CN101848184A - 降低正交频分复用系统峰均功率比的选择性映射扰码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低正交频分复用系统峰均功率比的选择性映射扰码方法，该方法是：在发射端，用若干个扰码序列对输入的二进制序列分别进行扰码处理，产生若干个被扰码的候选序列；然后对这些候选序列进行编码映射，同时将辅助信息以编码映射的方式嵌入到各个候选序列之中，对这些序列分别进行快速傅里叶逆变换，从中选择峰均功率比值最小的候选序列进行传输；在接收端，先对接收的序列进行快速傅里叶变换，然后进行辅助信息检测，用检测出的辅助信息依次完成编码解映射和解扰码，从而获得发射端所发送的数据。本发明不仅使得计算复杂度大幅度降低，而且可以获得最优的峰均功率比性能，同时无需传输辅助信息，从而提高了OFDM系统的总体性能。

Description

降低正交频分复用系统峰均功率比的选择性映射扰码方法

技术领域

本发明涉及一种降低正交频分复用系统峰均功率比的选择性映射扰码方法，属于数字通信技术领域。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术已被广泛地应用到无线通信的很多领域，像无线局域网、数字音频广播、数字视频广播以及非对称数字用户线标准等等。OFDM技术可以有效地对抗多径衰落，并以较高的频谱利用率实现无线环境下的高速数据传输。但是，峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)过高是OFDM技术的主要缺陷之一。这就要求功率放大器具有良好的线性特性，否则将引起带内失真和带外辐射，进而导致系统误码率增加。

对于一个具有N个子载波的OFDM系统来说，在一个符号时间间隔内，其基带信号可表示为

$x_n=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_k{e}^{j2\mathrm{\πkn}/N},0\≤n\≤N-1---\left(1\right)$

其中，X_k，k＝0，1，…，N-1，是由二进制输入信号经相移键控调制或正交幅度调制后得到的子载波信号；x_n是OFDM调制后的输出信号，n是离散时间索引。

由于OFDM信号是多个独立的经过调制的子载波信号的叠加，叠加后的信号可能产生较大的峰值功率，从而带来较高的峰均功率比(PAPR)。其定义为：单个OFDM符号中的峰值功率与其平均功率的比值，即

$\mathrm{PAPR}\left(x\right)={10\log }_{10}\frac{\underset{0\≤n\≤N-1}{\max }\left\{{\left|x_n\right|}^2\right\}}{E\left\{{\left|x\right|}^2\right\}}---\left(2\right)$

其中，E{·}表示数学期望运算，x＝[x₀，x₁，…，x_N-1]^T。

由于PAPR具有随机性，因此，通常用超过某一确定值PAPR的概率来估计系统的PAPR性能。这一概率被称为互补累积分布函数(Complementary Cumulative Distribution Function，CCDF)，可表示为

$\mathrm{CCDF}(N,{\mathrm{PAPR}}_0)=P\{\mathrm{PAPR}>{\mathrm{PAPR}}_0\}=1-{(1-e^{-{\mathrm{PAPR}}_0})}^N---\left(3\right)$

其中，N为OFDM系统的子载波数。

近年来，如何有效地降低OFDM系统的峰均功率比已成为热点研究间题。人们提出了一些比较有价值的降低PAPR的方法，可概括为信号失真方法、编码方法和基于加扰序列的方法。信号失真方法是通过对信号进行削峰来达到降低PAPR的目的，尽管该类技术比较简单且容易实施，但也带来了带内干扰和带外辐射。编码方法降低PAPR的效果非常好，但可供使用的编码图样数量非常少，特别是当子载波数量较大时，编码效率非常低。基于加扰序列的方法主要是利用不同的加扰序列对OFDM信号进行加权处理，从而选择PAPR值最小的OFDM信号用于传输。选择性映射(Selected Mapping，SLM)就是一种最简单的相位加扰降低OFDM系统PAPR的方法。

选择性映射(SLM)的基本原理是用U个长度为N且相互独立的相位加权序列分别与输入序列X＝[X₀，X₁，…，X_N-1]^T进行点乘，然后同时进行IFFT变换，从中选择PAPR值最小的候选序列用于传输。设相位加权序列为

