CN111817997A - Ofdm系统中联合旋转预编码与pts峰均比抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种OFDM系统中联合旋转预编码与PTS的峰均比抑制方法，主要解决现有OFDM系统中发送信号峰均比过高的问题。其实现方案是：1)对调制信号进行旋转性预编码处理；2)根据系统的峰均比性能要求设置限幅门限，并判断旋转性预编码处理后的调制信号是否达到门限要求，对未达要求的调制信号继续进行预编码迭代；3)对预编码迭代完成的调制信号进行子块划分与OFDM调制；4)将分块调制后的信号与选定的相位因子备选集相乘，得到备选信号集；5)计算所有备选信号的峰均比值，并从备选信号中选择峰均比值最低的信号作为最终的优化信号输出。本发明降低了发送信号的峰均比，可用于OFDM系统。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及峰均比抑制方法，可用于OFDM系统中降低信号的峰均比。
背景技术
与传统的单载波传输系统相比，正交频分复用技术OFDM的一个主要缺点为信号存在较高的峰值平均功率比PAPR。OFDM信号由多个子载波信号叠加形成，会出现一部分子载波信号的相位十分相近的情况，此时信号功率在同一相位处叠加导致了峰值过高，就出现较高的峰均功率比。而且随着子载波数越大，出现高峰均功率比的几率越大，叠加的信号越多，产生的峰值越高，峰均比也就越高。为了避免非线性失真，较高的PAPR对功率放大器提出了更高的要求，如果信号不在放大器的线性范围内，则要通过信号处理的方式完成峰均比的降低，同时控制信号的误码损失在可接受的范围内，保证系统的通信质量。
Chen.H等人在其发表的论文“A PTS Technique With Non-Disjoint Sub-BlockPartitions in M-QAM OFDM selective mapping Systems”(IEEE Transactions onBroadcasting,2017,PP(99):1-7)中提出一种基于部分传输序列PTS方法的分块技术，将M阶正交幅度调制MQAM映射划分成几个四阶或二阶映射，从而在MQAM映射上形成等效的相交分区，这种方法可以扩展到高阶调制中。但该方法存在着需要传输边带信息、计算量大的问题，如果系统对期望的信号的峰均比要求较高时，需要增加PTS分块数，计算复杂度较高，不利于实际系统的使用。
近几年，对符号级预编码的研究日益增加，符号级预编码器的设计不仅依赖于信道状态信息，同时需要结合符号信息。旋转预编码是实现符号级预编码的主流方式，Masouros在IEEE Transactions on Signal Processing,2011,59(1):252-262中的文章“Correlation Rotation Linear Precoding for MIMO Broadcast Communications”提出一种基于最大比传输的符号级预编码方案，该方案避免了直接的迫零运算，同时构建了功率最小化问题和最大最小公平准则下的信干噪比SINR平衡问题的优化模型。然而该方法中求解闭式解难度高，每次迭代会产生大量的计算，阻碍了该方法在实际无线通信系统中的应用。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种OFDM系统中联合旋转预编码与PTS的峰均比抑制方法，以减小计算复杂度，降低信号的峰均比。
本发明的思路为：对调制信号进行旋转性预编码，将预编码后的信号作为部分传输序列PTS模块的输入，在PTS模块中完成最优相位旋转因子选择，得到具备最低的峰均比信号组合为最终的输出数据。其实现步骤包括如下：
(1)对输入信号S＝[S1,S2,...,Sn,...,SN]进行正交幅度调制，得到调制信号X＝[X(1),X(2),...,X(n),...,X(N)]，其中,Sn表示S的第n个数据，X(n)表示X的第n个数据，n＝1,2,...,N，N为子载波数；
(2)根据系统要求的峰均比值设定限幅门限A；
(3)设定信干噪比参数
根据调制信号X对应的映射星座点的类型分别进行迭代旋转性预编码处理，得到旋转性预编码之后的信号
其中，
表示
的第n个数据；
(4)判断旋转性预编码之后的信号
是否达到限幅门限A：若没有，则返回(3)继续迭代；若达到，则得到旋转性预编码模块处理之后的信号：
X'＝[X(1)',X(2)',...,X(n)',...,X(N)']，其中，X(n)'表示X'的第n个数据；
(5)将旋转性预编码模块处理之后的信号X'进行子块划分，得到分块信号：
其中，Xm'表示
