CN110351216A - 一种基于预编码的部分传输序列峰均比抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信领域，提出了一种基于预编码的部分传输序列峰均比抑制方法，针对传统部分传输序列对峰均比抑制程度不够的问题，本发明的方法通过将编码方法应用在部分传输序列方法中，利用Walsh‑Hadamard矩阵对数字映射模块之后的数据进行预编码。由于Walsh‑Hadamard矩阵能够降低频域信号的自相关性，从而减小系统的峰均比。本发明中改进的部分传输序列峰均比抑制算法相较于传统峰均比抑制算法具有更优的性能。

Description

一种基于预编码的部分传输序列峰均比抑制方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种基于预编码的部分传输序列峰均比抑制方法。

背景技术

正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiple)技术凭借抗多径能力强、频谱利用率高、易于与其他多种接入方法相结合等特性，在第四代移动通信(4G，The Fourth Generation)系统中广泛使用并被制定在多项标准中，如3GPP的长期演进(LTE，Long Term Evolution)。同时在5G通信系统中，OFDM技术仍将不可或缺。OFDM系统的主要缺点之一是信号峰值功率与平均功率的比值(PAPR，Peak-to-average Power Ratio)偏高。这里PAPR公式表示为：其中x_n表示经过IFFT运算之后得到的输出信号，max{·}表示最大值，E{·}表示平均值。而当高峰值信号进入系统发射端功率放大器饱和区时，会产生很大的带内失真和带外辐射，引起信号失真和临带干扰，导致系统性能恶化。为了无失真的传输OFDM信号，要求发射端具有很大的线性范围，这就提高了系统设计的成本，限制了OFDM技术的广泛应用。

部分传输序列(PTS，Partial Transmit Sequence)是降低OFDM信号PAPR的一种常用方法，它的基本思想是将原始序列分割成V个不同的子块，分别附以不同的加权系数后合并，通过改变权重向量使PAPR尽可能小。传统PTS的基本原理如下：

输入数据符号X＝[X₀,X₁,…,X_N-1]首先被分割为V个子块，对每一个子块进行相位加权并合并，得到其中为加权系数，称为边带信息，v＝1,2,…,V为子块序号。经过IFFT运算后得到时域OFDM符号：

其中，b^v的选择应满足

从理论上来说，b_v的值可以在[0,2π)之间任取，以求得PAPR抑制的最佳性能，但当集合中包含的相位值数目W很大时，b_v共有W^V种可能取值，每个符号需要V·W^V次IFFT才能最终确定加权系数，这样的计算量过于巨大，不适合OFDM通信系统的应用。因此需要限制b_v的取值范围，降低系统的计算复杂度。为降低复杂度，仅在一个有限的集合中选择相位因子b_v。因为允许的相位因子集合是b＝{e^j2πi/W|i＝0,1,…,W-1}，所以应该在W^V-1个相位因子集合中搜索最佳的相位因子集合。其中一种特别的方法是使用二进制相位因子{1,-1}的次优组合算法。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于预编码的部分传输序列峰均比抑制方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于预编码的部分传输序列峰均比抑制算法，具体步骤如下：

(1)将OFDM发射端待处理的串行数据进行串并转换；

(2)将得到的并行数据通过数字映射模块变换为数字映射数据；

(3)利用Walsh-Hadamard变换矩阵进行变换；

(4)将数字映射数据进行编码；

(5)将编码后的数据进行PTS操作，最终得到发射端的待发射信号序列。

所述的将OFDM发射端待处理的串行数据进行串并转换，转换后得到并行数据。

所述的将得到的并行数据通过数字映射模块变换为数字映射数据是对并行数据进行数字映射，得到N个已映射的数据；利用数字调制器，对二进制比特流进行数字调制，得到OFDM系统的调制信号。

所述的利用Walsh-Hadamard变换矩阵进行变换是生成一个N×N的Walsh-Hadamard编码矩阵，N阶Walsh-Hadamard矩阵生成方式如下：

所述的将数字映射数据进行编码是将通过上述方法产生的Walsh-Hadamard矩阵与OFDM系统的数字调制信号相乘，生成一组预编码的序列。

所述的将编码后的数据进行PTS操作：

(1)采用相邻分割的方式将输入数据块分成V个子块；

(2)对V个子块的数据分别进行逆傅里叶变换；

(5)设置所有的相位因子b_v＝1,v＝1,2,…,V，对每个子块进行加权合并，计算信号的PAPR：

将其设为PAPR_min；

(6)设置v＝2，在b_v＝-1的情况下，再次计算PAPR；

(7)如果PAPR>PAPR_min，那么b_v＝1，相位因子b中第v个值恢复到1；否则，更新PAPR＝PAPR_min；

(8)如果v＜V，那么v加1，然后回到步骤(7)，否则将对应的相位因子作为得到的最优的相位因子

(9)将得到的最优相位因子与傅里叶变换之后的数据相乘，作为最优的序列发送。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明通过对部分传输序列操作前的数据进行峰均比减小的预编码，克服了现有技术存在的正交频分复用信号峰均比降低幅度不够大的缺点。在相同的分块数的条件下具有峰均比降低幅度比较大的优点，可以满足移动用户终端设备对峰均比性能值的要求。

