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CN113037677B - 一种基于abo-ofdm的低papr通信方法 - Google Patents

一种基于abo-ofdm的低papr通信方法 Download PDF

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CN113037677B CN202110400836.0A CN202110400836A CN113037677B CN 113037677 B CN113037677 B CN 113037677B CN 202110400836 A CN202110400836 A CN 202110400836A CN 113037677 B CN113037677 B CN 113037677B
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Abstract

本发明公开了基于ABO‑OFDM的低PAPR通信方法：S1、对数目为N/2原始子载波，空置其中1/m的子载波，为第m的整数倍位置处的子载波；S2、对未进行空置的其余子载波，选择其中的若干子载波作为降低发射端PAPR的子载波，并通过凸优化目标函数来确定其值；S3、将调制后的信号加载到剩余子载波上；S4、对经S1～S3处理的原始子载波作共轭对称，得到长度为N的待传输子载波序列；S5、对待传输子载波序列进行IFFT，得到长度为N的待发送的时域信号；S6、对时域信号按照每组包含m个数据进行分组，分为N/m组，对每一组数据都找出该组中的最小值，然后用最小值的相反数作为该组数据的直流偏置加到该组的每个数据上。

Description

一种基于ABO-OFDM的低PAPR通信方法
技术领域
本发明涉及无线光通信技术领域，具体涉及一种基于ABO-OFDM的低PAPR通信方法。
背景技术
无线光通信凭借其高带宽、高速率、高安全性、可以兼顾照明等优势，迅速成为近些年通信领域的热门研究领域。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)技术可以传输高速数据，被视为无线光通信中很有潜力的技术。
由于无线光通信系统通常采用强度调制/直接检测(Intensity ModulationDirect Detection,IM/DD)方式，携带信息的复数电信号必须转换为非负实数光信号才能在发射端进行发射。而应用于射频系统的传统OFDM技术使用复数信号则无法直接用于无线光通信系统。因此，通常需要对信号进行改造，使之满足非负实数信号特性，才能进行发射。首先，由于OFDM通过快速傅里叶逆变换(Invert Fast Fourier Transformation,IFFT)生成输出信号，可对原始输入信号做共轭对称，使得输出信号变为实数。此外，为了使输出信号变为非负数，有多种方法相继被提出。例如，ACO-OFDM(Asymmetrically ClippedOptical-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，非对称限幅光正交频分复用)仅使用奇数子载波传输数据，经过快速傅里叶逆变换后生成输出信号，该信号因切底产生的噪声只会影响偶数位子载波，因此不会对传输的数据造成影响。DCO-OFDM(DirectCurrent-biased Optical-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，直流偏置光正交频分复用)在快速傅里叶逆变换后对信号添加直流偏置，将大部分信号转换为非负数。PAM-DMT(PulseAmplitude Modulation-Discrete MultiTone，脉冲幅度调制-离散多音)使用PAM调制方式，将纯虚奇函数经过快速傅里叶逆变换后，输出信号为实奇函数，切底之后在接收端依然可以恢复原始信号。ADO-OFDM(Asymmetrically Clipped DC biasedOptical-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，非对称削波直流偏置光正交频分复用)将ACO-OFDM和DCO-OFDM相结合，用两种方法分别传输奇数子载波和偶数子载波的数据。HACO-OFDM(Hybrid Asymmetrically Clipped Optical-Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，混合非对称限幅光正交频分复用)将ACO-OFDM和PAM-DMT相结合，用两种方法分别传输奇数子载波和偶数子载波的数据。