CN105743835A - 一种降低ofdma系统信号峰均功率比的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低OFDMA系统信号峰均功率比的方法，具体为：在发射端，将用户输入的数据经过LDPC编码器进行编码，生成拥有多个可反转子集的编码码字，再进行调制；将调制后的数据映射至用户分配到的子载波上，构造多个可反转频域符号集合；通过对构造的可反转频域符号集合进行独立的反转以降低OFDMA系统信号的峰均功率比；在接收端，将接收到的信号经傅里叶变换后再进行子载波解映射和解调制，得到每个用户对应的接收信息，并采用LDPC译码器进行译码，从得到的译码码字中提取出相位反转信息以恢复原始信息；本发明能有效地降低OFDMA系统信号的峰均功率比，且不需要发送边带信息，提高系统的频谱利用率，降低系统的复杂度，同时具有良好的纠错性能。
Description
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，更具体地，涉及一种降低OFDMA系统信号峰均功率比的方法。
背景技术
正交频分多址(OFDMA)技术作为正交频分复用(OFDM)技术的一种扩展，被广泛应用于宽带无线通信系统中。但其通信信号具有较高的峰值与平均值功率比，即峰均功率比(PAPR)。较高的PAPR要求通信系统中的射频前端，如功率放大器、数模转换器等具有较宽的线性动态范围。若使用较宽线性动态范围的射频前端则会导致基站和终端的成本大大增加；若使用较窄的线性动态范围的射频前端则会导致带内信号失真和带外频谱泄露，造成通信系统性能大幅下降。
现有技术中有很多降低OFDM信号的PAPR的技术方案，比如选择性映射法(SLM)、部分传输序列法(PTS)以及基于编码的方案；其中SLM和PTS方法虽然可以显著地降低OFDM信号的PAPR，但是需要将发射端所采用的相位旋转因子作为边带信息发送到接收端，这会导致系统数据传输率下降并且增加了系统复杂度。
公告号为CN102624665B的中国专利提出了一种基于NS-LDPC码来降低OFDM信号PAPR的方法，该方法采用一种特殊结构的LDPC码，可有效降低OFDM信号PAPR，且几乎不对系统误码率性能和系统数据传输率造成影响；但是，该方法更加侧重于NS-LDPC码本身，而且只考虑了单用户场景下降低信号PAPR的应用，并不针对OFDMA系统中的多用户场景，也没有将其码字结构、具体的调制方式与OFDMA系统中的子载波映射进行适配。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种降低OFDMA系统信号峰均功率比的方法，利用IS-LDPC码实现降低峰均功率比的功能，不需要传输边带信息，在显著降低OFDMA系统信号PAPR的同时具有良好的纠错性能。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种降低OFDMA系统信号峰均功率比的方法，包括发送端的处理和接收端的处理；
其发送端的处理包括如下步骤：
(A1)根据IS-LDPC码的校验矩阵H对用户的信息数据进行编码，生成拥有U个可反转子集的IS-LDPC码字A＝[A0,A1,…,AU]；
其中Au(u＝1,2,…,U)表示第u个可反转子集，每个可反转子集中有一个比特是相位比特，相位比特在编码时固定为0，A0表示编码比特中不属于U个可反转子集的剩余比特的集合；
(A2)将OFDMA系统中的每个资源块持续时间内的时频资源进行划分，并将划分好的资源块分配给多个用户；
(A3)对各个用户的编码码字进行PSK/QAM调制，并将调制后的符号映射到用户资源块的子载波上，构造可反转频域符号集合，获得OFDMA时域符号；
(A4)对各OFDMA时域符号里的各可反转频域符号集合进行反转处理，获得多个候选OFDMA时域符号，从中选择PAPR最小的OFDMA时域符号，对其进行快速傅里叶逆变换，获得拟发送的OFDMA信号；
其接收端的处理包括如下步骤：
