CN102624671A - 一种降低lte系统下行信号峰均功率比的方法以及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种降低LTE系统下行信号峰均功率比的方法，其过程为：初始化；生成时域降峰核kernel——根据系统保护带宽中已分配的频域预留子载波的位置和个数N，通过IFFT(快速傅立叶逆变换)对应生成N点时域降峰核kernel；得到原始时域信号；判决处理过程；得到与其信号样点对应的时域对消信号p_core_peak(k)；得到总的对消信号p_core_sum；得到一次降峰后的输出判断是否到达最大迭代次数。本发明的一种降低LTE系统下行信号峰均功率比装置，包括有信号依次传递的IFFT模块、时域降峰核生成模块、预判断模块、寻峰处理模块、降峰信号产生模块、总降峰信号产生模块、峰值对消单元。采用本发明方法以及装置，可以在不影响通信系统容量损失的情况下，改善高PAPR对通信系统性能造成的不良影响。

Description

一种降低LTE系统下行信号峰均功率比的方法以及装置

技术领域

本发明涉及到无线通信系统，更具体地是一种降低移动通信长期演进系统(以下简称LTE)中下行信号峰均功率比的方法及其装置，以改善和提高通信系统的性能，本发明属于通信领域。

背景技术

LTE(Long Term Evolution)下行采用正交频分复用技术OFDM(OFDM：OrthogonalFrequency Division Multiplexing)作为多址接入技术，在提高频谱利用率的同时引入了较高的峰均功率比PAPR(Peak to Average Power Ratio)问题。PAPR定义如下：

$\mathrm{PAPR}\left(x\right)=10\lg \left(\frac{\max \left\{{x|}^2\right\}}{E\left\{{x|}^2\right\}}\right)$

过高的峰均功率比对LTE系统发射机功率放大器的线性动态范围要求很高，当LTE系统内这种变化较大的信号通过非线性器件时信号可能会产生非线性失真，产生谐波，造成较明显的频谱扩展干扰以及信号畸变，导致整个系统性能的下降。为避免非线性失真，要求系统采用大动态范围的线性放大器，或者对非线性放大器工作点进行补偿，但这样使功率放大器的效率大大降低，增大发射机的成本，因此需要降低LTE系统信号的峰均功率比。

传统的降低PAPR方法可以概括为以下几类：信号畸变方法、编码类方法和概率类方法，但是各类方法均有各自的优缺点。在保证下行发射信号质量不恶化太严重的条件下，LTE实际系统中多采用概率类方法来降低下行发射信号的PAPR，以满足下行接收性能要求和功率放大器的设计指标。子载波保留(Tone Reservation，TR)方法是一种有效的概率类方法，具体的，假设OFDM系统的子载波数为N，选择其中的M个子载波作为预留子载波作为降峰向量

其余的N-M个子载波作为数据子载波

在数据子载波上放置将要发送的数据符号，在预留的子载波上产生降低峰值的信号，然后将其叠加到数据子载波对应的时域信号上，以达到降低发射信号峰均功率比的目的。

在TR算法中，其原理参见图1，发射端和接收端需要知道哪些子载波是被保留下来的，这些子载波不用于传输数据。通过把降峰信号约束在预留的子载波上，数据向量

和降峰向量

很容易区分开。它们在频域上是相互独立的，有

$X_k^m{C}_k^m=0$

令R^c+R＝N，R^c表示预留子载波集合，R为R^c的补集，N表示LTE系统的IFFT点数，满足下式

$X_k^m+C_k^m=\left\{\begin{array}{cc}{C}_k^m& k\∈R^c\\ X_k^m& k\∈R\end{array}\right.$

具体而言，在R^c个预留的子载波上安排适当的数据，使得其时域信号恰好能够抑制原来的OFDM符号的峰值，也就是说原来OFDM符号峰值处的幅度恰好该峰值点信号的幅度与门限值的差，相位正好相反。

假设OFDM信号时域采样点为x＝[x₀，x₁，...x_N-1]，峰值抵消信号为c＝[c₀，c₁，...c_N-1]，则OFDM调制后叠加产生新的时域信号表示为

T_new＝x+c＝Q(X+C)

