CN102025681B - Ofdm系统降峰均比技术中slm和pts的边带信息传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了OFDM系统降峰均比技术中SLM和PTS的边带信息传输方法。这种方法利用了IFFT的线性性质，即在频域将边带信息和数据信息分别组合成边带符号和数据符号，数据符号中将传送数据的位置存放数据，将传边带的位置置零，在边带符号中将数据位置置零，将边带位置存边带信息。将数据符号和边带符号分别IFFT以后在时域相加得到最终的时域信息，接收端对接收的数据FFT后从已知的边带位置即可提出边带信息。这种方法应用到SLM方法中不会引起PAPR的再生问题，而应用于PTS方法会引起部分的峰值再生，但在不影响误码率性能的前提下很好地降低了系统的峰均比。

Description

OFDM系统降峰均比技术中SLM和PTS的边带信息传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是在OFDM系统中降峰均比(PAPR)技术中扰码类技术中边带信息(SI)的传输。可应用于OFDM系统中基于扰码类降峰均比技术中边带传输的设计，为降峰均比技术中边带传输的实现提供了一个可靠的解决方案。 

背景技术

随着移动通信和无线网络需求的不断增加，越来越需要更加先进的无线传输技术。高速无线通信系统设计的一个最直接的挑战是克服无线信道带来的严重的频率选择性衰落。正交频分复用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术可以很好地克服无线信道的频率选择性衰落，由于其高效的传输特点，OFDM已成为实现未来高速无线通信的核心技术之一。 

OFDM系统最主要的缺点之一是具有较大的峰均比(PAPR)，它直接影响着整个系统的运行成本和效率。在某个时刻，若多个载波以同一个方向进行累加时就会产生很大的峰值功率，从而要求功率放大器具有很宽的线性放大区域。否则，当信号峰值落在功率放大器的非线性区域时，就会发生信号的畸变，从而产生子载波间的互相干扰和带外辐射，破坏了子载波的正交性，降低系统性能。为了避免这种情况，功率放大器应该工作在大功率补偿状态下。然而，这会导致非常低的功率放大效率，并且使得发射机的成本变得非常昂贵。另一方面，若OFDM技术应用在移动通信中，由于移动终端的能量很有限，从而要求高效的功率放大。因此，在OFDM多载波系统中，必须采用一定的技术来降低信号的峰均比值，使得发射机中的功率放大器能够高效工作并提高系统的整体性能。 

目前解决OFDM中峰均功率比问题的方法总体上可以分为三大类：预畸变类方法，编码类方法和扰码类方法。每种方法都有自己的特色，但都存在着各自的缺陷。预畸变类方法直接对信号的峰值进行非线性操作，它最直接最简单，但因为它采用了非线性操作因此会带来带内噪声和带外干扰，从而降低系统的误码率性能和频谱效率。编码类方法利用编码将原来的信息码字映射到一个具有比较好的PAPR特性的传输码集上，从而避开了那些会出现信号峰值的码字，这类方法为线性过程，它不会使信号产生畸变，因此也没有预畸变类方法的缺点，但是编码类方法的计算复杂度非常高并且编解码都比较麻烦，重要的是这类方法的信息速率降低很快，因此只适用于子载波数比较少的情况。扰码类方法不像编码类方法那样完全避开信号的峰值，而是着眼于努力使信号峰值出现的概率降低。这类技术也采用线性过程， 因此它不会对信号产生畸变，这类方法能够很好地降低信号的PAPR，它的缺点也是计算复杂度太大。扰码类方法中最具有代表性的是选择映射法(SLM)和部分传输序列(PTS)方法。 

理论上扰码类方法最有希望解决OFDM中峰均比问题。但是以上提到的两种扰码类方法都需要传送边带信息用于接收端恢复原始数据，这在一定程度上降低了系统的传输效率，可相对于编码类方法来说这种冗余度很小。 

发明内容

为了解决现有扰码类降峰均比技术中传送边带信息的问题，本发明提出了一种OFDM系统中一种OFDM系统降峰均技术中SLM和PTS的边带信息传输方法，具体技术方案如下： 

