CN1787413B - 低峰均比正交频分复用传输技术方法 - Google Patents

Abstract

低峰均比的正交频分复用传输方案首先对编码调制和串并转换后得到的矢量信号序列进行实部和虚部重组得到实矢量，然后对得到的实矢量进行扩展的离散傅立叶变换，接着在变换域进行共额对称延展和均方根升余弦整形，再映射到正交频分复用的一组子载波上，由此产生低峰均比并具有良好频谱性能的正交频分复用传输信号。本发明提供一种低峰均比的正交频分复用传输技术方案，满足无线与移动通信系统，特别是其上行传输链路，对传输信号低峰均比的要求。

Description

低峰均比正交频分复用传输技术方法

技术领域

本发明是一种无线传输技术方法，属于高速无线通信传输技术领域。

背景技术

正交频分复用(OFDM)技术，由于其强的抗多径干扰能力、简单易行的离散傅立叶变换(DFT)实现、以及易于采用多天线传输技术等优点，得到广泛的研究和应用，并成为未来无线与移动通信系统的重要候选技术。在无线通信系统上行传输链路中，为提高移动终端的功率效率和扩大小区覆盖范围，要求传输信号具有低的峰值与平均功率之比(PAPR，简称峰均比)，而典型的OFDM传输信号具有高的峰均比。降低OFDM传输信号的峰均比，存在多种方法，其中利用DFT进行信号扩展的方法，所产生的OFDM信号具有与单载波信号相近的峰均比性能，由此产生DFT扩展的OFDM系统方案，简称DFT-S-OFDM方案，得到广泛关注。然而，目前存在的DFT-S-OFDM方案仅与正交幅度调制(QAM)的单载波系统相对应，其峰均比性能低于偏移正交幅度调制(OQAM)的单载波系统。此外，DFT-S-OFDM方案中频域整形(Shaping)技术对进一步改善峰均比性能和谱性能具有重要作用，目前的整形方法尚不成熟。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种低峰均比的正交频分复用传输技术方法，满足无线与移动通信系统，特别是其上行传输链路，对传输信号低峰均比的要求。

技术方案：本发明的低峰均比的正交频分复用传输方法，首先对编码调制和串并转换后得到的矢量信号序列进行实部和虚部重组得到实矢量，然后对得到的实矢量进行扩展的离散傅立叶变换，接着在变换域进行共轭对称延展和均方根升余弦整形，再映射到正交频分复用的一组子载波上，由此产生低峰均比并具有良好频谱性能的正交频分复用传输信号。所采用的扩展的离散傅立叶变换，可采用快速离散傅立叶变换或快速离散余弦和正弦变换实现。

图1所示为本发明的低峰均比正交频分复用传输技术方法。传输信息比特流经过编码、交织和调制符号映射所产生的符号流，通过串并转换器，生成矢量信号序列，每个信号矢量经过实部和虚部重组成实矢量后进行扩展的DFT变换，DFT变换之后所产生的矢量经过延拓和整形后进行IDFT变换，得到各信号矢量的发送信号，然后经过并串转换器转换成串行发送信号，并插入循环前缀和进行时域加窗平滑，得到发送基带信号。与已存在的DFT-S-OFDM方案相比，本发明所提供的低峰均比正交频分复用传输技术方法的不同之处在于：对信号矢量进行实部和虚部重组形成DFT变换输入矢量，采用不同的DFT变换，采用不同的变换域信号延拓和整形方法，进而降低发送信号的峰均比。以下对三个部分进行具体描述。

1、DFT变换输入矢量的形成

设d(l)是串并转换器的输入调制符号序列，串并转换器输出的矢量信号序列以d(n)＝[d(N_bn)d(N_bn+1)…d(N_bn+N_b-1)]^T表示。在DFT-S-OFDM系统中，第n时刻的DFT变换矢量即为d(n)，本发明对此矢量的实部和虚部的数值进行重组，形成一个2N_b维的实矢量，作为DFT变换矢量。以d_r(l)和d_i(l)分别表示d(l)的实部和虚部，即d(l)＝d_r(l)+jd_i(l)，设：

d(n)＝[d_r(N_bn) d_i(N_bn) d_r(N_bn+1) d_i(N_bn+1)…d_r(N_bn+N_b-1) d_i(N_bn+N_b-1)]^T.