LACO-OFDM(LayeredAsymmetrically Clipped Optical-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，层状非对称限幅光正交频分复用)则将子载波分为多层，在每一层分别使用ACO-OFDM进行处理。ABO-OFDM(Adaptively Biased Optical-Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，自适应偏置光正交频分复用)在DCO-OFDM的基础上进行了改进，通过舍弃1/4的子载波，可以自适应地改变直流偏置的大小而不会对传输的数据产生影响，从而提高了系统的能量利用率。此外，为了降低对发射端设备的需求，我们需要降低发射信号的峰均比(Peak toAverage Power Ratio,PAPR)，一种常用的方法是通过空置部分子载波来实现。然而，ABO-OFDM要求只能空置1/4的子载波，在此基础上用来降低PAPR的子载波灵活性不高。
发明内容
基于此，本发明提出一种基于ABO-OFDM的低PAPR通信方法，来拓展传统ABO-OFDM舍弃子载波数目的灵活性，以灵活地调整频谱利用率和能量利用率，在此基础上通过空置剩余子载波中的一部分子载波，达到降低发射信号的PAPR之目的。
本发明为达上述目的提出以下技术方案：
一种基于ABO-OFDM的低PAPR通信方法，包括如下的发射端处理步骤：
S1、设发射端的原始子载波数目为N/2，对原始子载波，空置其中1/m的子载波；其中，所述1/m的子载波是第m的整数倍位置处的子载波；m为能整除N的正整数；
S2、对原始子载波中未进行步骤S1空置处理的其余子载波，选择其中的若干子载波作为用于降低发射端PAPR的子载波，并通过凸优化目标函数来确定用于降低发射端PAPR的子载波的值；
S3、将调制后的信号加载到步骤S1空置处理后以及步骤S2选择后剩余的子载波上；
S4、对经过步骤S1～S3处理后的原始子载波作共轭对称，并将共轭对称序列置于经过步骤S1～S3处理后的原始子载波之后，得到长度为N的待传输子载波序列；
S5、对所述待传输子载波序列进行IFFT，得到长度为N的实数序列，即待发送的时域信号；
S6、对所述时域信号按照每组包含m个数据进行分组，分为N/m组；其中，第一组数据中的m个数据分别为第N/m的整数倍位置处的数据，第二组数据中的m个数据分别为第一组数据中每个数据的相邻下一个位置处的数据，第三组数据中的m个数据分别为第二组数据中每个数据的相邻下一个位置处的数据，以此类推；对每一组数据，都找出该组中的最小值，然后用最小值的相反数作为该组数据的直流偏置加到该组的每个数据上。
本发明上述技术方案的有益效果在于：首先，本发明可以自适应地在不同的时域信号处增加不同的直流偏置，从而降低能量损耗，增加能量利用率；另一方面，对时域信号的分组大小m的设置更加灵活(传统ABO-OFDM要求只能空置1/4的子载波，即分组大小只能取m＝4)，在此基础上，用来降低PAPR的子载波灵活性提高；通过合理设置m的值，与传统ABO-OFDM相比，可以有效降低发射端PAPR。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式对本发明作进一步说明。
本发明的具体实施例提出一种基于ABO-OFDM的低PAPR通信方法，该方法包含了两种改进的ABO-OFDM方法，其中一种定义为“通用ABO-OFDM”(Generalized ABO-OFDM,GABO-OFDM)方法，另一种定义为“增强ABO-OFDM”(Enhance ABO-OFDM,EABO-OFDM)。所谓通用ABO-OFDM拓展了传统ABO-OFDM空置子载波数目的灵活性，在后续从理论上分析了其可行性，并通过仿真进行了验证。所谓增强ABO-OFDM是在通用ABO-OFDM空置了1/m子载波的基础上，再利用剩余子载波中的一部分子载波作为降低峰均比PAPR的子载波，以降低发射端PAPR。
假设发射端用于发射信号的子载波数目为N，N个子载波中前一半子载波是原始子载波，后一半是前一半的共轭对称。本发明实施例的基于ABO-OFDM的低PAPR通信方法，包括如下步骤：
S1、对前N/2个子载波即原始子载波，空置其中1/m的子载波；其中，所述1/m的子载波是第m的整数倍位置处的子载波；m为能整除N的正整数。
传统ABO-OFDM的基本原理是，在发射端，先对频域的原始子载波(数目为N/2)进行共轭对称，得到长度为N的复数序列，然后对该序列进行N点快速傅里叶逆变换，得到一个时域的实数序列。此时时域信号仍然存在负值，因此我们需要在信号上加直流偏置，才能进行发射。然而，现有的增加直流偏置的DCO-OFDM方法直接对所有的时域信号增加一个固定的直流偏置，例如信号标准差的3倍，导致该方法频谱利用率较高，但能量利用率较低，并且由于对时域信号分组的分组大小m只能取值为4，因此只能空置1/4的子载波，然频谱利用率和能量利用率与m的取值有关，这就导致了现有的ABO-OFDM方法无法根据实际通信需求来灵活调整频谱利用率和能量利用率。
