CN106685876B - 一种降低ofdm系统峰均功率比的多维pts方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低OFDM系统峰均功率比的低复杂度多维快速部分序列传输方法，解决了部分序列传输方法在OFDM系统中降低传输信号的高峰均功率比需要高计算复杂度的问题。传输信号经过分块并构成多个二维平面，采用平面搜索方法对其进行次优搜索，该方法不仅减少部分序列传输方法搜索的次数，而且几乎不会降低优化峰均比的性能，可以实现系统计算复杂度和PAPR性能改善的折衷。

Description

一种降低OFDM系统峰均功率比的多维PTS方法

技术领域

本发明涉及移动通信领域，特别是涉及一种降低OFDM系统峰均功率比的多维PTS方法。

背景技术

正交频分复用技术(OFDM)采用特殊的多载波窄带传输体制，其多载波之间相互正交，具有良好的抗多径干扰能力，可将频率选择性多径衰落信道转化为平坦衰落信道，减小了多径衰落的影响。但是，OFDM信号是由多个频率不同、振幅不同的信号叠加而得到的，具有很高的峰均功率比(PAPR)。所以在具体实现时必须采用具有大动态范围的线性高功率放大器，这不仅限制了功率放大器的使用效率也增加了系统的造价和实现难度。为此，很多学者从多方面进行了分析，提出了很多有效的降低PAPR方法，目前来看，有这样主要有3大类：(1)信号失真技术，文献“Armstrong,J,Peak-to-average power reduction for OFDM byrepeated clipping and frequency domain filtering,Electronics Letters,Vol.38,N0.5,pp.246-247,2002”与“Zhu X D,Zhu G X,Lin P,Transforming the distributionof OFDM signals for peak-to-average power ratio reduction,Eur TransTelecommun,Vol21,No.2,pp.352–362,2010”分别运用了限幅法和压扩法，该技术是最简单最直接的降低峰均比的非线性方法，但前者引入的带内失真和带外辐射会严重地降低系统的性能，后者利用压扩函数和逆变换函数实现峰均比的降低。(2)编码技术，文献“TsaiYC,DengSK,ChenKC,etal.TurbocodedOFDMforreducingPAPRanderrorrates[J].WirelessCommunications,IEEETransactionson,2008,7(1):84-89”，算法思想是利用不同的编码方式规避了可能产生较高PAPR的码元的出现，但是编码过程较为复杂；(3)概率类技术(通过选择映射法(SLM)和部分序列传输法(PTS))。文献“Xiaoke Qi,A Low ComplexityPTS Scheme Based on Tree for PAPR Reduction,Communications Letters,IEEE,Vol.16,No.9,pp.1486–1488,2012”提出的PTS具有良好PAPR抑制性能、信号无失真等优点。但常规PTS(C-PTS)对所有可能相位穷尽搜索，其计算复杂度呈指数增加，因此计算量很大,所以很多研究者提出了相关的改进方法。在本专利中提出了一种二维搜索迭代的Ant-PTS算法，可以在大量的旋转向量中快速找到最优解，该方法降低了计算复杂度的同时也抑制了过高的PAPR。

发明内容

为了改善传统部分序列传输算法在OFDM系统中高计算复杂度的缺点，本发明提出了使用大量相位因子并且快速优化的Ant-PTS算法，并可以有效地应用于实际通信系统中的方法。

本发明的创新之处在于采用大量相位因子并快速搜索的方式，降低了计算复杂度同时获得了良好的PAPR性能。

本发明是一种降低OFDM系统峰均功率比的低复杂度多维快速部分序列传输方法，所述方法具体过程包括以下步骤：

步骤1、假定OFDM系统有N个子载波，输入二进制数据比特流，调制得到映射信号，经过串并转换后获得一个OFDM信号序列可表示为：X＝[X₀，X₁，...，X_N-1]，分子块数V，将其进行交织分割，分割后得到k个独立的子块为X_k，k＝1，2，...，V，则原始序列可以表示为：

设置W个不同相位因子，相位因子可以表示为：

m表示相位因子序号，k表示分割子块序号；

步骤2、对于第k个子块，V为奇数时，令相位因子

中m取值为1；V为偶数时，令相位因子

与

中m取值都为1，其余相位因子两两一组构成多个二维平面，然后在这些平面上设置一些初始点；

步骤3、使其它相位因子不变，以步骤2设置的初始点为中心，在第一个平面上进行搜索，计算它以及周围8个点中相位因子所对应的PAPR值，选择能取到最小PAPR值的点进行移动，直到周围的点都不能取到更小的PAPR值，构成平面的前一个子块的相位因子为X轴，后一块为Y轴，设初始点所处平面的坐标为