其中，x，c分别表示频域信号X，C进行过离散傅里叶变换IFFT运算后的时域信号，Q是离散傅里叶变换IFFT的数学描述。

从PAPR的定义有

$\mathrm{PAPR}\left(x\right)=10\lg \left(\frac{\max \left\{{x|}^2\right\}}{E\left\{{x|}^2\right\}}\right)$

因此，对于采用子载波预留算法的OFDM系统，其对应的PAPR表示为

$\mathrm{PAPR}\left(T_{\mathrm{new}}\right)=10\lg \left(\frac{\max \left\{{\left(T_{\mathrm{new}}\right)}^2\right\}}{E\left\{{\left(T_{\mathrm{new}}\right)}^2\right\}}\right)=10\lg \left(\frac{\max \left\{{|x+c|}^2\right\}}{E\left\{{|x+c|}^2\right\}}\right)$

$=10\lg \left(\frac{\max \left\{{\left|Q(X+C)\right|}^2\right\}}{E\left\{{|x+c|}^2\right\}}\right)$

TR算法降低PAPR的过程就是通过选取信号C使得

最小。

在LTE系统中，下行控制信道占用一个子帧内前1～3个符号全部频带资源，下行控制信道以及下行参考信号的分配资源是随时间变化的，利用传统的TR方法，选取OFDM符号N点频域资源内一些固定的子载波作为预留资源进行峰值抵消是很困难的，而发射端动态选择预留子载波资源的方法又会增加额外的信令的开销和实现复杂度，因此传统TR方法并不适用于实际的LTE系统下行处理。另一方面，传统带内TR方法因为部分子载波不能用于数据的传输，采用传统带内TR方法降低信号峰均功率比会导致通信系统容量的损失。

发明内容

本发明克服现有技术存在的技术问题，本发明的目的之一是提供一种降低LTE系统峰均功率比的方法，以改善高PAPR对通信系统性能造成的不良影响。其目的之二是提供一种能够根据实际通信环境和指标自动调节降低峰功均率比的装置；

本发明所采用的技术方案是：

一种降低LTE系统下行信号峰均功率比的方法，其特征在于包括有下述步骤：步骤一，初始化——根据LTE系统的要求及技术指标，设定保护带宽中用于预留子载波的数目及位置，同时确定相应的低通滤波器的参数；确定最大迭代次数，并且确定可以接受的PAPR门限值；步骤二，生成时域降峰核kernel——根据已分配的频域预留子载波的位置和个数N，通过IFFT(快速傅立叶逆变换)对应生成N点时域降峰核kernel；步骤三，得到原始时域信号x(n)——对LTE系统下行资源映射后的一个符号数据，共N点频域信号X(n)通过IFFT变化得到原始时域信号x(n)，其中n＝0，1，…N-1；步骤四，判决处理过程——对步骤三得到的x(n)逐一进行求幅值运算并与步骤一所确定的PAPR门限值比较，对大于PAPR门限值的时域样点，确定其信号样点的峰值位置pos_peak(k)以及计算对应的相位

步骤五，得到与其信号样点对应的时域对消信号p_core_peak(k)——将步骤四确定的每个峰值位置pos_peak(k)及对应的相位

同步骤二确定的时域降峰核kernel进行循环移位得到对应的对消信号，对对消信号进行幅度和相位调整，得到与其信号样点对应的时域对消信号p_core_peak(k)；即 $p\_{\mathrm{core}}_{\mathrm{peak}}\left(k\right)=\left(\right|x_{{\mathrm{pos}}_{\mathrm{peak}}}|-\mathrm{threshold})*\mathrm{angle}\left(x_{{\mathrm{pos}}_{\mathrm{peak}}}\right)*\mathrm{circshift}(\mathrm{kernel},{\mathrm{pos}}_{\mathrm{peak}});$ 步骤六，得到总的对消信号p_core_sum——将步骤五得到的所有时域对消信号进行累加合并，获得所有峰值点的总的对消信号，即：p_core_sum＝∑p_core_peak(k)；步骤七，得到一次降峰后的输出——将原始时域信号x(n)与步骤六中得到的总的对消信号合并，得到一次降峰后的输出

