CN102916923B - 一种降低多载波系统峰均功率比的信息传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低多载波信号峰均功率比的信息传输方法，属于采用多载波信号的通信技术领域，尤其涉及无线多载波通信。该发明中，在发射端，输入数据流经过LDPC编码、交织和QPSK/QAM调制后，使用部分传输序列法降低峰均功率比，不需要将相位旋转因子发送至接收端。在接收端，接收到的信号经傅里叶变换后进行解交织和解调制，然后扩展校验矩阵进行LDPC解码，解码的码字中包含了编码比特和相位旋转信息，因而在提取出相位信息后即可正确恢复信息比特。本发明能有效地降低OFDM信号的峰均功率比，同时不需要发送边带信息，提高了系统的频谱利用率。

Description

一种降低多载波系统峰均功率比的信息传输方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及无线多载波通信，如无线正交频分复用（OFDM）通信，具体涉及一种联合低密度奇偶校验码（LDPC）和部分传输序列法降低多载波通信系统峰均功率比并不发送边带信息的信息传输方法。

背景技术

多载波通信技术，尤其是正交频分复用（OFDM）通信技术已经被广泛应用于无线通信中。然而，多载波通信的一个主要缺点是多载波通信信号具有较高的峰值与平均值功率比，简称峰均功率比（PAPR）。较高的PAPR要求通信系统中的射频前端，如功率放大器、数模转换器等具有较宽的线性动态范围。若使用较宽线性动态范围的射频前端则会导致基站和终端的成本均大大增加；若使用较窄线性动态范围的射频前端会导致带内信号失真和带外频谱泄露，造成多载波通信系统性能大幅下降。

为了降低OFDM信号的PAPR，人们提出了很多解决方案。其中部分传输序列法（PTS）可以显著地降低PAPR并且不会造成多载波信号的失真。一个OFDM频域信号X=[x(1),x(2)，…,x(N_c)]，其中x(k)表示第k个子载波上经过相移键控调制（PSK）或正交幅度调制（QAM）的信号，N_c表示子载波的数量。采用PTS方法降低PAPR的主要思路是：

首先，将OFDM频域信号X分为W个互不相交的频域子序列，X⁽¹⁾,X⁽²⁾,…,X^(W)，其中频域子序列X^(w)=[x^(w)(1),x^(w)(2)，…,x^(w)(N_c)](w=1,2，…,W)，并且该分组满足以下两个条件：1）x^(w)(k)=0或x(k),w=1,2，…,W，k=1,2，…,N_c；2) $\underset{w=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}{X}^{\left(w\right)}=X.$

然后，对每个频域子序列X^(w)乘以相位旋转因子p^w并求和得到经过PTS处理后的频域序列X_PTS，即这里的相位旋转因子p^w一般在-1，1，j，-j四个离散值中选取，其中通过遍历W个相位因子所有可能的值，则可以产生2^W种不同的候选频域序列，经过快速傅里叶逆变换（IFFT）后则对应2^W种时域信号。

最后，计算2^W种时域信号的PAPR值，选择PAPR最小的时域信号发送出去。同时，所对应的相位旋转因子组合[p¹，…,p^W]也必须作为边带信息发送到接收端，以便能准确的恢复出原始信号。

由上可见，虽然PTS方法能有效地降低OFDM信号的PAPR，但是需要将发射端所采用的相位旋转因子作为边带信息发送到接收端，并且为了保证边带信息正确传输，需要增加额外的比特进行保护，这样会导致系统数据传输率下降并且增加了系统复杂度。本发明则是为解决PTS方法的这一缺陷而提出。

发明内容

针对多载波通信信号具有较高的PAPR，而部分传输序列法在降低PAPR的同时导致系统数据传输率下降等缺点，本发明提出了一种降低OFDM信号PAPR的信息传输方法，该方法在降低OFDM信号PAPR的同时，不会对系统数据传输率造成影响。

本发明提供的一种降低多载波系统峰均功率比的信息传输方法，包括发送端的处理过程和接收端的处理过程，发送端的处理过程为：发送端经过LDPC编码得到编码比特集合A，再进行交织和调制得到OFDM频域序列，然后利用部分传输序列法PTS降低OFDM信号的PAPR，并发送至接收端；其特征在于，所述接收端的处理过程为：

