CN102497350B - 基于星座线性扩展的ofdm降峰均比方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可以极大的降低峰均比，对系统误码率影响小，无需传输边带信息，而且接收端无需任何变化，运算量低，硬件实现成本低的基于星座线性扩展的OFDM降峰均比方法，它包括：1)将待发送的二进制的数据信息映射到星座点；2)建立星座扩展降OFDM信号峰均比模型；3)训练星座比例因子k_i；4)利用训练好的星座比例因子k_i对星座点进行扩展变化，得到峰均比较低的星座映射，即将承载信息的频域复信号乘以比例因子进行IFFT运算，得到输出的时域复信号。

Description

基于星座线性扩展的OFDM降峰均比方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体来说，涉及一种基于星座线性扩展的OFDM降峰均比方法。

背景技术

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：OFDM）技术可以有效的抵抗多径效应和窄带干扰，同时具有很高的频谱利用率，因此它特别适用于无线环境下高速数据传输，已经被多种接入标准所采纳，例如数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、无线局域网标准IEEE802.11a/g、IEEE802.16和WIMAX等，但OFDM系统存在的一个主要的缺点是峰均比（PAPR）过高，这将要求系统的一些部件，如功放、A/D和D/A转换器等需要有很大的线性波动范围，给目前通信设备的小型化和低功耗的设计带来困难，这成为OFDM技术实用化的一大障碍，因而如何降低OFDM信号的峰均比成为目前OFDM系统应用的一项关键技术。

目前所存在的降峰均比技术主要分为三类：信号畸变技术、信号加扰技术和信号编码技术，信号畸变技术的基本思想是在信号送到放大器前，利用非线性处理，减小信号的峰值幅度，使其不超过放大器的动态变化范围，实现PAPR抑制，属于这类技术的方法有限幅法、压扩法、加窗法、预畸变和畸变补偿法等，其缺点在于会带来带外频谱泄漏和带内噪声，且降峰均比效果有限；信号加扰技术并不着眼于直接降低信号幅度最大值，而是利用不同的加扰序列对输入信息进行加权处理，打破多载波信号各子载波的相位一致性，以降低大峰值功率信号出现的概率来实现PAPR的抑制，具体的算法包括选择性映射（SLM）、部分传输序列（PTS）和相位优化法等，这类技术的主要缺点是系统复杂度高，以及引入的冗余大大降低了系统的效率；信号编码技术的基本思想是限制可用于传输的数据序列集合，只选择PAPR较小的码字传输，从而避开高PAPR的出现，其中Golay互补序列的PAPR值不超过3dB，但该方法仅适用于MPSK调制方式，且随着子载波数的增加，编码率会迅速下降，因而不适于子载波数较多的系统。

发明内容

针对以上的不足，本发明提供了一种大大降低了多载波信号的峰均比，且不会引入冗余，不会降低系统的误码性能，具有较低的计算复杂度的基于星座线性扩展的OFDM降峰均比方法，它包括：

1）将待发送的二进制的数据信息Xk映射到星座点c＝[X₁,X₂,X₃,...X_L]；

2）建立星座扩展降OFDM信号峰均比模型：

$x_n^{\′}=\frac{1}{\sqrt{L}}\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i{k}_i{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{in}}$

其中，x'_n为星座线性扩展后的OFDM时域信号，L为子载波个数，X_i为发送信号的星座点，ki为星座比例因子；

3）训练星座比例因子ki；

4）利用训练好的比例因子ki对星座点进行扩展变化，得到峰均比较低的星座映射 $\tilde{c}=[k_1{X}_1,k_2{X}_2,k_3{X}_3...k_L{X}_L].$

所述步骤3）包括：

31）设定降峰均比模块的参数t，星座扩展消减参数t=round(L/100)，round(x)表示取大于等于x的最小的整数；

32）设定星座比例因子ki的初始值为1，h≤k_i≤u，其最大迭代次数λ_max；

33）将承载信息的频域复信号乘以比例因子X_i·k_i(i＝1,2,..L)进行IFFT运算，得到时域复信号，记为x_i(i＝1,2,...L)，初始化迭代次数λ＝1；

