CN1567763A - 利用导频符号序列降低ofdm系统峰均比的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种利用导频符号序列降低正交频分复用系统的峰均比的方法，包括步骤：改变OFDM符号中的原有导频序列的极性和功率，得到一组所有可能的序列；对这组序列中的每个序列进行逆傅里叶变换；将经过编码和交织的数据序列进行逆傅里叶变换，并将计算结果和前面导频变换后得到的一组序列中的每个序列进行加法运算，得到另一组序列；分别计算这组序列中每个序列的峰均比，选择出对应于最小峰均比的序列作为发射序列。本发明通过改变OFDM系统中导频序列的极性和发射功率，采用低复杂度、高效率的算法，在不需要传输附加信息和不增加接收机复杂度的前提下，降低了OFDM系统的峰均比。

Description

利用导频符号序列降低OFDM系统峰均比的方法和装置

技术领域

本发明涉及正交频分复用通信(OFDM)技术领域，具体地说，本发明主要涉及OFDM通信系统中降低峰均比的方法和装置。

背景技术

由于具有很高的频谱利用率，便于提供更高的数据速率，正交频分复用(OFDM)技术已成为下一代通信系统的主流技术。但是，这个技术有个固有的缺点，即具有很高的峰均比。峰均比(简记为PAPR)是指峰值功率和平均功率的比值。要避免失真和频谱扩散，高的峰均比需要大线性范围和高输出功率的发射放大器。为了解决这个问题，当前已有多种方法。

这些方法可以分为三类：块编码，削减方法和概率方法。块编码的方法是将一个OFDM符号按一定的规则编码，这种码具有较小的峰均比，从而达到降低峰均比的目的。削减的方法就是对幅度较大的载波或所以载波进行削减或压缩来降低峰均比的一种方法。概率方法的思路是通过降低峰值的出现概率来达到获得较小峰均比的目的。这类方法中最据代表性的是部分发射序列(PTS)和选择映射(SLM)两种方法。

在当前的三类方法中，块编码的方法只适用于载波数很小的系统，应用的局限性很大。削减的方法对系统性能的影响太大。概率的方法有较好的应用前景。这类方法中主要有部分发射序列(PTS)和选择映射(SLM)两种方法。

在SLM中，调制后的信息序列需要乘以一组固定的有一定特征的随机序列。这个随机序列越长，性能越好。在接收端，还需要相应的除法过程。在PTS中，每个调制后的信息子块序列要乘以一组确定相位偏转的信号，发射机将每个子块乘后的结果相加，以最小峰均比的原则为每个信息子块选择一个优化的相位偏转。同样，在接收端也需要相应的逆操作。乘法操作的运算量较大。可见，这两种方法的运算量特别大，并需要传输附加信息，这就要降低频谱利用率。

发明内容

本发明的目的是提出一种通过改变OFDM系统中导频序列的极性和发射功率，采用低复杂度、高效率的算法，在不需传输附加信息和不增加接收机复杂的前提下，降低OFDM系统的峰均比的方法及装置。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，一种利用导频符号序列降低正交频分复用系统的峰均比的方法，其特征在于包括步骤：