其中

则进行点乘运算后得到的序列为

然后进行IFFT变换，变换后的序列为

最后，从这U个序列中选出PAPR值最小的序列用于传输。

通常情况下，U个相位加权序列中应包含一个全1的序列，即保持OFDM信号不做任何改变。这里，把输入序列与相位加权序列进行点乘运算并进行IFFT变换后得到的序列称为候选序列，也就是说有多少个相位加权序列就可以得到多少个候选序列。

但是，选择性映射方法所需的计算复杂度非常大，这也成为实现该方法的最大障碍。专利申请号为03816132.X和200610081461.1的发明专利均提供了一种基于选择性映射方法的设备，它们所涉及的重点都是辅助信息的处理，以确保在接收端能够正确地解调出所需信号，但却依然采用原始的选择性映射方法，并没有涉及到计算复杂度、选择性映射方法所能获得的最优PAPR性能以及辅助信息传输所造成的数据率损失等方面的问题。由于这两项发明所采用的都是传统的选择性映射方法，所以其计算复杂度非常大的问题依然存在，严重影响了系统的实现，这一点便成为了这两项发明的最大缺陷。

发明内容

本发明针对现有降低OFDM系统峰均功率比的选择性映射方法存在的计算复杂度大和需要传输辅助信息的问题，提供一种计算复杂度较低、峰均功率比性能较好且无需辅助信息传输的降低正交频分复用系统峰均功率比的选择性映射扰码方法。

本发明的降低正交频分复用系统峰均功率比的选择性映射扰码方法，包括以下步骤：

(1)在发射端，首先对输入的二进制数据用不同的扰码序列进行扰码，接着对各个被扰码的候选序列进行编码映射和辅助信息嵌入，然后进行快速傅里叶逆变换，最后从被扰码的候选序列中选择峰均功率比(PAPR)值最小的序列进行传输；

(2)在接收端，被接收的数据序列首先要进行快速傅里叶变换，然后进行辅助信息检测，最后利用检测出的辅助信息依次进行编码解映射和解扰码。

所述步骤(1)的具体实现步骤如下：

①扰码序列的产生：以0和1为元素用相等的概率产生与正交频分复用系统子载波数相等的两个以上的扰码序列，然后根据所采用的编码映射方式，对各个扰码序列中的各个元素逐一进行复制，以获得与输入的二进制数据等长的扰码序列；

②扰码：用步骤①中产生的扰码序列分别与输入的二进制序列进行异或运算，从而获得被扰码的候选序列；

③编码映射和辅助信息嵌入：在编码映射的同时，利用相同编码映射方式的不同形状的信号星座图表示不同的辅助信息比特，将辅助信息以编码映射的方式嵌入到各个候选序列之中；

④快速傅里叶逆变换：进行正交频分复用调制；

⑤选择峰均功率比值最小的序列进行传输。

所述步骤①中的每个扰码序列均满足统计独立同分布且均值为零，以获得最优的PAPR性能。

所述步骤③中利用相同编码映射方式的不同形状的信号星座图表示不同的辅助信息比特时，矩形信号星座图表示辅助信息比特“0”，圆形信号星座图表示辅助信息比特“1”。在进行编码映射的同时，将辅助信息以编码映射的方式嵌入到各个候选序列之中，避免辅助信息的传输，节省带宽和提高数据率。

所述步骤③中同一辅助信息比特采用

个子载波信号表示，以提高接收端辅助信息检测的可靠性，其中N为OFDM系统的子载波数，L为所需的辅助信息比特数，

表示向零方向取整。

所述步骤(2)的具体实现步骤如下：

①快速傅里叶变换：进行正交频分复用解调；

②辅助信息的检测：根据不同形状的信号星座图所对应的辅助信息比特，获取辅助信息；该步骤②中对辅助信息进行的检测采用最小欧式距离原则。

③编码解映射：以检测出的各个辅助信息比特作为标识，用不同形状的信号星座图对各个子载波信号进行解映射；

④解扰码：找到与被检测出的辅助信息相对应的扰码序列，用该扰码序列与欲解扰码的序列进行异或运算。

本发明基于选择性映射，解决了选择性映射方法存在的计算复杂度大和需要传输辅助信息的问题，不仅使得计算复杂度大幅度降低，而且可以获得最优的峰均功率比性能，同时无需传输辅助信息，从而提高了OFDM系统的总体性能。

