DE102009021417B4 - Method and apparatus for nonlinear transformation and envelope scaling of OFDM signals - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur nichtlinearen Transformation und Einhüllenden-Skalierung eines aus NF sinusförmigen Subträgern bestehenden OFDM-Symbols der Bandbreite B, dessen Dateninhalt mit der Kardinalität M des Modulationsalphabets durch eine dermöglichen Realisierungdes Datenvektors gegeben ist, dessen NF Komponentendie zu übertragenden Datensymbole repräsentieren und den komplexen Amplituden der NF Subträger entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer aus einem Satz {S (1)...S (S)} von S unterschiedlichen Abbildungmatrizen der Dimension NF×NF auszuwählenden Matrix S ( s ) aus dem Datenvektor d ( r ) nach (A2) der abgebildete Datenvektorgebildet wird, dieser mit der Fouriermatrixin den Vektortransformiert wird, aus u (r,s) nach (A4) durch D/A-Wandlung das zeitkontinuierliche Signal ũ (r,s)(t) gebildet wird, dieses mit einer aus dem Bereich (0, ∞) gewählten, als Preclipping-Faktor bezeichneten Größe g multipliziert wird, das dadurch resultierende Signal gũ (r,s)(t) geclippt wird gemäßaus u (r,s,g)cl (t) nach (A5) durch Entfernen der spektralen Anteile außerhalb der OFDM-Bandbreite B mittels Tiefpaßfilterung das Signal u (r,s,g)cl,LP (t) erzeugt wird, undaus diesem schließlich mit einem gewählten Einhüllendenmaximum A die komplexe Einhüllendedes zu übertragenden OFDM-Symbols gebildet wird, wobei aus dem Satz {S (1)...S (S)} nach erfolgter Wahl des Preclipping-Faktors g jene Abbildungsmatrix S ( s ) ausgewählt und in (A3) verwendet wird, die das PAPR des OFDM-Symbols mit der komplexen Einhüllenden u (r,s,g,A)(t) nach (A6) minimiert.Method for non-linear transformation and envelope scaling of an OFDM symbol consisting of NF sinusoidal subcarriers of bandwidth B, the data content of which is given with the cardinality M of the modulation alphabet by a possible realization of the data vector, the NF components of which represent the data symbols to be transmitted and the complex amplitudes of the NF Subcarriers, characterized in that with a matrix S (s) to be selected from a set {S (1) ... S (S)} of S different mapping matrices of the dimension NF × NF from the data vector d (r) according to (A2 ) the mapped data vector is formed, it is transformed into the vector with the Fourier matrix, the time-continuous signal ũ (r, s) (t) is formed from u (r, s) according to (A4) by D / A conversion, this with an the range (0, ∞) selected and designated as the preclipping factor is multiplied, the resulting signal gũ (r, s) (t) is clipped according to u ( r, s, g) cl (t) according to (A5) the signal u (r, s, g) cl, LP (t) is generated by removing the spectral components outside the OFDM bandwidth B by means of low-pass filtering, and from this finally with a selected envelope maximum A, the complex envelope of the OFDM symbol to be transmitted is formed, with that mapping matrix S (s) selected from the set {S (1) ... S (S)} after the preclipping factor g has been selected and in ( A3) is used, which minimizes the PAPR of the OFDM symbol with the complex envelope u (r, s, g, A) (t) according to (A6).
Description
1 Stand der Technik1 state of the art
Bei der Weiterentwicklung heutiger und bei der Konzipierung künftiger Mobilfunksysteme spielt das Kanalzugriffsverfahren OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) eine wichtige Rolle. OFDM wird auch in drahtlosen lokalen Netzwerken (engl. Wireless Local Area Network, WLAN) eingesetzt. Die Grundprinzipien sowie die Vor- und Nachteile der OFDM-Technik werden in dem Standardwerk R. van Nee, R. Prasad, ”OFDM for multimedia communications”, Artech House, 2000, eingehend beschrieben. Wie auf den Seiten 119 bis 123 dieses Buches dargelegt, kann bei OFDM-Signalen das als Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) bezeichnete Verhältnis aus maximaler Momentanleistung zu mittlerer Leistung sehr große Werte annehmen. Beim Einsatz leistungseffizienter Sendeverstärker, die typischerweise nichtlinear sind, führt ein hohes PAPR zu Signalverzerrungen und ist deshalb ein gravierender Nachteil des Verfahrens OFDM. Zum Mildern dieses Nachteils der OFDM-Übertragungstechnik wurde in der Literatur eine Reihe von Verfahren zur PAPR-Reduktion von OFDM-Sigalen vorgeschlagen. Diese Verfahren enstammen meist den beiden Welten der Einhüllendenbegrenzung (Clipping) beziehungsweise der Datenspreizung, die bisher als völlig disjunkt und nicht in synergetischen Kombinationen betrachtet wurden. Dies mag darauf zurückzuführen sein, daß das Clipping ein