(B1)对接收到的信号进行快速傅里叶变换、子载波解映射和解调制，并根据发送端的资源块分配情况，获得每个用户所对应的接收信息，然后采用LDPC译码器进行译码，获得译码码字
(B2)根据发送端编码时相位比特的位置，从译码得到的码字中提取U个可反转子集的反转信息，获得相位比特向量b＝[b1,b2,…,bU]，
其中bu∈{0,1}(u＝1,2,…,U)；
(B3)将向量b中的U个相位比特与码字中的U个可反转子集分别进行异或操作，进而恢复原始码字A：
其中Nu表示每个可反转子集中的比特数目；对于二进制编码而言，反转操作等效于将可反转子集中的比特与该子集对应的相位比特进行异或。
优选地，上述降低OFDMA系统信号峰均功率比的方法，其步骤(A2)具体如下：
(A2.1)将OFDMA系统中的每个资源块持续时间内的时频资源划分为多个互不相交的资源块，每个资源块占有NRB个频域子载波以及KRB个时域符号长度；
(A2.2)根据比例公平调度算法，将划分好的资源块分配给多个用户；在保证各个用户的传输速率相对公平的同时，提高总的系统传输速率；
不同用户的数据经过相互独立的频率选择性信道进行传输时，所有用户在某个频率点上的信道响应都很差的概率会很小，此时如果将该子载波分配给信道条件较好的用户进行传输，其他子载波也是如此，就能产生多用户分集增益，提高系统的传输速率，因此需要遵循一定的资源分配策略，将划分好的资源块分配给多个用户；
可采用比例公平调度算法(P.Viswanath,D.N.C.Tse,andR.Laroia,"Opportunisticbeamformingusingdumbantennas,"IEEETransactionsonInformationTheory,vol.48,no.6,pp.1277-1294,Jun2002)，在保证各个用户的传输速率相对公平的同时，提高系统传输速率。
优选地，上述降低OFDMA系统信号峰均功率比的方法，其步骤(A3)中，每个可反转子集的所有比特映射到同一个资源块中的同一个时域符号的频域符号上；每个OFDMA时域符号包含了多个可反转频域符号集合。
优选地，上述降低OFDMA系统信号峰均功率比的方法，其步骤(A3)中，调制映射的关键是：在调制映射过程中构造可反转频域符号集合；
可反转频域符号集合中所有符号的符号比特都来自一个或多个IS-LDPC可反转子集，且这一个或多个IS-LDPC可反转子集中的所有比特都映射到该频域符号集合的符号比特。
优选地，上述降低OFDMA系统信号峰均功率比的方法，其步骤(A4)具体如下：
(A4.1)针对可反转频域符号集合，整体乘以反转因子p；
反转因子的取值集合为{1,-1}，p为1时表示不反转，p为-1时表示反转；对于QAM调制方式，当某个QAM符号乘以反转因子-1时，该QAM符号所对应的比特集合中只有部分比特会发生反转，而其他比特则保持不变，将发生反转的比特称为“符号比特”，没有反转的比特称为“幅度比特”，所述反转是指比特0变为比特1，或比特1变为比特0；
(A4.2)每个OFDMA时域符号独立控制其所包含的各可反转频域符号集合的反转与否；得到多个候选OFDMA时域符号，从中选择PAPR最小的OFDMA时域符号，经过快速傅里叶逆变换，获得拟发送的OFDMA信号。
优选地，上述降低OFDMA系统信号峰均功率比的方法，其步骤(B1)中的译码过程具体如下：
将幅度比特所对应的可反转子集的相位比特赋值为0，使其置信度为无穷大；并将幅度比特所对应的可反转子集的相位比特作为已知结果参与其他比特的迭代译码，获得译码码字
由于已知每个可反转子集的相位比特在编码的时候固定为0，并且在对频域符号集合进行反转操作的过程中，每个频域符号的幅度比特保持不变，即幅度比特所对应的可反转子集的相位比特仍然保持为0，因此在接收端采用LDPC迭代译码的过程中，可直接将幅度比特所对应的可反转子集的相位比特赋值为0，将其作为已知结果参与其他比特的迭代译码。