的第m块信号，m＝1,2,...,M，M为分块数，[·]T表示信号的转置；
(6)对分块信号
进行OFDM调制，得到分块调制信号：
(7)设定旋转相位因子备选集b＝{b1,b2,...,bj,...,bJ}，并与分块调制信号
相乘，得到备选信号集：
其中，bj表示b的第j个旋转相位因子，j＝1,2,...,J，J为设定的相位因子总数，
表示第i个备选信号，i＝1,2,...,N；
(8)计算所有备选信号
的峰均比值，选择其中峰均比最低的信号作为最终的优化信号输出。
本发明与现有技术相比有以下优点：
第一、本发明由于使用的旋转性预编码技术对信号做出了调整，使得信号分布产生变化，减小了信号间的相关性，因此能避免OFDM信号在同一相位叠加，实现了信号峰均比值的降低。
第二、本发明由于使用的旋转性预编码技术与PTS技术实现最优信号选择，将对信号相位限制在特定的可扩展区域中，因此不会影响接收端对信号的正确判决，信号的误码率性能良好。
第三、本发明由于使用的旋转性预编码操作进行信号扩展，不会额外增加傅里叶变换次数，且不需要传送边带信息，因此降低了计算复杂度，适合于实际系统使用。
附图说明
图1是本发明的实现原理框图；
图2是用本发明和现有方法仿真信号峰均比的互补累积分布函数CCDF对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式和效果作进一步描述。
参照图1，本发明使用的联合旋转预编码与PTS的峰均比抑制算法模型中，包括子载波数N，划分子块数M，旋转矢量因子备选集b，本实例设置子载波数N＝128，划分子块数M＝4，旋转矢量因子备选集b＝{±1,±j}，其实现步骤如下：
步骤1，获取调制信号。
设置调制方式为QPSK，对输入信号S＝[S1,S2,...,Sn,...,SN]进行正交幅度调制和串并转换，得到调制信号X＝[X(1),X(2),...,X(N)]，其中,Sn表示S的第n个数据，X(n)表示X的第n个数据，n＝1,2,...,N，N为子载波数。
步骤2，设定限幅门限。
(2.1)设置限幅率CR＝1.6；
(2.2)根据限幅率CR确定限幅门限A：A＝σ·CR，其中，
表示调制信号X的功率的均方根值，
表示取均方根，E(·)表示取均值，IFFT(·)表示OFDM调制，|·|2表示模的平方。
步骤3，对调制信号进行迭代旋转预编码处理。
(3.1)设置信干噪比参数；
(3.2)判断调制信号X对应的映射星座点的类型，分别进行旋转性预编码处理，得到迭代旋转性预编码之后的信号
其中，
表示
的第n个数据：
(3.2.1)对于内部星座点，则保持调制信号不变；
(3.2.2)对于实部或虚部可以部分扩展的边界星座点，则对调制信号进行非严格相位旋转，使扩展后的星座点进入相应的可扩展区域中，且调制信号的实部和虚部满足如下约束条件：
(3.2.3)对于实部或虚部都可以扩展的顶点星座点，则对调制信号进行非严格相位旋转，使扩展后的星座点进入相应的可扩展区域中，且调制信号的实部和虚部满足如下约束条件：
其中，d表示调制信号对应的映射星座点，R(·)表示取信号的实部，I(·)表示取信号的虚部。
步骤4，确定旋转预编码模块处理信号。
(4.1)判断迭代旋转预编码之后的信号
是否达到限幅门限A：
(4.1.1)对迭代旋转预编码之后的信号
进行IFFT运算，得到傅里叶逆变换后的信号：
其中
表示
的第n个数据，|·|是求模运算符，j为虚数单位，θn为相位，exp(·)是自然指数函数；
(4.1.2)比较
与限幅门限A的大小：若
则达到限幅门限A；否则，未达到限幅门限A；
(4.2)确定旋转预编码模块处理信号：若
达到限幅门限A，则停止迭代，得到旋转性预编码模块处理信号X'＝[X(1)',X(2)',...,X(n)',...,X(N)']，其中，X(n)'表示X'的第n个数据；否则，返回步骤3继续迭代。
步骤5，对旋转性预编码模块处理信号进行分块，并对分块信号进行OFDM调制。
(5.1)将旋转性预编码模块处理信号X'进行子块划分，得到分块信号：
其中，Xm'表示
的第m块信号，m＝1,2,...,M，M为分块数，[·]T表示信号的转置；
(5.2)对分块信号
进行OFDM调制，得到分块调制信号
步骤6，计算备选信号。
(6.1)设定旋转相位因子备选集b＝{±1,±j}；
(6.2)将旋转相位因子备选集b与分块调制信号
相乘，得到备选信号集
其中，
表示第i个备选信号，i＝1,2,...,N，计算公式表示如下：
其中，bj表示b的第j个旋转相位因子，j＝1,2,...,J，J为设定的相位因子总数，IFFT(·)表示OFDM调制，∑(·)表示求和函数。
步骤7，确定最终的优化信号。
