CN106656897A - 单载波频分多址与预留子载波结合的峰均比抑制方法 - Google Patents

单载波频分多址与预留子载波结合的峰均比抑制方法 Download PDF

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丁良辉
陈洪义
狄浩
李金塞
刘辉
姚璐
高政军
杨峰
赵淼
李博
钱良
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Abstract

本发明涉及一种单载波频分多址与预留子载波结合的峰均比抑制方法，包括以下步骤：步骤A：定义有效信号功率，综合考虑TR算法的PAPR抑制效果以及输出信号的功率，定义有效信号功率ΔE为峰均比抑制后数据子载波实际的信号功率增益，并获得最优的预留子载波比例；步骤B：TR与SC‑FDM结合的PAPR抑制，在SC‑FDM与TR结合的系统中，通过步骤A找到最优的预留子载波比例，在此基础上分别仿真比较不同的调制方式、DFT以及IDFT长度下的峰均比抑制效果，获得最优值。与现有技术相比，本发明考虑了预留子载波技术中传送预留子载波所消耗的无用功率，定义新标准来选择预留子载波个数，在保证PAPR增益同时能有效提高发送端效率。

Description

单载波频分多址与预留子载波结合的峰均比抑制方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种单载波频分多址与预留子载波(Tone Reservation，TR)结合的峰均比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)抑制方法。
背景技术
正交频分多址(OrthogonalFrequency Division Multiple Access,OFDMA)作为基于OFDM技术的下行多址接入方案，虽然具有能够抵抗频率选择性衰落和很高的频谱利用率的优点，但是OFDMA符号具有很高的峰均功率比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)。导致这个问题的原因是每个符号都叠加了多个独立的已调制子载波信号，当多个子载波相位相近或者相同时，该叠加信号就表现出很高的峰均功率，从而产生很高的PAPR。过高的PAPR要求系统具有极高的设计复杂度来预防非线性失真，这就要求系统内要拥有很大的线性动态范围的A/D转换器，D/A转换器，功率放大器等器件，这就会大大提高用户终端的生产成本，设计复杂度和削弱了终端电池的续航能力。
为了解决上述问题，以DFT-S-OFDM为核心的单载波频分多址接入技术(SC-FDM)应运而生，该系统中使用DFT-IDFT处理数据，让IDFT后的时域输出代替频域符号的加权叠加，类似于单载波时域传输，使得DFT-S-OFDM符号表现出较低的PAPR，尽管频谱利用率比OFDM稍低，但它成功解决了OFDM系统带来的PAPR过高的问题，这样大大减少了用户设备的生产成本，设计复杂度，并且显著提升了用户终端电池的续航能力。
预留子载波算法(Tone Reservation，TR)是一种有效的PAPR抑制算法，其通过对于原来系统中不使用的子载波额外添加数据，使得整体的PAPR降低。预留子载波算法把频域信号分为数据信号和子载波预留信号。当数据信号经过IFFT运算后得到的时域信号具有较大的PAPR时，子载波预留信号经过IFFT运算后的时域信号可以大幅度地抵消时域信号的峰值，这便是预留子载波算法可以有效地降低OFDM系统PAPR的原理。预留子载波算法的优点是峰均比抑制效果明显，不用传送任何边带副信息；其缺点是预留子载波会占据一定数据带宽，同时如果需要迭代算法则计算复杂度会提高。
目前的研究工作中存在着如下问题，对于预留子载波算法的研究，主要是集中在研究不同子载波数下的PAPR性能变化，而忽略了预留子载波对于有用信号传输功率的影响。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种单载波频分多址与预留子载波结合的峰均比抑制方法，考虑了预留子载波技术中传送预留子载波所消耗的无用功率，定义新标准来选择预留子载波个数，在保证PAPR增益同时能有效提高发送端效率。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种单载波频分多址与预留子载波结合的峰均比抑制方法，包括以下步骤：
步骤A：定义有效信号功率，综合考虑TR算法的PAPR抑制效果以及输出信号的功率，定义有效信号功率ΔE为峰均比抑制后数据子载波实际的信号功率增益，并获得最优的预留子载波比例；
步骤B：TR与SC-FDM结合的PAPR抑制，在SC-FDM与TR结合的系统中，通过步骤A找到最优的预留子载波比例，在此基础上分别仿真比较不同的调制方式、DFT以及IDFT长度下的峰均比抑制效果，获得最优值。
所述的步骤A)最优的预留子载波比例获得具体为：在所有子载波个数一定时，仿真不同预留子载波比例下的有效信号功率增益大小，获得有效信号功率值最大的比例为最优的预留子载波比例。
所述的最优的预留子载波比例具体计算过程如下：
步骤A1：分析TR算法的PAPR增益,考虑TR算法中的预留子载波位置是随机分布的，所以PAPR增益只与预留子载波的个数有关，定义α为预留的子载波数Nr与所有的载波数N的比值，即通过理论分析计算出TR算法得到的PAPR增益其中与是发送时域信号的最大值与第二大值，当载波总数N不变时，α变化会引起参数δ变化进而影响TR算法的PAPR增益；