即：

步骤八，判断是否到达最大迭代次数——如果迭代次数已到则迭代结束；如果迭代次数未到，则修改迭代门限后重复步骤四至本步骤直至到达最大迭代次数，完成降低信号峰均功率比。

LTE系统设定的最大迭代次数为2次。

一种降低LTE系统下行信号峰均功率比的装置，包括有信号依次传递的IFFT模块、时域降峰核生成模块、预判断模块、寻峰处理模块、降峰信号产生模块、总降峰信号产生模块、峰值对消单元，其中：IFFT模块包括时域信号数据模值计算单元，其输入端连通由LTE系统协议产生的下行资源映射后的频域信号；时域降峰核生成模块包括预留载波集选择与存储单元、时域降峰核计算与存储单元；预判断模块包括PAPR门限值选择和存储单元、时域信号数据的模值数据的幅值计算单元、时域信号数据的模值数据幅值与PAPR门限值的比较单元、大于PAPR门限值的时域信号数据的模值数据幅值输出单元，其输入端连通IFFT单元中各点时域信号数据的模值数据；寻峰处理模块包括对大于PAPR门限值的时域信号数据的模值数据幅值进行峰值幅度、峰值相位及其位置进行计算的计算单元，其输入端连通预判断单元中大于PAPR门限值的时域信号数据的模值数据幅值输出单元；降峰信号产生模块包括对大于PAPR门限值的时域信号数据的模值数据幅值进行峰值幅度、峰值相位及其位置与其点相对应的时域降峰核进行循环移位的对消信号产生与存储单元，其输入端分别与寻峰处理单元的输出端和时域降峰核生成模块中的时域降峰核计算与存储单元相连通；总降峰信号产生模块包括对各点对消信号进行累加计算的总的对消信号产生单元，其输入端与降峰信号产生模块相连通；峰值对消模块，包括对输入IFFT模块进行处理的时域信号数据与总的对消信号数据进行合并的处理单元，其输入端分别连通下行发射端N点IFFT后数据中一个符号的时域信号数据和总降峰信号产生模块。

本发明具有如下优点：

1、采用本发明方法，可以在不影响通信系统容量损失的情况下，改善高PAPR对通信系统性能造成的不良影响；

附图说明

图1是TR算法原理描述图；

图2是采用本发明方法进行降低峰均功率比的装置结构图；

图3是采用本发明的系统传输带宽和信道带宽间的关系；

图4是采用本发明选择预留子载波的结构图；

图5是实现本发明降低信号峰均功率比的工作流程图。

其中：

A：信道带宽；            B：系统传输带宽；

C：保护带宽；            D：信道边缘；

E：资源块；              F：所用的预留子载波；

具体实施方式

下面结合附图并结合实例对本发明的具体实施方式做详细说明。

本发明LTE系统中的信道带宽、系统传输带宽和保护频带之间的关系如下图3所示，以FDD-LTE 20M系统为例进行举例说明，信道带宽A为20M，系统传输带宽B为18M，系统传输带宽中包含有资源块E。为了防止本系统信道带宽内的信号泄露到相邻信道，对其它系统造成干扰，实际可以使用的系统传输带宽比分配的信道宽度略窄，两侧均和信道的边缘有一定的距离，以留出保护频带，即保护带宽C，保护带宽C一侧为信道边缘D。采用这个保护频带可用来形成低通滤波器的滚降。FDD-LTE 20M系统中，将信道带宽左右相邻的各1M频带内的子载波作为保护带宽C。考虑到本文背景技术介绍的传统TR方法不适用于LTE系统，本发明所使用的预留子载波来自于系统保护带宽，按照LTE系统每子载波15KHz，则系统传输带宽最多共有132个，即左右各66个子载波资源可用于形成预留子载波。这部分带宽属于保护带宽，因此不会对协议规定的下行资源映射方案产生任何影响，不会增加额外的信令的开销和实现复杂度，同时在保护带宽中预留子载波不占用用于数据传输的系统传输信道，不会导致通信系统容量的损失。

