CN116614339B

CN116614339B - 一种mc-cdma系统的papr抑制发射机

Info

Publication number: CN116614339B
Application number: CN202310873074.5A
Authority: CN
Inventors: 赵靓; 张靖; 黄子轩; 许小东; 何家皓; 宫家亮; 郭伟
Original assignee: Tiandi Information Network Research Institute Anhui Co Ltd
Current assignee: Tiandi Information Network Research Institute Anhui Co Ltd
Priority date: 2023-07-17
Filing date: 2023-07-17
Publication date: 2023-10-03
Anticipated expiration: 2043-07-17
Also published as: CN116614339A

Abstract

本发明公开了一种MC‑CDMA系统的PAPR抑制发射机，包括顺序连接的CRC加扰模块、信道编码模块、星座映射模块、扩频模块、IFFT变换模块、物理层组帧模块、上变频模块，还包括为扩频模块提供所需扩频码的扩频码生成模块，以及对MC‑CDMA符号进行加扰的扰码加扰模块，扰码加扰模块设置于扩频模块与IFFT变换模块之间。本发明在现有MC‑CDMA系统发射机结构的基础上，配置扩频码生成模块，在已知的扩频码长度和用户数基础上，生产并筛选出具备完全互补特性的扩频序列，以改善系统的峰均功率比抑制特性。

Description

一种MC-CDMA系统的PAPR抑制发射机

技术领域

本发明属于通信系统PAPR抑制技术领域，具体涉及一种MC-CDMA系统的PAPR抑制发射机。

背景技术

多载波码分多址（MC-CDMA）是正交频分复用技术（OFDM）与码分多址技术（CDMA）的融合，吸取二者的优点，具有抗干扰能力强、频谱利用率高、抗多径干扰小、容量大等优点，非常适宜无线高速数据传输。

由于MC-CDMA通信系统各个子载波所传输的信号相互间统计独立，这些随机信号相互叠加后，可能在某一时刻的瞬时功率远大于信号的平均功率，因此MC-CDMA系统同时也具有OFDM的高峰平均功率比（PAPR）这一缺点。而高PAPR会给系统收发端的功放带来较为严重的影响。由于功放的非线性且其动态工作范围是受限的，因此当MC-CDMA系统的功率幅值变化超出一定范围时，会致使输出信号产生严重的非线性失真问题，出现谐波，造成频谱展宽及信号突变，最终导致系统性能下降。

MC-CDM与OFDM类似，均需通过IFFT过程进行调制，因此现有的降低MC-CDMA系统PAPR方法大多仿照OFDM系统采用的方法。目前，针对抑制PAPR这一问题，主要有以下三大类技术：第一类是信号预畸变技术，其基本思想是在信号经功率放大传送之前，对功率大于一定门限的信号进行非线性畸变，主要方法包括限幅法、峰值加窗法，此类抑制方法的优点是实施简单、直观，但是对信号实施畸变操作会产生带内失真和带外噪声，使系统的误比特率(BER)性能大大恶化；第二类是概率类技术，其基本思想是对输入信号进行多扰码处理，即采取各种类型的向量对输入符号实施线性变化操作，最终选择PAPR最小的信号并发送出去，主要有选择性映射（SLM）方法、部分传输序列（PTS）方法，此类技术可以降低较高PAPR出现的概率，但并不能保证将PAPR值降低到某一阈值之下，即不能完全消除，并且计算量大；第三类是编码类技术，其基本思想是通过改变编码方式，将信源信息编成不同的码字符号，从而使得码字峰均比比较小，常见的码字有m序列、分组码、格雷码，此类技术的优点是系统相对简单、可靠性高，具有很好的降低PAPR的效果，但缺点也十分明显，一是受限于码字的构造方法，可供选择的码组数量不多，二是受限于子载波的数量，当子载波数量增加时，计算量与计算复杂度都大大增加。

