CN102238126B - 基于选择性序列降低ofdm/oqam系统的峰均功率比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于选择性序列降低OFDM/OQAM系统的峰均功率比的方法。该方法在输入数据流经过编码、交织、调制之后，将得到的信源数据包进行上采样之后分别通过滤波器组，然后对得到的每个数据块的时域信号按照顺序分别选择优化的相位旋转序列，最终选择峰均功率比最小的信号进行传输，并将相位旋转序列的信息作为边带信息发送。本发明能有效地降低OFDM/OQAM系统的峰均功率比，同时保证了系统的功率谱密度和误码率性能不受影响，并且提高了HPA的工作效率，节省了消耗的能量。

Description

基于选择性序列降低OFDM/OQAM系统的峰均功率比的方法

技术领域

本发明属于基于偏移正交幅度调制的正交频分复用(OFDM/OQAM)系统的无线和有线通信技术领域，具体涉及采用选择性序列降低OFDM/OQAM系统的峰均功率比的方法。

背景技术

基于偏移正交幅度调制的正交频分复用(OFDM/OQAM)技术是一种有前途的多载波调制技术，因为它具有高频谱分辨率和大容量数据传输率等优势，获得了广泛关注。与传统OFDM系统比较，OFDM/OQAM系统的部分技术优势可总结如下：1)当用户不同步时，可以很好地执行子载波的分配；2)通过设计符合(近似)完美重塑条件的原型滤波器脉冲，在不需要循环前缀的前提下，仍然可以得到更小的码间干扰和信道间干扰；3)通过与OQAM调制的滤波器组结合，可以得到最大化的数据传输速率；4)可以完成高性能的频谱感知；5)通过原形滤波器的设计可以使频谱的旁瓣更低，使得系统可以相邻频段之间的干扰更低；6)频谱感知和数据传输可以同步进行。因此，对于LTE-advanced和IMT-advanced等来说，OFDM/OQAM作为一个好的候选方案被提出来。例如，对于动态频谱接入和认知无线电，OFDM/OQAM已经被选为物理层很有前途的技术，其中频谱感知和数据传输可以同时进行，也就是说，同样的滤波器组不仅可以用于频谱感知也可以用于数据传输，这保证了系统的兼容性性能。这对于高效的机会通信系统是一个关键设施。

但是，在OFDM/OQAM系统中，一些有挑战性的问题仍然没有解决。其中最关键的问题之一就是它的高功率放大器(HPA)的设计，因为OFDM/OQAM信号的峰均功率比(PAPR)太大。通常情况下，HPA工作在饱和区域或者接近饱和区域其输出功率效率最大。因此，由于输入信号的高PAPR，无记忆非线性失真将被引入到通信信道，导致带外频谱再生。因此，在OFDM/OQAM无线通信系统中，降低信号的高PAPR非常重要。

人们已经提出很多技术来降低传统OFDM系统的PAPR。例如：编码技术，多音预留，压扩技术等。但是，所有降低OFDM信号的PAPR的方法都不能直接应用于OFDM/OQAM系统中。因为，在传统OFDM系统中，每个OFDM符号在时域上是独立的，相邻OFDM符号之间不存在交叠。因此，一个OFDM符号的PAPR的降低不会影响之前或之后符号的PAPR的降低。但是，在OFDM/OQAM系统中，时域符号存在交叠。因此，我们独立地降低每个OFDM/OQAM符号的PAPR会对其他符号造成影响，从而导致最终的PAPR降低的效果不好。

发明内容

针对OFDM/OQAM系统中信号峰均功率比较高，而现有控制和降低OFDM信号峰均功率比的方法却不能直接应用于OFDM/OQAM系统中，本发明提出了基于选择性序列降低OFDM/OQAM系统的峰均功率比的方法，该方法在降低OFDM/OQAM系统的峰均功率比的同时，能保证系统的功率谱密度和误码率性能不受影响，并提高HPA的工作效率，节省功耗。