附图说明

图1是本发明的发射端原理框图。

图2是本发明的接收端原理框图。

图3是QPSK(正交相移键控)编码映射方式的矩形信号星座图。

图4是QPSK(正交相移键控)编码映射方式的圆形信号星座图。

图5是在具有16个子载波的OFDM系统中，在产生8个候选序列的情况下，采用本发明方法所获得的候选序列示例图。

图6是在不同候选序列数目下，本发明方法与传统选择性映射的PAPR性能对比图。

图7是本发明方法、传统选择性映射和已知辅助信息的选择性映射的误比特率性能对比图。

具体实施方式

图1给出了发射端的原理框图，发射端的具体实现步骤如下：

(1)以0和1为元素用相等的概率产生与OFDM系统子载波数相等的两个以上的扰码序列，然后根据所采用的编码映射方式，对各个扰码序列中的各个元素逐一进行复制，以获得与输入的二进制数据等长的扰码序列；

(2)将所产生的扰码序列与待传输的二进制序列逐一进行异或运算，完成扰码过程，获得被扰码的候选序列；用异或逻辑运算代替传统选择性映射方法的复数乘法，用扰码代替相位加权，完成对输入数据的加权处理，以提高运算速度和降低计算复杂度。

(3)对各个候选序列进行编码映射，在编码映射的同时，用不同形状的信号星座图表示不同的辅助信息比特，即矩形信号星座图表示辅助信息比特“0”，圆形信号星座图表示辅助信息比特“1”，从而完成辅助信息的嵌入；为了提高接收端对辅助信息检测的可靠性，这里采用个子载波信号代表同一个辅助信息比特，其中N为OFDM系统的子载波数，L为所需的辅助信息比特数，

表示向零方向取整；图3和图4分别给出了QPSK编码调制方式的矩形和圆形信号星座图。图5则给出了在具有16个子载波的OFDM系统中，在产生8个候选序列的情况下，采用QPSK编码映射方式，利用本发明方案所获得的编码映射后的候选序列，其中，“R”表示采用矩形信号星座图，“C”表示采用圆形信号星座图，n表示子载波信号的索引。

(4)对经过编码映射/辅助信息嵌入的各个候选序列进行快速傅里叶逆变换，即OFDM调制；

(5)从全部的候选序列中，选择PAPR值最小的候选序列进行传输。

图2给出了接收端的原理框图，接收端的具体实现步骤如下：

(1)对接收到的数据序列进行快速傅里叶变换，即OFDM解调；

(2)辅助信息的检测：采用最小欧式距离原则进行辅助信息检测，由于采用多个子载波信号表示同一辅助信息比特，所以在对表示同一辅助信息比特的全部子载波信号进行检测后，要对检测出的辅助信息比特进行统计，即辅助信息比特“0”和“1”的数目，从而最终确定该辅助信息比特；以此类推，其它辅助信息比特的检测同样采用这种方式，最终获取全部的辅助信息比特；

(3)以获取的各个辅助信息比特为标识，确定采用何种形状的信号星座图对各个子载波信号进行解映射；

(4)选择与所获取的辅助信息相对应的扰码序列，与解映射后的序列进行异或运算，完成解扰码，获得发射端所传输的数据。

下面的仿真实验是本发明方案的一个具体例子，通过此例可对本发明方法的性能进行验证。

仿真条件：采用MATLAB仿真平台，随机产生10⁶个OFDM信号，QPSK编码映射方式，子载波数为256，采用4倍过采样。

为了说明本发明方法相对于传统选择性映射方法PAPR性能几乎不受损失的特点，图6给出了在不同候选序列数量下，采用本发明方法与传统选择性映射方法的PAPR性能对比。从图6可以看出，本发明方案可以获得与传统选择性映射方法完全相同的PAPR性能。关于计算复杂度，由于本发明方法采用逻辑异或运算完成扰码过程，而传统选择性映射方法则采用复数乘法进行相位加权，所以本发明方案在计算速度和复杂度方面均具有一定的优势。