改变OFDM符号中的原有导频序列的极性和功率，得到一组所有可能的序列；

对这组序列中的每个序列进行逆傅里叶变换；

将经过编码和交织的数据序列进行逆傅里叶变换，并将计算结果和前面导频变换后得到的一组序列中的每个序列进行加法运算，得到另一组序列；

分别计算这组序列中每个序列的峰均比，选择出对应于最小峰均比的序列作为发射序列。

按照本发明的另一方面，一种利用导频符号序列降低正交频分复用系统的峰均比的装置，包括：

改变导频的极性和功率模块(M100)，输入端接导频序列模块的输出端，输出端接矩阵IDFT模块(M101)的输入端；

IDFT模块(M102)，输入端接数据序列模块的输出端；

加法运算模块(M103)接收矩阵IDFT模块(M101)和IDFT模块(M102)的输出，并将运算结果输出给序列选择模块(M104)；

序列选择模块(M104)，选择具有最小峰均比的序列作为输出序列。

本发明通过改变OFDM系统中导频序列的极性和发射功率，采用低复杂度、高效率的算法，在不需要传输附加信息和不增加接收机复杂度的前提下，降低了OFDM系统的峰均比。

附图说明

图1是利用导频符号序列降低正交频分复用系统的峰均比的装置示意图；

图2是一个典型的OFDM系统的帧结构；

图3是一个典型的OFDM符号中导频和数据的分布图；

图4是QPSK调制下不同导频功率时峰均比＞常数(x₀)的概率分布图；

图5是16QAM调制下不同导频功率时峰均比＞常数(x₀)的概率分布图；

图6是64QAM调制下不同导频功率时峰均比＞常数(x₀)的概率分布图；

图7是PRPC与SLM的峰均比＞常数(x₀)的概率分布比较图；

图8是PRPC与PTS的峰均比＞常数(x₀)的概率分布比较图。

具体实施方式

本发明利用导频符号序列降低正交频分复用系统峰均比的方法，首先改变OFDM符号中的原有导频序列的极性和功率，得到一组所有可能的序列；其次，对这组序列中的每个序列进行逆傅里叶变换(IDFT)；然后，将经过编码和交织的数据序列也进行逆傅里叶变换，并将计算结果和前面导频变换后得到的一组序列中的每个序列进行加法运算，得到另一组序列。最后，分别计算这组序列中每个序列的峰均比，选择出对应于最小峰均比的序列作为发射序列。改变OFDM符号中的原有导频序列的极性和功率，就是让每个导频可以取+1或-1两个值，这样就可以得到一组可能的序列；在这些可能的序列中，除导频序列外，其他部分均为零。如有必要，再调整导频序列的幅度，以改变导频的功率。经过编码和交织的数据序列是指信息源经过信道编码和按一定规则进行的块交织后的结果。这个序列中，对应导频序列部分的位置全被置零。每个序列的峰均比是指这个序列的峰值和平均值的功率比。发射序列是指将送给射频部分的序列。

本发明的利用导频符号序列降低正交频分复用系统峰均比的装置，包括改变导频极性和功率模块、矩阵IDFT模块、IDFT模块、加法运算模块和序列选择模块等5个模块。其中，改变导频极性和功率模块接收导频序列模块的输入，生成一个输出矩阵给矩阵IDFT模块。IDFT模块接收数据序列，将IDFT变换后的序列输出给加法运算模块。加法运算模块接收矩阵IDFT模块和IDFT模块的输出，运算后将结果输出给序列选择模块。序列选择模块接收加法模块的输出，选择具有最小峰均比的序列输出到射频。

下面结合附图详述本发明。如图1和图2所示，一个OFDM帧有一个Preamble和多个OFDM符号组成，每个OFDM符号包括一定数量的导频符号和数据序列。本发明的方法就是基于这种结构的OFDM系统。假定每个OFDM符号中，包含相同数目的导频符号。我们将第μ个OFDM符号用向量A_μ来标记，则有

$A_{\mathrm{\μ}}=A_{\mathrm{\μ}}^p+A_{\mathrm{\μ}}^m----\left(1\right)$

上式中，A_μ、A_μ ^p和A_μ ^m是3个长度相同的向量。A_μ ^p表示第μ个OFDM符号中导频符号序列。这个序列中，与数据对应的位置全部用0来填充。A_{μ m}表示第μ个OFDM符号中数据序列。这个序列中，与导频对应的位置全部用0来填充。

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。以下先对发明中的各个组成模块分别加以论述。

1，改变导频的极性和功率模块(M100)

导频序列A_μ ^p是一个取值为+1或-1的给定的序列。改变导频的极性和功率模块使导频序列的每个符号的值可以取+1或-1两个值。假设每个OFDM符号占有M个载波，其中有n个分给导频符号。那么改变每个导频符号的极性后，可以得到2ⁿ(N＝2ⁿ)个可能的序列A_μ ^p(0)KA_μ ^p(i)ΛA_μ ^p(N-1)。为了方便，我们记N＝2ⁿ。那么，改变导频的极性和功率模块的输出B_μ ^p可以表示为

$B_{\mathrm{\μ}}^p=\left[\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{\μ}}^p\\ M\\ A_{\mathrm{\μ}}^p\\ M\\ A_{\mathrm{\μ}}^p(N-1)\end{array}\right]----\left(2\right)$

这个矩阵的大小为N×M，每行表示一种可能的导频序列取值。

2，矩阵IDFT模块(M101)

这个模块将输入的矩阵B_μ ^p按行作逆傅立叶变换，得到一个新的矩阵b_μ ^p。这个矩阵的每个行序列就是一个可能的导频序列的逆傅立叶变换的结果。

3，IDFT模块(M102)

这个模块将输入的向量A_μ ^m作逆傅立叶变换，得到一个新的向量a_μ ^m。

4，加法运算模块(M103)