本发明提供的一种基于选择性序列降低OFDM/OQAM系统的峰均功率比的方法，设一个OFDM/OQAM系统的信源数据包包含M个数据块，每个数据块包含N个q进制符号；其中，q＝2^l，l，M和N均为正整数，其特征在于，该方法包括下述步骤：

(1)输入的数据流经过编码、交织、调制后得到一个信源数据包X＝[X₀，X₁，...，X_M-1]，其中X_m是X中的第m个数据块，表示为X_m＝[X_m(0)，X_m(1)，...，X_m(N-1)]^T，其中X_m(n)表示第m个数据块的第n个数据符号，并且X_m(n)＝a_m(n)+jb_m(n)，n＝0，1，...，N-1，其中a_m(n)和b_m(n)分别是X_m(n)的实部和虚部，j为虚部符号，T表示矩阵的转置；

(2)对输入数据符号进行N倍上采样，X_m中的第n个数据符号得到的上采样后的信号

记为 $x_m^n\left(t\right)=X_m\left(n\right)\mathrm{\δ}(t-\mathrm{mT}),$ 其中T为一个数据符号持续时间，t为时间变量，t≥0，冲击函数 $\mathrm{\δ}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& t=0\\ 0,& \mathrm{else}\end{array}\right.,$ 然后将得到的信号通过原型滤波器h(t)，并且将

的虚部延时

则X_m中的第n个数据符号通过滤波器后并调制到载波上的符号信号

表示为

$s_m^n\left(t\right)=\{a_m\left(n\right)h(t-\mathrm{mT})+j{b}_m\left(n\right)h(t-\frac{T}{2}-\mathrm{mT})\}{e}^{\mathrm{jn}(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t+\frac{T}{2})}$

其中 $e^{\mathrm{jn}(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t+\frac{T}{2})}=\sin \left(n(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t+\frac{T}{2})\right)+j\cos \left(n(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t+\frac{T}{2})\right);$

(3)采用选择性序列降低峰均功率比：

(3.1)产生U个相位旋转序列，其中每个相位旋转因子选自预设集合{1，-1}，记U个相位旋转序列为

u＝0，1，...，U-1，其中

n＝0，1，...，N-1，记表示作用于第m个数据块的相位旋转序列，且令P_m，u＝P_u；

(3.2)初始化m＝0，对第m个数据块分别乘以U个相位旋转序列得到U个候选信号

${\tilde{s}}_{0,u}\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_0^n\left(t\right)P_{0,u}^n,u=\mathrm{0,1},...,U-1$

并计算这U个候选信号的

${\mathrm{PAPR}}_0^u={10\log }_{10}\frac{\underset{0\≤t\≤(K-1)T}{\max }\left[{\left|{\tilde{s}}_{0,u}\left(t\right)\right|}^2\right]}{E\left[{\left|{\tilde{s}}_{0,u}\left(t\right)\right|}^2\right]},u=\mathrm{0,1},...,U-1$

其中E[□]表示求平均值；

(3.3)记最小的

为

其对应的信号块为

对应的相位旋转序列序号记做S₀，并且令m＝m+1；

(3.4)对第m个数据块分别乘以U个相位旋转序列得到U个候选信号

${\tilde{s}}_{m,u}\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_m^n\left(t\right)P_{m,u}^n,u=\mathrm{0,1},...,U-1$

并计算这U个候选信号的

${\mathrm{PAPR}}_m^u={10\log }_{10}\frac{\underset{\mathrm{mT}\≤t\≤(m+K-1)T}{\max }\left[{|\underset{p=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{s}}_p^{*}\left(t\right)+{\tilde{s}}_{m,u}\left(t\right)|}^2\right]}{E\left[{|\underset{p=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{s}}_p^{*}\left(t\right)+{\tilde{s}}_{m,u}\left(t\right)|}^2\right]},u=\mathrm{0,1},...,U-1;$