附图说明

图1为算法框图；

图2为本方法的流程图；

图3为相邻分割示意图；

图4为峰均比性能曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种基于预编码的部分传输序列峰均比抑制方法。

本发明的目的是提出一种基于预编码的部分传输序列峰均比抑制算法。

本发明的目的是这样实现的：先将OFDM发射端待处理的串行数据进行串并转换，将得到的并行数据通过数字映射模块变换为数字映射数据。利用沃尔什-哈达玛变换(WHT,Walsh-Hadamard Transform)矩阵进行变换，将数字映射数据进行编码，将编码后的数据进行PTS操作，最终得到发射端的待发射信号序列。

本发明实现上述目的的具体步骤如下：

(1)将输入的OFDM的串行数据进行串并变换，并进行数字映射，得到N个已映射的数据；

(2)生成一个N×N的Walsh-Hadamard编码矩阵，并与输入数据相乘，生成已编码的数据；

(3)采用相邻分割的方式将输入数据块分成V个子块；

(4)对V个子块的数据分别进行逆傅里叶变换；

(5)设置所有的相位因子b_v＝1,v＝1,2,…,V，对每个子块进行加权合并，计算信号的PAPR，将其设为PAPR_min；

(6)设置v＝2，在b_v＝-1的情况下，计算PAPR；

(7)如果PAPR>PAPR_min那么b_v＝1；否则，更新PAPR＝PAPR_min；

(8)如果v＜V，那么v加1，然后回到步骤(7)，否则得到最优的相位因子

(9)将得到的最优相位因子与傅里叶变换之后的数据相乘，作为最优的序列发送。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明通过对部分传输序列操作前的数据进行峰均比减小的预编码，克服了现有技术存在的正交频分复用信号峰均比降低幅度不够大的缺点。在相同的分块数的条件下具有峰均比降低幅度比较大的优点，可以满足移动用户终端设备对峰均比性能值的要求。

本发明提供了一种基于预编码的部分传输序列峰均比抑制方法，部分传输序列算法进行分组之前，对整个序列进行Walsh-Hadamard变换，得到一个预编码的待传输序列。流程图如图2所示，包括以下步骤：

步骤一：将输入的OFDM的串行数据进行串并变换，并进行数字映射，得到N个已映射的数据。

利用数字映射器，对二进制比特流进行数字映射，得到OFDM系统的数字映射信号，所用的数字映射方式由OFDM系统的参数决定。

步骤二：生成一个N×N的Walsh-Hadamard编码矩阵，并与数字映射后的数据相乘，生成已编码的数据。

Walsh-Hadamard矩阵是一种编码矩阵，能够降低频域信号的自相关性，Walsh-Hadamard矩阵是正交矩阵的一种，由+1和-1两种元素组成，并且可以通过递推生成。以N阶Walsh-Hadamard矩阵为例，其生成方式如下：

矩阵前的系数为归一化系数。

将通过上述方法产生的Walsh-Hdamard矩阵与OFDM系统的数字映射信号相乘，生成一组预编码的序列。

步骤三：将输入数据块分成V个子块。

子块的分割方式为相邻分割。如附图3所示，信号点个数为N，分成V个子块，每个子块中信号点数为N/V。在相邻分割中，信号点在子块中保持连续分布，对分配的信号点之外的其他点进行补零。

步骤四：对V个子块的数据进行逆傅里叶变换。

分别对V个子序列进行逆傅里叶变换，得到V个长度为N/V的时域子序列。

步骤五：设置所有的相位因子b_v＝1,v＝1,2,…,V，计算加扰时域子序列的PAPR，将其设为PAPR_min。

峰均功率比定义为OFDM信号的最大峰值功率和同一信号平均功率之比：

将步骤四中得到的V个时域子序列与相位因子b相乘，可以得到一个加扰的OFDM时域子序列，并计算其峰均功率比。将该值设置为当前峰均功率比的最小值

步骤六：设置v＝2，在b_v＝-1的情况下，再次计算序列的PAPR。

将相位因子中的第二个值替换为-1，再次与步骤四中得到的时域子序列相乘，得到一个新的加扰OFDM时域子序列，计算其峰值均值功率比并记为PAPR。

步骤七：如果PAPR>PAPR_min那么b_v＝1；否则，更新PAPR＝PAPR_min。

将步骤六中得到的PAPR与步骤五中记录的当前峰均比的最小值PAPR_min作比较，若当前最小值PAPR_min小于PAPR，则将相位因子b中第v个值恢复到1，若当前最小值PAPR_min大于PAPR，则使用当前的PAPR值替换PAPR_min。