这里需要指出的是，利用保护频带内子载波资源，原理上会对系统下行低通滤波器的设计带来一些影响，但是，合理地调整低通滤波器的系数，同时控制预留子载波信号的功率，可以确保本方案满足协议规定的射频指标。具体的，以FDD-LTE 20M为例，未采用本发明的LTE下行系统中，总信道带宽20M，系统传输带宽18M，将信道带宽左右相邻的各1M频带内的子载波作为保护带宽，设计低通滤波器的系数时可以认为通带为9M，阻带为10M，过渡带则为[9，10]M；而采用本发明的LTE下行系统，设计低通滤波器阻带仍采用为10M，而需要考虑增加所使用的预留子载波如图4所示，在保护带宽C中选择预留载波集，确定所用的预留子载波F的数目及位置。通常选择传输信道相邻子载波，使得在设计低通滤波器时需要设置参数使得通带超过9M，而过渡带范围则相应的有一定的变小。

本发明提出了一种降低LTE下行信号峰均功率比的方法，目的在于利用LTE系统保护带宽生成降峰信号，实现低复杂度情况下快速降低LTE系统的峰均功率比。本发明实现自动调节降低峰均功率比的整体流程图如图5所示：

步骤一，初始化，根据LTE系统的要求及技术指标，设定保护带宽中用于预留子载波的数目及位置，同时确定相应的低通滤波器的参数；确定最大迭代次数，并且确定可以接受的PAPR门限值；

步骤二，根据已分配的频域预留子载波的位置和个数，如图4所示，通过IFFT快速傅立叶逆变换生成N点时域降峰核kernel；

步骤三，对LTE系统下行资源映射后的一个符号数据，共N点频域信号X(n)通过离散傅里叶逆变换IFFT变化得到原始时域信号x(n)，n＝0，1，...N-1；

步骤四，判决处理过程：对步骤三的x(n)进行求幅值运算并与步骤一所确定的PAPR门限值比较，对大于该PAPR门限值的信号样点进行步骤五后续处理；当前信号样点值小于PAPR门限值时，则不进行处理该信号样点的峰均功率比；

步骤五，对大于PAPR门限值的时域样点，确定当前信号样点的峰值位置pos_peak以及计算该信号样点的相位

步骤六，将当前样点的峰值位置pos_peak(k)同步骤二确定的时域降峰核kernel进行循环移位得到对消信号，对对消信号进行幅度和相位调整，得到该信号样点对应的时域对消信号p_core_peak(k)；即 $p\_{\mathrm{core}}_{\mathrm{peak}}\left(k\right)=\left(\right|x_{{\mathrm{pos}}_{\mathrm{peak}}}|-\mathrm{threshold})*\mathrm{angle}\left(x_{{\mathrm{pos}}_{\mathrm{peak}}}\right)*\mathrm{circshift}(\mathrm{kernel},{\mathrm{pos}}_{\mathrm{peak}})$

步骤七，重复步骤五至步骤六，将所有大于PAPR门限值的待降峰信号样点找出，并得到其对应的时域对消信号，进行累加合并，获得最终的总降峰信号，即获得所有峰值点的总的对消信号；

获得所有峰值点的总的对消信号具体过程：计算出所有峰值点的累加对消信号p_core_sum，即将所有经过循环移位后的多个对消信号累加得到总的对消信号p_core_sum＝∑p_core_peak(k)

步骤八，将原始时域信号x(n)与步骤七中得到的总降峰信号合并，得到一次降峰后的输出

计算对消后的消峰时域信号

具体过程：用原始时域信号x(n)与总的对消信号相减，得到降峰后的时域信号 $\stackrel{\‾}{x\left(n\right)}=x\left(n\right)-p\_\mathrm{core}\_\mathrm{sum};$

