CN111770042B - 一种用于广义频分复用系统的峰均比抑制方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于广义频分复用系统的峰均比抑制技术，该技术通过加权的窗函数以串行和并行联合的方式，对广义频分复用系统中信号的高峰值进行快速且有效的抑制处理。

Description

一种用于广义频分复用系统的峰均比抑制方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信物理层领域，尤其涉及多载波传输技术中的广义 频分复用传输技术。在实现方式中，本发明更具体地涉及用于广义频分复 用系统的峰均比抑制方法。

背景技术

移动通信已成为现代社会的重要工具。从第三代(Third Generation， 3G)通信网络后程改进开始，至4G通信网络上下行链路的关键传输技术， 直至5G通信网中增强型移动宽带(enhanced Mobile Broadband，eMBB) 场景，基于正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing， OFDM)的多载波传输技术上得到了广泛研究和应用。但是，针对5G通 信网络的其它场景，OFDM只能以有限的方式解决这些应用场景所面临的挑战。例如，在机器类通信(Machine Type Communication，MTC)中， 低功耗需要系统具有严格的同步过程，OFDM因其子载波间正交性对同步 非常敏感而不能够适应该场景的需求。在超可靠低时延通信(ultra-Reliable Low Latency Communication，uRLLC)场景中，OFDM信号的每个符号都 需要一个循环前缀(Cyclic Prefix，CP)，这不仅增加了信号的响应时间， 而且还会降低系统的频谱效率。此外，OFDM的带外功率辐射较高，对动 态频谱接入提出了更高的挑战。这使得OFDM不能够适用于下一代移动 通信网络中物理层的所有场景。

为了解决这些场景下的问题，需要一种灵活的多载波调制方案，称为 广义频分复用(Generalized Frequency Division Multiplexing，GFDM)。 GFDM基于独立块的调制，每个块由多个子载波和子符号组成，利用在时 域和频域中循环移位的原型滤波器将数据调制到多个子载波和多个子符 号上。因其滤波器旁瓣较低，所以GFDM减少了带外功率辐射，使得离 散频谱和动态频谱的分配成为可能，且不会对现有服务和其他用户造成严 重干扰。而且，相比OFDM，GFDM能够减少CP的使用数量，从而能够 适用于低延时的通信场景。但是，GFDM继承了OFDM的高峰均比 (Peak-to-Average-Power Ratio，PAPR)问题，该问题容易因其放大器的 非线性失真，恶化系统的传输性能，降低放大器的效率。

因为GFDM与OFDM的信号构成不同，传统的适于OFDM的峰均比 抑制方法可能不会高效地抑制GFDM信号的高峰值。针对GFDM的峰均 比抑制的难点在于，如何利用GFDM的滤波器对信号的峰值进行快速的 抑制。

提供该背景信息是为了揭示申请人认为可能与本发明相关的信息。无 需承认也不应解释为任何前述信息构成了本发明的现有技术。

发明内容

本发明提供一种GFDM系统峰均比抑制的方法，该方法能够对GFDM 系统中的峰均比进行快速有效的抑制。

本发明提供一种GFDM系统峰均比抑制的装置，该装置能够对GFDM 系统中的峰均比进行快速有效的抑制。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种GFDM系统峰均比抑制的方法，其特征在于，所述方法包括并 行处理过程和串行处理过程。

所述并行处理过程包括：

以抵消窗函数的长度为样点的位置索引的搜索间隔，并行提取GFDM 信号的多个时域样点；

将提取出的所述多个时域样点的幅值分别与给定的门限比较，保留幅 值超过门限的样点的位置索引；

将所述超过门限的样点进行峰值判定，保留判定为峰值的样点的位置 索引；

对所述判定为峰值的样点进行并行的峰值抵消处理。

所述串行处理过程包括：

顺次提取所述多个时域样点的下一个相邻样点，实现对信号样点的串 行检索。

一种GFDM系统峰均比抑制的装置，该装置包括：并行处理模块和 串行处理模块。

所述并行处理模块包括：

样点提取单元，用于以抵消窗函数的长度为样点的位置索引的搜索间 隔，并行提取GFDM信号的多个时域样点；

门限比较单元，用于将提取出的所述多个时域样点的幅值分别与给定 的门限比较，保留幅值超过门限的样点的位置索引；

峰值判定单元，用于将所述超过门限的样点与其前后相邻的样点进行 幅值比较，用以进行峰值判定，保留判定为峰值的样点的位置索引；

峰值抵消单元，用于对所述判定为峰值的样点用加权的窗函数进行并 行的峰值抵消处理。

所述串行处理模块，用于顺次提取所述样点提取单元提取的所述多个 时域样点的下一个相邻样点，实现对信号样点的串行检索。

可见，本发明的GFDM系统峰均比抑制的方法和装置，提出了串并 结合的峰值抵消方式，该方法引入了并行处理方式，相比传统的串行处理 方式，提升了算法的处理速度；同时结合串行处理方式，对峰值点进行精 确的抵消处理，减少了窗函数额外叠加导致的过度增幅或衰减，使得系统 在传输性能上的损失较小。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述，本发明的其它特征和优点将变得显而 易见，其中：

