CN102111373A - 峰均比抑制方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种无线通信技术领域的峰均比抑制方法及其装置，该方法用于解决实际的无线通信系统中没有空余子载波用于降低峰均比的问题，并且有效降低了方法实现的复杂程度。该方法实现简便，并且只需要较少的迭代次数就可以获得很好的峰值平均功率比抑制效果。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种无线通信技术领域的方法及装置，具体是一种峰均比抑制方法及其装置。
背景技术
正交频分复用是一种多载波传输技术，它把高速的数据流通过串并变化分配到速率相对较低的若干个正交子信道中进行传输，具有高效的频谱利用率、很强的抗多径衰落的能力而被认为是第四代移动通信4G的核心技术之一。
但OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术有一个很严重的缺陷是有很高的峰均功率比，这是由于与单载波系统相比，由于OFDM符号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加得到的，合成的信号就有可能产生比较大的峰值功率，带来较大的峰均功率比。
较高的PAPR(Peak to Average Power Ratio，峰值平均功率比)对功率放大器提出了很高的要求：当功率放大器的线性动态范围小于信号峰值的话，非线性失真会导致带内噪声和带外的频谱扩展，带内噪声会导致系统的误码率增大，而频谱扩展则会导致相邻信道间的干扰。
目前PAPR降低方法主要有：限幅类技术，包括直接限幅、峰值加窗、峰值抵消等。编码类技术，包括互补Golay序列、SOPC(Simple Odd Parity Code)等。概率类技术，包括选择性映射技术、部分传输序列技术、星座图扩展技术等。
经对现有文献检索发现，M.Wang等人在2008年《AUSTRALIAN COMMUNICATIONSTHEORY WORKSHOP(澳大利亚通信理论研究会)》的第113页到第118页发表了题为“Acomplex-baseband active-set approach for tone reservation PAR reduction in OFDM systems(使用复基带子频带集的音带保留方法来降低OFDM系统中峰均功率比)”的文章。该文章提出了基于FFT/IFFT(快速傅里叶变换/逆快速傅里叶变换)的预留子载波方法，但是此基本方法在迭代过程中需要多次FFT和IFFT，复杂度较高，不易应用。
经检索还发现，在中国专利文献号CN 101035105，发明名称为“基于IFFT/FFT的预留子载波降低OFDM系统峰均功率比的方法和装置”的中国专利中提出了利用子载波保留方法来进行峰均比处理的方法，但是该方法和现有基于子载波保留方法的技术一样，都假设，信道中存在一些预留子频带用于降低PAPR。但是在大部分实际的OFDM无线通信系统(如DVB-T/H、WLAN、Wimax和LTE等)中并没有这样的预留子载波。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种峰均比抑制方法及其装置，用于解决实际的无线通信系统中没有空余子载波用于降低峰均比的问题并且有效降低了方法实现的复杂程度。该方法实现简便，并且只需要较少的迭代次数就可以获得很好的PAPR抑制效果。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种峰均比抑制方法，包括以下步骤：
步骤一，频域调整子载波选择单元，在OFDM系统的数据子载波中随机选取若干个数据子载波作为备选子载波用于迭代降低峰值平均功率比；
所述的备选子载波的个数为迭代门限值的个数，且所有数据子载波互不相同。
所述的迭代是指：每一个OFDM系统的符号进行IFFT变换后得到时域传输序列x(0)，该时域序列存在峰值平均功率比过高的问题，系统采用迭代的方式降低峰值平均功率比直到该次迭代后时域传输序列x(I)的峰值平均功率比达到系统峰值平均功率比的目标值，或迭代次数已经达到系统设置的门限值。
所述的迭代次数门限值是指：系统预先设置的值，当信号进行峰值平均功率比迭代处理的次数低于该门限值时，系统的复杂度符合系统的设计要求。
所述的系统峰值平均功率比的目标值是指：系统预先设置的值，当信号的峰值平均功率比在该门限以下时，由于信号峰值平均功率比过高而产生的干扰符合系统的设计要求。
步骤二，判断数据是否进行过降低峰值平均功率比的处理，当有迭代处理过则进行步骤三，否则令x(1)＝x(0)，进行步骤五。
所述的判断数据是否进行过降低峰值平均功率比的处理的方法是：当数据初次进行IFFT，并未进行降低峰值平均功率比迭代处理时设置迭代次数记录变量I＝0，以后每次迭代后令I＝I+1：当I＝0，表示没有进行过降低峰值平均功率比处理。
步骤三，在上一次迭代的I-1个调整子载波(若I＝1则其为空)中加入一个来自于备选子载波序列的子载波，成为本次迭代的调整子载波序列(共I个)，在时域序列x(I-1)中找出幅值最大的I个点