一种OFDM系统降峰均技术中SLM和PTS的边带信息传输方法，本方法利用IFFT线性变换性质，即：令X₁，X₂的IFFT分别为x₁,x₂并令X=aX₁+bX₂,则x=ax₁+bx₂； 

数据进入PTS或者SLM模块前预留出其中的边带位置，即把存放边带信息的位置设置为零， 

在频域的数据符号具有 的形式，在确定边带以后对边带信息进行编码，把编码后的边带数据放在边带信息位置其他位置置零，边带信息符号具有 

的形式，边带的位置和数量根据系统的需要来设计；在接收端对接收的数据进行FFT，即可在已知的边带位置提取边带信息。 

本方法的思想用在SLM方法中，根据SLM方法的结构，其应用的方式稍有改变，假设数据分了V路，则每路中都包含了全部的数据，因为输入数据是在IFFT之前乘以旋转因子，而且输出的数据是在V路数据中选择PAPR最小的一路输出，所以可以直接在IFFT之前将当前一路的边带信息插入数据信息当中。 

本方法的思想应用于PTS时，假设数据分了V个子块，每个子块中都只包含部分数据其他位置为零，每个子块进行IFFT以后再分别乘以不同的旋转因子，实际中旋转因子一般从集合{±1,±j}中选择，且第一个分组信息一般不变即旋转因子为1，然后再将这V组数据相加，选择PAPR最小的一种方式传输，其中共有4^V-1种可能的传输方式。在不考虑边带编码的情况下需要log₂4^V-1比特来传送这些边带信息，找出相应的边带序列以后组成 的形式，将边带信息IFFT后与PTS选出的具有最小PAPR的一路数据相加输出。 

当V的数量比较小时 

中边带信息的位数也比较少，因而其IFFT后的结果只有几种我们已知的数据，因此可以用ROM来存储这几种已知的数据，而不是再作IFFT运算，这样可以降低系统复杂度。 

附图说明

图1是现有技术中，SLM原理图。 

图2是现有技术中，PTS原理图。 

图3是本发明中SLM的边带传输原理图。 

图4是本发明中PTS的边带传输原理图。 

图5是本发明中SLM方法中传输边带与不传输边带的PAPR的CCDF曲线。 

图6是本发明中PTS方法中传输边带与不传输边带的PAPR的CCDF曲线。 

图7是本发明中PTS方法在高斯白噪声信道下的BER曲线。 

具体实施方式

下面结合原理图分别对SLM和PTS的边带传输方案作具体介绍： 

一种OFDM系统降峰均技术中SLM和PTS的边带信息传输方法，在OFDM系统的降峰均比的过程中，在发射端，采用傅立叶逆变换IFFT的线性变换性质，将边带信息和数据信息一起传输；其中，将边带信息和数据信息一起传输的步骤包括： 

1）数据在进入降峰均比模块前，预留出传送边带信息的位置，即把存放边带信息的位置设置为零： 

该数据符号的形式是[a₁,a₂,…a_l，0,0,…,0，a_m,…,a_i-1,a_i]，其中，a₁,a₂,…a_l和a_m,…,a_i-1,a_i是数据，0,0,…,0是预留的传送边带信息的位置； 

2）通过比较得出边带信息后，对边带信息进行编码，将编码后的边带数据放在数据中传送边带信息的位置，并在原来存放数据的位置置零： 

该边带信息符号的形式是[0,0,…,0，s₁,s₂,…,s_k，0,0,…,0]，其中，s₁,s₂,…,s_k是编码后的边带信息； 

所述步骤1）和步骤2）中，边带的位置和数量根据系统的需要来设计； 

在接收端，直接对接收数据进行傅立叶变换FFT后，从已知的边带位置即可提取边带信息。 

所述降峰均比的方法包括PTS和SLM两种基于扰码类降峰均功率比方法。 

SLM方法中边带的传输 

选择映射法(Selective Mapping，SLM)的基本思想是，产生包含相同信息且相互独立的V个OFDM符号，然后选择使时域信号x^(v)有最小PAPR的一组发送。SLM实现框图如图1所示。 