(公式1)

易见d(n)为信号矢量d(n)实部和虚部数值的重组，本发明以此作为待变换矢量，图2示出变换输入矢量的形成方法。

2、扩展的DFT变换(EDFT)

在DFT-S-OFDM系统中，采用N_b点DFT对N_b维复矢量d(n)进行变换，得到N_b维DFT变换矢量。公式1定义的矢量为2N_b维实矢量，对其进行2N_b点DFT，得到的2N_b维复矢量具有共轭对称性，可取其部分非冗余数据在延拓和整形之后映射到正交频分复用的一组子载波。以W_N表示非归一化N点DFT变换矩阵，则2N_b点DFT变换矩阵可表示为设 $W_{2N_b}={\left[\begin{array}{cc}{\left(W_{2N_b}^{\left(0\right)}\right)}^T& {\left(W_{{2N}_b}^{\left(1\right)}\right)}^T\end{array}\right]}^T,$ 其中

和

为的N_b行矢量构成的子矩阵，本发明中DFT变换采用如下扩展的形式：

$x\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{N_b}}{W}_{2N_b}^{\left(0\right)}\mathrm{diag}(w_{{2N}_b}^0,w_{{2N}_b}^1,...,w_{{2N}_b}^{2N_n-1})\underset{\‾}{d}\left(n\right).$ (公式2)

其中， $w_{2N_b}^k=e^{-\mathrm{j\πk}/\left(2N_b\right)},$ diag(·)表示对角矩阵，其对角元素在括号中给出.公式2的计算过程可采用2N_b点快速离散傅立叶变换(FFT)算法，当N_b为2的幂次方并采用基2FFT算法时，所需的复数乘法次数为N_b log₂(2N_b)+2N_b。对公式2进行处理，可得到：

$x\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{N_b}}{W}_{N_b}\mathrm{diag}(w_{N_b}^0,w_{N_b}^1,...,w_{N_b}^{N_b-1})d_r\left(n\right)$ .(公式3)

$+\frac{1}{\sqrt{N_b}}{w}_{2N_b}^1\mathrm{diag}(w_{N_b}^0,w_{N_b}^1,...,w_{N_b}^{N_b-1})W_{N_b}\mathrm{diag}(w_{N_b}^0,w_{N_b}^1,...,w_{N_b}^{N_b-1})d_i\left(n\right)$

其中d_r(n)和d_i(n)分别为d(n)的实部和虚部元素构成的矢量。公式3的计算过程可采用2个N_b点的FFT，当N_b为2的幂次方并采用基2FFT算法时，所需的复数乘法次数为N_blog₂(N_b)+3N_b，乘法复杂度与公式2相同。对公式2进行处理，也可得到：

$x\left(n\right)=\left[\begin{array}{cc}{C}_{N_b}^{\mathrm{III}}& j{S}_{N_b}^{\mathrm{III}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \frac{\sqrt{2}}{2}{I}_{N_b-1}& 0& -\frac{\sqrt{2}}{2}{J}_{N_b-1}\\ 0& \frac{\sqrt{2}}{2}{I}_{N_b-1}& 0& \frac{\sqrt{2}}{2}{J}_{N_b-1}\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\underset{\‾}{d}\left(n\right).$ (公式4)

其中，

和

分别为标准的离散余弦变换III型(Type-III DCT)和离散正弦变换III型(Type-III DST)的变换矩阵，和分别为(N_b-1)×(N_b-1)恒等和反恒等矩阵。公式4的计算过程可采用快速离散余弦变换算法(FCT)和快速离散正弦变换算法(FST)，当N_b为2的幂次方且采用Wang提出的快速算法时，所需的实数乘法次数为2N_b((3/4)log₂(N_b)-1)+6，复杂度低于公式2和公式3。图3示出采用DCT和DST的实现方法。

