RU2280953C2 - Method for adaptive control of signal peak factor - Google Patents

Method for adaptive control of signal peak factor Download PDF

Info

Publication number
RU2280953C2
RU2280953C2 RU2003127338/09A RU2003127338A RU2280953C2 RU 2280953 C2 RU2280953 C2 RU 2280953C2 RU 2003127338/09 A RU2003127338/09 A RU 2003127338/09A RU 2003127338 A RU2003127338 A RU 2003127338A RU 2280953 C2 RU2280953 C2 RU 2280953C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
symbols
ofdm
extended
control
signal
Prior art date
Application number
RU2003127338/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003127338A (en
Inventor
Валерий Павлович Волчков (RU)
Валерий Павлович Волчков
Алексей Петрович Шумов (RU)
Алексей Петрович Шумов
Александр Николаевич Гаврилов (RU)
Александр Николаевич Гаврилов
Original Assignee
Корпорация "Самсунг Электроникс"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Корпорация "Самсунг Электроникс" filed Critical Корпорация "Самсунг Электроникс"
Priority to RU2003127338/09A priority Critical patent/RU2280953C2/en
Publication of RU2003127338A publication Critical patent/RU2003127338A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2280953C2 publication Critical patent/RU2280953C2/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02DCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Abstract

FIELD: electrical communications; adaptive control of signal peak factor.
SUBSTANCE: each modulating character is adaptively controlled to minimize envelope peaks (PAPR); reference signals are generated and peak power is optimally controlled through subcarriers; output OFDM character is interpolated beyond base band; then optimal control is effected for all data and beyond-the-band subcarriers which are then subjected to digital filtration in frequency region, transformed by means of digital backward Fourier transformation into time readings, and the latter are then used for generating reference signals and optimal controls according to mixed RMS criterion thereby minimizing peak factor and modulating-character distortions at a time.
EFFECT: enhanced effectiveness of control.
2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электросвязи, в частности к способам управления сигналом, и может использоваться, например, в сотовых системах связи.The invention relates to the field of telecommunications, in particular to methods for controlling a signal, and can be used, for example, in cellular communication systems.

Для обзора уровня техники и описания существа изобретения используются следующие специальные термины и сокращения:The following specific terms and abbreviations are used to review the prior art and to describe the invention.

- PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) - отношение пиковой мощности к средней;- PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) - ratio of peak power to average;

- OFDM (Orthogonal Frequiency Division Multiplexing) - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением;- OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - orthogonal frequency division multiplexing;

- DMT (Discrete MultiTone) - дискретная многотональная (передача);- DMT (Discrete MultiTone) - discrete multi-tone (transmission);

- FFT (Fast Fourier Transformation) - быстрое преобразование Фурье;- FFT (Fast Fourier Transformation) - fast Fourier transform;

- IFFT (Inverse Fast Fourier Transformation) - обратное быстрое преобразование Фурье;- IFFT (Inverse Fast Fourier Transformation) - inverse fast Fourier transform;

- QAM (Quadrature Amplitude Modulation) - квадратурная амплитудная модуляция;- QAM (Quadrature Amplitude Modulation) - quadrature amplitude modulation;

- QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) - 4-позиционная (квадратурная) фазовая манипуляция;- QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) - 4-position (quadrature) phase shift keying;

- BER (Bit Error Ratio) - побитовый коэффициент ошибки или вероятность ошибки на бит;- BER (Bit Error Ratio) - bitwise error coefficient or probability of error per bit;

- SNR (Signal Noise Ratio) - отношение сигнал/шум.- SNR (Signal Noise Ratio) - signal to noise ratio.

- CCDF (Complementary Cumulativ Distribution Function) - выборочное вероятностное распределение;- CCDF (Complementary Cumulativ Distribution Function) - selective probability distribution;

- SPD (Spectrum Power Density) - спектральная плотность мощности;- SPD (Spectrum Power Density) - spectral power density;

- OBR (Out-Band Radiation) - область внеполосного излучения.- OBR (Out-Band Radiation) - region of out-of-band radiation.

