CN103248601A - 一种低计算复杂度降低ofdm信号峰平比slm方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低计算复杂度降低OFDM信号峰平比SLM方法，解决了目前OFDM系统信号高PAPR的问题。在保持传统SLM算法降低PAPR性能的条件下，分级的基-4IFFT改进SLM算法大大降低了计算复杂度；经过基-4IFFT之后将相位序列叠加在信号序列上，省去边带信息的单独传输。由理论分析可得较于传统SLM算法IFFT复杂度最大可降低将近60%，改善了OFDM系统性能。本发明实现容易，能用于各类采用OFDM进行调制的通信系统中。

Description

一种低计算复杂度降低OFDM信号峰平比SLM方法

技术领域

本发明涉及正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）移动通信系统中对OFDM信号进行改善的技术领域，特别是涉及一种低计算复杂度降低OFDM信号峰平比SLM方法。

背景技术

正交频分复用（OFDM）技术以其高效的频谱利用率、良好的抗多径衰落性能、系统容量大等特点，成为了第四代移动通信系统的核心技术之一。但是由于OFDM信号在时域上表现为多个正交子载波信号叠加而成的，因此其信号具有高的峰值功率与平均功率比（Peak-to-Average Power Ratio,PAPR），这一特点就要求移动通信系统中的发射机的高功率放大器具有很高的线性度，否则会产生非线性失真，非线性失真所产生的谐波会严重影响系统性能。但是较大动态范围的功率器件，意味着发射机的设备成本更高。

要解决OFDM通信系统中信号失真问题，就要降低系统中信号的PAPR，目前提出的降低PAPR方法有很多，主要有：信号预畸变技术、信号扰码技术、编码技术三种，其中信号预畸变技术包括限幅、压扩变换和预留子载波等，例如文献“Jeng,Shiann-Shiun-Shiun,Chen,Jia-Ming-M..Efficient PAPR Reduction in OFDM Systems Based on a Companding TechniqueWith Trapezium Distribution[J].IEEE Transactions on Broadcasting.2011.Vol.57(2),Part:1:291-298”；信号扰码技术包括选择性映射法（SLM）和部分传输序列法（PTS），“Eom Seung-Sik,Nam Haewoon,Ko Young-Chai Chai,Low-Complexity PAPR Reduction Scheme without SideInformation for OFDM Systems.Signal IEEE Transactions on Processing,Vol.60(7),2012:3657–3669”；编码技术包括Reed-Muller编码和Golay互补序列等，例如“Sabbaghian Maryam,Kwak,Yongjun,Smida Besma,Tarokh Vahid,Near Shannon Limit and Low Peak to Average Power RatioTurbo Block Coded OFDM,IEEE Transactions on Communications,Vol.59(8),2011:2042–2045”。目前国内外降低PAPR的算法很多，各种算法都有优点及其局限性。总的来说，这些算法普遍以牺牲系统性能为代价，如信号畸变技术是以降低系统BER性能为主要代价来获得低PAPR性能的。对于信号扰码技术具有良好的PAPR降低性能，但它是以较高的系统计算复杂度为代价获得良好PAPR性能的。编码技术类技术由于需要发送大量冗余信息而使系统信息速率大幅度降低，即它是以降低系统功率性能为代价获得较好PAPR性能的。

如何更加有效地避免OFDM系统中的高PAPR值，更便于在移动通信系统中得到实际运用是现有的OFDM系统中必须要解决的问题。本发明根据现有不同方法的优缺点，综合考虑从引入的计算量、边带信息处理等方面来进行改进，同时融合叠加训练序列方法省去边带信息的单独传输，节省带宽。

发明内容

本发明的目的在于克服现OFDM系统降低峰均比方法的上述问题，提供一种正交频分复用OFDM系统中降低峰均功率比的方法。该方法在收发两端实现简单，并且不需单独传输边带信息，与传统的SLM方法相比，在不增加系统复杂度的前提下，能更好的降低OFDM系统的PAPR。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种低计算复杂度降低OFDM信号峰平比SLM方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤1：发送端对输入信号序列进行串并变换，将N点的IFFT运算按照蝶形运算分为前k级和n-k级的IFFT；

步骤2：信号序列首先进行前k级的IFFT，这样每一路信号共用k级的IFFT；

步骤3：经过处理的信号序列乘以相位序列S^u产生U路备选信号；

步骤4：U路备选信号分别进行剩余的n-k级的IFFT处理；

步骤5：将相位序列采用弱能量叠加方式叠加在处理后的信号序列，以此省去边带信息的单独传输，节省带宽；

步骤6：对处理后的信号序列求取PAPR，选择具有最小PAPR值的信号发送出去。

本发明的有益效果在于：本发明解决了目前OFDM系统信号高PAPR的问题。在保持传统SLM算法降低PAPR性能的条件下，分级的基-4IFFT改进SLM算法大大降低了计算复杂度；经过基-4IFFT之后将相位序列叠加在信号序列上，省去边带信息的单独传输。由理论分析可得较于传统SLM算法IFFT复杂度最大可降低将近60%，改善了OFDM系统性能。