步骤九，判断是否到达最大迭代次数，如果迭代次数已到则迭代结束；如果迭代次数未到，则修改迭代门限后重复本工作流程的步骤四至步骤八直至迭代次数满足要求；当迭代过程结束，将经降峰处理的数据进行后续操作如加CP(循环前缀)等。

采用本发明方法进行降低峰均比的装置结构图如图2所示。一种降低LTE系统下行信号峰均功率比的装置，包括有信号依次传递的IFFT模块、时域降峰核生成模块、预判断模块、寻峰处理模块、降峰信号产生模块、总降峰信号产生模块、峰值对消单元，其中：IFFT模块包括时域信号数据模值计算单元，其输入端连通由LTE系统协议产生的下行资源映射后的频域信号；时域降峰核生成模块包括预留载波集选择与存储单元、时域降峰核计算与存储单元；预判断模块包括PAPR门限值选择和存储单元、时域信号数据的模值数据的幅值计算单元、时域信号数据的模值数据幅值与PAPR门限值的比较单元、大于PAPR门限值的时域信号数据的模值数据幅值输出单元，其输入端连通IFFT单元中各点时域信号数据的模值数据；寻峰处理模块包括对大于PAPR门限值的时域信号数据的模值数据幅值进行峰值幅度、峰值相位及其位置进行计算的计算单元，其输入端连通预判断单元中大于PAPR门限值的时域信号数据的模值数据幅值输出单元；降峰信号产生模块包括对大于PAPR门限值的时域信号数据的模值数据幅值进行峰值幅度、峰值相位及其位置与其点相对应的时域降峰核进行循环移位的对消信号产生与存储单元，其输入端分别与寻峰处理单元的输出端和时域降峰核生成模块中的时域降峰核计算与存储单元相连通；总降峰信号产生模块包括对各点对消信号进行累加计算的总的对消信号产生单元，其输入端与降峰信号产生模块相连通；峰值对消模块，包括对输入IFFT模块进行处理的时域信号数据与总的对消信号数据进行合并的处理单元，其输入端分别连通下行发射端N点IFFT后数据中一个符号的时域信号数据和总降峰信号产生模块。

本发明一种降低LTE系统下行信号峰均功率比的装置的各组成部件实现功能具体如下：IFFT单元，用于获取下行发射端N点IFFT后数据一个符号的时域信号数据，计算其各点模值，各点模值数据进入预判断单元；时域降峰核生成模块，用于选择预留载波集，根据LTE系统需要及设计指标选取保护带宽的频带资源作为预留载波集，计算并得到时域降峰核；预判断单元，用于选择PAPR门限值，将经IFFT单元处理的各点模值进行求幅值运算并与所确定的PAPR门限值比较，锁定大于该PAPR门限值的信号样点进入寻峰处理单元；寻峰处理单元，用于确定经预判断单元锁定的峰，获取峰值幅度、峰值相位及其位置，获得数据进入降峰信号产生模块；降峰信号产生模块，依次将寻峰处理单元信号锁定的信号样点峰值位置同确定的时域降峰核进行循环移位得到对消信号，对对消信号进行幅度和相位调整，得到信号样点对应的时域对消信号，这些信号样点的时域对消信号进入峰值对消信号累加单元；峰值对消信号累加单元，用于累加所有大于PAPR门限值的待降峰信号样点对应的时域对消信号，获得总的对消信号，该总的对消信号进入峰值对消单元进行；峰值对消单元，用于将经IFFT单元处理的时域信号与总的对消信号合并。本发明所采用的降低峰均功率比处理过程即在LTE下行发射端IFFT完成后对得到时域信号进行消峰处理，完成后进行LTE协议规定的后续操作如加CP(循环前缀)等处理。

虽然本发明已经详细地示出并描述了一个相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种降低LTE系统下行信号峰均功率比的方法，其特征在于包括有下述步骤：

步骤一，初始化——根据LTE系统的要求及技术指标，设定保护带宽中用于预留子载波的数目及位置，同时确定相应的低通滤波器的参数；确定最大迭代次数，并且确定可以接受的PAPR门限值；