(3.5)记最小的

为

其对应的信号块为

对应的相位旋转序列序号记做S_m，并且令m＝m+1；

(3.6)如果m＜M，转到步骤(3.4)；否则，计算最终的输出信号

$\tilde{s}\left(t\right)=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{s}}_m^{*}\left(t\right)$

转到步骤(4)；

(4)设优化的相位旋转序列序号为S＝[S₀，S₁，...，S_M-1]，将输出的信号

送入信道，并将序列S作为边带信息送入信道。

本发明是一种基于选择性序列降低OFDM/OQAM信号的峰均功率比的方法，它不仅能够较好地降低OFDM/OQAM信号的峰均功率比，而且还能保持OFDM/OQAM信号的功率谱密度不变，从而获得较好的误码率性能。在数据经过编码、交织、调制之后，将得到的信源数据包进行上采样之后分别通过滤波器组。然后，将得到的OFDM/OQAM信号按照规则选择优化的相位旋转序列，最终选择峰均功率比最小的信号进行传输，并将相位旋转序列的信息作为边带信息发送至接收端。本发明能有效地降低OFDM/OQAM信号的峰均功率比，同时，能保证系统的功率谱密度和误码率性能不受影响，提高HPA的工作效率，节省功耗。

附图说明

图1是本发明方法的系统流程框图；

图2是本发明中采用选择性序列降低峰均功率比的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和一组具体参数对本发明进一步说明：

本发明提供的采用选择性序列降低OFDM/OQAM系统的峰均功率比的方法的处理流程如图1所示，其中，采用选择性序列降低峰均功率比的处理流程如图2所示。

原型滤波器h(t)的持续时间是KT，其中K是一个正偶数；一般的，K越大，旁瓣越小；但是，K增大会导致更高的计算复杂度；因此，实际中选取的K值通常不超过8。

本发明方法的步骤(1)和(2)与OFDM/OQAM系统发射端原有的处理步骤相同。

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

实例：

参数说明：采用q＝4的QAM调制，子载波数N＝64，原型滤波器参数K＝4的OFDM/OQAM系统，选择性序列中产生的相位旋转序列数分别取U＝16和U＝128。

仿真结果表明，本发明降低PAPR的能力远远好于传统选择性映射方法直接应用于OFDM/OQAM系统降低PAPR的能力。同时，本发明不会影响OFDM/OQAM信号的功率谱密度。而且，由于PAPR的降低，提高了HPA的工作效率，节省了消耗功率。

当U＝128时，在Pr{PAPR＞PAPR₀}＝10^-3时，采用本发明提出的选择性序列方法可以获得PAPR的降低量为4.7dB；采用原始选择性映射方法可以获得PAPR的降低量为1.3dB。显然，在参数相同时，本发明大大提高了降低PAPR的能力。同时，本发明降低PAPR之后的OFDM/OQAM信号的功率谱密度与OFDM/OQAM原始信号未经过HPA情况下的理想功率谱密度完全重合。当U＝16时，与原始信号相比，提出的方法节省了45％的能量，而传统选择性映射方法节省的能量仅仅为10％。同时，本发明降低PAPR的能力远远好于传统选择性映射方法直接应用于OFDM/OQAM系统降低PAPR的能力，同时大大提升了节省能量的能力。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种基于选择性序列降低OFDM/OQAM系统的峰均功率比的方法，设一个OFDM/OQAM系统的信源数据包包含M个数据块，每个数据块包含N个q进制符号；其中，q＝2^l，l，M和N均为正整数，其特征在于，该方法包括下述步骤：

（1）输入的数据流经过编码、交织、调制后得到一个信源数据包X＝[X₀,X₁,...,X_M-1]，其中X_m是X中的第m个数据块，表示为X_m＝[X_m(0),X_m(1),...,X_m(N-1)]^T，其中X_m(n)表示第m个数据块的第n个数据符号，并且X_m(n)＝a_m(n)+jb_m(n),n＝0,1,...,N-1，其中a_m(n)和b_m(n)分别是X_m(n)的实部和虚部，j为虚部符号，^T表示矩阵的转置；

