CN104394116B - 降低ofdm系统峰值功率的交替优化pts发射系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了降低OFDM系统峰值功率的交替优化PTS发射系统及方法，二进制随机信号发生器模块用于产生要传输的二进制数据；编码映射模块用于将输入的二进制序列变换为基带频域信号；子块分割模块将编码映射后的序列分为若干个互不重叠的子块序列并保证各个子块序列的长度与编码映射后的序列一致；快速傅里叶反变换(IFFT)模块用于对子块序列进行IFFT变换获得对应的时域子块序列；加法器模块用于将相位优化后的各个子块序列叠加产生候选信号；最优候选信号选择模块用于从全部的候选信号中选出PAPR值最小的候选信号。该系统具有计算复杂度较低和PAPR性能较好的特点，并且能够充分满足实际需求。

Description

降低OFDM系统峰值功率的交替优化PTS发射系统及方法
技术领域
本发明涉及数字通信技术领域，具体涉及一种降低OFDM系统峰值功率的交替优化PTS发射系统及方法。
背景技术
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)系统由于具有高速数据传输率和对抗频率选择性衰落的能力已被应用到无线通信的很多领域。但是，由于OFDM信号是由多个子载波信号叠加而成，当出现多个子载波信号相位相同的情况时，输出的OFDM信号便会出现较大的峰值功率，尤其是当子载波数量较大时，该问题更为严重。于是，峰值功率问题便成为OFDM系统的主要缺陷之一。较高的峰值功率会引起过高的峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)，进而引起OFDM系统性能恶化。因此，降低OFDM系统的峰值功率一直是应用该系统所关注的焦点。
对于一个具有N个子载波的OFDM系统，其一个信号周期内的基带信号可表示为
其中，Xk,k＝0,1,…,N-1是由输入的二进制序列经相移键控(Phase ShiftKeying,PSK)或正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)后得到的子载波信号，xn,n＝0,1，…,N-表1示经调制后的OFDM输出信号。
对于OFDM系统中存在的峰值功率问题，通常采用峰均功率比(PAPR)来加以描述，可定义为在一个OFDM信号周期内，该信号的峰值功率与平均功率的比值，具体可表示为
其中，x＝[x0,x1,…,xN-1]T表示调制后的OFDM信号，表示OFDM信号的峰值功率，E{|x|2}表示OFDM信号的平均功率。
对于OFDM系统的PAPR性能，通常采用互补累积分布函数(ComplementaryCumulative Distribution Function,CCDF)来加以描述，可表示为
其中，N表示OFDM系统的子载波数，PAPR0表示某一确定的PAPR值。也就是说，该函数的具体含义是用超过某一PAPR确定值的概率来描述系统的PAPR性能。
近年来，如何优化和解决OFDM系统存在的峰值功率问题一直是关注的热点，也提出过一些较有价值的优化方法。例如，限幅滤波、预编码、动态星座图扩展、子载波预留和多信号表示等等。这些现有的方法都存在不同程度的缺陷。其中，多信号表示类方法被认为是最具潜力的方法，其代表方法有部分传输序列(Partial Transmit Sequence,PTS)和选择性映射(Selected Mapping,SLM)。
作为多信号表示类方法代表之一的部分传输序列(PTS)，近年来一直备受关注，其基本原理是先将输入二进制序列进行编码映射，然后将编码映射后的序列分为若干个子块序列，并且要保证每一子块序列的长度与编码映射后的序列一致，这就要求对每一子块序列都要进行补零操作，即令每一子块序列中剩余子载波位置上的数据为零；然后对每一子块序列进行快速傅里叶反变换(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)，并用相位加权因子对IFFT变换后的每一子块序列进行加权处理，将相位加权后的全部子块序列叠加获得候选信号；通过调整各个子块序列的相位加权因子，可获得多个不同的候选信号；最后，从全部的候选信号中选择PAPR值最小的候选信号进行传输。虽然说部分传输序列(PTS)是最具潜力的峰值优化方法之一，但其最大的缺点是计算复杂度大和需要附加信息。