在OFDM系统中，每个子载波传输的数据是相互独立的，但是在MC-CDMA系统中，每个子载波传输不同用户的扩频序列，因此可以通过改变扩频码的类型，以及扩频码在MC-CDMA通信中的分配结构来降低系统的PAPR。此方法是较为新颖的PAPR抑制方法。现有研究表明，PAPR的抑制特性与扩频码的自相关和互相关特性有着紧密联系，自相关特性越好的扩频码，PAPR抑制性能也越好。此方法的优点是实现简单，仅需设计具有较好抑制性能的扩频码即可，但同时难点是如何设计出一种具有多址能力并且可以有效降低通信系统PAPR的扩频码。

发明内容

为此，本发明提供一种MC-CDMA系统的PAPR抑制发射机，在已知扩频码长度和用户数目的基础上，改善扩频序列的自相关和互相关特性来MC-CDMA抑制系统的PAPR。

一种MC-CDMA系统的PAPR抑制发射机，包括顺序连接的CRC加扰模块、信道编码模块、星座映射模块、扩频模块、IFFT变换模块、物理层组帧模块、上变频模块；

还包括为扩频模块提供所需扩频码的扩频码生成模块，以及对MC-CDMA符号进行加扰的扰码加扰模块，扰码加扰模块设置于扩频模块与IFFT变换模块之间；

扩频码生成模块基于扩频码长度N _s和用户数U构造互补序列，并针对每个用户筛选最佳扩频码，形成扩频序列矩阵；

扰码加扰模块基于子载波数目N产生长扰码M序列P={p ₁,p ₂,...,p _N}，N=N _s×k，k为串并转换路数，在经过扩频模块将各个子数据比特和扩频序列矩阵相乘形成MC-CDMA符号后，整个MC-CDMA符号再与长扰码M序列P相乘。

进一步的，扩频码生成模块基于扩频码长度N _s和用户数U构造互补序列包括如下步骤：

步骤1，构造序列集合G _L×Ns={[c _g]_l(n),0≤l≤L-1,0≤n≤N _s -1}，其中L=N _s=2^m，N _s为扩频码长度，[c _g]_l(n)=α _l(n)=f _l(x)+1，，下标l由(w ₁,w ₂,...,w _m)二进制表示，即/>，f _l(x)为l限制下的f(x)，为一组布尔序列，/>为符号{1,2,...,m}的一个随机排列；

步骤2，根据用户数U选择二元正交矩阵Q=[q _u,t]_U×T，其中T=L/K，K为任意正整数；

在序列集合G _L×Ns的基础上，构造符合完全互补性质的序列集合C={C ₀,C ₁,...,C _U-1}，其中每个子序列集合中包含N _s个子序列，子序列中的每一项/>，0≤l≤L-1；

步骤3，针对每个用户的子序列集合C _u，使用随机输入比特和启发式A*算法得到具有最低PAPR的扩频码c _opt , _u，即最佳扩频码；

步骤4，综合每个用户的最佳扩频码c _opt , _u，形成扩频序列矩阵。

进一步的，步骤3具体操作为，设计代价函数h(x)表征当前选取的扩频码与初始值之间PAPR差值；将搜索到的扩频码按h(x)加入到搜索列表中，每次从待搜索列表中取出h(x)最小的码字加入搜索过列表，并以此为新的初始值，更新代价函数h(x)继续搜索，直至无法更新为止。

本发明在现有MC-CDMA系统发射机结构的基础上，配置扩频码生成模块，在已知的扩频码长度和用户数基础上，生产并筛选出具备完全互补特性的扩频序列，以改善系统的峰均功率比抑制特性。本发明采用编码类方法进行PAPR抑制，与信号畸变法相比，不会引起带内失真和带外泄露，与概率类方法相比，实现简便、复杂度低。与此同时，与传统编码类方法相比，本发明借助改进后的完全互补生成方式，提高了扩频码的自相关性和互相关特性，并采用启发式算法筛选出符合需求的扩频码组合，很好地抑制了系统的峰均功率比。

附图说明

图1为现有的MC-CDMA系统的发射机结构框图；

图2为本发明公开的MC-CDMA系统的发射机结构框图；

图3为扩频增益为16时，不同扩频码下的PAPR-CCDF曲线；

图4为扩频增益为64时，不同扩频码下的PAPR-CCDF曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