则它所能比较的8个点的坐标为

其中

表示初始点移动的步长；

步骤4、依次计算出所有初始点所能达到的位置，选取其中能取到PAPR最小值的相位因子为最优解并记录；

步骤5、保持其他平面对应的相位因子不变，对下一个平面进行搜索，重复这些步骤直至所有平面搜索完毕并依次记录，最后得到最优相位因子

步骤6、在信号传输中使用最优相位因子

得到最小的峰均功率比。

假设保留

然后与另外8个相位因子对应的PAPR进行比较选取其中PAPR最小的保留。两组比较的相位因子会有三个或者五个重复，所以除去第一次，之后的比较中至多需要计算其中五个相位因子对应的PAPR。传统PTS算法：当分块数为V、相位因子数W时，产生的备选序列数为W^V-1。当OFDM信号的子载波数为N、过采样率为L时，一次IFFT运算需要的复数乘法和实数加法次数分别为LN/2log₂LN和2LNlog₂LN。因此，在产生备选序列W^V-1时，传统PTS算法需要V次LN点的IFFT运算得到V个时域子块信号，2(V-1)W^V-1次LN点的实数加法得到W^V-1个备选序列，总共需要的复数乘法和实数加法次数分别为

和2VLNlog₂LN+2(V-1)N^V-1LN+N^V-1LN-1。对于Ant-PTS算法，初始点的数量A，以及步长

的选取，会影响初始点的搜索次数S_a(a＝1，2，...，A)。得到最优解所需的复数乘法和实数加法分别为

和

一般使用计算复杂度降低比(computational complexity reduction ratio,CCRR)，其定义为

当相位因子一直增大时，PAPR性能呈对数增长。并且过高的相位因子数量也会增加所传输的边带信息，所以一般可根据实际情况取性能与边带信息大小的折中。当子块数量增加时，Ant-PTS会有较大性能的提升。

附图说明

图1是一种降低OFDM系统峰均功率比的低复杂度多维快速部分序列传输方法主要实现过程示意图，首先在OFDM系统各分割子块构成的平面上设置初始点，然后使初始点与周围的点比较，朝向峰均功率比更低的点移动，经过多次比较直至不能移动，最后选取所有达到的终点中的最优解；

图2是初始点的移动示意图，初始点与周围8个点经行比较，选择能取到最小PAPR值的点经行移动；

图3是Ant-PTS算法的取不同相位因子数量时的仿真曲线图，“原始信号”表示原始OFDM信号PAPR的CCDF曲线，“Ant-PTS(w＝60)”表示相位数量取60时采用Ant-PTS算法的OFDM信号PAPR的CCDF曲线，“Ant-PTS(w＝180)”表示相位数量取180时采用Ant-PTS算法的OFDM信号PAPR的CCDF曲线，“Ant-PTS(w＝360)”表示相位因子数量取360时采用Ant-PTS算法的OFDM信号PAPR的CCDF曲线，CCDF是为了表示OFDM系统中的峰均值PAPR的统计特性所引入的的概念，它定义为多载波传输系统中峰均值超过某一门限值PAPR0的概率，图中可以看出当相位因子数由4增大到60时，C-PTS算法的性能提升了0.68dB；

图4是Ant-PTS算法与传统和对比算法的PAPR仿真曲线图，“C-PTS”表示采用传统PTS算法的OFDM信号PAPR的CCDF曲线，“Ant-PTS(A＝9)”表示采用Ant-PTS算法并取初始点为9的OFDM信号PAPR的CCDF曲线，“Ant-PTS(A＝5)”表示采用Ant-PTS算法并取初始点为5的OFDM信号PAPR的CCDF曲线，“T-PTS”表示对比文献“Xiaoke Qi,ALow Complexity PTSScheme Based on Tree for PAPR Reduction”,Communications Letters,IEEE,Vol.16,No.9,pp.1486–1488,2012”中的PTS算法信号的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)；图中表示出了子块数V分别为4与8时，传统PTS算法与Ant-PTS算法和T-PTS算法的性能对比，可见当初始点A＝9时，Ant-PTS算法性能会优于T-PTS算法并且逼近传统PTS算法。

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。本发明是一种降低OFDM系统峰均功率比的低复杂度多维快速部分序列传输方法，所述方法具体过程包括以下步骤：

