CN103391171B - 一种基于判决反馈的改进选择性映射峰均功率比抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于判决反馈的改进选择性映射峰均功率比抑制方法。在数据发送端，先将待发送数据与多个加扰相位序列相乘，得到多个候选OFDM符号，然后对候选OFDM符号进行快速傅里叶变换到时域，选择其中PAPR值最小的符号作为传输符号，并在发送数据的开头位置添加块状导频；在接收端首先对接收信号进行快速傅里叶变换，然后通过基于判决反馈的图样检测器判断所选择的加扰相位序列序号，最后利用序号信息解扰码。在不损失PAPR抑制性能的前提下，实现了无边带信息传输的SLM算法，减少了因边带辅助信息错误而导致整个符号全部错误的概率，同时也提高了系统的通信效率和频带利用率。

Description

一种基于判决反馈的改进选择性映射峰均功率比抑制方法

技术领域

本发明涉及的是一种MIMO-OFDM水声通信中的峰均功率比抑制方法，具体涉及利用水声信道的稀疏性以及基于判决反馈的图样检测器进行循环解码来解决MIMO-OFDM系统中高峰值平均功率比的问题。

背景技术

在水声通信技术的研究中，MIMO-OFDM系统由于采用多载波调制，存在着高峰值平均功率比(Peak-to-average-power-ratio，PAPR)的缺陷，这就要求系统的一些部件如功率放大器、A/D、D/A转换器具有较大的线性动态范围，否则当高峰值的信号进入功率放大器非线性区域时，会发生信号畸变，从而引起非线性失真，破坏子载波的正交性，降低系统性能。

选择性映射（SelectiveMapping，SLM）技术是在1996年R.w.Bauml提出的，其基本原理是利用M个加扰相位序列与输入信号X=[X(0),X(1),…X(N-1)]相乘，其中n=0,1,…N-1,m=1,2,…M，加扰后数据为X^m=[X^m(0),X^m(1),…X^m(N-1)]。对{X^m(n)}的M个不同OFDM符号进行独立的IFFT变换得到x^m=[x^m(0),x^m(1),…x^m(N-1)]，选择其中峰均比最小的OFDM符号作为传输序列。其中

该方法相比于直接限幅的方法虽抑制PAPR效果稍差一些但没有性能损失，不足之处在于需要进行多次的IFFT变换，计算复杂度较高。并且为了准确的恢复原始数据，需要将发射机所采用的辅助信息准确无误的传递到接收机。一旦辅助信息发生错误，会导致一个符号中所携带的信息全部错误，因此需要对该信息进行特殊的编码，或者多次重复发送以保证在接收端能够准确地恢复信号。这样就需要传输大量的边带信息，导致系统通信效率的降低以及频带的浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在不损失PAPR抑制性能的前提下，能实现无边带信息传输，减少因边带辅助信息错误而导致整个符号全部错误的概率，同时能提高系统的通信效率和频带利用率的基于判决反馈的改进选择性映射峰均功率比抑制方法。

本发明的目的是这样实现的：

（1）在数据发送端，首先将待发送数据与多个加扰相位序列相乘，得到多个候选OFDM符号，然后对候选OFDM符号进行快速傅里叶变换（IFFT变换）到时域，选择其中峰值平均功率比（PAPR）值最小的符号作为传输符号，并在发送数据的开头位置添加块状导频，用于接收端判决反馈时估计信道频域响应；

（2）在接收端首先对接收信号进行快速傅里叶变换，然后通过基于判决反馈的图样检测器判断所选择的加扰相位序列序号，最后利用序号信息解扰码。

所述步骤（2）具体实现步骤如下：

1）快速傅里叶变换：正交频分复用解调；

2）边带信息检测：首先对快速傅里叶变换后数据进行信道估计和均衡，得到未除掉加扰图样的数据X'(k)，然后将其分别除以已知的加扰相位序列P^m得到X^m(k)，从中提取数据子载波上的数据接下来进行解映射和卷积码维特比译码得到M组不同的估计原始数据对其采用同样的卷积码编码矩阵再次编码，得到数据最后对比与原解码前数据计算二者的误比特率，其中最小误比特率（BER）所对应的m值，即为选择的加扰序列序号；

