子信道内的所有子载波进行信道估计和补偿，并得到信息向量；

将所述信息向量与转移矩阵的逆相乘，恢复所述特定子载波的信息，从而得到所述子信道的信息；以及

对所述子信道的信息进行处理，从而得到原始的信息。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述特定子载波是Pilot信息。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，按照以下方式构造所述转移矩阵：将所述特定子载波的位置处的元素置为0或1，并将所述特定子载波以外的其它子载波位置处的元素置为与元素行列序号相关的线性相位信息和常数的乘积。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，如果矩阵的列序号等于特定信息的列序号，且行序号不等于列序号，则矩阵元素被置为0；如果矩阵的列序号等于特定信息的列序号，且行序号等于列序号，则矩阵元素被置为1。

9.一种OFDM系统中的信号发射装置，包括：

向子信道中除特定子载波之外的子载波填充信息的模块；

将子信道中的所有信息与转移矩阵相乘并得到相应子信道信号的模块；

向所述子信道信号中的特定子载波填充相应的特定信息以得到完整子信道信号的模块；

将所述完整子信道信号映射成OFDM符号进行发射的模块。

10.一种OFDM系统中的信号接收装置，包括：

对接收到的信号执行处理、并将处理得到的并行信号放置在预先分配的子信道中的各个子载波上的模块；

利用特定子载波对子信道内的所有子载波进行信道估计和补偿并得到信息向量的模块；

将所述信息向量与转移矩阵的逆相乘，恢复所述特定子载波的信息，从而得到所述子信道的信息的模块；以及

对所述子信道的信息进行处理从而得到原始的信息的模块。

Images