计算所有备选信号
的峰均比值，选择其中峰均比最低的信号作为最终的优化信号输出。
其中，lg(·)表示对数函数，max(·)表示取最大值，E(·)表示取均值，|·|2表示模的平方。
本发明的效果可通过以下仿真做进一步的说明：
1.仿真条件
本发明的仿真实验使用MATLAB仿真软件，调制方式为QPSK调制，子载波数设置为N＝128，划分子块数V＝4，限幅率CR＝1.6。
2.仿真内容及结果分析
分别用本发明方法得到的信号、现有IPTS方法得到的信号和原始信号仿真峰均比的互补累积分布函数CCDF曲线，结果如图2。图2中的实线表示采用原始发送信号的CCDF曲线，图2中带圆形的实线表示使用现有IPTS方法得到的信号的CCDF曲线，图2中带方形的实线表示使用本发明提出的方法得到的信号的CCDF曲线。
从图2可以看出，在10-3概率分布区，原始信号的峰均比接近10dB，IPTS方法得到的信号的峰均比为7.9dB，本发明方法得到的信号峰均比为5.8dB，其性能要好于现有方法。表明本发明能够显著的降低信号的峰均比值，适合于实际应用。
Claims (5)
1.一种OFDM系统中联合旋转预编码与PTS的峰均比抑制方法，其特征在于，包括如下：
(1)对输入信号S＝[S1,S2,...,Sn,...,SN]进行正交幅度调制，得到调制信号X＝[X(1),X(2),...,X(n),...,X(N)]，其中,Sn表示S的第n个数据，X(n)表示X的第n个数据，n＝1,2,...,N，N为子载波数；
(2)根据系统要求的峰均比值设定限幅门限A；
(3)设定信干噪比参数
根据调制信号X对应的映射星座点的类型分别进行迭代旋转性预编码处理，得到旋转性预编码之后的信号
其中，
表示
的第n个数据；
(4)判断旋转性预编码之后的信号
是否达到限幅门限A：若没有，则返回(3)继续迭代；若达到，则得到旋转性预编码模块处理之后的信号：X'＝[X(1)',X(2)',...,X(n)',...,X(N)']，其中，X(n)'表示X'的第n个数据；
(5)将旋转性预编码模块处理之后的信号X'进行子块划分，得到分块信号：
其中，Xm'表示
的第m块信号，m＝1,2,...,M，M为分块数，[·]T表示信号的转置；
(6)对分块信号
进行OFDM调制，得到分块调制信号：
其中，Xm”表示
的第m块信号；
(7)设定旋转相位因子备选集b＝{b1,b2,...,bj,...,bJ}，并与分块调制信号
相乘，得到备选信号集：
其中，bj表示b的第j个旋转相位因子，j＝1,2,...,J，J为设定的相位因子总数，
表示第i个备选信号，i＝1,2,...,N；
(8)计算所有备选信号
的峰均比值，选择其中峰均比最低的信号作为最终的优化信号输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：(3)中根据调制信号X对应的映射星座点的类型分别进行迭代旋转性预编码处理，其实现如下：
如果星座点属于内部星座点，则保持不变；
如果星座点属于实部或虚部可以部分扩展的边界星座点，则对调制信号进行非严格相位旋转，使扩展后的星座点进入其相应的可扩展区域中，且调制信号的实部和虚部满足约束条件：
如果星座点属于实部或虚部都可以扩展的顶点星座点，则对调制信号进行非严格相位旋转，使扩展后的星座点进入其相应的可扩展区域中，且调制信号的实部和虚部满足约束条件：
其中,d表示调制信号对应的映射星座点，R(·)表示取信号的实部，I(·)表示取信号的虚部。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：(4)中判断旋转性预编码之后的信号
是否达到限幅门限A，实现如下：
(4a)对旋转性预编码之后的信号
进行IFFT运算，得到傅里叶逆变换后的信号：
其中
表示
的第n个数据，|·|是求模运算符，j为虚数单位，θn为相位，exp(·)是自然指数函数；
(4b)比较
与限幅门限A的大小：若
则达到限幅门限A；否则，未达到限幅门限A。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：(7)中备选信号
表示如下：
其中，IFFT(·)表示OFDM调制，∑(·)表示求和函数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：(8)中计算备选信号
的峰均比值，公式如下：
其中，lg(·)表示对数函数，max(·)表示取最大值，E(·)表示取均值，|·|2表示模的平方。
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