此外，图7还给出了本发明方法、传统选择性映射以及已知辅助信息的选择性映射的误比特率性能。从图7可以看出，在误比特率性能上，本发明方案要优于传统选择性映射，并且当E_b/N₀大于2dB时，本发明方案可以获得与已知辅助信息的选择性映射几乎相同的误比特率性能，也就是说，本发明方法可以准确地完成辅助信息的传输和检测。

综上所述，与传统选择性映射相比，本发明的方法在计算复杂度、PAPR性能、辅助信息传输以及误比特率性能方法均具有一定的优势。

Claims (7)

1.一种降低正交频分复用系统峰均功率比的选择性映射扰码方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)在发射端，首先对输入的二进制数据用不同的扰码序列进行扰码，接着对各个被扰码的候选序列进行编码映射和辅助信息嵌入，然后进行快速傅里叶逆变换，最后从被扰码的候选序列中选择峰均功率比值最小的序列进行传输；

(2)在接收端，被接收的数据序列首先要进行快速傅里叶变换，然后进行辅助信息检测，最后利用检测出的辅助信息依次进行编码解映射和解扰码。

2.根据权利要求1所述的降低正交频分复用系统峰均功率比的选择性映射扰码方法，其特征是，所述步骤(1)的具体实现步骤如下：

①扰码序列的产生：以0和1为元素用相等的概率产生与正交频分复用系统子载波数相等的两个以上的扰码序列，然后根据所采用的编码映射方式，对各个扰码序列中的各个元素逐一进行复制，以获得与输入的二进制数据等长的扰码序列；

②扰码：用步骤①中产生的扰码序列分别与输入的二进制序列进行异或运算，从而获得被扰码的候选序列；

③编码映射和辅助信息嵌入：在编码映射的同时，利用相同编码映射方式的不同形状的信号星座图表示不同的辅助信息比特，将辅助信息以编码映射的方式嵌入到各个候选序列之中；

④快速傅里叶逆变换：进行正交频分复用调制；

⑤选择峰均功率比值最小的序列进行传输。

3.根据权利要求2所述的降低正交频分复用系统峰均功率比的选择性映射扰码方法，其特征是，所述步骤①中的每个扰码序列均满足统计独立同分布且均值为零。

4.根据权利要求2所述的降低正交频分复用系统峰均功率比的选择性映射扰码方法，其特征是，所述步骤③中的利用相同编码映射方式的不同形状的信号星座图表示不同的辅助信息比特，矩形信号星座图表示辅助信息比特“0”，圆形信号星座图表示辅助信息比特“1”。

5.根据权利要求2所述的降低正交频分复用系统峰均功率比的选择性映射扰码方法，其特征是，所述步骤③中同一辅助信息比特采用

个子载波信号表示，其中N为OFDM系统的子载波数，L为所需的辅助信息比特数，

表示向零方向取整。

6.根据权利要求1所述的降低正交频分复用系统峰均功率比的选择性映射扰码方法，其特征是，所述步骤(2)的具体实现步骤如下：

①快速傅里叶变换：进行正交频分复用解调；

②辅助信息的检测：根据不同形状的信号星座图所对应的辅助信息比特，获取辅助信息；

③编码解映射：以检测出的各个辅助信息比特作为标识，用不同形状的信号星座图对各个子载波信号进行解映射；

④解扰码：找到与被检测出的辅助信息相对应的扰码序列，用该扰码序列与欲解扰码的序列进行异或运算。

7.根据权利要求6所述的降低正交频分复用系统峰均功率比的选择性映射扰码方法，其特征是，所述步骤②中对辅助信息进行的检测采用最小欧式距离原则。

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