34）取出x_i(i＝1,2,...L)中幅度值最大的t个值，记为

35）对每一个进行如下操作：

a）计算的相位为其反相位记为ω_q＝mod(θ+π,2π)，其中mod(x,y)表示x对y求模运算；

b）求出的相位β_i，取出β_i中在[θ_q-π/6,θ_q+π/6]范围内的部分{β_c}，可能有多个或者无，分别减小其对应的比例因子k_c＝k_c·0.9，取出β_i中在[ω_q-π/6,ω_q+π/6]范围内的{β_d}，可能有多个或者无，分别放大其对应的比例因子k_d＝k_d·1.1；

c）对比例因子进行限制幅度处理 $k_i=\left\{\begin{array}{cc}{k}_i& h\&le;k_i\&le;u\\ h& k_i<h\\ u& k_i>u\end{array}\right.;$

36）令λ＝λ+1，重复步骤34）和步骤35），直到达到最大迭代次数λ＝λ_max。

所述h取值范围为0.5到1，u的取值范围为1到1.5之间。

所述步骤4）具体为：将承载信息的频域复信号乘以比例因子X_i·k_i(i＝1,2,..L)进行IFFT运算，得到时域复信号，记为x_i(i＝1,2,...3)，此时的x_i(i＝1,2,...L)即最终输出信号。

本发明的有益效果为：本发明的基于星座线性扩展的OFDM降峰均比方法根据不同幅度位置的信号采用动态的星座变化因子进行处理，可以极大的降低峰均比，对系统误码率影响小，无需传输边带信息，而且接收端无需任何变化，运算量低，硬件实现成本低。

附图说明

图1为本发明降峰均比方法的方法流程图；

图2为本发明降峰均比前后信号时域波形对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步阐述。

如图1所示，本发明的基于星座线性扩展的OFDM降峰均比方法首先将二进制的序列映射到星座点（通常有BPSK、QPSK和QAM等），然后经过IFFT变换为时域信号，称之为OFDM符号，对于包含L个子载波的OFDM系统来说，经过IFFT计算得到的功率归一化的复基带信号：

$x_n^{\&prime;}=\frac{1}{\sqrt{L}}\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{X}_i{k}_i{e}^{j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\mathrm{in}}$

其中X_k表示第K个子载波上的调制符号。对于QPSK来说X_k={1+i,1-i,-1+i,-1-i}。

峰值和平均功率之比即峰均比（PAPR）定义为：

$\mathrm{PAPR}\left(\mathrm{dB}\right)=10\mathrm{lo}{g}_{10}\frac{\max \left\{{\left|x_n\right|}^2\right\}}{E\left\{{\left|x_n\right|}^2\right\}}$

由于峰值出现的概率极小，实际中通常采用CCDF（互补概率分布函数）来衡量信号峰均比大小，CCDF定义为峰均比大于某个门限值的概率。

降峰均比技术的目标就是通过特定的方法来对OFDM信号进行变换，从而达到信号最终峰均比的降低，同时采取的降峰均比方法必须对系统的其他性能影响较小。

传统的加扰技术，例如选择性映射、部分传输序列和相位优化法等，通过改变子载波星座映射的相位来减小同相信号的叠加，需要发送边带信息，在接收端根据收到的边带信息做相应的反变换来还原原始数据，这样牺牲了部分发送带宽。本设计提出的星座线性扩展方法，使星座映射的相位保持不变，通过改变星座映射的幅度，降低与峰值同相的子载波的映射幅度，而增加与峰值反向的子载波的幅度，来达到降峰均比的效果。对于QPSK调制模式，除导频外的每一映射点都乘上一个幅度因子。而对16QAM调制模式，为了保证星座点间的最小距离不减少，映射在内侧的四个点不做幅度变换。

下面对本发明的各步骤进行详细的说明：

1、将待发送的二进制的数据信息映射到星座点c＝[X₁,X₂,X₃,...X_L]。

2、建立星座扩展降OFDM信号峰均比模型：

$x_n^{\&prime;}=\frac{1}{\sqrt{L}}\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{X}_i{k}_i{e}^{j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\mathrm{in}}$

其中，x'_n为星座线性扩展后的OFDM时域信号，L为子载波个数，X_i为发送信号的星座点，ki为星座比例因子，所述h取值范围为0.5到1，u的取值范围为1到1.5之间。

3、训练星座比例因子ki：

31）设定降峰均比模块的参数t，星座扩展消减参数t=round(L/100)，round(x)表示取大于等于x的最小的整数；

32）设定星座比例因子ki的初始值为1，h≤k_i≤u，其最大迭代次数λ_max；

33）将承载信息的频域复信号乘以比例因子X_i·k_i(i＝1,2,..L)进行IFFT运算，得到时域复信号，记为x_i(i＝1,2,...L)，初始化迭代次数λ＝1；