SLM的关键是如何产生代表相同信息的多个OFDM符号。定义V个不同的向量： 

${\stackrel{\‾}{B}}^{\left(v\right)}=[B_0^{\left(v\right)},\·\·\·B_{N-1}^{\left(v\right)}],v=1,\·\·\·,V$

其中 

为旋转因子，也称为加权因子，n=0,…,N-1， 

在[0,2π]内均匀分布。将这些向量元素分别调制到N个子载波上，就得到V个内容不同的OFDM符号，再将这V个OFDM符号变换到时域，可得： 

$x^{\left(v\right)}\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_n{B}_n^{\left(v\right)}\exp \left(j{w}_{n}t\right),v=\mathrm{1,2},\·\·\·,V$

其中X_n为频域数据。最后选择x^(v)中峰均功率比最小的一组发送。为了恢复数据，接收机必须知道实际使用的 

的相关信息，即边带信息。这里把边带信息和数据信息一起传输如图3，并且边带信息对接收端能否正确恢复出原始信息至关重要，因此我们需要对边带信息编码加以保护。 

假设有V=8，则边带信息有8种可能，则用3个数据位即可以传送边带，用线性分组码编码以后变成了六位，这种线性编码方式可以纠正一位错误，如表1所示。 

表1 

路数编号(v)	二进制表示	线性编码后
			1	000	000000
2	001	101001
			3	010	011010
4	011	110011
			5	100	110100
6	101	011101
			7	110	101110
8	111	000111

若一个OFDM符号中有N=128个数据，第65个位置为零频点，不能用来传送数据，第62，63，64，66，67，68个位置用来传边带信息，系统采用16QAM调制。边带信息采用一种接收端便于判断的映射方式，在线性编码后的六位二进制数据中将1映射成2+2j,0映射成-2-2j。这样更有利于接收端对边带信息的解调。 

图3中插入边带信息以前X^*(v),v=1,…V可以表示成 

其中7个位置包括边带位置和第65位为零。插入边带信息以后X^(v),v=1,…V可以表示成 

即每一路数据在进行IFFT之前就已经把自己的边带信息加入，在接收端只需要将接收的符号进行FFT变换并从62，63，64，66，67，68位置取出相应的数据即可得到边带信息，图5为这种方法PAPR的互补累积分布函数(CCDF)曲线，从图5中可以看出加边带与不加边带信息的PAPR基本重合，即这种方法不会引起PAPR的升高。 

PTS方法中边带的传输 

部分传送序列法(Partial Transmit Sequences,PTS)的基本思想是：如图2将输入的OFDM符号分割成V个互不重叠的子块，每个子块向量大小相等且子块中没有继承原OFDM符号相应位置的取值为0，子块用X^(v),其中v=1,…,V来表示。 

引入相位因子(或旋转因子)： 

其中， 

W为旋转因子的数量。 

由于子块互不重叠，所以用数学方法表示为：子块 

在子矢量X^(v)中的每一个载波都乘以相同的旋转因子 

不同子矢量的旋转因子统计独立，则利用IFFT的线性可得下式，具有最低峰值的时域矢量x_d被传输， 

$x_d=\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{R}_d^v\×\mathrm{IFFT}\left\{X^{\left(v\right)}\right\}.$

在接收端，接收机与SLM类似，需要知道使用了哪些旋转矢量，以便恢复接收数据，因此在发射端也需要传送边带信息。 

图4为带边带信息传送模块的PTS框图。对PTS取V=4，N=128，则每组有N/V=32个数据,采用16QAM调制旋转因子在{±1,±j}中选取。 

其中边带插入的位置根据设计的需求放在适当的位置，在这里因旋转因子的选取有四种可能，而对第一组一般都保持不变即旋转因子为1，所以只需要确定另外三组的旋转因子。如果将每组的中间两个位置用来传送边带信息，则X^(v),v=1,2,…,V有如下形式： 