Известно, что одним из главных недостатков DMT и OFDM систем является высокий пик-фактор передаваемых сигналов. Он возникает из-за того, что OFDM/DMT сигнал состоит из большого числа независимо модулированных по амплитуде и фазе гармоник. При их когерентном (или квазикогерентном) сложении возникают "пики" огибающей, которые характеризуются величиной PAPR (Peak-to-Average Power Ratio), т.е. отношения пиковой мощности сигнала к его средней мощности. Данный эффект, если с ним не бороться, требует увеличения динамического диапазона устройств АЦП, ЦАП и выходного усилителя мощности. Это приводит к их неоправданному усложнению, а значит, увеличению стоимости аппаратуры в целом. Еще более важное соображение связано с тем, что PAPR является основным параметром, определяющим уровень межканальных помех. Для систем OFDM это самый уязвимый показатель. Поэтому эффективное решение проблемы уменьшения PAPR позволит значительно расширить область практического применения OFDM технологии в сотовых системах связи и облегчить их сосуществование с другими технологиями. При большом количестве поднесущих и случайном характере изменения фаз отдельных гармоник (что обычно встречается на практике) вероятность их квазикогерентного сложения, а значит, и вероятность возникновения значительных пиков огибающей, всегда отлична от нуля и равна примерно 10-6-10-5. Следовательно, большие значения PAPR в OFDM сигнале наблюдаются достаточно редко. На этом важном факте базируется большинство реализованных способов уменьшения PAPR.It is known that one of the main disadvantages of DMT and OFDM systems is the high peak factor of the transmitted signals. It arises due to the fact that the OFDM / DMT signal consists of a large number of harmonics that are independently modulated in amplitude and phase. With their coherent (or quasicoherent) addition, “peaks” of the envelope arise, which are characterized by the PAPR (Peak-to-Average Power Ratio), i.e. the ratio of the peak power of the signal to its average power. This effect, if you do not deal with it, requires an increase in the dynamic range of the ADC, DAC and output power amplifier. This leads to their unjustified complication, which means an increase in the cost of the equipment as a whole. An even more important consideration is that PAPR is the main parameter that determines the level of inter-channel interference. For OFDM systems, this is the most vulnerable indicator. Therefore, an effective solution to the problem of reducing PAPR will significantly expand the field of practical application of OFDM technology in cellular communication systems and facilitate their coexistence with other technologies. With a large number of subcarriers and a random nature of the phase changes of individual harmonics (which is usually found in practice), the probability of their quasicoherent addition, and hence the probability of significant envelope peaks, is always non-zero and equal to about 10 -6 -10 -5 . Therefore, large PAPR values in the OFDM signal are observed quite rarely. On this important fact, most of the implemented methods for reducing PAPR are based.

Известен способ управления выходным сигналом, предусматривающий применение мягкого или жесткого клипирования (Clipping). Такой способ описан в статьях М.Pauli, H.Р.Kuchenbecker, "Minimization of the Intermodulation Distortion of a Nonlineary Amplified OFDM Signal". Wireless Personal Communications, Vol.4, No.1, pp.93-101, Jan. 1997 [1] и Richard van Nee and Ramjee Prasad, "OFDM Wireless Multimedia Communications". - (Artech House Universal Personal Communications Library, 1999) [2].A known method of controlling the output signal, involving the use of soft or hard clipping (Clipping). Such a method is described in articles by M. Pauli, H. P. Kuchenbecker, "Minimization of the Intermodulation Distortion of a Nonlineary Amplified OFDM Signal". Wireless Personal Communications, Vol.4, No.1, pp. 93-101, Jan. 1997 [1] and Richard van Nee and Ramjee Prasad, "OFDM Wireless Multimedia Communications". - (Artech House Universal Personal Communications Library, 1999) [2].

Суть такого известного способа заключается в нелинейном ограничении вещественного OFDM/DMT сигнала на некотором заданном уровне с помощью специального ограничителя или усилителя мощности с характеристикой насыщения. Однако при этом возникают следующие побочные эффекты:The essence of such a known method is the nonlinear limitation of the real OFDM / DMT signal at a predetermined level using a special limiter or power amplifier with a saturation characteristic. However, the following side effects occur:

- Нарушение ортогональности между сигналами поднесущих (взаимная интерференция каналов). Это приводит к энергетическим потерям порядка 0,25 dB (при снижении PAPR до 6 dB).- Violation of orthogonality between subcarrier signals (mutual interference of channels). This leads to energy losses of the order of 0.25 dB (with a decrease in PAPR to 6 dB).

- Повышение уровня внеполосного излучения на 8...10 dB. В результате чего требуются дополнительные меры по фильтрации сигнала. Однако, если такую фильтрацию выполнить, то уровень PAPR резко возрастет, и потребуются дополнительные меры по клипированию. Последнее приведет к увеличению энергетических потерь до 1,25 и более dB (т.е. получим размен уровня внеполосного излучения на энергетическую эффективность).- Increase the level of out-of-band radiation by 8 ... 10 dB. As a result, additional measures are required to filter the signal. However, if such filtering is performed, the PAPR level will increase sharply, and additional clipping measures will be required. The latter will lead to an increase in energy loss to 1.25 or more dB (i.e., we will get a change in the out-of-band emission level for energy efficiency).

Структурная схема, поясняющая способ клипирования, приведена на Фиг.1.A block diagram illustrating a clipping method is shown in FIG.