记录其幅值及坐标，其中n1，n2，...，nI为选取的最大点的坐标。获取当前时域序列的剪切方向p(I)以及剪切步长μ(I)。
所述的剪切方向p(I)通过以下方式得到：通过将当前的调整子载波对应的时域序列与加权系数加权后得到，该加权系数为：
pi(nj)为选取的第i个调整子载波的时域变换在坐标nj处的值。
所述的剪切步长μ(I)通过以下方式得到：根据剪切步长的公式
对坐标n1，n2，...，nI分别计算步长
最后μ(I)为以上求的
中最小的一个，其中：x(I)为本次迭代的时域序列，
为使上式成立的步长，该步长使得坐标i处的幅值与幅值最大坐标处的幅值剪切后相等，p(I)(i)为剪切方向在坐标i处的值。
步骤四，由公式x(I+1)＝x(I)+μ(I)*p(I)得到本次迭代后的时域值。
步骤五，从当前时域序列中求出最大功率值和平均功率值，将最大功率值除以平均功率值得到当前信号的峰值平均功率比，并将峰值平均功率比与系统峰值平均功率比的目标值相比较，当未达到要求且迭代次数I未达到迭代次数门限值则迭代次数I＝I+1，回到步骤三。否则结束循环，当前时域序列即为最后输出的序列。
所述的当前时域序列是指：本次迭代处理后的时域序列x(I+1)。
所述的达到要求是指：当前信号的峰值平均功率比小于等于系统峰值平均功率比的目标值。
本发明涉及一种峰均比抑制装置，包括：迭代控制单元、时域最大点选择单元、频域调整子载波选择单元和削峰单元，其中：
迭代控制单元：判断输入的时域信号是否达到峰均比要求，判断迭代次数是否达到迭代次数的门限值，当两个判断的结果都是否，则继续迭代以降低峰均比，否则把现有时域序列作为结果输出，且将IFFT变换单元的信号作为下一个待处理的时域序列进行降低峰均比的迭代处理，将迭代次数标志量I置零。
时域最大点选择单元：从输入的时域序列中选择最大的I个值，记录幅值和相位信息。
频域调整子载波选择单元：在备选子载波中选择迭代次数I个子载波用于迭代降低PAPR。
削峰单元：根据时域最大I个值选择单元、频域I个调整子载波选择单元和迭代控制单元的信息产生时域削峰序列，得到削峰后的时域序列。
本发明和现有技术方法相比有以下优点：
使用的调整子载波为数据子载波，可以在现有的无线通信系统标准中应用。
每次迭代使用调整子载波数加一，实验表明，在较少的迭代次数下PAPR即可满足要求，因此实际使用的数据子载波数较少。
本发明计算剪切向量时采用频域调整子载波对应时域向量加权的方法，加权系数为复数，减少了FFT和IFFT次数，进而降低了方法的复杂度。
附图说明
图1为本发明降低峰均比的方法流程图。
图2为本发明降低峰均比装置的结构示意图。
图3为本发明削峰单元装置结构图。
图4为本发明有效降低峰均比的仿真结果图。
图5为本发明有效降低迭代次数的仿真结果图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括以下步骤：
步骤101，数据分配，在N个数据子载波的位置都放置进行过星座映射后的正常信息数据X；并选择迭代门限Interaction个数据子载波作为备选子载波，这些子载波组成备选子载波序列CarrierLocation。
该步骤中，备选子载波的选取方式为随机选取Interaction个不重复的数据子载波，这些备选子载波可能没有都用到，这样只有较少的备选子载波上的数据发生了改变。
步骤102，对X进行IFFT变换，实现OFDM调制，得到时域数据x(0)；置迭代次数I＝O。
步骤103，判断I＞0是否成立，若成立代表进行过迭代处理转步骤104，否则转步骤108；
步骤104，选出时域信号中最大的I个值的角度的负值组成向量b(I)。在备选子载波序列CarrierLocation中选择第1到I个为本次迭代使用的调整子载波，其时域序列组成矩阵D(I)。
该步骤中
表示在本次迭代中取的最大的I个值从大到小排列组成的序列，ni表示其在原时域序列中的坐标。
其中，
其中arg表示取相角。
其中，
为选取的第i个调整子载波的时域变换在坐标nj处的值。
步骤105，由D(I)和b(I)得到每个调整子载波系数组成的向量β(I)＝b(I)*(D(I))-1及剪切方向
其中pj＝(pj(n1)，pj(n2)，…，pj(nI))T。
步骤106，由p(I)和x(I)得到本次的剪切步长μ(I)。
确定μ(I)的步骤又分为以下几个步骤：
一、确定一个初始的
使得坐标集B(I)的元素个数在合理的范围内。搜索x(I)的模值记录最大值r(I)，置
计算
搜索
将
中模值大于r(I+1)的坐标记录在B(I)中：当B(I)为空集则令若B(I)元素数量过大(本测试例中有2048个子载波，则设100为门限)则令再重复本步骤直到B(I)的元素数量合适(本测试例中为1～100)。
二、对B(I)中的每一个元素b，计算公式求出
三、由公式得最终的步长
步骤107，由公式x(I+1)＝x(I)+μ(I)*p(I)得到本次迭代后的时域值x(I+1)。
步骤108，判断x(I+1)的PAPR是否满足要求，若满足要求则将x(I+1)作为最终的输出，结束循环。否则，转步骤109。