现有的MC-CDMA系统的发射机结构，如图1所示，包括顺序连接的CRC加扰模块、信道编码模块、星座映射模块、扩频模块、IFFT变换模块、物理层组帧模块、上变频模块。比特流经过CRC加扰处理、信道编码、星座映射、串并转换后，进行扩频处理，然后进入IFFT变换模块，添加保护间隔、导频后进行并串转换，再添加训练序列组成物理帧，组帧后的信号经过上变频转换为频带信道，发送到实际信道中。

下面对MC-CDMA系统的峰均功率比PAPR进行讨论。

假设扩频倍数（即扩频码长度）为N _s，用户数为U，发射端的第u个用户的功率归一化基带时域信号可表示为，0≤t≤T，其中/>表示用户u所要发送的长度为k的原始符号数据，/>为用户u使用的长度为N _s的扩频码，N为子载波数，1/T为子载波间隔；离散化表示为，0≤i≤NT。

根据MC-CDMA系统中峰均功率比PAPR的定义，，0≤t≤T，其中为信号瞬时功率，/>为信号平均功率；代入信号时域表达/>，并令/>，可得/>，

，其中/>为扩频码的组合自相关函数，/>为第u个扩频码的非周期自相关函数，/>为输入数据和扩频码的组合互相关函数，/>为第u个和第v个扩频码的非周期互相关函数。

非周期自、互相关函数定义如下：

设和/>为两个周期为L的序列，序列a,b的非周期互相关函数表示为。

当时，上式化为/>的非周期自相关函数。

由三角不等式，对任意的复数z，有和/>成立，因此最终的信号峰均比满足/>。

上式说明，信号的PAPR上界取决于扩频码的组合自相关函数和输入数据序列与扩频码的组合互相关函数，即当子载波数N一定的情况下，信号的 PAPR 上界取决于扩频码集合自相关度和扩频码集合互相关度之和。随着用户数U的增大，扩频码集合互相关度对信号PAPR 最大值所起的作用显著增大。

当采用恒模调制M-PSK时，信号的平均功率为定值P，此时PAPR可以进一步简化为。易见在MC-CDMA系统中，PAPR与扩频序列的自相关函数、互相关函数、扩频码长度和用户数有关；因此，可以在已知扩频码长度和用户数的基础上，改善扩频序列的自相关和互相关特性来抑制系统的PAPR。

基于上述出发点，本发明在现有的MC-CDMA系统的发射机结构基础上进行改进，增加扩频码生成模块和扰码加扰模块，如图2所示。扩频码生成模块为扩频模块提供所需扩频码；扰码加扰模块对MC-CDMA符号进行加扰。

扩频码生成模块基于扩频码长度N _s和用户数U构造互补序列，并针对每个用户筛选最佳扩频码，形成扩频序列矩阵。下面以扩频码长度为8，用户数为3为例进行论述。

1、构造序列集合G _8×8，选取符号{1,2,3}的一个随机排列，不失一般性的，本实施例选取{3,2,1}，则广义布尔函数，下标l由(w ₁,w ₂,w ₃)二进制表示，(w ₁,w ₂,w ₃)遍历(0,0,0)~(1,1,1)，得到2³=8个序列。

当(w ₁,w ₂,w ₃)=(1,0,1)时，，则a(0,0,0)=1、a(0,0,1)=2、a(0,1,0)=1、a(0,1,1)=3、a(1,0,0)=2、a(1,0,1)=3、a(1,1,0)=3、a(1,1,1)=5，通过模2运算后，奇数对应0，偶数对应1，最终得到的序列(0,1,0,0,1,0,0,0)即为序列集合G_8×8中的第个子序列。同理可以得到序列集合G_8×8的其余7个子序列，进而得到序列集合/>。

2、根据用户数U选择二元正交矩阵Q=[q _u,t]_U×T，本实施例选取二元正交矩阵，此处T=8/2=4。

在序列集合G _8×8的基础上，构造符合完全互补性质的序列集合C={C ₀,C ₁,C ₃}，其中每个子序列集合中包含8个子序列，子序列中的每一项，0≤l≤7；得到互补序列集合为

，

。

3、通过A*算法，求得三个用户场景下，最佳扩频码组合为c ₁=(0,1,0,0,0,1,1,1)、c ₂=(1,0,0,0,0,1,0,0)、c ₂=(1,0,0,0,0,1,0,1)，因此最终的扩频序列矩阵。