altbekanntes Verfahren schon aus den Zeiten der analogen Funkübertragungstechnik ist, während die Datenspreizung in OFDM-Übertragungssystemen dem modernen Bereich der digitalen Signalverarbeitung zuzuordnen ist. Die Datenspreizung beruht darauf, die einzelnen Datensymbole nicht jeweils einem einzigen OFDM-Unterträger aufzumodulieren, sondern über mehrere oder alle OFDM-Unterträger hinweg zu spreizen.In the development of today's and in the design of future mobile systems, the channel access method OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) plays an important role. OFDM is also used in wireless local area networks (WLAN). The basic principles as well as the advantages and disadvantages of the OFDM technique are described in detail in the standard work R. van Nee, R. Prasad, "OFDM for multimedia communications", Artech House, 2000. As explained on pages 119 through 123 of this book, the ratio of peak to average power ratio (PAPR) for OFDM signals can be very high. When using power-efficient transmit amplifiers, which are typically non-linear, a high PAPR leads to signal distortions and is therefore a serious disadvantage of the OFDM method. To mitigate this disadvantage of the OFDM transmission technique, a number of methods for PAPR reduction of OFDM signals have been proposed in the literature. Most of these methods originate from the two worlds of clipping and data spreading, which until now have been considered as completely disjoint and not in synergetic combinations. This may be due to the fact that clipping is a well-known method even from the days of analog radio transmission technology, while the data spread in OFDM transmission systems is to be assigned to the modern field of digital signal processing. The data spreading is based on not modulating the individual data symbols in each case to a single OFDM subcarrier, but to spread across several or all OFDM subcarriers.
Das Clipping als nichtlinearer Vorgang hat den Nachteil, daß zunächst auch spektrale Anteile außerhalb des für die OFDM-Übertragung vorgesehenen Frequenzbands entstehen (out of band power), die man anschließend durch Filterung wieder beseitigen muß, wodurch als Nachteil 1 die angestrebte Einhüllendenbegrenzung zum Teil wieder zunichte gemacht wird (amplitude regrowth) und als Nachteil 2 je nach zu übertragenden Daten nicht vorhersehbare Einhüllendenmaxima entstehen. Es erfolgt also keine Einhüllenden-Skalierung, so daß man den senderseitigen Leistungsverstärker nicht für eine feste Maximalamplitude optimieren kann; dies geht mit dessen Effizienzminderung einher. In der
Die Datenspreizung hat den Nachteil, daß die entstehenden Einhüllendenmaxima wie beim Clipping von den zu übertragenden Daten abhängen, so daß man auch hier den senderseitigen Leistungsverstärker nicht für eine feste Maximalamplitude optimieren kann. In der
Der Aufsatz S. H. Han, J. H. Lee, ”An overview of peak-to-average power ratio reduction techniques for multicarrier transmission”, IEEE Wireless Communications, April 2005, S. 56–65, beschreibt die heute bekannten PAPR-Reduktionsverfahren für OFDM. In Tabelle 2 dieses Aufsatzes werden diese Verfahren aufgelistet und bezüglich ihrer Nach- und Vorteile charakterisiert. Nicht explizit erwähnt werden in dem Aufsatz zwei weitere Nachteile der bekannten Verfahren zur PAPR-Reduktion:
- 1. Das nach der PAPR-Reduktion mit diesen Verfahren auftretende Einhüllendenmaximum des OFDM-Signals ist nicht a priori vorgebbar, sondern es ergibt sich a posteriori. Aufgrund dieses Nachteils ist es nicht möglich, Leistungsverstärker für die mit den bekannten Verfahren PAPR-reduzierten OFDM-Signale unter Vorgabe eines festen Einhüllendenmaximums auszulegen und zu optimieren.
- 2. Der Fokus der bekannten Verfahren liegt ausschließlich auf der PAPR-Reduktion als solcher, obwohl es sinnvoller wäre, die PAPR-Reduktion nicht als Selbstzweck, sondern lediglich als Zwischenstufe im Kontext einer Optimierung der Performanz des gesamten OFDM-Übertragungssystems anzusehen. Deswegen weisen die lediglich mit dem Ziel der PAPR-Minimierung konzipierten, bekannten OFDM-Übertragungsverfahren nicht die bestmögliche Übertragungsqualität auf, quantitativ beispielsweise beschreibbar durch die Detektionsfehlerwahrscheinlichkeit.
- 1. The envelope maximum of the OFDM signal occurring after the PAPR reduction with these methods can not be predefined a priori, but results a posteriori. Because of this disadvantage, it is not possible to design and optimize power amplifiers for the PAPR-reduced OFDM signals using the known methods while specifying a fixed envelope maximum.