3）解扰码：均衡后接收数据除以对应的加扰相位序列；

4）恢复发送数据：对解扰码之后的数据进行解映射、信道解码，即得到发送数据。

所述步骤（1）的中的加扰相位序列的相关度较低，以避免因相关度较高影响加扰相位序列的判断。

本发明提供了一种MIMO-OFDM水声通信系统中抑制峰均功率比的SLM方法中的图样检测器，利用水声信道的稀疏特性以及判决反馈技术，在接收端对SLM方法中发送端所选择的相位加扰序列序号进行判断，在不损失PAPR抑制性能的前提下，实现了无边带信息传输的SLM算法，减少了因边带辅助信息错误而导致整个符号全部错误的概率，提高了通信的可靠性，同时也提高了系统的通信效率和频带利用率。

本发明的主要优点为：

1)针对OFDM符号高峰值平均值功率比的特点，采用点乘多个加扰相位序列、从中选择PAPR值较小的符号进行传输的方式避免高峰值的出现，降低符号的PAPR值，提高发射换能器的效率。

2)利用基于判决反馈技术的图样检测器对接收的数据进行处理，检测出发送端所选择的加扰相位序列序号，避免了边带信息的传输，克服了传统SLM方法对边带信息的依赖，并通过判决反馈的方式保证了接收端加扰相位序列序号的正确解算，提高了系统的BER性能、频带利用率以及通信的可靠性。

附图说明

图1MIMO-OFDM改进SLM抑制峰均功率比算法系统框图。

图2基于判决反馈的图样检测器结构框图。

图3仿真信道冲激响应。

图4本发明与传统SLM方式以及未加扰信号CCDF曲线对比图。

图5高斯白噪声下本发明与传统SLM方式以及边带信息已知的SLM方式的系统BER性能对比图。

图6Alpha稳定分布的突发噪声环境下本发明与传统SLM方式以及边带信息已知的SLM方式的系统BER性能对比图。

具体实施方式

以一个OFDM符号为例说明基于判决反馈的SLM改进算法的原理，子载波总数为N，导频子载波个数为N_p，在发送端等间隔添加梳状导频。

定义为导频子载波位置，Po^C为R=[0,1,…N-1]中Po的补集，为数据子载波位置。原始发送数据X_D=[X_D(0),X_D(1),…,X_D(N-1)]，用于抑制OFDM符号峰均功率比的加扰相位序列P^m=[P^m(0),P^m(1),…,P^m(N-1)],0≤m≤M，其中M为加扰序列数目。当时，X_D与P^m恒为零，加扰后的数据定义梳状导频序列X_P=[X_P(0),X_P(1),…,X_P(N-1)]，当时X_P(k)≡0。可以得到一个OFDM符号的数据

$X^m\left(k\right)=X_D^m\left(k\right)+X_P\left(k\right)=\left\{\begin{array}{c}{X}_D^m\left(k\right),k\∈{\mathrm{Po}}^C\\ X_P\left(k\right),k\∈\mathrm{Po}\end{array}\right.---\left(1\right)$

并在要发送的OFDM符号数据开头位置添加块状导频X_B=[X_B(0),X_B(1),…,X_B(N-1)]，用于接收端判决反馈时估计信道频域响应。

将所有加扰后的数据经过OFDM调制到时域得到x⁰,x¹,…,x^M-1，根据峰均功率比的定义公式分别计算其PAPR值，选择最小的数据符号作为传输符号x。

在接收端经过FFT变换后得到的频域数据可以写成Y(k)=X(k)H(k)+W(k)，H(k)为信道频域响应，W(k)为频域的加性高斯白噪声。

在接收端通过块状导频得到信道频域响应

$\hat{H}\left(k\right)=\frac{Y_P}{X_B}---\left(2\right)$

其中Y_P为接收到的块状导频频域数据。

对水听器接收到的数据Y(k)，根据LS准则处理可以得到

$X^{\′}\left(k\right)=Y\left(k\right)/\hat{H}\left(k\right)---\left(3\right)$

X'(k)为未除掉加扰图样的数据，将其分别除以已知的加扰相位序列P^m得到

X^m(k)=X'(k)/P^m（4）

从X^m(k)中提取数据子载波上的数据进行解映射和卷积码维特比译码得到M组不同的估计原始数据对其采用同样的卷积码编码矩阵再次编码，得到数据

对比与原解码前数据计算二者的误比特率，其中最小BER所对应的m值，即为选择的加扰序列序号。

图样检测器的输出为所选择的加扰序列P^m，对其进行后续数据处理，最终恢复原始发送信号。

基于判决反馈的SLM改进算法在接收端的图样检测器结构如图2所示。

下面的仿真实验是本发明的一个具体实例，通过此例可以对本发明的性能进行验证。

仿真条件：

Matlab仿真平台，构建2发2收MIMO-OFDM水声通信系统，FFT长度8192，子载波数目1025，通信频带6～12kHz，随机生成10³个OFDM符号，QPSK映射，采用空时编码和卷积码编码，仿真信道冲激响应如图3所示，4倍过采样。