步骤A2：综合考虑PAPR增益以及发送信号功率，通过有效信号功率ΔE来衡量TR算法的性能；定义为其中ΔPAPR1为TR算法得到的PAPR增益，E(|xn|2)和分别代表TR处理前后的信号的平均功率，故第二项表示TR算法处理过后的信号功率的衰减；通过优化参数α来使ΔE最大，即可得到最佳的预留子载波数。
所述的步骤B具体包括以下步骤：
步骤B1：在使用TR算法的SC-FDM系统中，PAPR增益ΔPAPR分为两部分，ΔPAPR＝ΔE+ΔPAPR2，ΔE为步骤A中定义的有效信号功率，ΔPAPR2为SC-FDM系统的PAPR增益；
步骤B2：利用ΔPAPR来对SC-FDM系统的参数进行优化，首先由步骤A得到最优的预留子载波比例α，在TR与SC-FDM结合的系统中，保持α为该比例不变，仿真不同的调制指数K、DFT长度M、IDFT长度Q*M值下的ΔPAPR值，选使ΔPAPR最大的参数值为最优。
所述的ΔPAPR2受SC-FDM系统参数的影响，包括调制指数K、DFT长度M、IDFT长度Q*M。
与现有技术相比，本发明中定义了新的度量标准有效信号功率，并用该标准来选择预留子载波算法中的预留子载波比例，与传统方法相比不仅能保证PAPR增益，更能减少无用传输功率，提高传输效率。将SC-FDM与TR这两种方式相结合，在新的度量标准基础上选择最优系统参数，达到更好的PAPR抑制效果。
附图说明
图1为SC-FDM系统框图；
图2为实施例中不同参数下的仿真结果曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
本发明首先对SC-FDM系统中的PAPR进行了理论分析，推导了SC-FDM系统参数与PAPR关系的公式。其次，综合考虑TR算法中的PAPR增益与信号传送功率，定义了有效信号功率(effective signal power)这种新的度量标准，在此基础上得到TR算法的最优预留子载波数目。最后将SC-FDM与TR这两种PAPR抑制技术相结合，通过仿真获得最优的系统参数。
仿真不同的子载波比例下预留子载波算法性能，调制方式设置为QAM，载波数N为2048，子载波比例α值分别设置为0.1％、1.0％和10％，仿真结果如表1所示；
表1
由有效信号功率最优得到的α值为1.0％，而传统方法得到的最优值为10％。实际上，在现有的DVB-T2标准中，N＝2048,Nr＝18，接近于1.0％，可见用有效信号功率来选择预留子载波比例具有较高的实用价值。
仿真SC-FDM与TR结合的PAPR抑制性能，其中总载波数N为2048，不同参数下的仿真结果如图2所示，可以看出在BPSK调制方式、M＝256、Q＝8条件下，系统的ΔPAPR最大。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种单载波频分多址与预留子载波结合的峰均比抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：定义有效信号功率，综合考虑TR算法的PAPR抑制效果以及输出信号的功率，定义有效信号功率ΔE为峰均比抑制后数据子载波实际的信号功率增益，并获得最优的预留子载波比例；
步骤B：TR与SC-FDM结合的PAPR抑制，在SC-FDM与TR结合的系统中，通过步骤A找到最优的预留子载波比例，在此基础上分别仿真比较不同的调制方式、DFT以及IDFT长度下的峰均比抑制效果，获得最优值。
2.根据权利要求1所述的一种单载波频分多址与预留子载波结合的峰均比抑制方法，其特征在于，所述的步骤A)最优的预留子载波比例获得具体为：在所有子载波个数一定时，仿真不同预留子载波比例下的有效信号功率增益大小，获得有效信号功率值最大的比例为最优的预留子载波比例。
3.根据权利要求2所述的一种单载波频分多址与预留子载波结合的峰均比抑制方法，其特征在于，所述的最优的预留子载波比例具体计算过程如下：
步骤A1：分析TR算法的PAPR增益,考虑TR算法中的预留子载波位置是随机分布的，所以PAPR增益只与预留子载波的个数有关，定义α为预留的子载波数Nr与所有的载波数N的比值，即通过理论分析计算出TR算法得到的PAPR增益其中与是发送时域信号的最大值与第二大值，当载波总数N不变时，α变化会引起参数δ变化进而影响TR算法的PAPR增益；
步骤A2：综合考虑PAPR增益以及发送信号功率，通过有效信号功率ΔE来衡量TR算法的性能；定义为其中ΔPAPR1为TR算法得到的PAPR增益，E(|xn|2)和分别代表TR处理前后的信号的平均功率，故第二项表示TR算法处理过后的信号功率的衰减；通过优化参数α来使ΔE最大，即可得到最佳的预留子载波数。
4.根据权利要求1所述的一种单载波频分多址与预留子载波结合的峰均比抑制方法，其特征在于，所述的步骤B具体包括以下步骤：
步骤B1：在使用TR算法的SC-FDM系统中，PAPR增益ΔPAPR分为两部分，ΔPAPR＝ΔE+ΔPAPR2，ΔE为步骤A中定义的有效信号功率，ΔPAPR2为SC-FDM系统的PAPR增益；
步骤B2：利用ΔPAPR来对SC-FDM系统的参数进行优化，首先由步骤A得到最优的预留子载波比例α，在TR与SC-FDM结合的系统中，保持α为该比例不变，仿真不同的调制指数K、DFT长度M、IDFT长度Q*M值下的ΔPAPR值，选使ΔPAPR最大的参数值为最优。
5.根据权利要求4所述的一种单载波频分多址与预留子载波结合的峰均比抑制方法，其特征在于，所述的ΔPAPR2受SC-FDM系统参数的影响，包括调制指数K、DFT长度M、IDFT长度Q*M。
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