- 2. The focus of the known methods is exclusively on the PAPR reduction as such, although it would be more appropriate to view the PAPR reduction not as an end in itself but only as an intermediate in the context of optimizing the performance of the entire OFDM transmission system. Therefore, the known OFDM transmission methods designed only with the aim of minimizing PAPR do not have the best possible transmission quality, for example, quantitatively describable by the detection error probability.
2 Problem und Lösung2 problem and solution
Im folgenden werden Vektoren und Matrizen durch Fettdruck und Komplexwertigkeit durch Unterstreichen gekennzeichnet.In the following, vectors and matrices are indicated by bold and complex valence by underlining.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, die beiden Verfahren des Clippings und der Datenspreizung in neuartiger, synergetischer Weise zu kombinieren und hierbei durch Einbeziehen einer Einhüllenden-Skalierung das Einhüllendenmaximum des dem Clipping und der Datenspreizung unterzogenen Signals im Interesse einer optimalen Verstärkerauslegung a priori vorzugeben. Aufgabe der Erfindung ist es also, das PAPR eines OFDM-Signals durch ein Verfahren zu reduzieren,
- • das es gestattet, das Einhüllendenmaximum des PAPR-reduzierten Signals a priori vorzugeben, und
- • bei dem die PAPR-Reduktion mit einer Optimierung der Performanz der gesamten OFDM-Übertragung einhergehen kann.
- • which allows to specify the envelope maximum of the PAPR reduced signal a priori, and
- • in which the PAPR reduction can be accompanied by an optimization of the performance of the entire OFDM transmission.
Dieses Problem wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 2 angegebenen Verfahren zur nichtlinearen Transformation und Einhüllenden-Skalierung und eines aus NF sinusförmigen Subträgern der Dauer T bestehenden OFDM-Symbols der Bandbreite
Für das PAPR des Signals a(r,s,g,A)(t) nach (9) folgt mit u (r,s,g,A)(t) nach (8) For the PAPR of the signal a (r, s, g, A) (t) according to (9) follows with u (r, s, g, A) (t) according to (8)
Die geschilderten Wahlmöglichkeiten bezüglich der Abbildungsmatrix S ( s ), des Preclipping-Faktors g und des Einhüllendenmaximums A können gemäß Patentanspruch 1 zur PAPR-Minimierung oder gemäß Patentanspruch 2 zur Minimierung der Übertragungsfehlerwahrscheinlichkeit genutzt werden.The described options with regard to the mapping matrix S ( s ) , the preclipping factor g and the envelope maximum A can be used according to
Das OFDM-Signal a(r,s,g,A)(t) nach (9) wird über die Übertragungsstrecke zum Empfänger gesendet. Die Übertragungsstrecke repräsentiert den im allgemeinen störungsbehafteten Übertragungskanal, aber auch Systemkomponenten können der Übertragungsstrecke zugeschlagen werden. Für die Beeinflussung des Signals a(r,s,g,A)(t) nach (9) durch die Übertragungsstrecke wird der Kanaloperator Ƙ eingeführt. Beispielsweise berücksichtigt
- • die Charakteristiken von Sendeverstärker und Sendefilter,
- • die Übertragungsfunktion des Übertragungskanals, der zum Beispiel ein frequenzselektiver Funkkanal sein kann, oder eine statistische Charakterisierung des Übertragungskanals in Form der Scattering Function, und
- • die Charakteristik der Störung, die zum Beispiel ein weißes Bandpaß-Gaußrauschen am Empfängereingang sein kann.
- The characteristics of transmission amplifiers and transmission filters,
- The transmission function of the transmission channel, which may be, for example, a frequency-selective radio channel, or a statistical characterization of the transmission channel in the form of the scattering function, and
- The characteristic of the disturbance, which may be, for example, a white bandpass Gaussian noise at the receiver input.