第B1步接收、解调、解交织步骤：

对接收到的信号进行快速傅里叶变换，解调制和解交织得到数据序列Y_PTS；

第B2步LDPC译码步骤：

按照步骤（B21）至（B23）对接收端得到的序列Y_PTS进行译码：

（B21）依据发送端LDPC编码时所采用的Tanner图（V,C,E）构造对应的扩展Tanner图（V_EX,C,E_EX），构造得到扩展校验矩阵H_EX；其中V表示变量节点集合，与编码比特一一对应，V=V⁰∪ V¹∪...∪V^W，W表示部分传输序列的子序列数，W为正整数；C表示校验节点集合，E表示连接变量节点和校验节点的边； $V_{\mathrm{EX}}=V^0\∪V_{\mathrm{EX}}^1\∪...\∪V_{\mathrm{EX}}^W,$ $V_{\mathrm{EX}}^w=V^w\∪\left\{d^w\right\},$ d^w表示增加的一个相位节点，w=1,2，…,W，集合E_EX由原始Tanner图中边的集合E和连接至相位节点d^w的边所组成，其中，w=1,2，…W；

（B22）依据发送端利用部分传输序列法PTS时相同的数据块划分方式，相应地将接收到的数据序列Y_PTS划分为W+1组：进一步得到扩展数据序列 $Y_{\mathrm{CLP}}=[Y^0,Y_{\mathrm{CLP}}^1,...,Y_{\mathrm{CLP}}^W],$ 其中 $Y_{\mathrm{CLP}}^w=[Y_{\mathrm{PTS}}^w,0];$

（B23）采用扩展校验矩阵H_EX对扩展数据序列Y_CLP进行解码，得到的码字为级联LDPC-PTS码对应的码字Z_CLP；在正确译码情况下，Z_CLP=A_CLP；其中，A_CLP包含W+1个子向量：且 为等效发送码字A_PTS的第w个子序列，b^w为相位比特，w=1,2，…,W；

第B3步提取相位信息步骤

提取出译码得到的码字A_CLP的相位比特b₁,b₂,…,b_W；

第B4步恢复信息比特

依据第B3步提取的相位信息，对编码比特子集合A按照如下方式进行恢复：

$A^w=\left\{\begin{array}{cc}{A}^0,& w=0\\ A_{\mathrm{PTS}}^w\⊕b^w,& w=\mathrm{1,2}...,W\end{array}\right.$

得到编码比特集合A后，则进一步恢复出信息比特。

本发明提供了一种降低多载波通信信号PAPR的方法，该方法在发送端，输入数据流经过LDPC编码、交织和QPSK/QAM调制后，使用部分传输序列法降低比PAPR，不需要将相位旋转因子发送至接收端。其中，将LDPC编码和PTS旋转操作所对应的编码称作级联LDPC-PTS码。该方法在接收端通过对发送端所采用的LDPC校验矩阵进行扩展，从而依据所得到的扩展校验矩阵对LDPC码字和相位比特信息进行联合解码，进而恢复信息比特，因而不需要发送边带信息，不会引起系统数据传输率下降。

本发明提出的降低OFDM信号PAPR的信息传输方法可以降低OFDM信号PAPR的同时，不会对系统数据传输率造成影响，在部分传输序列法所采用的分组数较少时，也几乎不造成误码率性能损失，可应用于采用多载波技术的各种通信系统。

附图说明

图1是本发明中Tanner图重构示意图；

图2是本发明的信息传输方法发射端和接收端的流程框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明将部分传输序列法视作编码步骤之一，并将LDPC编码和PTS旋转操作所对应的编码称作级联LDPC-PTS码。设OFDM系统的子载波数位N_c，N_c为正整数；设部分传输序列的子序列数为W，W为正整数。

采用部分传输序列法降低PAPR并得到级联LDPC-PTS码的步骤为：

（1）PTS法降低PAPR步骤为（1.1）至（1.3）：

（1.1）数据块划分：一个OFDM频域信号X=[x(1),x(2)，…,x(N_c)]，其中x(k)表示第k个子载波上经过正交幅度调制（QAM）的信号，N_c表示子载波的数量。将OFDM频域信号X分为W个互不相交的频域子序列，X⁽¹⁾,X⁽²⁾,…,X^(W)，其中频域子序列X^(w)=[x^(w)(1),x^(w)(2)，…,x^(w)(N_c)](w=1,2，…,W)，并且该分组满足以下两个条件：1）x^(w)(k)=0或x(k),w=1,2，…,W，k=1,2，…,N_c；2)

（1.2）旋转操作：确定相位旋转因子p^w取值集合为{-1,1}，对每个频域子序列X^(w)乘以相位旋转因子p^w并求和得到经过PTS处理后的频域序列X_PTS，即通过遍历W个相位旋转因子所有可能的值，则可以产生2^W种不同的候选频域序列；