34）取出x_i(i＝1,2,...L)中幅度值最大的t个值，记为

35）对每一个进行如下操作：

a）计算的相位为其反相位记为ω_q＝mod(θ+π,2π)，其中mod(x,y)表示x对y求模运算；

b）求出的相位β_i，取出β_i中在[θ_q-π/6,θ_q+π/6]范围内的部分{β_c}，可能有多个或者无，分别减小其对应的比例因子k_c＝k_c·0.9，取出β_i中在[ω_q-π/6,ω_q+π/6]范围内的{β_d}，可能有多个或者无，分别放大其对应的比例因子k_d＝k_d·1.1；

c）对比例因子进行限制幅度处理 $k_i=\left\{\begin{array}{cc}{k}_i& h\&le;k_i\&le;u\\ h& k_i<h\\ u& k_i>u\end{array}\right.;$

36）令λ＝λ+1，重复步骤34）和步骤35），直到达到最大迭代次数λ＝λ_max。

4、利用训练好的比例因子ki对星座点进行扩展变化，得到峰均比较低的星座映射具体为：具体为：将承载信息的频域复信号乘以比例因子X_i·k_i(i＝1,2,..L)进行IFFT运算，得到时域复信号，记为x_i(i＝1,2,...L)，此时的x_i(i＝1,2,...L)即最终输出信号。

图2是本发明降峰均比的效果图，可直观看出本方法有效降低了OFDM信号的PAPR值，该仿真验证了本发明具有改善PAPR的作用，且无需发送编带信息，复杂度很低。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (2)

1.一种基于星座线性扩展的OFDM降峰均比方法，其特征在于，它包括：

1）将待发送的二进制的数据信息X_k映射到星座点c＝[X₁,X₂,X₃,...X_L]；

2）建立星座扩展降OFDM信号峰均比模型：

$X_n^{\&prime;}=\frac{1}{\sqrt{L}}\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{X}_i{k}_i{e}^{j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\mathrm{in}}$

其中，x'_n为星座线性扩展后的OFDM时域信号，L为子载波个数，X_i为发送信号的星座点，ki为星座比例因子；

3）训练星座比例因子ki；

4）利用训练好的比例因子ki对星座点进行扩展变化，得到峰均比较低的星座映射 $\tilde{c}=[k_1{X}_1,k_2{X}_2,k_3{X}_3...k_L{X}_L];$ 其中：

所述步骤3）包括：

31）设定降峰均比模块的参数t，星座扩展消减参数t=round(L/100)，round(x)表示取大于等于x的最小的整数；

32）设定星座比例因子ki的初始值为1，h≤k_i≤u，其最大迭代次数λ_max，其中所述h取值范围为0.5到1，u的取值范围为1到1.5之间；

33）将承载信息的频域复信号乘以比例因子X_i·k_i(i＝1,2,..L)进行IFFT运算，得到时域复信号，记为x_i(i＝1,2,...L)，初始化迭代次数λ＝1；

34）取出x_i(i＝1,2,...L)中幅度值最大的t个值，记为

35）对每一个进行如下操作：

a）计算的相位为其反相位记为ω_q＝mod(θ+π,2π)，其中mod(x,y)表示x对y求模运算；

b）求出的相位β_i，取出β_i中在[θ_q-π/6,θ_q+π/6]范围内的部分{β_c}，可能有多个或者无，分别减小其对应的比例因子k_c＝k_c·0.9，取出β_i中在[ω_q-π/6,ω_q+π/6]范围内的{β_d}，可能有多个或者无，分别放大其对应的比例因子k_d＝k_d·1.1；

c）对比例因子进行限制幅度处理 $k_i=\left\{\begin{array}{cc}{k}_i& h\&le;k_i\&le;u\\ h& k_i<h\\ u& k_i>u\end{array}\right.;$

36）令λ＝λ+1，重复步骤34）和步骤35），直到达到最大迭代次数λ＝λ_max。

2.根据权利要求1所述的基于星座线性扩展的OFDM降峰均比方法，其特征在于，所述步骤4）具体为：将承载信息的频域复信号乘以比例因子X_i·k_i(i＝1,2,..L)进行IFFT运算，得到时域复信号，记为x_i(i＝1,2,...L)，此时的x_i(i＝1,2,...L)即最终输出信号。