本发明提供的降低OFDMA系统信号峰均功率比的方法，在发送端，将用户数据经过IS-LDPC编码器编码，生成具有多个可反转子集的编码码字；再进行PSK/QAM调制，然后将调制符号映射至用户分配到的子载波上，构造多个可反转频域符号集合；通过对构造的可反转频域符号集合进行独立的反转，以降低OFDMA系统信号的峰均功率比，在此过程中，不需发送相位反转信息；
在接收端，将接收到的信号经傅里叶变换后再进行子载波解映射和PSK/QAM解调制，得到每个用户对应的接收信息，然后利用LDPC译码器进行译码，从得到的译码码字中提取出相位反转信息后即可正确恢复原始信息。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的降低OFDMA系统信号PAPR的方法，在显著降低系统信号PAPR的同时，不需要传输边带信息，提高了系统的频谱利用率，降低了系统的复杂度，并且拥有与标准的LDPC编码基本相同的纠错性能；
(2)本发明提供的降低OFDMA系统信号PAPR的方法，针对OFDMA系统中的多用户场景，即多个用户在不同的子载波上同时进行通信的场景，采用独立反转可反转频域符号集合的方法降低信号PAPR，并提供了可反转频域符号集合的构造方式；
首先将OFDMA系统的时频资源划分为互不相交的资源块，每个资源块占有NRB个频域子载波和KRB个时域符号长度；然后根据资源分配策略对多用户进行资源块的分配；再结合具体的调制，比如QPSK调制或者16QAM调制，采用合适的子载波映射方式，将多用户的IS-LDPC码所对应的可反转子集映射到相应的资源块上，以此构造可反转频域符号集合，使得集合中所有符号的符号比特都来自一个或多个IS-LDPC可反转子集，且这一个或多个IS-LDPC可反转子集中的所有比特都映射到所述频域符号集合的符号比特上，进而保持多用户的数据传输独立性；
相比较而言，公开号为CN102624665B中国专利提供的现有技术侧重于NS-LDPC码本身，只考虑单用户场景下降低信号PAPR的应用，即在任一时刻，所有子载波上的数据均来自于同一个用户的场景，未提供多用户场景下将码字中的可反转子集映射到子载波上的解决方案。
附图说明
图1是本发明实施例中OFDMA系统的资源块划分；
图2是本发明实施例中“OFDMA时域符号”、“资源块的时域符号”以及“频域符号”的示意图；
图3是本发明实施例在发送端进行的子载波映射、反转操作和傅里叶逆变换(IFFT)的结构框图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例中，OFDMA系统的时频资源被划分为多个资源块，如图1所示，每个资源块占有一定数量的频域子载波以及一定的时域符号长度，其中每个资源块的持续时间记为time-slot；对于用户i而言，它在每个time-slot内分配到一个资源块，每个资源块占有NRB个频域子载波以及KRB个时域符号长度；其中，OFDMA系统的子载波数目为NDL，NDL为正整数，每个time-slot的资源块数量为W，W为正整数；W＝NDL/NRB。
本发明所采用的IS-LDPC码是一种特殊的低密度奇偶校验码，具有如下独特的结构：
(1)IS-LDPC码具有U个可反转子集，且这些子集之间没有交集；由LDPC码的一些编码比特的集合构成可反转子集，其中U≥1；
(2)每个可反转子集的编码比特集合中有一个比特是相位比特，相位比特在编码时固定为0，如果反转了某个可反转子集，则其对应的相位比特变成1；
(3)每个可反转子集均可被独立反转，并且同时反转一个或多个可反转子集中的编码比特后得到的新码字仍然是有效码字；其中，反转是指将比特0变为比特1，或者将比特1变为比特0；
由于各可反转子集中有一个比特是相位比特，且在编码时固定为0；若对IS-LDPC码中的某个可反转子集进行了反转操作，则其对应的相位比特变为1；如果没有对IS-LDPC码中的某个可反转子集进行反转操作，则其对应的相位比特仍为0；因此将该相位比特用于指示IS-LDPC码中对应的可反转子集是否发生了反转，在接收端利用译码得到的相位比特获知每个可反转子集的反转信息，从而判断其对应的可反转子集是否发生了反转，进而正确恢复原始信息。