（1.3）对（2）中产生的2^W种不同的候选频域序列进行快速傅里叶逆变换（IFFT），则得到2^W种时域信号，计算每个时域信号的PAPR值，选择PAPR值最小的信号作为发送信号，经过并串转换后发送至接收端。

（2）级联LDPC-PTS码及其对应的扩展Tanner图

（2.1）对于被广泛采用的格雷映射PSK/QAM调制方式，当某个PSK/QAM符号乘以相位旋转因子-1时，该PSK/QAM符号所对应的比特集合中只有部分比特会发生反转，而其他比特则保持不变，所述反转是指将比特0变为比特1，或比特1变为比特0。当相位旋转因子p^w(w=1,2，…,W)由1变为-1时，将此时会发生反转的比特集合记为A^w；将不受PTS旋转操作影响的比特集合记为A⁰。由于LDPC编码比特A与N_c个QPSK/QAM符号所对应的比特集合一一对应，也即LDPC编码比特集合A被划分为W+1个子向量：A⁰,A¹,…,A^W。将经过部分传输序列法中旋转操作后所对应的子向量集合分别表示为则

$A_{\mathrm{PTS}}^w=\left\{\begin{array}{cc}{A}^0,& w=0\\ A^w\⊕b^w,& w=\mathrm{1,2}...,W\end{array}\right.$

其中，表示A^w中的所有比特均与b^w进行异或操作，b^w表示第w个子序列的相位因子所对应的比特，称作相位比特，满足：

$b^w=\left\{\begin{array}{c}0,p^w=1\\ 1,p^w=-1\end{array}\right.,w=\mathrm{1,2},...,W$

将经过部分传输序列法中旋转操作后所对应的向量A_PTS $(A_{\mathrm{PTS}}=[A^0,A_{\mathrm{PTS}}^1,...,A_{\mathrm{PTS}}^W\left]\right)$ 称为等效的发送码字。

将级联LDPC-PTS码的码字表示为A_CLP，则其中(w=1,2，…,W)。这样级联LDPC-PTS码同时包含了编码比特信息和相位旋转信息。

（2.2）二进制LDPC码可用Tanner图(V,C,E)来描述，其中V表示变量节点集合，与编码比特一一对应，C表示校验节点集合，E表示连接变量节点和校验节点的边。由于LDPC码编码比特集合A被分为W+1个子向量，则变量节点集合V也对应地被分为W+1个子集合，即V=V⁰∪ V¹∪...∪ V^W,并且变量节点子集合V^w(w=0,1，…,W)与编码比特子向量A^w一一对应。

通过扩展Tanner图(V,C,E)可得到级联LDPC-PTS码所对应的扩展Tanner图(V_EX,C,E_EX)， $V_{\mathrm{EX}}=V^0\∪V_{\mathrm{EX}}^1\∪...\∪V_{\mathrm{EX}}^W,$ 对于任一 $V_{\mathrm{EX}}^w(w=1,...,W)$ 的具体构造方式为：对一个变量节点子集合V^w(w=1，…,W)增加一个相位比特b^w所对应的节点，称为相位节点并用d^w(w=1,2，…,W)表示，以形成扩展变量节点子集合，即，对于校验节点集合C中的任一校验节点c，如果c与变量节点子集合V^w中所有变量节点之间有奇数条边连接，则在相位节点d^w与该校验节点c之间添加一条边；如果c连接变量节点子集合V^w偶数次（包括0次），则不需要增加边。这样，扩展Tanner图中边的集合E_EX由原始Tanner图中边的集合E和连接至相位节点d^w(w=1,2，…W)的边所组成，此扩展Tanner图(V_EX,C,E_EX)与级联LDPC-PTS码相对应。由于LDPC码的Tanner图与校验矩阵一一对应，因而能够得到与扩展Tanner图(V_EX,C,E_EX)相对应的扩展校验矩阵H_EX。以图1为例，相位节点d¹与变量节点子集合V¹形成扩展变量节点子集合相位节点d²与变量节点子集合V²形成扩展变量节点子集合并且扩展Tanner图中增加了四条边，分别是c₃和d¹、c₅和d¹、c₄和d²、c₅和d²之间所连接的边。