Известен также более эффективный способ уменьшения PARP, он основан на компенсации пиков огибающей за счет резервирования части поднесущих частот (Peak Reduction by Tone Reservation). Способ описан в опубликованных докладах Tellado, J., Cioffi, J.M., "PAR Reduction in Multicarrier Transmission Systems", Delayed Contribution ITU-T 4/15, D.150 (WP 1/15), Geneva, February 9-20, 1998 [3] и A. Gatherer and M. Polley, "Controlling clipping probability in DMT transmission," in the Proceedings of the 31st Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers (Pacic Grove, CA), Nov. 1997 [4]. Способ заключается в том, что OFDM сигнал с выхода блока IFTT подвергают специальной итеративной обработке. А именно, из сигнала в моменты, соответствующие большим значениям PARP, вычитают уменьшенные (промасштабированные) копии пиков, которые формируются из того же OFDM сигнала специальной фильтровой схемой. Компенсация производится до требуемого уровня PARP. Характерно, что при точной реализации этот способ не приводит к расширению спектра сигнала и нелинейным искажениям сигнала (нарушению ортогональности поднесущих). Это оказывается возможным благодаря тому, что компенсирующий сигнал формируют из той части ортогональных поднесущих, которые не участвуют в передаче информации. Их специально резервируют для управления пик-фактором.There is also a more effective way to reduce PARP, it is based on the compensation of the envelope peaks due to the reservation of part of the subcarrier frequencies (Peak Reduction by Tone Reservation). The method is described in published reports by Tellado, J., Cioffi, JM, "PAR Reduction in Multicarrier Transmission Systems", Delayed Contribution ITU-T 4/15, D.150 (WP 1/15), Geneva, February 9-20, 1998 [3] and A. Gatherer and M. Polley, "Controlling clipping probability in DMT transmission," in the Proceedings of the 31st Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers (Pacic Grove, CA), Nov. 1997 [4]. The method consists in the fact that the OFDM signal from the output of the IFTT block is subjected to special iterative processing. Namely, from the signal at the moments corresponding to large PARP values, the reduced (scaled) copies of the peaks, which are formed from the same OFDM signal by a special filter circuit, are subtracted. Compensation is made to the required PARP level. Characteristically, with accurate implementation, this method does not lead to the expansion of the signal spectrum and nonlinear distortion of the signal (violation of the orthogonality of the subcarriers). This is possible due to the fact that the compensating signal is formed from that part of the orthogonal subcarriers that are not involved in the transmission of information. They are specially reserved for peak factor management.

Однако и у такого способа имеются свои недостатки:However, this method also has its drawbacks:

- Если компенсацию выполнять по среднеквадратическому критерию, а номера резервируемых поднесущих фиксировать, то максимальное уменьшение PAPR оказывается небольшим. В частности, в [3] отмечается, что при резерве, равном 5%, и вероятности CCDF, равной 10-5, можно уменьшить PAPR с 15 dB до 11,6 dB (т.е. абсолютный выигрыш составляет 3,4 dB).- If the compensation is performed according to the RMS criterion, and the reserved subcarrier numbers are fixed, then the maximum decrease in PAPR is small. In particular, in [3] it is noted that with a reserve of 5% and a probability of CCDF of 10 -5 , you can reduce the PAPR from 15 dB to 11.6 dB (ie, the absolute gain is 3.4 dB) .

- Если номера резервируемых поднесущих для каждого OFDM символа не фиксировать, а определять в процессе дополнительной оптимизации, то этот выигрыш можно увеличить до 6,2 dB [3]. Однако данная процедура усложняет алгоритм и имеет серьезные ограничения при ее практической реализации.- If the numbers of reserved subcarriers for each OFDM symbol are not fixed, but determined in the process of additional optimization, then this gain can be increased to 6.2 dB [3]. However, this procedure complicates the algorithm and has serious limitations in its practical implementation.

Действительно, в этом случае на приемной стороне надо или знать или очень точно оценивать номера всех резервируемых поднесущих. В условиях релеевского канала и QAM модуляции такая задача оценивания практически невыполнима. Если же предусмотреть передачу этих номеров поднесущих в каждом OFDM символе, то это приведет к дополнительному снижению спектральной и энергетической эффективности.Indeed, in this case, on the receiving side, one must either know or very accurately estimate the numbers of all reserved subcarriers. Under the conditions of the Rayleigh channel and QAM modulation, such an estimation task is practically impossible. If the transmission of these subcarrier numbers in each OFDM symbol is envisaged, this will lead to an additional decrease in spectral and energy efficiency.

- Несмотря на отсутствие нелинейных искажений, способ компенсации пиков огибающей за счет резервирования части поднесущих частот (Peak Reduction by Tone Reservation), в наиболее его эффективном варианте (коэффициент компенсации - «PAPR Reduction Gain» -достигает 6 dB и более), приводит к снижению энергетической эффективности на 0,5-1,0 dB (см. [3], стр.5). Это без учета указанных выше трудностей практической реализации, которые приведут к еще большим потерям.- Despite the absence of non-linear distortions, the method of compensating the envelope peaks due to the reservation of a part of the subcarrier frequencies (Peak Reduction by Tone Reservation), in its most effective version (the compensation coefficient - “PAPR Reduction Gain” reaches 6 dB or more), leads to a decrease energy efficiency by 0.5-1.0 dB (see [3], p. 5). This does not take into account the above difficulties of practical implementation, which will lead to even greater losses.