图1A和1B是GFDM系统和GFDM发射机调制模块的框图。

图2示出了串并结合的峰值抵消方法的实现方式。

图3示出了提出的串并结合的峰值抵消方法的算法框图。

图4示出了提出的串并结合的峰值抵消方法的算法流程图。

图5A给出了在GFDM子载波数量为64，滤波器滚降系数为0.1时提 出算法PAPR的互补累计分布函数(Complementary Cumulative Distribution Function，CCDF)图。

图5B给出了在GFDM子载波数量为64，滤波器滚降系数为0.9时提 出算法PAPR的CCDF图。

图5C给出了在GFDM子载波数量为256，滤波器滚降系数为0.1时 提出算法PAPR的CCDF图。

图5D给出了在GFDM子载波数量为256，滤波器滚降系数为0.9时 提出算法PAPR的CCDF图。

图6A示出了在GFDM子载波数量为64时提出算法的功率谱密度 (Power SpectrumDensity，PSD)图。

图6B示出了在GFDM子载波数量为256时提出算法的PSD图。

图7A示出了在GFDM子载波数量为64，加性高斯白噪声信道下提出 算法的误码率(Bit Error Rate，BER)图。

图7B示出了在GFDM子载波数量为256，加性高斯白噪声信道下提 出算法的BER图。

图7C示出了在GFDM子载波数量为64，瑞利多径信道下提出算法的 BER图。

图7D示出了在GFDM子载波数量为256，瑞利多径信道下提出算法 的BER图。

应注意，在所有附图中，相同的特征由相同的附图标记标识。

具体实现方式

本申请涉及用于广义频分复用系统的峰均比抑制方法。特别地，本申 请涉及用于串并结合的峰值抵消方法。

GFDM系统的基本思想是将一个时隙划分为M个等间隔的时隙T_s，每 个时隙对应的有效带宽划分为K个等间隔的子信道，从而每个子信道占用 带宽为1/T_s。GFDM系统的收发信机实现过程如图1A所示。

在发射端，块101产生的比特数据流经过块102的星座点映射，包括： 相移键控(Phase Shift Keying，PSK)或正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)，得到复数数据，复数数据经过块103的GFDM调制 后形成GFDM信号。在GFDM调制中，如图1B所示，将复数数据流经 块113的串并转换后划分为等长度的组，每组包含KM个数据，表示为向量

其中d_m＝[d_0，m，d_1，m，…，d_K-1，m]^T，[·]^T表示向量或矩阵的 转置。然后该向量组d中的元素依次通过块114的冲激函数、块115的原 型滤波器、块116的相位因子的处理后被分别映射到对应时隙的子载波上， 最后将KM个数据经块117进行叠加，得到基带GFDM信号：

其中，d_k，m表示第m+1个子符号、第k+1个子载波上的复数数据，发送滤波 器g_k，m(t)表示为：

其中，g(t)为原型滤波器，它的时移和频移构成了KM个d_k，m的发射机滤波 器。

最后，依次经过块105的添加CP和串并转换、块106的数模转换处 理后，GFDM信号通过天线发送出去。

针对公式(1)的GFDM信号，令时域采样间隔为T_samp＝T_s/JK，离散 时间的等效基带GFDM信号为：

其中，g_k，m(n)是g(n)经过时间和频率位移后的滤波器，表示为：

(·)_N表示除以N求余数的模运算，N＝JKM。将公式(3)写成矩阵形式为：

x＝Ad (5)

其中，x＝[x(0)，x(1)，…，x(N-1)]^T，矩阵A是发送滤波器矩阵，表示为：

A＝[g_0，0 … g_K-1，0 g_0，1 … g_K-1，M-1] (6)

g_k，m是发送滤波器向量，表示为：

根据公式(3)给出的时域过采样的离散GFDM信号，峰均比 (Peak-to-Average-Power Ratio，PAPR)定义为：

为了消除GFDM信号x(n)的高峰值，如图1A中块104所示，需要对 过采样后的GFDM信号进行峰均比抑制处理。本发明提出了如图2所示 的串并结合的峰值抵消方式，该方法引入了并行处理方式，相比传统的串 行处理，增加了算法的处理速度；同时结合串行处理方式，对峰值点进行 精确的抵消处理，减少了窗函数额外叠加导致的过度增幅或衰减，使得系 统在传输性能上的损失较小。