（2）对输入数据符号进行N倍上采样，X_m中的第n个数据符号得到的上采样后的信号

记为其中T′为一个数据符号持续时间，t为时间变量，t≥0，冲击函数 $\mathrm{\δ}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& t=0\\ 0,& \mathrm{else}\end{array}\right.,$ 然后将得到的上采样后的信号通过原型滤波器h(t)，并且将的虚部延时

则X_m中的第n个数据符号通过滤波器后并调制到载波上的符号信号

表示为

$s_m^n\left(t\right)=\{a_m\left(n\right)h(t-m{T}^{\′})+j{b}_m\left(n\right)h(t-\frac{T^{\′}}{2}-m{T}^{\′})\}{e}^{\mathrm{jn}(\frac{2\mathrm{\π}}{T^{\′}}t+\frac{T^{\′}}{2})}$

其中， $e^{\mathrm{jn}(\frac{2\mathrm{\π}}{T^{\′}}t+\frac{T^{\′}}{2})}=\sin \left(n(\frac{2\mathrm{\π}}{T^{\′}}t+\frac{T^{\′}}{2})\right)+j\cos \left(n(\frac{2\mathrm{\π}}{T^{\′}}t+\frac{T^{\′}}{2})\right);$

（3）采用选择性序列降低峰均功率比：

（3.1）产生U个相位旋转序列，其中每个相位旋转因子选自预设集合{1,-1}，记U个相位旋转序列为

u＝0,1,...,U-1，其中,n=0,1,...,N-1,记

表示作用于第m个数据块的相位旋转序列，且令P_m,u＝P_u；

（3.2）初始化m＝0，对第m个数据块X_m中的第n个数据符号通过滤波器后并调制到载波上的符号信号

分别乘以U个相位旋转序列得到U个候选信号

${\tilde{s}}_{m,u}\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_m^n\left(t\right)P_{m,u}^n,u=\mathrm{0,1},...,U-1$

并计算这U个候选信号的

${\mathrm{PAPR}}_m^u=10{\log }_{10}\frac{\underset{0\≤t\≤(K-1)T}{\max }\left[{\left|{\tilde{s}}_{m,u}\left(t\right)\right|}^2\right]}{E\left[{\left|{\tilde{s}}_{m,u}\left(t\right)\right|}^2\right]},u=\mathrm{0,1},...,U-1$

其中E[·]表示求平均值；

（3.3）记步骤（3.2）中得到的

中最小的值记为

，其对应的信号块为

，对应的相位旋转序列序号记做S₀,并且令m＝m+1；

（3.4）对第m个数据块分别乘以U个相位旋转序列得到U个候选信号

${\tilde{s}}_{m,u}\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_m^n\left(t\right)P_{m,u}^n,u=\mathrm{0,1},...,U-1$

并计算这U个候选信号的

${\mathrm{PAPR}}_m^u=10{\log }_{10}\frac{\underset{\mathrm{mT}\≤t\≤(m+K-1)T}{\max }\left[{|\underset{p=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{s}}_p^{*}\left(t\right)+{\tilde{s}}_{m,u}\left(t\right)|}^2\right]}{E\left[{\left|\underset{p=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{s}}_p^{*}\left(t\right){\tilde{s}}_{m,u}\left(t\right)\right|}^2\right]},u=\mathrm{0,1},...,U-1;$

（3.5）记最小的

为

，其对应的信号块为

，对应的相位旋转序列序号记做S_m，并且令m＝m+1；

（3.6）如果m＜M，转到步骤（3.4）；否则，计算最终的输出信号

$\tilde{s}\left(t\right)=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{s}}_m^{*}\left(t\right)$

转到步骤（4）；

（4）设优化的相位旋转序列序号为S＝[S₀,S₁,...,S_M-1]，将输出的信号

送入信道，并将序列S作为边带信息送入信道。

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