Таким образом, каждый из рассмотренных способов уменьшения PAPR обладает рядом недостатков, ограничивающих их практическое применение.Thus, each of the considered methods for reducing PAPR has a number of disadvantages that limit their practical application.

Наиболее близким к заявляемому способу является описанный в [3] (стр.7) алгоритм Peak Reduction by Tone Reservation для среднеквадратического критерия качества и фиксированного набора резервируемых поднесущих. Похожий алгоритм, основанный на компенсации пиков, используется и в проекте международного стандарта OFDMA PHY Proposal for the 802.16.3 PRY Layer, 2001/01/18 [5]. Структурная схема алгоритма такого типа приведена на Фиг.2.Closest to the claimed method is the Peak Reduction by Tone Reservation algorithm described in [3] (p. 7) for the root mean square quality criterion and a fixed set of reserved subcarriers. A similar algorithm based on peak compensation is also used in the draft international standard OFDMA PHY Proposal for the 802.16.3 PRY Layer, 2001/01/18 [5]. A block diagram of an algorithm of this type is shown in FIG. 2.

Заявляемое изобретение решает задачу повышения эффективности управления сигналом по сравнению с известными техническими решениями, в частности, по таким параметрам, какThe claimed invention solves the problem of increasing the efficiency of signal control in comparison with the known technical solutions, in particular, in such parameters as

- уровень ограничения PAPR;- PAPR restriction level;

- уровень нелинейных искажений модулирующих символов;- level of nonlinear distortion of modulating symbols;

- уровень внеполосного излучения.- out-of-band emission level.

Этот результат достигается за счет того, что, хотя заявляемый способ, как и прототип, использует идеи клипирования и оптимального управления пиковой мощностью через поднесущие, однако, вместо резервирования и управления отдельными поднесущими, как предусмотрено в [3], в заявляемом способе формируют и подают оптимальное управление на все информационные и внеполосные поднесущие, за счет чего достигается высокая степень эффективности управления по всем перечисленным выше показателям качества и одновременно появляется возможность учитывать негативное влияние интерполяции на пик-фактор выходного сигнала. Чтобы добиться желаемого результата, в каждый модулирующий символ сигнала аддитивно замешивают управление, которое минимизирует PAPR сигнала, но при этом приводит лишь к незначительному контролируемому искажению передаваемой информации. Оптимизация управления производится по смешанному среднеквадратичекому критерию, при котором одновременно минимизируются PAPR и величина вносимых искажений.This result is achieved due to the fact that, although the claimed method, like the prototype, uses the ideas of clipping and optimal control of peak power through subcarriers, however, instead of backup and control of individual subcarriers, as provided in [3], the claimed method is formed and fed optimal control for all information and out-of-band subcarriers, due to which a high degree of control efficiency is achieved for all the quality indicators listed above and at the same time there is the possibility of taking into account negative effect of interpolation on the peak factor of the output signal. To achieve the desired result, control is added to each modulating symbol of the signal, which minimizes the PAPR of the signal, but at the same time leads only to a slight controlled distortion of the transmitted information. Control optimization is performed according to a mixed rms criterion, in which PAPR and the amount of introduced distortion are simultaneously minimized.

Управление сигналом по указанному критерию осуществляется в расширенной спектральной области [0, F0], которая включает в себя базовую полосу частот OFDM сигнала [0, Fmax) и область внеполосного излучения OBR [Fmax, F0], где F0=kintFmax. Коэффициент кint=3...4 учитывает влияние интерполяции сигнала в ЦАП на увеличение PAPR. Такой способ управления имеет структуру оптимального регулятора, в котором в качестве опорных сигналов используются клипированные (в вещественной области) сигналы поднесущих. За счет оптимизации управления и фильтрации внеполосного излучения удается преодолеть недостатки обычной процедуры клипирования, о которых говорилось при анализе прототипа.The signal is controlled according to the specified criterion in the expanded spectral region [0, F 0 ], which includes the base frequency band of the OFDM signal [0, F max ) and the out-of-band emission region OBR [F max, F 0 ], where F 0 = k int F max . The coefficient k int = 3 ... 4 takes into account the effect of signal interpolation in the DAC on the increase in PAPR. Such a control method has the structure of an optimal controller, in which clipped (in the material domain) subcarrier signals are used as reference signals. By optimizing the management and filtering of out-of-band radiation, it is possible to overcome the disadvantages of the conventional clipping procedure, which were mentioned in the analysis of the prototype.

Для лучшего понимания заявляемого способа на Фиг.3 приводится структурная схема, поясняющая принцип работы предлагаемого способа в виде алгоритма снижения PAPR.For a better understanding of the proposed method, Fig. 3 is a structural diagram explaining the principle of operation of the proposed method in the form of an algorithm for reducing PAPR.