发明内容
为解决传统部分传输序列(PTS)计算复杂度大的不足，本发明公开了降低OFDM系统峰值功率的交替优化PTS发射系统及方法，本发明的OFDM交替优化PTS发射系统计算复杂度较低、PAPR性能较好且能充分满足实际需求。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
降低OFDM系统峰值功率的交替优化PTS发射系统，包括：
二进制随机信号发生器模块，用于产生要传输的二进制随机信号并将该信号传送至编码映射模块；
编码映射模块，用于将输入的二进制序列变换为基带频域信号并传送至子块分割模块；
子块分割模块，用于将编码映射后的序列分为若干个互不重叠的子块序列并保证各个子块序列的长度与编码映射后的序列一致，子块分割模块与多个快速傅里叶反变换(IFFT)模块相连；
快速傅里叶反变换(IFFT)模块，用于对子块序列进行IFFT变换获得对应的时域子块序列，快速傅里叶反变换(IFFT)模块与加法器模块连接；
加法器模块，用于将相位优化后的各个子块序列叠加产生候选信号，将多个不同的候选信号传送至最优候选信号选择模块；
最优候选信号选择模块，用于从全部的候选信号中选择PAPR值最小的候选信号进行传输。
对应于奇数子块序列的快速傅里叶反变换(IFFT)模块与奇数子块相位优化模块相连接，对应于偶数子块序列的快速傅里叶反变换(IFFT)模块与偶数子块相位优化模块相连接；奇数子块相位优化模块用于对全部的奇数子块序列进行相位加权优化；偶数子块相位优化模块用于对全部的偶数子块序列进行相位加权优化；
奇数子块相位优化模块及偶数子块相位优化模块，采用奇偶子块交替优化方法即用相位加权因子对每一时域子块序列进行相位优化处理，所谓奇偶子块交替优化，即对奇数子块序列进行相位优化时偶数子块序列保持不变，对偶数子块序列进行相位优化时奇数子块序列保持不变。
降低OFDM系统峰值功率的交替优化PTS方法，包括以下步骤：
步骤一：确定OFDM系统和交替优化PTS方法的相关参数，相关参数包括采用的编码映射方法、子载波数N，子块序列总数V及相位加权因子集合；
步骤二：根据所采用的编码映射方法和子载波数N，利用二进制随机信号发生器模块产生二进制序列，并利用编码映射模块对二进制信号序列进行编码映射；
步骤三：根据子块序列总数V，对编码映射后的序列利用子块分割模块进行子块分割，将其分为V个互不重叠的子块序列，并保证每一子块序列的长度与编码映射后的序列一致，这就需要对每一子块序列中剩余子载波位置进行补零；
步骤四：利用快速傅里叶反变换(IFFT)模块对各个子块序列进行IFFT变换，获得对应的时域子块序列；
步骤五：根据奇偶子块交替优化方法利用奇数子块相位优化模块及偶数子块相位优化模块产生相位加权序列，完成相位优化加权，寻找共有项，并计算各个共有项结果；
步骤六：从全部的侯选信号中，选择PAPR值最小的候选信号进行传输。
所述步骤五的具体过程为：采用奇偶子块交替优化方法对各个时域子块序列进行相位优化加权，并将相位加权后的各个时域子块序列叠加获得候选信号，通过调整每一子块序列的相位加权因子，可获得多个不同的候选信号；其中，所谓的奇偶子块交替优化就是对奇数子块序列进行相位优化时令偶数子块序列的相位加权因子恒为1即偶数子块序列保持不变，而对偶数子块序列进行相位优化时则令奇数子块序列的相位加权因子恒为1即奇数子块序列保持不变；在产生候选信号的过程中，可以找到一些共有项，并且这些共有项只需被计算一次即可，即进行奇数子块序列优化时，由于全部偶数子块序列保持不变，因此全部偶数子块序列之和即为共有项；而进行偶数子块序列优化时，由于全部奇数子块序列保持不变，因此全部奇数子块序列之和即为共有项。
工作原理：将输入的二进制信号进行编码映射，然后对编码映射后的序列进行子块分割，将其分为若干个互不重叠的子块序列，并保证每一子块序列的长度与编码映射后序列的长度一致，这就需要对每一子块序列中剩余的子载波位置进行补零；接着，对每一子块序列进行IFFT变换获得对应的时域子块序列，并用相位加权因子对每一时域子块序列进行相位优化处理，这里采用的是奇偶子块交替优化方法(所谓奇偶子块交替优化，即对奇数子块序列进行相位优化时偶数子块序列保持不变，对偶数子块序列进行相位优化时奇数子块序列保持不变)；然后将相位优化后的各个子块序列进行叠加产生候选信号，由于采用奇偶子块交替优化方法，因此在产生候选信号的过程中可以找到一些共有项，这些共有项只需被计算一次即可，计算复杂度得以降低；通过采用不同的相位加权因子对各个子块序列进行相位加权，可获得多个不同的候选信号；最后，从全部的候选信号中选择PAPR值最小的候选信号进行传输。通常情况下，在进行相位优化之前，需确定一个用于优化的相位加权因子集合，用于优化子块序列的相位加权因子只能出自于此集合。