而本发明通过如下的理论证明了拓展m取值的可行性，因而提出m取值可为任意正整数的通用ABO-OFDM方法：
m取任意正整数，子载波数目N同时也是FFT或者DFT的点数，且N为m的整数倍。对时域信号分组，每m个数据为一组，共N/m组，分组方式如下：
Figure BDA0003020218930000041
根据式(1)，n＝0时为第一组，组内包含了时域信号中位置编号为0,N/m,2N/m,…,(m-1)N/m的共m个数据，即
Figure BDA0003020218930000042
n＝1时为第二组，组内包含了第一组每个数据所相邻的下一个数据；以此类推，n＝N/m-1时为第N/m组。
对同一组数据同时加上一个相同的值bn，得到
yn＝xn+bn (2)
对于每一组数据所要加的值，是该组数据中最小值的相反数，将最小值的相反数作为直流偏置进行相加，则相加后该组数据中最小值变为0，其余值变为与原最小值的差值，以消除原序列中的负数；
其中，
Figure BDA0003020218930000051
对yn进行DFT之后得到Yk，可以证明：
Figure BDA0003020218930000052
其中Bk为bn经过N点DFT后得到的序列，Xk为xn经过N点DFT后得到的序列。即：增加的直流偏置bn经过DFT后只会对第m的整数倍位置处的子载波产生影响，如果不使用这些子载波来传输数据，则可以完全忽略直流偏置对数据传输所带来的负面影响。
证明过程如下：
DFT的计算公式如下：
Figure BDA0003020218930000053
Bk即为bn经过离散傅里叶变换后的频域表示；将式(3)代入式(5)，可得
Figure BDA0003020218930000054
将式(6)化简，可得
Figure BDA0003020218930000055
当mod(m,k)＝0，即k＝0,m,2m,…,N-m时，将k代入式(7)，得
Figure BDA0003020218930000056
当mod(m,k)≠0时，将k代入式(7)，得
Figure BDA0003020218930000057
且有
Figure BDA0003020218930000061
Figure BDA0003020218930000062
将式(10)和式(11)代入式(9)，可得，当mod(m,k)≠0时，
Bk＝0 (12)
由此可以得出结论：增加的直流偏置bn经过DFT后只会对第m的整数倍位置处的子载波产生影响，而对其他子载波上传输的信息不产生任何影响。
因此，本发明提出的通用ABO-OFDM即GABO-OFDM，在对时域信号进行分组，以自适应添加不同直流偏置时，分组大小m可取任意正整数，只要第m的整数倍位置处的子载波空置(值置为0)不用于传输信号，即可避免直流偏置对数据传输所带来的负面影响。
S2、对原始子载波中未进行步骤S1空置处理的其余子载波，选择其中的若干子载波作为用于降低发射端PAPR的子载波，记为Ck；并通过凸优化目标函数来确定Ck的值。用于降低发射端PAPR的子载波的数量应根据对发射端频谱利用率和能量利用率的要求来确定用于降低发射端PAPR的子载波的数量。如果通信场景更看重发射端的频谱利用率，而对能量利用率要求相对较低，则用于降低发射端PAPR的子载波的数量可以较少；反之，则用于降低发射端PAPR的子载波的数量可以相对较多。另外，Ck中子载波的位置可以任意选择，只不过Ck子载波的赋值需要采用凸优化目标函数来确定。
凸优化目标函数为
||QC+xn+3*s||∞ (13)
其中，Q为IFFT矩阵；函数自变量为列向量C，C包含了Ck的实部和虚部；xn为Xk经过IFFT之后的序列；s表示xn序列的标准差。
通过找到一组使得式(13)的值最小的自变量C，即可确定Ck的值。
S3、将调制后的信号加载到步骤S1空置处理后以及S2选择后剩余的子载波上，这些承载发射信号的子载波记为Xk。
S4、对于N/2个原始子载波，经过了前述步骤S1～S3的处理之后，进行共轭对称，得到长度为N/2的共轭对称序列，将共轭对称序列置于经过步骤S1～S3处理后的原始子载波之后，构成长度为N的待传输子载波序列。
本发明实施例提出的增强ABO-OFDM即EABO-OFDM，在空置了1/m子载波的基础上，再从其余子载波中选择其中一部分子载波用于降低PAPR。将传输数据的子载波记为Xk，用来降低PAPR的子载波记为Ck，则时域信号xn如下式所示：
Figure BDA0003020218930000071