本发明将提出的算法归结为图3所示的五个主要步骤：步骤301以抵 消窗函数的长度为样点索引的搜索间隔，并行提取GFDM信号的多个时 域样点；步骤302将提取出的多个样点的幅值分别与给定的门限比较，保 留幅值超过门限的样点索引；步骤303将超过门限的样点进行峰值判定， 保留判定为峰值的样点索引；步骤304对超过门限的峰值点进行并行的峰 值抵消处理；步骤305顺次提取步骤301中提取样点的下一个相邻样点， 实现对信号样点的串行检索。

如图4所示，下面进一步给出了算法的详细实施步骤：

1)初始化：l＝1；

2)提取并行处理的样点索引集合n_I＝{l，L+l，...，N-L+l}，其中I＝N/L表示 集合n_I中元素个数；

3)令i＝1，n_i∈n_I，

其中I′表示n_I中超过门限TH的样点个数；

4)如果|x(n_i)|＞TH，则n_I′＝n_I′∪n_i；反之，转到步骤5)；

5)i＝i+1，如果i≤I，转到步骤4)；反之，转到步骤6)；

6)令i′＝1，n_i′∈n_I′，

其中I″表示n_I′中判定为峰值的样点个数；

7)如果|x(n_i′)|＞|x(n_i′+1)|，转到步骤8)；反之，转到步骤9)；

8)如果|x(n_i′)|＞|x(n_i′-1)|，则n_I″＝n_I″∪n_i′；反之，转到步骤9)；

9)i′＝i′+1，如果i′≤I′，转到步骤7)；反之，转到步骤10)；

10)对集合n_I″中元素对应的样点同时进行峰值抵消处理：

x_l+1(n)＝x_l(n)+c(n) (9)

其中，n_i″∈n_I″，α_i″和w(n)分别是抵消信号c(n)的加权值和窗函数。注意， 为了使得抵消信号带来的带内干扰在数据频带内均与分布，根据公式 (4)中GFDM的滤波器构造，w(n)设计成如下形式：

其中，f(n)是长度为的L的截断窗，用以控制w(n)的长度，可表示为：

其中，

是给定的基带窗函数，例如：汉宁窗、汉名窗、凯萨尔窗 等。

11)l＝l+1，如果l≤L，转到步骤2)；反之，算法终止。

经过上述算法的处理，得到峰均比抑制后的信号：

其中，集合Ф是由所有峰值抵消对应的峰值样点的索引构成的集合，上式 还可用向量的形式表示为：

其中，

向量c对应公式(14)等号右边的第二个求 和项，表示所有抵消信号的叠加。

在该算法中，因为样点的数量要大于等于超过门限的样点的数量，超 过门限的样点的数量要大于超过门限的峰值点的数量，所以我们可以得到： I″＜I′≤I和

在接收端，接收的GFDM信号依次经过块107至块112的处理后获 得接收信息。首先，经过无线信道，然后通过块107的模数转换后，接收 信号y(n)表示为：

其中，符号表示线性卷积，h(n)是时域信道冲激响应，z(n)是均值为零方 差为

的加性高斯白噪声。

假设接收机具有完美的时频同步，通过块108的去除CP和串并转换， 公式(16)可表示为：

其中，y＝[y(0)，y(1)，…，y(N-1)]^T，z＝[z(0)，z(1)，…，z(N-1)]^T，H是N×N维的循环 矩阵。假设h(n)是

径的瑞丽多径信道，且每条径的功率衰减是独立同分 布的，H可表示为：

利用迫零法对公式(16)中的接收信号进行块109的信道均衡，结合 公式(5)和(15)，得到：

其中，H^-1是H的逆矩阵。

为了通过块110解调GFDM信号，针对公式(18)中信道均衡后的 GFDM信号

本发明采用了迫零解调的方式：

最后，如图1A所示，经过GFDM解调处理后的数据

依次通过块111 的星座点解映射后得到块112的接收比特信息。从公式(19)可以看出， 信号的检测性能不仅受到信道的影响，而且会受到抵消信号的干扰。在本 发明提出的算法中，由于采用了串并结合的抵消方式，且抵消的目标是峰 值点而非幅值超过门限的任一样点，所以该算法能够在一定程度上减少抵 消信号带来的干扰，使得GFDM系统的误码率性能相比原始GFDM系统 损失不严重。