本发明的有益效果：
(1)由于采用了奇偶子块交替优化方法，即在对奇数子块序列进行相位加权优化时偶数子块序列保持不变，而在对偶数子块序列进行相位加权优化时奇数子块序列保持不变，这一方法简化了相位加权过程，降低了计算复杂度。
(2)利用奇偶子块交替优化方法的相位加权优化特点，在产生候选信号的过程中，可以找到一些共有项，即进行奇数子块序列优化时，由于全部偶数子块序列保持不变，因此全部偶数子块序列之和为共有项；而进行偶数子块序列优化时，由于全部奇数子块序列保持不变，因此全部奇数子块序列之和为共有项；而这些共有项存在于多个候选信号中，由于这些共有项只需被计算一次，因此计算复杂度得以进一步降低。
附图说明
图1是本发明提出的降低OFDM系统峰值功率的交替优化PTS发射系统框图；
图2是本发明提出的交替优化PTS方法流程图；
图3是当子块序列总数分别为4、6和8时，本发明提出的OFDM发射系统的PAPR性能图，并与传统部分传输序列方法进行比较；
图4是当子块序列总数为5和7时，本发明提出的OFDM发射系统的PAPR性能图，并与传统部分传输序列方法进行比较。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
图1是本发明提出的降低OFDM系统峰值功率的交替优化PTS发射系统框图。
它包括串行连接的二进制随机信号发生器模块、编码映射模块和子块分割模块，子块分割模块将编码映射后的序列分为若干个互不重叠的子块序列，并将每一子块序列与对应的快速傅里叶反变换(IFFT)模块相连接，各个快速傅里叶反变换(IFFT)模块均与加法器模块相连接，加法器模块则与最优候选信号选择模块相连接；另外，对应于奇数子块序列的快速傅里叶反变换(IFFT)模块均与奇数子块相位优化模块相连接，对应于偶数子块序列的快速傅里叶反变换(IFFT)模块则均与偶数子块相位优化模块相连接，而奇数子块相位优化模块和偶数子块相位优化模块则均与加法器相连接。
其中，二进制随机信号发生器模块用于产生要传输的二进制数据；编码映射模块用于将输入的二进制序列变换为基带频域信号；子块分割模块将编码映射后的序列分为若干个互不重叠的子块序列并保证各个子块序列的长度与编码映射后的序列一致；奇数子块相位优化模块用于对全部的奇数子块序列进行相位加权优化；偶数子块相位优化模块用于对全部的偶数子块序列进行相位加权优化；快速傅里叶反变换(IFFT)模块用于对子块序列进行IFFT变换获得对应的时域子块序列；加法器模块用于将相位优化后的各个子块序列叠加产生候选信号；最优候选信号选择模块用于从全部的候选信号中选出PAPR值最小的候选信号。
下面结合发明流程图2，对本发明所设计的发射系统的工作原理进行详细说明。
待传输的二进制信号序列首先经编码映射为频域序列，接着对编码映射后的频域序列进行子块分割，即将其分为若干个互不重叠的子块序列并行输出，并保证每一子块序列的长度与编码映射后的序列一致；然后对每一子块序列进行IFFT变换，获得时域子块序列；根据子块序列序号的奇偶性，IFFT变换的输出分别与奇数子块相位优化模块和偶数子块相位优化模块相连接，根据奇偶子块交替优化方法产生相位加权序列，完成相位优化加权，寻找共有项，并计算各个共有项结果；最后，利用获得的共有项，加法器将已相位加权的各个子块序列叠加生成候选信号，最优候选信号选择器则从全部的候选信号中选出PAPR值最小的候选信号用于传输。
在接收端，关于如何能够正确地解调所传输信号序列的问题，可直接采用现存的部分传输序列接收机，这里不再详细叙述。
本发明所获得的性能效果可通过图3和图4以及实验数据进一步说明。
为了说明本发明相比于传统部分传输序列方法发射系统可大幅度地降低计算复杂度并获得相似PAPR性能的优点，图3和图4给出了采用本发明提出的降低OFDM系统峰值功率的交替优化PTS发射系统在不同参数下所获得的PAPR性能。在仿真实验中，采用MATLAB仿真平台，子载波数为256，随机产生105个OFDM信号，QPSK调制，4倍过采样。