Das in die Übertragungsstrecke eingespeiste Signal a(r,s,g,A)(t) nach (9) führt an deren Ausgang zu einem Signal der komplexen Einhüllenden
Bei gewähltem Preclipping-Faktor g hängt das PAPR nach (10) von der gewählten Abbildungsmatrix S ( s ) nach (4) ab. Durch Wahl der Abbildungsmatrix S ( s ) mit dem Hochindex kann man gemäß Patentanspruch 1 das PAPR minimieren.If the preclipping factor g is selected, the PAPR depends on (10) from the selected imaging matrix S ( s ) according to (4). By selecting the imaging matrix S ( s ) with the high index can be minimized according to
Der Empfänger hat ganz allgemein die Aufgabe, unter Kenntnis des Signals der komplexen Einhüllenden u
Durch den Inhalt der Klammer auf der linken Seite von (13) wird ausgedrückt, daß r ^ abhängt von der Wahl der Abbildungsmatrix S ( s ), des Preclipping-Faktors g und des Einhüllendenmaximums A sowie von den Eigenschaften der Übertragungsstrecke, repräsentiert durch den Kanaloperator Ƙ. Mit r ^(s,g,A,Ƙ) nach (13) kann man die Wahrscheinlichkeit eines Detektionsfehlers bei gesendetem Datenvektor d ( r ) ausdrücken als
Bei gewählten Größen g und A sowie bei gegebenem Kanaloperator Ƙ hängt P(r,s,g,A,Ƙ) nach (14) von der Wahl der Abbildungsmatrix S ( s ) nach (4) ab. Durch Wahl der Abbildungsmatrix mit dem Hochindex kann man gemäß Patentanspruch 2 die Detektionsfehlerwahrscheinlichkeit minimieren.For selected quantities g and A and for a given channel operator Ƙ, P (r, s, g, A, Ƙ) depends on (14) the choice of the mapping matrix S ( s ) according to (4). By choice of the imaging matrix with the high index can be minimized according to
Der Patentanspruch 3 beschreibt eine einfache Vorgehensweise zum Bilden der Abbildungsmatrizen als Produkt der NF×NF-Walsh-Hadamard-Matrix W und jeweils einer von S unterschiedlichen Vertauschungsmatrizen gemäß wobei eine jede Zeile und Spalte der Matrizen C( s ) eine einzige Eins und ansonsten Nullen enthält. Die nach (16) generierten Abbildungsmatrizen sind reell, und deshalb ist das Symbol S( s ) in (16) nicht unterstrichen.
Besonders vorteilhaft ist das Bilden der Vertauschungsmatrizen durch zyklische Vertauschung gemäß Patentanspruch 4. Hierbei wählt man S gleich NF und schreibt Particularly advantageous is the formation of the interchangeable matrices by cyclic permutation according to
Die Generierung von NF Abbildunsmatrizen nach (16) und (17) ist neu und bietet die Vorteile, daß
- • lediglich der Hochindex (nF) zum Empfänger signalisiert werden muß, um diesen über die verwendete Abbildungsmatrix zu informieren, und daß
- • die Abbildungsmatrizen im Empfänger nicht gespeichert werden müssen, sondern dort on-line auf einfache Weise anhand von (16) und (17) generiert werden können.
- • Only the high index (n F ) must be signaled to the receiver to this over the used imaging matrix to inform, and that
- • the image matrices need not be stored in the receiver, but can be generated there on-line in a simple manner using (16) and (17).
Die Abbildunsmatrizen nach (16) bis (17) sind voll besetzt. Daraus ergibt sich eine vorteilhafte Frequenzdiversität: Die in einer jeden Komponente des Datenvektors d ( r ) nach (3) enthaltene Information wird über alle NF Subträger gespreizt, was den schädlichen Einfluß der Frequenzselektivität der Radiokanäle auf die Systemperformanz mildert.The image matrices according to (16) to (17) are fully occupied. This results in an advantageous frequency diversity: that in each component The information contained in the data vector d ( r ) according to (3) is spread over all N F subcarriers, which mitigates the deleterious effect of frequency selectivity of the radio channels on system performance.
3 Einrichtung zum Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens3 Device for applying the method according to the invention
3.1 Vorbemerkung3.1 Preliminary note
Patentanspruch 5 betrifft eine Einrichtung zum Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens, die anhand der Sendeseite und der Übertragungsstrecke eines OFDM-Übertragungssystems näher erläutert wird.
3.2 Selektiver Daten-Abbilder
d ( r ) nach (3) wird in den Block ”Selektiver Daten-Abbilder
3.3 Inverser Fourier-Transformer und D/A-Wandler
Wie aus
3.4 Tiefpaßbegrenzer
Die innere Struktur des Blocks ”Tiefpaßbegrenzer
3.5 Übertragungsstrecke
Der Block ӆbertragungsstrecke
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---|---|---|---|
DE200910021417 DE102009021417B4 (en) | 2009-05-12 | 2009-05-12 | Method and apparatus for nonlinear transformation and envelope scaling of OFDM signals |
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DE102009021417A1 DE102009021417A1 (en) | 2011-01-05 |
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-
2009
- 2009-05-12 DE DE200910021417 patent/DE102009021417B4/en not_active Withdrawn - After Issue
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HAN, S. H. u.a.: An Overview of Peak-To-Average Power Ratio Reduction Techniques for Multicarrier Transmission. In: IEEE Wireless Communications, Vol. 12, Nr. 2, April 2005, Seiten 56 - 65 * |
van Nee Richard, Prasad Ramjee: OFDM for wireless multimedia communications. Boston : Artech House, 2000. - ISBN 9780890065303 * |
Also Published As
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DE102009021417A1 (en) | 2011-01-05 |
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