По сравнению с прототипом [3] схема содержит следующие новые функциональные блоки:Compared with the prototype [3], the circuit contains the following new functional blocks:

- Блок 10 управления дополнительным OFDM сигналом (Oversampled Controller). Данная процедура сводится добавлению оптимальных управлений (т.е. компонент вектора uopt) ко всем компонентам дополнительного OFDM символа (за возможным исключением компонент пилот-сигнала).- Block 10 control additional OFDM signal (Oversampled Controller). This procedure reduces to adding optimal controls (i.e., the components of the vector u opt ) to all components of the additional OFDM symbol (with the possible exception of the pilot signal component).

- Блок 11 внеполосного цифрового фильтра (Out of Band Digital Filter), обеспечивающий ослабление спектральных компонент OFDM сигнала, лежащих вне основной полосы, в соответствии с заданной маской на каждом шаге управления. Причем на последнем шаге управления (т.е. перед подачей сигнала на вход ЦАП в момент t=K) предусматривается фильтрация с более мягкой маской.- Block 11 of an out-of-band digital filter (Out of Band Digital Filter), providing attenuation of the spectral components of the OFDM signal lying outside the main band, in accordance with a given mask at each control step. Moreover, at the last control step (i.e., before applying the signal to the DAC input at time t = K), filtering with a softer mask is provided.

- Блок 14 дополнительного быстрого обратного дискретного преобразования Фурье (Oversampled IFFT). В отличие от прототипа, оно выполняется над дополнительным OFDM символом, имеющим размерность Ncar_=kintNcar.- Block 14 additional fast inverse discrete Fourier transform (Oversampled IFFT). Unlike the prototype, it is performed on an additional OFDM symbol having the dimension N car _ = k int N car .

- Блок 8 минимизации пик-фактора и полосового искажения (PAPR & In-Band Distortion Minimization) на основе входного дополнительного OFDM сигнала формирует опорные клипированные сигналы и выполняет К-шаговое формирование оптимального вектора управления uopt. Алгоритм управления строится по смешанному среднеквадратическому критерию, который одновременно минимизирует пик-фактор сигнала и искажения модулирующих символов. Математическое описание алгоритма имеет вид- Block 8 minimizing the peak factor and band distortion (PAPR & In-Band Distortion Minimization) on the basis of the input additional OFDM signal generates reference clipped signals and performs K-step formation of the optimal control vector u opt . The control algorithm is constructed according to a mixed rms criterion, which simultaneously minimizes the peak factor of the signal and distortion of the modulating symbols. The mathematical description of the algorithm has the form

Figure 00000002
Figure 00000002

где Р - матрица оптимального управления,

Figure 00000003
- расширенный вектор состояния модели OFDM сигнала, включающий опорные клипированные сигналы и отвечающий (i-1)-му шагу управления. На данной схеме приведены лишь те блоки, которые непосредственно участвуют в процедуре уменьшения PAPR, остальные блоки, предшествующие этой процедуре и показанные на Фиг.2 (кодер, модулятор и т.д.), остаются без изменения.where P is the matrix of optimal control,
Figure 00000003
- extended state vector of the OFDM signal model, including reference clipped signals and corresponding to the (i-1) th control step. This diagram shows only those blocks that are directly involved in the PAPR reduction procedure, the remaining blocks preceding this procedure and shown in Figure 2 (encoder, modulator, etc.) remain unchanged.

При реализации заявляемого способа осуществляют следующую последовательность операций:When implementing the proposed method carry out the following sequence of operations:

1. Передаваемую последовательность информационных символов (информационный сигнал) подвергают операциям кодирования, перемежения и модуляции, в результате чего формируют последовательность модулированных символов.1. The transmitted sequence of information symbols (information signal) is subjected to coding, interleaving and modulation operations, as a result of which a sequence of modulated symbols is formed.

2. Последовательность модулированных символов разбивают на отдельные блоки длиной Ncar, называемых OFDM символами.2. The sequence of modulated symbols is divided into separate blocks of length N car , called OFDM symbols.

3. Каждый OFDM символ дополняют (kint-1...)Ncar нулевыми символами, образуя, таким образом, расширенные OFDM символы, каждый из которых состоит из kintNcar элементов.3. Each OFDM symbol is complemented by (k int -1 ...) N car null characters, thus forming extended OFDM symbols, each of which consists of k int N car elements.

4. К каждому элементу OFDM символа добавляют управляющие сигналы, вырабатываемые блоком компенсации пиков огибающей за счет резервирования части поднесущих частот в пределах и вне полосы ("Reduction by Tone In-Band & Out-Band"). В результате этого формируют скорректированный расширенный OFDM символ.4. To each element of the OFDM symbol, control signals generated by the envelope peak compensation unit due to the reservation of part of the subcarrier frequencies within and outside the band ("Reduction by Tone In-Band & Out-Band") are added. As a result of this, a corrected extended OFDM symbol is generated.