关于计算复杂度，表1给出了在子块序列总数相同的情况下，与传统部分传输序列方法相比，本发明所提出的降低OFDM系统峰值功率的交替优化PTS发射系统所获得的计算复杂度降低程度。
从图3、图4和表1可以看出，与传统部分传输序列方法相比，本发明方法在大幅度降低计算复杂度的基础上，可以获得相似的PAPR性能，完全可以满足OFDM系统对PAPR性能的要求。
表1是与传统部分传输序列相比，本发明提出的OFDM交替优化PTS发射系统所获得的计算复杂度降低程度。
表1
V＝4 V＝5 V＝6 V＝7 V＝8
复数乘法 25％ 45.3％ 68.1％ 76％ 85.3％
复数加法 33.3％ 48.4％ 69.4％ 76.6％ 85.5％
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.降低OFDM系统峰值功率的交替优化PTS发射系统，其特征是，包括：
二进制随机信号发生器模块，用于产生要传输的二进制随机信号并将该信号传送至编码映射模块；
编码映射模块，用于将输入的二进制序列变换为基带频域信号并传送至子块分割模块；
子块分割模块，用于将编码映射后的序列分为若干个互不重叠的子块序列并保证各个子块序列的长度与编码映射后的序列一致，子块分割模块与多个快速傅里叶反变换IFFT模块相连；
快速傅里叶反变换IFFT模块，用于对子块序列进行IFFT变换获得对应的时域子块序列，快速傅里叶反变换IFFT模块与加法器模块连接；
加法器模块，用于将相位优化后的各个子块序列叠加产生候选信号，将多个不同的候选信号传送至最优候选信号选择模块；
最优候选信号选择模块，用于从全部的候选信号中选择PAPR值最小的候选信号进行传输；
对应于奇数子块序列的快速傅里叶反变换IFFT模块与奇数子块相位优化模块相连接，对应于偶数子块序列的快速傅里叶反变换IFFT模块与偶数子块相位优化模块相连接；奇数子块相位优化模块用于对全部的奇数子块序列进行相位加权优化；偶数子块相位优化模块用于对全部的偶数子块序列进行相位加权优化；
奇数子块相位优化模块及偶数子块相位优化模块，采用奇偶子块交替优化方法即用相位加权因子对每一时域子块序列进行相位优化处理，所谓奇偶子块交替优化，即对奇数子块序列进行相位优化时偶数子块序列保持不变，对偶数子块序列进行相位优化时奇数子块序列保持不变。
2.降低OFDM系统峰值功率的交替优化PTS方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一：确定OFDM系统和交替优化PTS方法的相关参数，相关参数包括采用的编码映射方法、子载波数N，子块序列总数V及相位加权因子集合；
步骤二：根据所采用的编码映射方法和子载波数N，利用二进制随机信号发生器模块产生二进制序列，并利用编码映射模块对二进制信号序列进行编码映射；
步骤三：根据子块序列总数V，对编码映射后的序列利用子块分割模块进行子块分割，将其分为V个互不重叠的子块序列，并保证每一子块序列的长度与编码映射后的序列一致，这就需要对每一子块序列中剩余子载波位置进行补零；
步骤四：利用快速傅里叶反变换IFFT模块对各个子块序列进行IFFT变换，获得对应的时域子块序列；
步骤五：根据奇偶子块交替优化方法利用奇数子块相位优化模块及偶数子块相位优化模块产生相位加权序列，完成相位优化加权，寻找共有项，并计算各个共有项结果；
所述步骤五的具体过程为：采用奇偶子块交替优化方法对各个时域子块序列进行相位优化加权，并将相位加权后的各个时域子块序列叠加获得候选信号，通过调整每一子块序列的相位加权因子，获得多个不同的候选信号；在产生候选信号的过程中，找到共有项，并且这些共有项只需被计算一次即可；
共有项在寻找时，即进行奇数子块序列优化时，由于全部偶数子块序列保持不变，因此全部偶数子块序列之和即为共有项；而进行偶数子块序列优化时，由于全部奇数子块序列保持不变，因此全部奇数子块序列之和即为共有项；
所谓的奇偶子块交替优化就是对奇数子块序列进行相位优化时令偶数子块序列的相位加权因子恒为1即偶数子块序列保持不变，而对偶数子块序列进行相位优化时则令奇数子块序列的相位加权因子恒为1即奇数子块序列保持不变；
步骤六：从全部的侯选信号中，选择PAPR值最小的候选信号进行传输。
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