为了说明本发明方法相比于传统SLM方法PAPR抑制性能没有损失的特点，图4给出了本发明与传统SLM方式以及未加扰信号CCDF曲线对比图，从图中可以看出，本发明方法与传统SLM方法的CCDF曲线基本重合，表明其PAPR抑制性能并未损失。

本发明方法在提高频带利用率，降低发射功率损耗，以及降低由于通信系统受噪声等因素影响未能正确解读边带信息而造成误码灾难的风险等方面具有较大优势。传统SLM算法每个数据符号需要比特的边带信息，用来确定所选择的加扰相位序列的序号，其中表示的是小于x的最大整数，M为所采用的加扰序列的总数。对于多输入多输出的系统来说，K个发射天线共需要发送比特的边带信息，并且为保证其准确地传送到接收机，需要添加一定的冗余，所需要的数据位数很可能是比特的2倍甚至是多倍，信息量非常大。相比于传统SLM算法，改进SLM算法无需将所选加扰相位序列的序号作为边带信息传输给接收端，节约了数据量，提高了数据传输效率和频带利用率，而付出的代价则是计算量的增加。但是由于水声通信的特点，提高系统接收端的复杂度以降低发送端的消耗，从而提高系统整体效率和稳定性是十分合适的。

图5、图6分别给出了本发明与传统SLM方式以及边带信息已知的SLM方式在高斯白噪声和Alpha稳定分布的突发噪声环境下系统误比特率性能对比，从图中可以看出本发明方法要优于传统的SLM方法，与边带信息已知的方法误比特率性能相当，可以充分说明本发明方法能够正确判断所选相位序列的序号，为接收机提供可靠的边带信息。由于水声信道的特性，在信噪比较小时接收数据误比特率较高，受边带信息影响较小，三种方法的误比特率均在较高水平上。本发明方法在6dB时即可保证水声通信的正常、可靠进行，优于传统SLM方法。从图6中还可以看出，本发明方法具有一定的抗突发噪声能力。

综上所述，本发明方法在不损失PAPR抑制性能的前提下，避免了边带信息的传输，克服了传统SLM方法对边带信息的依赖，通过判决反馈的方式保证了接收端加扰相位序列序号的正确解算，提高了系统的BER性能和频带利用率，是一种能够保证MIMO-OFDM水声通信系统的实时性和可靠性的算法。

以上实例仅为本发明应用的一个例子，本发明内容应不仅局限于MIMO-OFDM系统中，对于单入单出、单入多出以及多入单出的OFDM系统中抑制峰均功率比均使用，因此均受到本发明专利的保护。

Claims (1)

1.一种基于判决反馈的改进选择性映射峰均功率比抑制方法，包括以下步骤：

(1)在数据发送端，首先将待发送数据与多个加扰相位序列相乘，得到多个候选OFDM符号，然后对候选OFDM符号进行快速傅里叶变换到时域，选择其中峰值平均功率比值最小的符号作为传输符号，并在发送数据的开头位置添加块状导频，用于接收端判决反馈时估计信道频域响应；

(2)在接收端首先对接收信号进行快速傅里叶变换，然后通过基于判决反馈的图样检测器判断所选择的加扰相位序列序号，最后利用序号信息解扰码；

其特征是步骤(2)具体实现步骤如下：

1)快速傅里叶变换：正交频分复用解调；

2)边带信息检测：首先对快速傅里叶变换后数据进行信道估计和均衡，得到未除掉加扰图样的数据X'(k)，然后将其分别除以已知的加扰相位序列P^m得到X^m(k)，从中提取数据子载波上的数据接下来进行解映射和卷积码维特比译码得到M组不同的估计原始数据对其采用同样的卷积码编码矩阵再次编码，得到数据最后对比与原解码前数据计算二者的误比特率，其中最小误比特率所对应的m值，即为选择的加扰序列序号；

3)解扰码：均衡后接收数据除以对应的加扰相位序列；

4)恢复发送数据：对解扰码之后的数据进行解映射、信道解码，即得到发送数据。