该步骤中计算PAPR的方法为，先计算(x(I)(i))20≤i≤N-1中最大值，再计算(x(I)(i))20≤i≤N-1的平均值，PAPR即为最大值和平均值的比值。
步骤109，判断迭代次数I是否已经达到设定的门限值，若已达到门限值则将x(I+1)作为最终的输出，结束循环。否则，转步骤110。
步骤110，令I＝I+1，回到步骤103。
当分别采用本实施例技术和对比文献“A Complex-Baseband Active-Set Approach for ToneReservation PAR Reduction in OFDM System”的技术进行处理得到的PAPR如图4所示，由该图可以知道在相同的信息符号的条件下，采用相同的迭代次数本实施例的PAPR更为降低，由于本实施例可应用性较强且复杂度低，综合性能有较大的提升。当设置系统的门限值为7dB至8dB时，本装置需要的迭代次数累积积分曲线如图5所示，其中横轴代表迭代次数，纵轴代表超过该迭代次数的概率，由图可知仅需要较少的迭代次数即可达到峰均比的要求。
Claims (8)
1.一种峰均比抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，频域调整子载波选择单元，在OFDM系统的数据子载波中随机选取若干个数据子载波作为备选子载波用于迭代降低峰值平均功率比；
步骤二，判断数据是否进行过降低峰值平均功率比的处理，当有迭代处理过则进行步骤三，否则进行步骤五；
步骤三，在上一次迭代的I-1个调整子载波中加入一个来自于备选子载波序列的子载波，当I＝1则其为空，作为本次迭代的调整子载波序列共I个，在时域序列x(I-1)中找出幅值最大的I个点
记录其幅值及坐标，其中n1，n2，...，nI为选取的最大点的坐标，获取当前时域序列的剪切方向p(I)以及剪切步长μ(I)；
步骤四，由公式x(I+1)＝x(I)+μ(I)*p(I)得到本次迭代后的时域值；
步骤五，从当前时域序列中求出最大功率值和平均功率值，将最大功率值除以平均功率值得到当前信号的峰值平均功率比，并将峰值平均功率比与系统峰值平均功率比的目标值相比较，当未达到要求且迭代次数I未达到迭代次数门限值则迭代次数I＝I+1，回到步骤三，否则结束循环，当前时域序列即为最后输出的序列。
2.根据权利要求1所述的峰均比抑制方法，其特征是，所述的迭代是指：每一个OFDM系统的符号进行IFFT变换后得到时域传输序列x(0)，该时域序列存在峰值平均功率比过高的问题，系统采用迭代的方式降低峰值平均功率比直到该次迭代后时域传输序列x(I)的峰值平均功率比达到系统峰值平均功率比的目标值，或迭代次数已经达到系统设置的上限。
3.根据权利要求1或2所述的峰均比抑制方法，其特征是，所述的系统峰值平均功率比的目标值是指：系统预先设置的值，当信号的峰值平均功率比在该门限以下时，由于信号峰值平均功率比过高而产生的干扰符合系统的设计要求。
4.根据权利要求1所述的峰均比抑制方法，其特征是，所述的判断数据是否进行过降低峰值平均功率比的处理的方法是：当数据初次进行IFFT，并未进行降低峰值平均功率比迭代处理时设置迭代次数记录变量I＝0，以后每次迭代后令I＝I+1，当I＝0，表示没有进行过降低峰值平均功率比处理。
5.根据权利要求1所述的峰均比抑制方法，其特征是，所述的剪切方向p(I)通过以下方式得到：通过将当前的调整子载波对应的时域序列与加权系数加权后得到，该加权系数为：
pi(nj)为选取的第i个调整子载波的时域变换在坐标nj处的值。
6.根据权利要求1所述的峰均比抑制方法，其特征是，所述的剪切步长μ(I)通过以下方式得到：根据剪切步长的公式
对坐标n1，n2，...，nI分别计算步长
最后μ(I)为以上求的
中最小的一个，其中：x(I)为本次迭代的时域序列，
为使上式成立的步长，该步长使得坐标i处的幅值与幅值最大坐标处的幅值剪切后相等，p(I)(i)为剪切方向在坐标i处的值。
7.根据权利要求1所述的峰均比抑制方法，其特征是，所述的当前时域序列是指：本次迭代处理后的时域序列x(I+1)。
8.一种根据上述任一权利要求所述方法的峰均比抑制装置，其特征在于，包括：迭代控制单元、时域最大点选择单元、频域调整子载波选择单元和削峰单元，其中：
迭代控制单元：判断输入的时域信号是否达到峰均比要求，判断迭代次数是否达到迭代次数的门限值，当两个判断的结果都是否，则继续迭代以降低峰均比，否则把现有时域序列作为结果输出，且将IFFT变换单元的信号作为下一个待处理的时域序列进行降低峰均比的迭代处理，将迭代次数标志量I置零；
时域最大点选择单元：从输入的时域序列中选择最大的I个值，记录幅值和相位信息；
频域调整子载波选择单元：在备选子载波中选择迭代次数I个子载波用于迭代降低峰值平均功率比；
削峰单元：根据时域最大I个值选择单元、频域I个调整子载波选择单元和迭代控制单元的信息产生时域削峰序列，得到削峰后的时域序列。
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