3、变换域延拓和整形

在DFT-S-OFDM系统中，可对DFT变换后得到的变换矢量在边界进行周期延拓，然后进行加权整形。本发明采用不同的变换，对变换矢量采用共轭对称延拓，然后进行均方根升余弦加权整形，所形成的矢量或集中式或分布式映射到OFDM系统的一组子载波上。以r表示升余弦滚降系数，N _b＝N_b+2*round(rN_b/2)＝N_b+2N_s表示拓展后系数的个数，其中round(.)表示四舍五入，x_k(n)表示x(n)的第k个元素，其中0≤k≤N_b-1，本发明变换域延拓后的矢量可表示为：

$\underset{\‾}{x}\left(n\right)={\left[\begin{array}{ccc}{x}_{\mathrm{left}}^T\left(n\right)& x_{\mathrm{mid}}^T\left(n\right)& x_{\mathrm{right}}^T\left(n\right)\end{array}\right]}^T,$ (公式5)

其中：

$x_{\mathrm{left}}\left(n\right)={\left[\begin{array}{cccccccc}{x}_{N_s-1}^{*}\left(n\right)& x_{N_s-2}^{*}\left(n\right)& \·\·\·& x_0^{*}\left(n\right)& x_0\left(n\right)& x_1\left(n\right)& \·\·\·& x_{N_s-1}\left(n\right)\end{array}\right]}^T,$ (公式6)

$x_{\mathrm{mid}}\left(n\right)={\left[\begin{array}{cccc}{x}_{N_s}\left(n\right)& x_{N_s+1}\left(n\right)& \·\·\·& x_{N_b-N_s-1}\left(n\right)\end{array}\right]}^T,$ (公式7)

$x_{\mathrm{right}}\left(n\right)={\left[\begin{array}{cccccccc}{x}_{N_b-N_s}\left(n\right)& x_{N_b-N_s+1}\left(n\right)& \·\·\·& x_{N_b-1}\left(n\right)& x_{N_b-1}^{*}\left(n\right)& x_{N_b-2}^{*}\left(n\right)& \·\·\·& x_{N_b-N_s}^{*}\left(n\right)\end{array}\right]}^T.$ (公式8)

这里，上标^*表示取共轭。设 $w\left(k\right)=\sqrt{(1+\cos ((k+0.5)\mathrm{\π}/\left(2N_s\right)))/2},$ 并设

w_left＝[w(2N_s-1) w(2N_s-2) … w(0)]^T，(公式9)

w_rihgt＝[w(0) w(1) … w(2N_s-1)]^T，   (公式10)

${\tilde{x}}_{\mathrm{left}}\left(n\right)=x_{\mathrm{left}}\left(n\right).*w_{\mathrm{left}},$ (公式11)

${\tilde{x}}_{\mathrm{right}}\left(n\right)=x_{\mathrm{right}}\left(n\right).*w_{\mathrm{rightt}},$ (公式12)

其中.*表示两个矢量的各个相对应的元素分别相乘。本发明均方根升余弦整形后的变换域信号矢量为：

$\underset{\‾}{\overset{~}{x}}\left(n\right)={\left[\begin{array}{ccc}{\tilde{x}}_{\mathrm{left}}^T\left(n\right)& x_{\mathrm{mid}}^T\left(n\right)& {\tilde{x}}_{\mathrm{right}}^T\left(n\right)\end{array}\right]}^T.$ (公式13)

图4示出变换域延拓和整形的实现过程。

有益效果：本发明给出的低峰均比正交频分复用传输技术方法，在保持OFDM系统主要优势的同时，有效地克服了其峰均比高的缺点，与已有的DFT扩展的OFDM技术方案相比，传输信号的峰均比更低，可以更好地满足无线与移动通信系统，特别是其上行传输链路，对传输信号低峰均比的要求。设系统中子载波个数为N_c＝512，此即IDFT变换的尺寸，并取N_b＝128，r＝0.22，图5给出正交幅度调制(QAM)方式下本发明给出的技术方法的峰均比性能，图中同时给出DFT扩展的OFDM技术方案和单载波系统的性能，其中横座标表示峰值平均功率比，纵座标表示大于给定峰均比值的概率。由此可以看出，本发明给出的技术方法的峰均比性能与偏移QAM(OQAM)调制的单载波系统的性能相近，明显优于DFT扩展的OFDM技术方法和QAM调制的单载波系统的性能。