该模块将向量a_μ ^m和矩阵b_μ ^p的每行分别进行相加得到新的矩阵c_μ。

5，序列选择(M104)模块

这个模块计算矩阵c_μ每个行向量的峰均比，选择具有最小峰均比的那个序列作为输出序列。

具体的信号处理过程共分为4个部分，分别详细描述如下：

1，首先，确定导频符号占有载波数的数目和位置，构造向量A_μ ^p。该向量的长度为一个OFDM符号所占有的载波数，且除导频符号外的位置全被都置为零。通过改变每个导频符号的极性和功率模块(M100)，得到如公式(2)所示的矩阵B_μ ^p。利用矩阵IDFT模块(M101)完成对矩阵B_μ ^p按行作逆傅立叶变换，得到一个新的矩阵b_μ ^p。由于这个矩阵已包括所有可能导频序列的IDFT的结果，对于所以的数据序列都是固定的，所以这个矩阵只需在刚开始时计算一次，就可保存到存储器中，供每个OFDM符号中的数据序列使用。另外，由于IDFT是线性操作，增加导频的功率就相当于把矩阵b_μ ^p乘以一个常实数。

2，其次，确定每个OFDM符号中数据占有载波数的数目和位置，构造向量A_μ ^m。该向量的长度为一个OFDM符号所占有的载波数，且导频符号的位置全被都置为零。通过IDFT模块(M102)将输入的向量A_μ ^m作逆傅立叶变换，得到一个新的向量a_μ ^m。

3，然后，将向量a_μ ^m和存储器中的矩阵送给加法运算模块(M103)，该模块将向量a_μ ^m和矩阵b_μ ^p的每行分别进行相加得到新的矩阵c_μ。

4，最后，序列选择模块(M104)计算矩阵c_μ每个行向量的峰均比，选择具有最小峰均比的那个序列作为输出序列。

本发明和已有的降低OFDM系统的峰均比的算法相比，本发明提出的PRPC方法有以下优点：

1，好的性能。PRPC方法在降低峰均比方面，可以取得比以往的方法更好的性能。为了证明这一点，附图4、5、6、7、8中将PRPC方法和最据代表性的两种方法SLM和PTS进行了性能比较。仿真中使用IDFT的大小为128，其中导频数为8个，分别位于±7，±21，±35，±49。图4、5、6分别给出了QPSK、16QAM、64QAM三种调制方式下，不同导频功率对PRPC方法性能的影响。dB的值是导频功率相当于数据功率而言的。0dB表示导频功率和数据功率相同，3dB表示导频功率是数据功率的一倍，而3dB表示导频功率是数据功率的4倍。可以看出在不同的调制方式下，导频的功率越大，PRPC算法的性能越好。图7和图8分别给出了在相同的IFFT长度，QPSK调制的方式下，PTS、SLM和PRPC的性能比较。可以看出，在相同的条件下，PRPC的性能要好于其他两种方法的性能。

2，低复杂度。在SLM中，调制后的信息序列需要乘以一组固定的有一定特征的随机序列。这个随机序列越长，性能越好。在接收端，还需要相应的除法过程。在PTS中，每个调制后的信息子块序列要乘以一组确定相位偏转的信号，发射机将每个子块乘后的结果相加，以最小峰均比的原则为每个信息子块选择一个优化的相位偏转。同样，在接收端也需要相应的逆操作。乘法操作的运算量较大。PRPC方法不需要复杂的乘法运算，所以复杂度很低。

3，频谱利用率高。以往的方法都需要传输附加的信息，接收机才能还原数据。而PRPC方法不需要传输附加信息，所以节约了部分频谱，提供了使用效率。

4，实现方法简单。当前的方法或多或少的都需要改变接收机的结构，这将不利用系统的操作，同时也增加了系统的复杂度。本发明中的PRPC方法不需要改变接收机的任何结构，非常简单易行。

5，高可靠性。在其他的方法中，附加信息传输的可靠性非常重要，一旦出错将带来灾难性的后果。PRPC方法由于不需要任何的附加信息，所以不需考虑这个问题，因而具有更高的可靠性。

Claims (4)

1.一种利用导频符号序列降低正交频分复用系统的峰均比的方法，其特征在于包括步骤：

改变OFDM符号中的原有导频序列的极性和功率，得到一组所有可能的序列；

对这组序列中的每个序列进行逆傅里叶变换；

将经过编码和交织的数据序列进行逆傅里叶变换，并将计算结果和前面导频变换后得到的一组序列中的每个序列进行加法运算，得到另一组序列；

分别计算这组序列中每个序列的峰均比，选择出对应于最小峰均比的序列作为发射序列。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述导频序列的位置不需任何改变。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述OFDM符号中包含相同数目的导频符号。

4.一种利用导频符号序列降低正交频分复用系统的峰均比的装置，其特征在于包括：

改变导频的极性和功率模块(M100)，输入端接导频序列模块的输出端，输出端接矩阵IDFT模块(M101)的输入端；

IDFT模块(M102)，输入端接数据序列模块的输出端；

加法运算模块(M103)接收矩阵IDFT模块(M101)和IDFT模块(M102)的输出，并将运算结果输出给序列选择模块(M104)；

序列选择模块(M104)，选择具有最小峰均比的序列作为输出序列。

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