如图2所示，本发明提供的将LDPC码和部分传输序列法相结合来降低OFDM信号PAPR并不发送边带信息的信息传输方法，包括下述步骤：

（1）LDPC编码步骤：

发送端构造低密度奇偶校验矩阵H，校验矩阵H所对应的Tanner图则用(V,C,E)表示。采用校验矩阵H对输入的信息比特进行LDPC编码得到编码比特集合A；

（2）交织，调制步骤：

发送端对编码比特集合A进行交织，QPSK/QAM调制得到OFDM频域序列X=[x(1),x(2)，…,x(N_c)]，其中x(k)表示QPSK/QAM符号，k=1,2，…,N_c；

（3）PTS法降低PAPR步骤：

发送端按步骤（3.1）至（3.3），对频域序列X进行相位优化，得到峰均功率比最小的信号；

（3.1）数据块划分：将OFDM频域信号X分为W个互不相交的频域子序列，X⁽¹⁾,X⁽²⁾，…,X^(W)，其中频域子序列X^(w)=[x^(w)(1),x^(w)(2)，…,x^(w)(N_c)](w=1,2，…,W)，并且该分组满足以下两个条件：1）x^(w)(k)=0或x(k),w=1,2，…,W，k=1,2，…,N_c；2)

（3.2）旋转操作：确定相位旋转因子p^w取值集合为{-1,1}，对每个频域子序列X^(w)乘以相位旋转因子p^w并求和得到经过PTS处理后的频域序列X_PTS，即通过遍历W个相位旋转因子所有可能的值，则可以产生2^W种不同的候选频域序列；

（3.3）对（3.2）中产生的2^W种不同的候选频域序列进行快速傅里叶逆变换（IFFT），则得到2^W种时域信号，计算每个时域信号的PAPR值。选择PAPR最小的时域信号作为发送信号，经串并转换后发送至接收端；

（4）接收、解调、解交织步骤：

接收端对接收到的信号进行快速傅里叶变换（FFT），解调制和解交织得到数据序列Y_PTS。

（5）LDPC译码步骤：

按照步骤（5.1）至（5.3）对接收端得到的序列Y_PTS进行译码：

（5.1）依据发送端所采用的Tanner图（V,C,E）构造对应的扩展Tanner图（V_EX,C,E_EX），由于Tanner图可以唯一的确定校验矩阵，因而对应地可以构造得到扩展校验矩阵H_EX；

（5.2）依据发送端所采用的数据块划分方式，将得到的数据序列Y_PTS划分为W+1组：进一步可以得到扩展数据序列 $Y_{\mathrm{CLP}}=[Y^0,Y_{\mathrm{CLP},...,}^1{Y}_{\mathrm{CLP}}^W],$ 其中 $Y_{\mathrm{CLP}}^w=[Y_{\mathrm{PTS}}^w,0];$

（5.3）采用扩展校验矩阵H_EX对扩展数据序列Y_CLP进行解码，得到的码字为级联LDPC-PTS码对应的码字Z_CLP；在正确译码情况下，Z_CLP=A_CLP；

（6）提取相位信息步骤

由步骤（5）可知，译码得到的码字A_CLP包含W+1个子向量：且(w=1,2，…,W)，从而可以得到码字A_PTS相位比特集合b^w(w=1,2，…,W)。

（7）恢复信息比特

依据步骤（6）提取的相位信息，可对编码比特子集合A按照如下方式进行恢复：

$A^w=\left\{\begin{array}{cc}{A}^0,& w=0\\ A_{\mathrm{PTS}}^w\⊕b^w,& w=\mathrm{1,2}...,W\end{array}\right.$

得到编码比特集合A后，则可进一步恢复出信息比特。

实例：

参数说明：调制方式采用BPSK。LDPC码的码率为0.5，码长为N=1008。子载波数位N_c=1008的OFDM系统。对于PTS法，分组数W=4，相位旋转因子取值集合为{-1,1}。LDPC码译码器迭代译码次数为500次。

仿真结果显示：在不发送部分传输序列边带信息的基础上，本发明得到的误帧率结果和部分传输序列方法假设接收方完全正确接收边带信息时得到的误帧率结果基本相同。

本发明发射端与传统的采用PTS法降低PAPR的系统完全一样，因而能达到同样地降低OFDM信号峰均功率比的效果。本发明在不发送边带信息得到的误帧率结果和部分传输序列法在假设接收方完全正确接收边带信息时得到的误帧率结基本相同。例如：当分组数W=4时，在误帧率为1×10^-3处，本发明不发送边带信息时需要的信噪比SNR=2.0dB，假设边带信息在接收端完全已知时需要的信噪比SNR=1.95dB。可见，本发明能在接收端很好的恢复边带信息，从而避免了边带信息的传输，提高了系统的数据传输率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种降低多载波系统峰均功率比的信息传输方法，包括发送端的处理过程和接收端的处理过程，发送端的处理过程为：发送端经过LDPC编码得到编码比特集合A，再进行交织和调制得到OFDM频域序列，然后利用部分传输序列法PTS降低OFDM信号的PAPR，并发送至接收端；其特征在于，所述接收端的处理过程为：