实施例中的OFDMA时域符号、资源块的时域符号以及频域符号如图2中所示，频域符号表示每个子载波上的PSK/QAM调制符号；资源块的时域符号表示在一个OFDMA时域符号的持续时间内，每个资源块的子载波上的频域符号集合。
实施例中，在发送端进行子载波映射、反转操作和傅里叶逆变换(IFFT)的结构框图如图3所示，包括频域与时域的处理。
实施例提供的降低OFDMA系统信号PAPR的方法，具体如下：
(1)编码步骤：根据IS-LDPC码的校验矩阵H对用户的信息数据进行编码，，生成拥有U个可反转子集的IS-LDPC码字A＝[A0,A1,…,AU]，其中Au(u＝1,2,…,U)表示可反转子集，每个可反转子集中有一个比特是相位比特，相位比特在编码时固定为0，A0表示编码比特中不属于U个可反转子集的剩余比特的集合。
(2)资源块的划分、分配步骤：
(2.1)在如图1所示的OFDMA系统中，每个time-slot内的时频资源被划分为M个互不相交的资源块，每个资源块占有NRB个频域子载波和KRB个时域符号长度；
(2.2)根据比例公平调度原则，将划分的资源块分配给多个用户进行数据传输，在保证各个用户传输速率相对公平的同时，提高总的系统传输速率。
(3)调制、子载波映射步骤：
对各个用户的编码码字进行PSK/QAM调制；并将调制后的符号映射到用户资源块的子载波上，构造可反转频域符号集合；
其中，每个可反转子集的所有比特要映射到同一个资源块中的同一个时域符号的频域符号上；
通过该步骤，获得每个OFDMA时域符号X，其中X是每个OFDMA时域符号持续时间内，子载波上传输的频域符号集合。
(4)反转、发送步骤：
将可反转频域符号集合整体乘以反转因子p，获得多个候选OFDMA时域符号，从中选择PAPR最小的OFDMA时域符号，对其进行快速傅里叶逆变，获得拟发送的OFDMA信号；
实施例中，反转因子的取值集合为{1,-1}，p为1时表示不反转，p为-1时表示反转；
独立反转频域符号集合以降低信号PAPR的具体步骤如下：
(4.1)每个OFDMA时域符号中可反转频域符号集合的数目为M个，记为X(1),X(2),…,X(M)；对每个可反转频域符号集合X(m)乘以相位反转因子pm，获得经过处理的OFDMA时域符号
通过遍历M个相位反转因子所有可能的值，生成生2M种不同的OFDMA时域符号，即候选OFDMA时域符号；
其中，pm取值集合为{1,-1}；
(4.2)从上述2M种候选OFDMA时域符号中选择PAPR最小的OFDMA时域符号，经过快速傅里叶逆变换，获得拟发送的OFDMA信号。
(5)接收、子载波解映射、解调、译码步骤：
接收端对接收到的信号进行快速傅里叶变换、子载波解映射和PSK/QAM解调制，并根据发送端的资源分配结果，得到每个用户所对应的接收信息；
对接收信息采用LDPC译码器进行译码，在迭代译码的过程中，直接将幅度比特所对应的可反转子集的相位比特赋值为0，使其置信度为无穷大，作为已知结果参与其他比特的迭代译码，获得译码码字
(6)提取相位反转信息：
根据在发送端编码时相位比特的位置，从译码码字中提取U个可反转子集的反转信息，得到相位比特向量b＝[b1,b2,…,bU]，其中
bu∈{0,1}(u＝1,2,…,U)；
(7)恢复原始信息：
将向量b中的U个相位比特与译码码字中的U个可反转子集分别进行异或操作，恢复出原始码字A：
其中Nu表示每个可反转子集中的比特数目。
实施例中，涉及到参数具体如下：
考虑下行OFDMA系统，数据子载波数目为NDL＝720，每个资源块占有24个频域子载波和2个时域符号长度，每个time-slot内有720/24＝30个资源块，并且每个资源块内的时域符号所对应的频域符号集合均为可反转频域符号集合，即M＝30；
采用格雷映射QPSK和16QAM两种调制方式；IS-LDPC码的码率为0.5，码长为N＝1056，包含22个可反转子集，每个可反转子集有48个编码比特，即Nu＝48，子集中的最后一个比特作为相位比特，编码时固定为0；LDPC码译码器迭代译码次数为500次；对于PTS方法，分组数W＝30，相位旋转因子取值集合为{-1,1}。