在不考虑编码的情况下，需要6个数据位来传送边带信息，位置为48、49、80、81、112和113。将1映射成2+2j，0映射成-2-2j，则边带在频域的形式为： 

图6为以上用到的PTS方法的PAPR的CCDF曲线，从图中可以看出加入边带信息以后PAPR稍有升高，但不影响其性能。图7为该方法在高斯白噪声信道下与直接IFFT而不降峰均比处理的BER曲线，从图中可以看出这种方法的误码率曲线与直接IFFT后输出的效果非常接近。 

用ROM代替IFFT运算，这种方法只适应于边带信息比较少的情况，例如当边带信息的可选情况只有8种时可以用16个ROM分别存储边带信息IFFT以后的实部和虚部，通过比较知道边带信息的序号后，直接从对应的ROM中取数即可，而不需要再次进行IFFT运算。但在边带信息的可选情况比较多时这种方法因使用的ROM太多。 

Claims (3)

1.一种OFDM系统降峰均技术中SLM和PTS的边带信息传输方法，其特征是在OFDM系统的降峰均比过程中，

在发射端，数据进行逆傅立叶变换IFFT之前的频域数据分成数据符号和边带符号，在数据符号中将传送数据的位置存放数据，将传边带的位置置零，在边带符号中将数据位置置零，将边带位置存边带信息；

将数据符号和边带符号分别逆傅立叶变换IFFT以后，在时域相加得到最终的时域信息，实现数据信息和边带信息一起传输；

接收端对接收的数据傅立叶变换FFT后，从已知的边带位置即可提取边带信息；

边带信息和数据信息一起传输的具体步骤包括：

1）数据在进入降峰均比模块前，预留出传送边带信息的位置，即把存放边带信息的位置设置为零：

该数据符号的形式是[a₁,a₂,…a_l，0,0,…,0，a_m,…,a_i-1,a_i]，其中，a₁,a₂,…a_l和a_m,…,a_i-1,a_i是数据，0,0,…,0是预留的传送边带信息的位置；

2）通过比较得出边带信息后，对边带信息进行编码，将编码后的边带数据放在数据中传送边带信息的位置，并在原来存放数据的位置置零：

该边带信息符号的形式是[0,0,…,0，s₁,s₂,…,s_k，0,0,…,0]，其中，s₁,s₂,…,s_k是编码后的边带信息；

所述步骤1）和步骤2）中，边带的位置和数量根据系统的需要来设计；

在接收端，直接对接收数据进行傅立叶变换FFT后，从已知的边带位置即可提取边带信息；

对于SLM边带传输方法，

在发射端，数据X经串并转换后得到包含相同信息且相互独立的V个OFDM符号后，分别乘以相应的旋转因子；再插入编码后的边带信息，实现边带信息的传输；

然后对V个OFDM符号分别进行IFFT得到相应的时域信号x^(v)；

最后选择使时域信号x^(v)有最小PAPR的一组发送；

接收端对接收数据进行FFT即可从边带位置得到边带信息。

2.根据权利要求1所述的OFDM系统降峰均技术中SLM和PTS的边带信息传输方法，其特征是把边带信息和数据信息一起传输，对边带信息编码加以保护。

3.一种权利要求1所述的OFDM系统降峰均比中边带信息传输方法的PTS应用方法，其特征是在发射端，先把数据X进行串并转换和信号分割，得到V个互不重叠的子块；每个子块向量大小相等，且子块中没有继承原OFDM符号相应位置的取值为0；

把每个子块进行IFFT后分别乘以不同的旋转因子，实际中旋转因子一般从{±1,±j}中选取，且第一个子块不变即旋转因子为1，选择一组使各个子块加起来PAPR最小的一种组合数据作传输，其使用的一组旋转因子即为边带信息，可供选择的组合方式有4^V-1种，在不考滤边带编码的情况下需要log₂4^V-1比特来传送这些边带信息；将边带信息编码后组成权利要求2所述的边带符号形式，进行IFFT后与数据信息相加即实现边带信息与数据信息一起传输；接收端对接收数据进行FFT变换即可从已知的边带位置取出边带信息。

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