附图说明

图1是低峰均比正交频分复用传输技术方法示意图。

图2是变换输入矢量的形成方法示意图。

图3是扩展DFT变换的DCT和DST实现方法示意图。

图4是变换域信号延拓和整形的实现过程示意图。

图5是QAM调制方式下技术方法的峰均比性能比较实例。

具体实施方式

本发明提供了一种低峰均比的正交频分复用传输技术方法，满足无线与移动通信系统，特别是其上行传输链路，对传输信号低峰均比的要求。本发明的低峰均比的正交频分复用传输方法首先对编码调制和串并转换后得到的矢量信号序列进行实部和虚部重组得到实矢量，然后对得到的实矢量进行扩展的离散傅立叶变换，接着在变换域进行共轭对称延展和均方根升余弦整形，再映射到正交频分复用的一组子载波上，由此产生低峰均比并具有良好频谱性能的正交频分复用传输信号。采用的扩展的离散傅立叶变换，可采用快速离散傅立叶变换或快速离散余弦和正弦变换实现。

具体方式如下：

(1)确定系统参数：在给定系统带宽下，按照正交频分复用系统设计的一般准则，依据多普勒频偏和实现复杂度等确定系统中子载波个数，IDFT变换尺寸，可任意配置用户占用的子载波，并确定DFT变换的尺寸和滚降因子等。

(2)发送方法：发送端按照图1-4给出的方法产生发送基带信号，并在载波调制后发送。

(3)接收方法：接收端可采用DFT域单点均衡技术进行信号检测，之后进行译码，恢复传输的信息比特，也可采用迭代检测译码技术恢复传输的信息比特。在上行传输链路应用中，不同用户的信号检测和译码可以采用同一DFT变换并在变换域进行，也可独立地进行DFT变换和检测译码。

Claims (3)

1.一种低峰均比的正交频分复用传输方法，其特征在于发送信号的构建依次包括以下步骤：

1.1)对编码调制和串并变换后得到的矢量信号序列d(n)进行实部和虚部的重组得到实矢量，即

d(n)＝[d_r(N_bn)d_i(N_bn)…d_r(N_bn+N_b-1)d_i(N_bn+N_b-1)]^T，

其中d(n)＝[d(N_bn)…d(N_bn+N_b-1)]^T，N_b为d(n)的长度，d_r(l)和d_i(l)分别为d(l)的实部和虚部，d(l)表示第l个编码调制后的信号，

1.2)对得到的实矢量进行扩展的离散傅立叶变换，

设其中和

为

的N_b行矢量构成的子矩阵，本发明中DFT变换采用如下扩展的形式：

其中

diag(·)表示对角矩阵，其对角元素在括号中给出，

1.3)在变换域进行共轭对称延展，其共轭对称延展后的矢量为

其中

其中x_k(n)表示x(n)的第k个元素，0≤k≤N_b-1；

Ns＝round(rNb/2)，其中r表示升余弦滚降系数；

1.4)均方根升余弦整形，设并设

w_left＝[w(2N_s-1) w(2N_s-2) … w(0)]^T，

w_right＝[w(0) w(1) … w(2N_s-1)]^T，

其中.*表示两个矢量的各个相对应的元素分别相乘，均方根升余弦整形后的变换域信号矢量为：

映射到正交频分复用的一组子载波上。

2.根据权利要求1所述的低峰均比正交频分复用方法，其特征在于扩展的离散傅立叶变换采用如下方法实现：

其中d_r(n)和d_i(n)分别表示d(n)的奇数项和偶数项组成的矢量。

3.根据权利要求1所述的低峰均比正交频分复用方法，其特征在于扩展的离散傅立叶变换采用如下步骤实现，

其中

和分别为标准的离散余弦变换III型(Type-III DCT)和离散正弦变换III型(Type-III DST)的变换矩阵，

和

分别为(N_b-1)×(N_b-1)恒等和反恒等矩阵。

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