此外，在利用扩频码设计降低系统PAPR的基础上，还可以通过对扩频后的MC-CDMA符号进行长扰码加扰进一步降低峰均比。通过采用伪随机序列对扩频后信号进一步加扰，能够实现对输入信息进行加权处理，打破多载波信号各子载波的相位一致性，以降低大峰值功率信号出现的概率来实现PAPR的抑制。

扰码加扰模块基于子载波数目N产生长扰码M序列P={p ₁,p ₂,...,p _N}，N=N _s×k，k为串并转换路数。M序列是目前CDMA系统中采用的最基本的PN序列，是最长线性移位寄存器序列的简称，是一种伪随机序列、伪噪声码或伪随机码。

在经过扩频模块将各个子数据比特和扩频序列矩阵相乘形成MC-CDMA符号后，整个MC-CDMA符号再与长扰码M序列P相乘，然后再进行IFFT变换，添加保护间隔和导频后，与训练序列共同组成物理帧，再经过上变频完成多载波频带调制，发送到实际信道中，并计算系统峰均功率比PAPR。

系统的PAPR抑制能力可以通过PAPR生成累计互补分布函数CCDF曲线来判断。在MC-CDMA系统中，信号幅值服从Rayleigh分布，其功率则服从自由度为2的卡方分布，即，均值为0，方差为1。因此，信号功率不大于给定峰均比门限值/>的概率累计分布函数CDF可表示为/>。

假设在一个符号周期内，有Y个功率采样值，而且各个值之间互不相关，则每个采样功率值的PAPR全部满足大于给定峰均比门限值的概率，可以表示为互补累计分布函数CCDF:/>。

选取不同大小的扩频增益8/16/32/64对信号进行扩频，子载波数N取为128，表1展示了不同用户数目U=1/3/5下，仿真5000帧数据时，使用本发明方法的系统峰均功率比均值。

表1

扩频码长度	8	16	32	64
					用户数1	4.85	5.41	5.85	6.59
用户数3	5.22	5.57	6.17	6.93
					用户数5	5.73	6.29	6.93	7.85

图3、图4分别为用户数为1，扩频增益为16和64时，全1序列、Walsh序列、Gold序列与本发明提出的扩频序列CCC的系统PAPR的互补累计分布函数CCDF曲线，仿真5000帧数据。从中可以看出，本发明提出的基于完全互补特性的序列相较Walsh 序列、Gold序列等原始扩频序列在不同程度上，有着更好的PAPR抑制能力，且随着扩频增益的增加，PAPR也随之增大，但本发明所提出的扩频码由于其更佳的自相关和互相关特性，增加的幅度较其余的基础扩频序列更小，具备更好的PAPR抑制性能。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作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。

Claims

1.一种MC-CDMA系统的PAPR抑制发射机，包括顺序连接的CRC加扰模块、信道编码模块、星座映射模块、扩频模块、IFFT变换模块、物理层组帧模块、上变频模块，其特征在于，

扩频码生成模块基于扩频码长度N _s和用户数U构造互补序列，并针对每个用户筛选最佳扩频码，形成扩频序列矩阵，具体包括如下步骤：

步骤2，根据用户数U选择二元正交矩阵Q=[q _u,t]_U×T，其中T=L/K，K为任意正整数；在序列集合G _L×Ns的基础上，构造符合完全互补性质的序列集合C={C ₀,C ₁,...,C _U-1}，其中每个子序列集合中包含N _s个子序列，子序列中的每一项，0≤l≤L-1；

步骤4，综合每个用户的最佳扩频码c _opt , _u，形成扩频序列矩阵；

2.根据权利要求1所述的MC-CDMA系统的PAPR抑制发射机，其特征在于，步骤3具体操作为，设计代价函数

h(x)表征当前选取的扩频码与初始值之间PAPR差值；将搜索到的扩频码按h(x)加入到搜索列表中，每次从待搜索列表中取出h(x)最小的码字加入搜索过列表，并以此为新的初始值，更新代价函数h(x)继续搜索，直至无法更新为止。