步骤二，生成时域降峰核kernel——根据已分配的频域预留子载波的位置和个数N，通过IFFT(快速傅立叶逆变换)对应生成N点时域降峰核kernel；

步骤三，得到原始时域信号x(n)——对LTE系统下行资源映射后的一个符号数据，共N点频域信号X(n)通过IFFT变化得到原始时域信号x(n)，其中n＝0，1，…N-1；

步骤四，判决处理过程——对步骤三得到的x(n)逐一进行求幅值运算并与步骤一所确定的PAPR门限值比较，对大于PAPR门限值的时域样点，确定其信号样点的峰值位置pos_peak(k)以及计算对应的相位

步骤五，得到与其信号样点对应的时域对消信号p_core_peak(k)——将步骤四确定的每个峰值位置pos_peak(k)及对应的相位

同步骤二确定的时域降峰核kernel进行循环移位得到对应的对消信号，对对消信号进行幅度和相位调整，得到与其信号样点对应的时域对消信号p_core_peak(k)；即

$p\_{\mathrm{core}}_{\mathrm{peak}}\left(k\right)=\left(\right|x_{{\mathrm{pos}}_{\mathrm{peak}}}|-\mathrm{threshold})*\mathrm{angle}\left(x_{{\mathrm{pos}}_{\mathrm{peak}}}\right)*\mathrm{circshift}(\mathrm{kernel},{\mathrm{pos}}_{\mathrm{peak}});$

步骤六，得到总的对消信号p_core_sum——将步骤五得到的所有时域对消信号进行累加合并，获得所有峰值点的总的对消信号，即：p_core_sum＝∑p_core_peak(k)；

步骤七，得到一次降峰后的输出

——将原始时域信号x(n)与步骤六中得到的总的对消信号合并，得到一次降峰后的输出

即：

$\stackrel{\‾}{x\left(n\right)}=x\left(n\right)-p\_\mathrm{core}\_\mathrm{sum};$

步骤八，判断是否到达最大迭代次数——如果迭代次数已到则迭代结束；如果迭代次数未到，则修改迭代门限后重复步骤四至本步骤直至到达最大迭代次数，完成降低信号峰均功率比。

2.如权利要求1所述的一种降低LTE系统下行信号峰均功率比的方法，其特征在于：

LTE系统设定的最大迭代次数为2次。

3.一种降低LTE系统下行信号峰均功率比的装置，其特征在于：包括有信号依次传递的IFFT模块、时域降峰核生成模块、预判断模块、寻峰处理模块、降峰信号产生模块、总降峰信号产生模块、峰值对消单元，其中：

IFFT模块包括时域信号数据模值计算单元，其输入端连通由LTE系统协议产生的下行资源映射后的频域信号；

时域降峰核生成模块包括预留载波集选择与存储单元、时域降峰核计算与存储单元；

预判断模块包括PAPR门限值选择和存储单元、时域信号数据的模值数据的幅值计算单元、时域信号数据的模值数据幅值与PAPR门限值的比较单元、大于PAPR门限值的时域信号数据的模值数据幅值输出单元，其输入端连通IFFT单元中各点时域信号数据的模值数据；

寻峰处理模块包括对大于PAPR门限值的时域信号数据的模值数据幅值进行峰值幅度、峰值相位及其位置进行计算的计算单元，其输入端连通预判断单元中大于PAPR门限值的时域信号数据的模值数据幅值输出单元；

降峰信号产生模块包括对大于PAPR门限值的时域信号数据的模值数据幅值进行峰值幅度、峰值相位及其位置与其点相对应的时域降峰核进行循环移位的对消信号产生与存储单元，其输入端分别与寻峰处理单元的输出端和时域降峰核生成模块中的时域降峰核计算与存储单元相连通；

总降峰信号产生模块包括对各点对消信号进行累加计算的总的对消信号产生单元，其输入端与降峰信号产生模块相连通；

峰值对消模块，包括对输入IFFT模块进行处理的时域信号数据与总的对消信号数据进行合并的处理单元，其输入端分别连通下行发射端N点IFFT后数据中一个符号的时域信号数据和总降峰信号产生模块。

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