5. Данный скорректированный расширенный OFDM символ подвергают дополнительной фильтрации в блоке внеполосного цифрового фильтра (Out of Band Digital Filter) для уменьшения уровня внеполосного излучения.5. This adjusted extended OFDM symbol is subjected to additional filtering in the Out of Band Digital Filter block to reduce the out-of-band emission level.

6. Полученные после фильтрации последовательности расширенных OFDM символов подвергают операции быстрого преобразования Фурье и затем путем параллельно-последовательного преобразования, преобразуют в последовательность временных отсчетов.6. The sequences of extended OFDM symbols obtained after filtering are subjected to fast Fourier transform operations and then, by parallel-serial conversion, they are converted into a sequence of time samples.

7. Полученную последовательность временных отсчетов по цепи обратной связи направляют в блок "PAPR & In-Band Distortion Minimization", в котором вырабатываются и оптимальные управления, поступающие на блок "Reduction by Tone In-Band & Out-Band".7. The resulting sequence of time samples on the feedback circuit is sent to the PAPR & In-Band Distortion Minimization block, in which the optimal controls coming to the Reduction by Tone In-Band & Out-Band block are also generated.

К дополнительным достоинствам заявляемого способа следует отнести то, что онThe additional advantages of the proposed method include the fact that he

- ограничивает уровень внеполосного излучения,- limits out-of-band emission,

- не уменьшает спектральную эффективность,- does not reduce spectral efficiency,

- учитывает эффект возрастания PAPR за счет интерполяции,- takes into account the effect of increasing PAPR due to interpolation,

- не требует внесения каких либо изменений в обычную структуру демодуляции OFDM сигнала.- does not require any changes to the normal structure of the demodulation of the OFDM signal.

Для проверки практической работоспособности заявляемого способа было осуществлено статистическое моделирование, описание которого приводится ниже. Результаты статистического моделирования реализации способа показали, что, по сравнению с прототипом, заявляемый способ адаптивного управления позволяет дополнительно снизить уровень PAPR OFDM сигнала в среднем на 4,5 dB при средних энергетических потерях порядка 0,1-0,15 dB (по характеристикам BER на уровне 0,01) и уровне внеполосного излучения, не превышающем 35 dB.To verify the practical operability of the proposed method, statistical modeling was carried out, the description of which is given below. The results of statistical modeling of the implementation of the method showed that, in comparison with the prototype, the inventive adaptive control method can further reduce the PAPR OFDM signal level by an average of 4.5 dB with an average energy loss of the order of 0.1-0.15 dB (according to the BER characteristics on level 0.01) and an out-of-band emission level not exceeding 35 dB.

Анализ работы алгоритма в составе имитатора прямой линии OFDM проводился по трем показателям: энергетической эффективности, эффективности подавления пиков огибающей и уровню внеполосного излучению. Помехоустойчивость оценивалась по характеристикам BER(SNR). Эффективность компенсации PAPR - по выборочным вероятностным распределениям CCDF (Complementary Cumulativ Distribution Function)An analysis of the operation of the algorithm as part of a straight line OFDM simulator was carried out according to three indicators: energy efficiency, envelope peak suppression efficiency and out-of-band emission level. Interference immunity was assessed by BER (SNR) characteristics. PAPR Compensation Efficiency - Based on Selective Probabilistic Distributions CCDF (Complementary Cumulativ Distribution Function)

Figure 00000004
Figure 00000004

где m - число благоприятствующих исходов (превышений заданного порога - с), М - общее число испытаний. Уровень внеполосного излучения оценивался по «хвостам» спектральной плотности мощности (SPD) интерполированного OFDM сигнала. СПМ строилась по эмпирическим данным с привлечением авторегрессионного метода. Для снятия характеристик BER, CCDF и SPD была разработана программа имитатора прямой линии OFDM sim_AdapPAPR.m. Она позволяет сравнить три различных алгоритма PAPR reduction:where m is the number of favorable outcomes (exceeding a given threshold - s), M is the total number of trials. The out-of-band emission level was estimated from the “tails” of the power spectral density (SPD) of the interpolated OFDM signal. SPM was built on empirical data using the autoregressive method. To characterize BER, CCDF, and SPD, the OFDM forward link simulator sim_AdapPAPR.m was developed. It allows you to compare three different PAPR reduction algorithms:

- Алгоритм жесткого клипирования OFDM сигнала, как на Фиг.1.- Algorithm of hard clipping OFDM signal, as in Fig.1.

- Основной прототип - оптимальный вариант алгоритма Peak Reduction by Tone Reservation [3] для среднеквадратического критерия и фиксированного набора поднесущих. Его структурная схема приведена на Фиг.2.- The main prototype is the optimal version of the Peak Reduction by Tone Reservation algorithm [3] for the RMS criterion and a fixed set of subcarriers. Its structural diagram is shown in Fig.2.

- Adaptive PAPR-Control Algorithm, описанный выше, со структурной схемой, приведенной на Фиг.3.- Adaptive PAPR-Control Algorithm, described above, with the block diagram shown in Fig.3.