仿真结果显示：在不发送边带信息的基础上，本发明与采用PTS法降低OFDMA系统信号PAPR的效果完全一样，可达到相同的降低OFDMA信号峰均功率比的效果。
对于AWGN信道和频率选择性衰落信道，本发明提供的降低OFDMA系统信号PAPR的方法，在不发送边带信息的基础上，得到的误帧率结果和采用PTS法以及LDPC编码，并且假设接收方完全正确接收边带信息时得到的误帧率结果均基本相同。
在频率选择性衰落信道(ITU-RM.1225中的车载信道A)条件下，当分组数W＝30，采用QPSK调制方式时，在误帧率为10-2处，本发明不发送边带信息时需要的信噪比SNR＝6.3dB，接收方完全正确接收边带信息时需要的信噪比SNR＝6.25dB；可见，本发明能在接收端很好的恢复边带信息，即各个可反转子集的反转信息，从而避免了边带信息的传输，不会因为发送边带信息而引起系统数据传输率下降；极大降低了系统的复杂度，并且拥有良好的纠错性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种降低OFDMA系统信号峰均功率比的方法，包括发送端的处理和接收端的处理，其特征在于，
所述发送端的处理包括如下步骤：
(A1)根据IS-LDPC码的校验矩阵H对用户的信息数据进行编码，生成具有U个可反转子集的IS-LDPC码字A；将每个所述可反转子集里的相位比特置为0；
(A2)对OFDMA系统中的每个资源块持续时间内的时频资源进行划分，并将划分获得的资源块分配给用户；
(A3)对各用户的编码码字进行调制，将调制后的符号映射到用户资源块的子载波上；并通过构造可反转频域符号集合，获得OFDMA时域符号；
(A4)对各OFDMA时域符号里的可反转频域符号集合进行反转处理，获得多个候选OFDMA时域符号；从所述候选OFDMA时域符号中选择PAPR最小的OFDMA时域符号，并对其进行快速傅里叶逆变换，获得拟发送的OFDMA信号；
所述接收端的处理包括如下步骤：
(B1)对接收到的信号进行快速傅里叶变换、子载波解映射和解调制，并根据发送端的资源块分配情况，获得每个用户所对应的接收信息；并采用LDPC译码器进行译码，获得译码码字
(B2)根据相位比特所在的位置，从所述译码码字中提取U个可反转子集的反转信息，获取相位比特向量b；
(B3)将所述相位比特向量b中的U个相位比特与译码码字中的U个可反转子集分别进行异或操作，恢复出原始码字A。
2.如权利要求1所述的降低OFDMA系统信号峰均功率比的方法，其特征在于，所述步骤(A3)中，每个所述可反转子集的所有比特映射到同一个资源块中的同一个时域符号的频域符号上；每个所述OFDMA时域符号包含多个可反转频域符号集合。
3.如权利要求1或2所述的降低OFDMA系统信号峰均功率比的方法，其特征在于，所述步骤(A3)中，在调制和映射过程中构造可反转频域符号集合；
所述可反转频域符号集合中所有符号的符号比特都来自一个或多个IS-LDPC可反转子集，且所述一个或多个IS-LDPC可反转子集中的所有比特都映射到所述可反转频域符号集合的符号比特。
4.如权利要求1或2所述的降低OFDMA系统信号峰均功率比的方法，其特征在于，所述步骤(A4)具体如下：
(A4.1)将可反转频域符号集合整体乘以反转因子p；
(A4.2)在各OFDMA时域符号控制下，将每个所述OFDMA时域符号所包含的各可反转频域符号集合进行反转或不反转，获得多个候选OFDMA时域符号；
并从所述候选OFDMA时域符号中选取PAPR最小的OFDMA时域符号；对所述PAPR最小的OFDMA时域符号进行快速傅里叶逆变换处理，获得拟发送的OFDMA信号。
5.如权利要求1所述的降低OFDMA系统信号峰均功率比的方法，其特征在于，所述步骤(B1)中的译码过程具体如下：
将幅度比特所对应的可反转子集的相位比特赋值为0，使其置信度为无穷大；并将所述幅度比特所对应的可反转子集的相位比特作为已知参数参与其他比特的迭代译码，获得译码码字
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