仿真采用了基带GFDM系统，其原型滤波器为升余弦滤波器，子载 波间隔为15000赫兹，时域过采样倍数为J＝4，CP长度为GFDM符号周 期长度的1/16，即N/16。抵消信号的截断窗采用长度为K/2的汉宁窗。瑞 利多径信道的多径时延是[0，30，150，310，370，710，1090，1730，25 10]纳秒，多径 平均功率衰减增益为[0，-1.5，-1.4，-3.6，-0.6，-9.1，-7.0，-12.0，-16.9]分贝。在提出 算法中，仿真示出了多次迭代的结果，在每次迭代过程中采用比较门限高 于目标门限TH，且随着迭代次数增加比较门限逐次递减到目标门限TH 的方式，实现对高峰值的有效抑制。

图5综合比较了在不同子载波数量，不同滤波器滚降系数，不同目标 门限TH情况下，提出算法、传统限幅法、原始GFDM信号的PAPR。从 图中可以看出，提出算法能够有效降低GFDM信号的PAPR。而且，随着 迭代次数的增加，提出算法的峰均比抑制性能快速趋近于传统限幅方法。 例如，在图5C中，当TH＝6dB，CCDF＝10^-3时，相比原始GFDM信号的PAPR＝15.3dB，对应第一至第三次迭代的提出算法的PAPR分别约为6.5dB、 5.1dB、4.3dB，限幅的PAPR约为4.1dB。

图6比较了在不同子载波数量，不同滤波器滚降系数，不同目标门限 TH情况下，提出算法、传统限幅法、原始GFDM信号的PSD。通过比较 可以看出，传统限幅方法带来了严重的带外辐射，而且随着目标门限的降 低，带外辐射急剧增加。提出算法通过采用窄带的抵消窗函数，使得峰值 抵消后GFDM信号的带外辐射接近原始GFDM信号的带外辐射。

图7综合比较了在没有信道编码的GFDM系统中，不同子载波数量， 不同滤波器滚降系数，不同目标门限TH，不同信道场景下，提出算法、 传统限幅法、原始GFDM信号的BER。从图中可以看出，随着目标门限 的增加，提出算法的误码率性能接近传统限幅法的误码率性能。而且，在 瑞利信道下，由于信道干扰，提出算法的误码率性能与限幅法和原始 GFDM的误码率性能差距相比高斯信道大大缩小。

总之，提出算法在有效抑制GFDM信号峰均比的情况下，能够避免 额外的带外辐射，从而保证了系统的频谱效率没有损失，且相比传统峰均 比抑制方法，提出算法能够保证较低的误码率，使得系统的传输性能损失 不大。

除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所 属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。

尽管已经参考本发明的具体特征和实施例描述了本发明，但显然可以 在不脱离本发明的情况下对其进行各种修改和组合。因此，说明书和附图 应简单地视为由所附权利要求限定的本发明的说明，并且预期涵盖落入本 发明范围内的任何和所有修改、变化、组合或等同物。

Claims (2)

1.一种GFDM系统峰均比抑制的方法，其特征在于，所述方法包括并行处理过程和串行处理过程；

其中，所述并行处理过程包括：

以抵消窗函数的长度为样点的位置索引的搜索间隔，并行提取GFDM信号的多个时域样点；

将提取出的所述多个时域样点的幅值分别与给定的门限比较，保留幅值超过门限的样点的位置索引；

将所述超过门限的样点进行峰值判定，保留判定为峰值的样点的位置索引；

对所述判定为峰值的样点同时进行峰值抵消处理；

所述串行处理过程包括：

顺次提取所述多个时域样点的下一个相邻样点，实现对信号样点的串行检索。

2.一种GFDM系统峰均比抑制的装置，其特征在于，所述装置包括：并行处理模块和串行处理模块；

其中，所述并行处理模块包括：

样点提取单元，用于以抵消窗函数的长度为样点的位置索引的搜索间隔，并行提取GFDM信号的多个时域样点；

门限比较单元，用于将提取出的所述多个时域样点的幅值分别与给定的门限比较，保留幅值超过门限的样点的位置索引；

峰值判定单元，用于将所述超过门限的样点分别与其前后相邻的两个样点进行幅值比较，用以进行峰值判定，保留判定为峰值的样点的位置索引；

峰值抵消单元，用于对所述判定为峰值的样点进行并行的峰值抵消处理；

所述串行处理模块，用于顺次提取所述样点提取单元提取的所述多个时域样点的下一个相邻样点，实现对信号样点的串行检索。

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