Кроме того, программа позволяет сравнить все эти алгоритмы с классическим вариантом OFDM сигнала (без компенсации PAPR).In addition, the program allows you to compare all these algorithms with the classic version of the OFDM signal (without PAPR compensation).

В программе имитатора использовалась шестилучевая модель радиолинии с медленными релеевскими замираниям и аддитивным белым гауссовским зашумлением. Основные параметры программы:The simulator program used a six-beam radio link model with slow Rayleigh fading and additive white Gaussian noise. The main parameters of the program:

- Размерность OFDM символа Ncar=64, число резервируемых управляющих символов Nrez=4.- Dimension OFDM symbol N car = 64, the number of reserved control characters N rez = 4.

- Коэффициент интерполяции OFDM сигнала Kint=4.- The interpolation coefficient OFDM signal K int = 4.

- Тип модуляции QPSK.- Type of QPSK modulation.

- Число рекурсивных итераций алгоритма управления К=2.- The number of recursive iterations of the control algorithm K = 2.

- Маска OBR с частотной характеристикой приподнятого косинуса.- OBR mask with frequency response of the raised cosine.

- Индивидуальные параметры каждого алгоритма (пороги клипирования, максимальный уровень искажения информационных символов р, весовые коэффициенты q, р ∈ [0,1] ∈ критерия управления и др.) - выбирались из соображений наиболее эффективной работы.- The individual parameters of each algorithm (clipping thresholds, maximum distortion level of information symbols p, weighting coefficients q, p ∈ [0,1] ∈ control criteria, etc.) were chosen for reasons of the most efficient operation.

Средняя мощность отсчетов OFDM сигнала в эксперименте поддерживалась равной единице. Величины PAPR и DSP нормировались по отношению к максимальному значению и определялись в децибелах.The average power of the OFDM samples in the experiment was maintained equal to unity. The values of PAPR and DSP were normalized with respect to the maximum value and determined in decibels.

По сравнению с принятым прототипом [3], предлагаемый адаптивный способ управления PAPR позволил достичь следующих результатов:Compared with the adopted prototype [3], the proposed adaptive PAPR control method allowed to achieve the following results:

1. Пики PAPR с вероятностью появления удалось уменьшить на 4,5 dB.1. PAPR peaks with a probability of occurrence were reduced by 4.5 dB.

При этом энергетические потери (по характеристикам BER на уровне 0,01) не превышают 0,15 dB.At the same time, energy losses (according to BER characteristics at the level of 0.01) do not exceed 0.15 dB.

2. Уровень внеполосного излучения почти такой же, как и у прототипа [3].2. The level of out-of-band radiation is almost the same as that of the prototype [3].

Отметим, что за счет эффекта интерполяции PAPR gain у прототипа [3] оказался почти на 2 dB меньше, чем это заявлялось в публикации.Note that due to the PAPR interpolation effect, the gain of the prototype [3] turned out to be almost 2 dB less than stated in the publication.

Claims (2)

1. Способ адаптивного управления пик-фактором сигнала, заключающийся в том, что вырабатывают информационные символы в виде последовательности модулированных символов в базовой полосе частот [0, Fmax], вырабатывают опорные клипированные сигналы, отличающийся тем, что последовательность модулированных символов разбивают на отдельные блоки длиной NCAR, называемых OFDM символами, каждый OFDM символ дополняют (Kint-1) NCAR, нулевыми символами, образуя расширенные OFDM символы, с расширенной полосой частот [0, F0], осуществляют корректировку расширенных OFDM символов за счет подачи к каждому элементу OFDM символов дополнительных управляющих сигналов, скорректированные расширенные OFDM символы подвергают цифровой фильтрации в расширенной полосой частот [0, F0], отфильтрованную последовательность расширенных OFDM символов преобразуют с помощью обратного дискретного преобразования Фурье в последовательность временных отсчетов, которую используют для выработки опорных клиппированных сигналов, предназначенных для оптимального управления при корректировке расширенных OFDM символов.1. The method of adaptive control of the peak factor of the signal, which consists in the fact that generate information symbols in the form of a sequence of modulated symbols in the base frequency band [0, F max ], generate reference clipped signals, characterized in that the sequence of modulated symbols is divided into separate blocks with a length of N CAR , called OFDM symbols, each OFDM symbol is complemented by (K int -1) N CAR , zero symbols, forming extended OFDM symbols, with an extended frequency band [0, F 0 ], carry out the correction of extended OF DM symbols by supplying additional control signals to each OFDM element symbols, the corrected extended OFDM symbols are digitally filtered in the extended frequency band [0, F 0 ], the filtered sequence of the extended OFDM symbols is converted using the inverse discrete Fourier transform into a sequence of time samples, which used to generate clipped reference signals intended for optimal control when adjusting extended OFDM symbols. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выполняют многошаговое оптимальное управление на основе зависимостей:2. The method according to claim 1, characterized in that they perform multi-step optimal control based on dependencies:
Figure 00000005
Figure 00000006
Figure 00000007
Figure 00000005
Figure 00000006
Figure 00000007
где P - матрица оптимального управления;where P is the optimal control matrix;
Figure 00000008
- расширенный вектор состояния модели OFDM сигнала, содержащий опорные сигналы и отвечающий (i-1)-у шагу управления;
Figure 00000008
- extended state vector of the OFDM signal model, containing reference signals and corresponding to the (i-1) -th control step;
К - общее число шагов управления.K is the total number of control steps.
RU2003127338/09A 2003-09-09 2003-09-09 Method for adaptive control of signal peak factor RU2280953C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003127338/09A RU2280953C2 (en) 2003-09-09 2003-09-09 Method for adaptive control of signal peak factor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003127338/09A RU2280953C2 (en) 2003-09-09 2003-09-09 Method for adaptive control of signal peak factor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2003127338A RU2003127338A (en) 2005-04-20
RU2280953C2 true RU2280953C2 (en) 2006-07-27