步骤1假定OFDM系统有2048个子载波，输入二进制数据比特流，调制得到映射信号，经过串并转换后获得一个OFDM信号序列可表示为：X＝[X₀，X₁，...，X₂₀₄₇]，分子块数8，将其进行交织分割，分割后得到k个独立的子块为X_k，k＝1，2，...，8则原始序列可以表示为：

设置60个不同相位因子，相位因子可以表示为：

m表示相位因子序号，k表示分割子块序号；

步骤2对于第k个子块，令相位因子

与

中m取值都为1，其余子块相位因子两两一组构成多个二维平面，然后在这些平面上设置一些初始点；

步骤3使其它相位因子不变，以步骤二设置的初始点为中心，在第一个平面上进行搜索，计算它以及周围8个点中相位因子所对应的PAPR值，选择能取到最小PAPR值的点进行移动，直到周围的点都不能取到更小的PAPR值，构成平面的第二子块的相位因子为X轴，第三子块为Y轴，设初始点所处平面的坐标为

则它所能比较的8个点的坐标为

其中

表示初始点移动的步长；

步骤4依次计算出所有初始点所能达到的位置，选取其中能取到PAPR最小值的相位因子为最优解并记录；

步骤5保持其他平面对应的相位因子不变，对下一个平面进行搜索，重复这些步骤直至所有平面搜索完毕并依次记录，最后得到最优相位因子

步骤6、在信号传输中使用最优相位因子

得到最小的峰均功率比。

图3是Ant-PTS算法的取不同相位因子数量时的仿真曲线图，给出了当分块数V＝2，初始点数量A＝5，Ant-PTS算法分别在W＝60,W＝180,W＝360时的曲线。当分别使用W＝60，W＝180和W＝360备选序列时，在CCDF＝0.1％处，分别达到了8.92dB、8.43dB和8.19dB。可见，当使用相位因子数为180时，比使用相位因子数为60时PAPR性能提高了0.49dB，而使用相位因子数360时比使用相位因子数为180时，PAPR性能仅提高了0.24dB。这表明，当相位因子增大时，提升PAPR性能的能力会衰减，并最终收敛与某一值。并且过高的相位因子数量也会增加所传输的边带信息，所以一般可根据实际情况取性能与边带信息大小的折中；

图4是Ant-PTS算法与传统和对比算法的PAPR仿真曲线图，图中表明当仿真次数为1*104，子块数量V＝8时，在CCDF＝0.1％处，C-PTS会领先Ant-PTS(A＝9)约0.1dB的性能。而Ant-PTS(A＝9)则会超越T-PTS算法约0.05dB，但Ant-PTS(A＝5)却落后其约0.1dB。在子块数量V＝4时，Ant-PTS方法(A＝9)与C-PTS方法的性能几乎相同，而对于T-PTS与Ant-PTS(A＝5)分别会有0.05dB与0.1dB性能的提高。可见，当子块数量增加时，Ant-PTS性能的提升相比T-PTS算法更为显著。

Claims (1)

1.一种降低OFDM系统峰均功率比的多维PTS方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、假定OFDM系统有N个子载波，输入二进制数据比特流，调制得到映射信号，经过串并转换后获得一个OFDM信号序列可表示为：X＝[X₀，X₁，...，X_N-1]，分子块数V，将其进行交织分割，分割后得到k个独立的子块为X_k，k＝1，2，...，V，则原始序列可以表示为：

设置W个不同相位因子，相位因子可以表示为：

m表示相位因子序号，k表示分割子块序号；

步骤2、对于第k个子块，V为奇数时，令相位因子

中m取值为1；V为偶数时，令相位因子

与

中m取值都为1，其余相位因子两两一组构成多个二维平面，然后在这些平面上设置一些初始点；

步骤3、使其它相位因子不变，以步骤2设置的初始点为中心，在第一个平面上进行搜索，计算它以及周围8个点中相位因子所对应的PAPR值，选择能取到最小PAPR值的点进行移动，直到周围的点都不能取到更小的PAPR值，构成平面的前一个子块的相位因子为X轴，后一块为Y轴，设初始点所处平面的坐标为

则它所能比较的8个点的坐标为

其中

表示初始点移动的步长；

步骤4、依次计算出所有初始点所能达到的位置，选取其中能取到PAPR最小值的相位因子为最优解并记录；

步骤5、保持其他平面对应的相位因子不变，对下一个平面进行搜索，重复这些步骤直至所有平面搜索完毕并依次记录，最后得到最优相位因子

步骤6、在信号传输中使用最优相位因子

得到最小的峰均功率比。

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