步骤八：如果v＜V，那么v加1，设置b_v＝-1，并计算序列的PAPR然后回到步骤七，否则得到最优的相位因子

在v小于分组的数目V时，那么v加1，设置b_v＝-1，并计算序列的PAPR。重复步骤七，直到v＝V，得到的PAPR_min即为当前相位因子集合下所能得到的最小峰值均值功率比，其对应的相位因子也为最优相位因子。

步骤九：将得到的最优相位因子与傅里叶变换之后的数据相乘，作为最优的序列发送。

仿真实验

下面通过本发明的仿真实验对本发明的效果做进一步说明。

1.仿真条件：

本发明的仿真实验使用Matlab2018a仿真软件，系统参数N为256，V设置为4，数字映射方式选择QPSK映射，分块方法为顺序分块。仿真的OFDM符号块数为3000个。

2.仿真内容

本发明的仿真实验是使用本发明和现有的次优部分传输序列方法(sub-optimalPTS，Sub-optimal Partial Transmit Sequence)，分别对OFDM发射端的信号进行处理，得到两条峰均比性能曲线如图4所示。图4中的横轴表示OFDM系统信号峰均比门限值，单位dB，纵轴表示互补累积分布函数。图4中正方形标志的曲线表示本发明提出的方法对OFDM系统发射端的信号进行处理后的峰均比性能曲线，以菱形标志的曲线表示次优部分传输序列方法对OFDM系统发射端的信号进行处理后的峰均比性能曲线。圆圈标志的曲线表示OFDM系统发射端信号的峰均比性能曲线。

3.仿真结果

由图4可见，本发明在互补累积分布函数为10^-3时，与OFDM原始信号相比，有2.8dB的性能提升，与现有次优部分传输序列方法有接近0.5dB的性能提升。由此可见本发明与现有的次优部分传输序列方法相比，能够显著的降低OFDM系统传输信号的峰均比。

综上所述：本发明属于无线通信领域，提出了一种基于预编码的部分传输序列方法，针对传统部分传输序列对峰均比抑制程度不够的问题，本发明的方法通过将编码方法应用在部分传输序列方法中，利用Walsh-Hadamard矩阵对数字映射模块之后的数据进行预编码。由于Walsh-Hadamard矩阵能够降低频域信号的自相关性，从而减小系统的峰均比。本发明中改进的部分传输序列峰均比抑制算法相较于传统峰均比抑制算法具有更优的性能。

Claims (6)

1.一种基于预编码的部分传输序列峰均比抑制算法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)将OFDM发射端待处理的串行数据进行串并转换；

(2)将得到的并行数据通过数字映射模块变换为数字映射数据；

(3)利用Walsh-Hadamard变换矩阵进行变换；

(4)将数字映射数据进行编码；

(5)将编码后的数据进行PTS操作，最终得到发射端的待发射信号序列。

2.根据权利要求1所述的一种基于预编码的部分传输序列峰均比抑制算法，其特征在于：所述的将OFDM发射端待处理的串行数据进行串并转换，转换后得到并行数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于预编码的部分传输序列峰均比抑制算法，其特征在于：所述的将得到的并行数据通过数字映射模块变换为数字映射数据是对并行数据进行数字映射，得到N个已映射的数据；利用数字调制器，对二进制比特流进行数字调制，得到OFDM系统的调制信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于预编码的部分传输序列峰均比抑制算法，其特征在于：所述的利用Walsh-Hadamard变换矩阵进行变换是生成一个N×N的Walsh-Hadamard编码矩阵，N阶Walsh-Hadamard矩阵生成方式如下：

5.根据权利要求1所述的一种基于预编码的部分传输序列峰均比抑制算法，其特征在于：所述的将数字映射数据进行编码是将通过上述方法产生的Walsh-Hadamard矩阵与OFDM系统的数字调制信号相乘，生成一组预编码的序列。

6.根据权利要求1所述的一种基于预编码的部分传输序列峰均比抑制算法，其特征在于：所述的将编码后的数据进行PTS操作：

(1)采用相邻分割的方式将输入数据块分成V个子块；

(2)对V个子块的数据分别进行逆傅里叶变换；

(5)设置所有的相位因子b_v＝1,v＝1,2,…,V，对每个子块进行加权合并，计算信号的PAPR：

将其设为PAPR_min；

(6)设置v＝2，在b_v＝-1的情况下，再次计算PAPR；

(7)如果PAPR>PAPR_min，那么b_v＝1，相位因子b中第v个值恢复到1；否则，更新PAPR＝PAPR_min；

(8)如果v＜V，那么v加1，然后回到步骤(7)，否则将对应的相位因子作为得到的最优的相位因子

(9)将得到的最优相位因子与傅里叶变换之后的数据相乘，作为最优的序列发送。