附图说明

图1是一种低计算复杂度降低OFDM信号峰平比SLM方法主要实现过程示意图；

图2是改进方法选择合适k值的OFDM信号CCDF曲线图，子载波个数N=258，“原始OFDM”表示原始OFDM信号PAPR的CCDF曲线，“传统SLM”表示采用传统SLM算法的OFDM信号PAPR的CCDF曲线，“改进算法”表示采用本发明提出的改进SLM方法信号的PAPR的CCDF曲线，横坐标表示PAPR的门限值，纵坐标表示PAPR超过某一门限值的概率，即互补累计概率分布函数（CCDF）；

图3是改进SLM方法选择合适k值的OFDM信号CCDF曲线，子载波个数N=1024，“原始OFDM”表示原始OFDM信号PAPR的CCDF曲线，“传统SLM”表示采用传统SLM算法的OFDM信号PAPR的CCDF曲线，“改进算法”表示采用本发明提出的改进SLM方法信号的PAPR的CCDF曲线，横坐标表示PAPR的门限值，纵坐标表示PAPR超过某一门限值的概率，即互补累计概率分布函数（CCDF）；

图4是改进SLM方法在不同数量的相位序列的情况下实施例的PAPR仿真曲线图，“原始OFDM”表示原始OFDM信号PAPR的CCDF曲线，“传统SLM”表示采用传统SLM算法的OFDM信号PAPR的CCDF曲线，“改进算法”表示采用本发明提出的改进SLM方法信号的PAPR的CCDF曲线，u表示相位序列的个数，分别取4、8、16、32，原始OFDM即是u=1；横坐标表示PAPR的门限值，纵坐标表示PAPR超过某一门限值的概率，即互补累计概率分布函数（CCDF）。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案的主要实现原理、具体实施方式等进行详细描述。

本发明所述的一种低计算复杂度降低OFDM信号峰平比SLM方法原理如下：将N=4ⁿ点的基-4IFFT运算分为前k级和n-k级的基-4IFFT；信号序列在经过基-4IFFT前k级之后乘以相位因子，这样每一路信号共用k级的基-4IFFT，从而降低系统计算量，经过基-4IFFT之后将相位序列叠加在信号序列上，省去边带信息的单独传输。

当子载波的个数N=2ⁿ时，传统的SLM算法的复数乘法和复数加法个数为n_mul=2^n-1.n.U和n_add=2ⁿ.n.U，式中U是相位序列的个数，在k级IFFT之后乘以相位序列的复数乘法和复数加法个数为

n_mul=2^n-1.n+2^n-1(n-k)(U-1)   （1）

n_add=2ⁿ.n+2ⁿ(n-k)(U-1)   （2）

由上所述，当子载波N=2ⁿ=4^n/2，改进的SLM算法的复数乘法和复数加法个数为：

n_mul=4^n/2-1.n/2+4^n/2-1(n/2-k)(U-1)   （3）

n_add=4^n/2.n/2+4^n/2(n/2-k)(U-1)   （4）

因此，分级的基-4IFFT改进SLM算法的计算量降低率（computational complexity reductionratio，CCRR）定义如下：

由定义可知，当n→∞时，

因此分级的基-4IFFT改进SLM算法比传统SLM算法降低将近60%的计算复杂度。

搭建好一个OFDM系统平台上做实施例仿真以验证本发明提出的方法的性能。实施例算法仿真参数为：

■每个OFDM信号包含256、1024个子载波

■OFDM信号个数1000个

■采用BSPK调制方法

首先通过仿真选择合适的k值，k为IFFT运算分级时在乘以相位因子前的IFFT蝶形运算的级数。请参照图2、图3可以看出，当k=2时改进算法降低PAPR的性能最接近传统SLM算法，在N=258时改进算法信号的PAPR性能有所改进；当N增大时，改进算法信号的PAPR性能越好。

请参照图4，该图表示在子载波个数为258，最优k值为2时，不同相位序列U下，传统SLM算法和分级的基-4IFFT改进SLM算法降低信号PAPR的CCDF曲线比较。可以看出，分级的基-4IFFT改进SLM算法几乎和传统SLM算法具有相近的降低PAPR的能力，并且有所改进，同时该算法通过改进IFFT模块可以大幅度的降低计算复杂度。

Claims (1)

1.一种低计算复杂度降低OFDM信号峰平比SLM方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤1：发送端对输入信号序列进行串并变换，将N点的IFFT运算按照蝶形运算分为前k级和n-k级的IFFT；

步骤2：信号序列首先进行前k级的IFFT，这样每一路信号共用k级的IFFT；

步骤3：经过处理的信号序列乘以相位序列S^u产生U路备选信号；

步骤4：U路备选信号分别进行剩余的n-k级的IFFT处理；

步骤5：将相位序列采用弱能量叠加方式叠加在处理后的信号序列；

步骤6：对处理后的信号序列求取PAPR，选择具有最小PAPR值的信号发送出去。

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