第B1步接收、解调、解交织步骤：

对接收到的信号进行快速傅里叶变换，解调制和解交织得到数据序列Y_PTS；

第B2步LDPC译码步骤：

按照步骤(B21)至(B23)对接收端得到的序列Y_PTS进行译码：

(B21)依据发送端LDPC编码时所采用的Tanner图(V,C,E)构造对应的扩展Tanner图(V_EX,C,E_EX)，构造得到扩展校验矩阵H_EX；其中V表示变量节点集合，与编码比特一一对应，V＝V⁰∪V¹∪...∪V^W，W表示部分传输序列的子序列数，W为正整数；C表示校验节点集合，E表示连接变量节点和校验节点的边； $V_{\mathrm{EX}}=V^0\∪V_{\mathrm{EX}}^1\∪...\∪V_{\mathrm{EX}}^W,V_{\mathrm{EX}}^w=V^w\∪\left\{d^w\right\},$ d^w表示增加的一个相位节点，w＝1,2,…,W，集合E_EX由原始Tanner图中边的集合E和连接至相位节点d^w的边所组成，其中，w＝1,2,…W；

(B22)依据发送端利用部分传输序列法PTS时相同的数据块划分方式，相应地将接收到的数据序列Y_PTS划分为W+1组：进一步得到扩展数据序列 $Y_{\mathrm{CLP}}=[Y^0,Y_{\mathrm{CLP}}^1,...,Y_{\mathrm{CLP}}^W],$ 其中 $Y_{\mathrm{CLP}}^w=[Y_{\mathrm{PTS}}^w,0];$

(B23)采用扩展校验矩阵H_EX对扩展数据序列Y_CLP进行解码，得到的码字为级联LDPC-PTS码对应的码字Z_CLP；在正确译码情况下，Z_CLP＝A_CLP；其中，A_CLP包含W+1个子向量： $A^0,A_{\mathrm{CLP}}^1,...,A_{\mathrm{CLP}}^W,$ 且 $A_{\mathrm{CLP}}^w=[A_{\mathrm{PTS}}^w,b^w],A_{\mathrm{PTS}}^w$ 为等效发送码字A_PTS的第w个子序列，b^w为相位比特，w＝1,2,…,W；

第B3步提取相位信息步骤：

提取出译码得到的码字A_CLP的相位比特b¹,b²,…,b^W；

第B4步恢复信息比特：

依据第B3步提取的相位信息，对编码比特集合A按照如下方式进行恢复：

$A^w=\left\{\begin{array}{cc}{A}^0,& w=0\\ A_{\mathrm{PTS}}^w\⊕b^w,& w=\mathrm{1,2},...,W\end{array}\right.$

得到编码比特集合A后，则进一步恢复出信息比特；

所述利用部分传输序列法PTS降低OFDM信号的PAPR的步骤为：

(A1)数据块划分：一个OFDM频域信号X＝[x(1),x(2),…,x(N_c)]，其中x(k)表示第k个子载波上经过相移键控调制或正交幅度调制的信号，k＝1,2,…,N_c，N_c表示子载波的数量，将OFDM频域信号X分为W个互不相交的频域子序列，X⁽¹⁾,X⁽²⁾,…,X^(W)，其中频域子序列X^(w)＝[x^(w)(1),x^(w)(2),…,x^(w)(N_c)]，并且分组满足以下两个条件：1)x^(w)(k)＝0或x(k),w＝1,2,…,W，k＝1,2,…,N_c；2)

(A2)旋转操作：确定相位旋转因子p^w取值集合为{-1,1}，对每个频域子序列X^(w)乘以相位旋转因子p^w并求和得到经过PTS处理后的频域序列X_PTS，即通过遍历W个相位旋转因子所有可能的值，则可以产生2^W种不同的候选频域序列；

(A3)对步骤(A2)中产生的2^W种不同的候选频域序列进行快速傅里叶逆变换IFFT，则得到2^W种时域信号，计算每个时域信号的PAPR值；选择PAPR最小的时域信号作为发送信号，并行串并转换。