Family

ID=35634354

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003127338/09A RU2280953C2 (en) 2003-09-09 2003-09-09 Method for adaptive control of signal peak factor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2280953C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2456743C1 (en) * 2011-02-21 2012-07-20 Открытое акционерное общество "Особое конструкторское бюро Московского энергетического института" (ОАО "ОКБ МЭИ") Method for adaptive noise suppression
US8509324B2 (en) 2008-07-08 2013-08-13 Qualcomm Incorporated Methods and systems for reducing PAPR of an OFDM signal
RU2517356C2 (en) * 2012-09-10 2014-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва" Method for reduction of non-linear current distortion in non-linear composite load and device for its implementation

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Проект международного стандарта OFDMA PHY Proposal for the 802.16.3 PHY layer, 18.01.2001. Tellado J. et al. PAR Reduction in Multicarrier Transmission System, Delayed Contribution ITU-T 4/15, D.150 (WP 1/15) Geneva, February 9-20, 1998. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8509324B2 (en) 2008-07-08 2013-08-13 Qualcomm Incorporated Methods and systems for reducing PAPR of an OFDM signal
RU2456743C1 (en) * 2011-02-21 2012-07-20 Открытое акционерное общество "Особое конструкторское бюро Московского энергетического института" (ОАО "ОКБ МЭИ") Method for adaptive noise suppression
RU2517356C2 (en) * 2012-09-10 2014-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва" Method for reduction of non-linear current distortion in non-linear composite load and device for its implementation

Also Published As

Publication number Publication date
RU2003127338A (en) 2005-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7583583B2 (en) System and method for reducing peak-to-average power ratio in orthogonal frequency division multiplexing signals using reserved spectrum
US7467338B2 (en) Apparatus and method for generating an error signal
US6985533B2 (en) Method and apparatus for reducing peak to average power ratio in a multi-carrier modulation communication system
US7675982B2 (en) Method and system for reducing peak-to-average power for OFDM signals
KR101714784B1 (en) Method and apparatus for reducing peak to average power ratio by using peak windowing
US8862649B2 (en) Smoothing apparatus for peak windowing
EP1195962A2 (en) Method for reducing the peak-to-average power ratio of a multicarrier signal
US20180254754A1 (en) Apparatus for quantized linear amplification with nonlinear amplifiers
CN101753500A (en) Method and system for efficiently restraining large peak-to-average power ratio (PAPR) of OFDM system based on companding
EP1933517A1 (en) PAPR reduction in an OFDM signal via an ACE technique
Jayalath et al. Reducing the out-of-band radiation of OFDM using an extended guard interval
Taşpınar et al. Dual symbol optimization‐based partial transmit sequence technique for PAPR reduction in WOLA‐OFDM waveform
RU2280953C2 (en) Method for adaptive control of signal peak factor
WO2005096579A1 (en) Peak reduction in ofdm using clipping and modified constellations
Palicot et al. Tone Reservation Based Gaussian Clipping and Filtering for OFDM PAPR Mitigation
Nasri et al. An Iterative Clipping and Filtering Algorithm for PAPR Reduction in OFDM System
Tsouri et al. Capacity analysis and optimisation of OFDM with distortionless PAPR reduction
CN113783818B (en) Method for reducing peak-to-average ratio based on intermediate-voltage carrier iterative peak clipping
Ermolova New companding transform for reduction of peak-to-average power ratio
Vijayarangan et al. Crest factor reduction in multicarrier transmission by low crest mapping
EP1723759B1 (en) Peak reduction in ofdm using clipping and modified constellations
Dinis et al. Performance evaluation of an iterative PMEPR-reducing technique for OFDM transmission
CN114884793A (en) OFDM signal peak-to-average ratio suppression algorithm, system, equipment and medium based on convex optimization
Thakur PEAK-TO-AVERAGE POWER RATIO IN WEIGHTED OFDM
KR100973754B1 (en) Orthogonal frequency division multiplexing transmitting apparatus for reducing peak values and method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160910