其中xn和cn分别是Xk和Ck经过IFFT后的序列，增强ABO-OFDM的目的是通过设定Ck的值来确定cn，并最终改善时域信号的PAPR。
S5、对所述待传输子载波序列进行IFFT，得到长度为N的实数序列，即待发送的时域信号。
S6、对所述时域信号按照每组包含m个数据进行分组，分为N/m组；其中，第一组数据中的m个数据分别为第N/m的整数倍位置处的数据，第二组数据中的m个数据分别为第一组数据中每个数据的相邻下一个位置处的数据，第三组数据中的m个数据分别为第二组数据中每个数据的相邻下一个位置处的数据，以此类推；对每一组数据，都找出该组中的最小值，然后用最小值的相反数作为该组数据的直流偏置加到该组的每个数据上。
最后，将添加了直流偏置之后的时域信号经过并/串转换之后通过发射机发射出去即可。
在接收端，经过串/并转换之后，对接收到的数据直接进行FFT，去掉不携带信息的子载波之后，得到待解调信号；对所述待解调信号，在解调前先利用分集技术进行等增益合并，以降低误码率；最后对所述待解调信号先后进行解调和解码，恢复出原始信号。
下面通过一个具体的例子来说明本发明方法的具体过程，并验证本发明的有效性。
取N＝128，以m＝8为例，采用(2,1,7)卷积编码方式和4QAM调制方式。
在128个子载波中，前64个为原始子载波，后64个为前64个子载波的共轭对称。在前64个子载波中，将第8的整数倍位置处即第0、8、16、24、32、40、48、56个子载波都空置；在此基础上，再在其余子载波中选择8个(此处仅为举例，也可以是其它数值)作为用于降低PAPR的子载波，此例选择第4、12、20、28、36、44、52、60个子载波，应当理解的是，此处不一定要选择间隔相同位置处的子载波，位置可以随意。采用式(13)的凸优化目标函数确定第4、12、20、28、36、44、52、60个子载波的值。
在空置了8个子载波，并且选择了8个用于降低PAPR的子载波并赋值之后，可将调制后的信号加载到前64个子载波中剩余的48个子载波上。对于前64个子载波，在进行了上述一系列处理(空置了8个子载波，并选择了8个用于降低PAPR的子载波并赋值，再将调制信号加载到剩余48个子载波上)之后，进行共轭对称，得到长度为128的待传输子载波序列。再将长度为128的待传输子载波序列进行IFFT，得到长度为128的实数序列，也就是待发射的时域信号。
将上述长度为128的时域信号按分组大小m＝8分为16组，即每组8个数据，第一组数据的序号为{0,16,32,48,64,80,96,112}，即第一组数据包含了时域信号中位置编号为0,16,32,48,64,80,96,112的8个数据；第二组数据的序号为{1,17,33,49,65,81,97,113}，以此类推。在每一组数据中找出最小值，然后用该最小值的相反数作为该组数据的直流偏置进行添加。
添加直流偏置之后的时域信号经过并/串转换之后通过发射机发射出去，并在接收端经过串/并转换之后，对接收到的数据直接进行FFT，去掉不携带信息的子载波之后，得到待解调信号，对所述待解调信号先后进行解调和解码，恢复出原始信号。
在上述例子的基础上，对本发明的GABO-OFDM和EABO-OFDM进行PAPR分析，与传统ABO-OFDM进行比较，结果如下表1所示：
表1
OFDM方法 发射信号PAPR/dB
ABO-OFDM 6.0243
GABO-OFDM(m＝8) 4.9188
EABO-OFDM 4.4748
可以看出，本发明上述实施例的通信方法，其中包含的GABO-OFDM方法的发射信号PAPR为4.9188，相比传统ABO-OFDM的6.0243有明显降低。在GABO-OFDM基础上，选择了用于降低PAPR的子载波并通过凸优化进行赋值，然后仅将调制信号加载到剩余载波上的EABO-OFDM方法，其发射信号PAPR进一步降低为4.4748。验证了本发明通信方法在降低PAPR方面的有效性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于ABO-OFDM的低PAPR通信方法，ABO-OFDM是自适应偏置光正交频分复用，PAPR是峰值平均功率比，其特征在于，包括如下的发射端处理步骤：
S1、设发射端的原始子载波数目为N/2，对原始子载波，空置其中1/m的子载波；其中，所述1/m的子载波是第m的整数倍位置处的子载波；m为能整除N的正整数；
S2、对原始子载波中未进行步骤S1空置处理的其余子载波，选择其中的若干子载波作为用于降低发射端PAPR的子载波，并通过凸优化目标函数来确定用于降低发射端PAPR的子载波的值；
S3、将调制后的信号加载到步骤S1空置处理后以及步骤S2选择后剩余的子载波上；
S4、对经过步骤S1～S3处理后的原始子载波作共轭对称，并将共轭对称序列置于经过步骤S1～S3处理后的原始子载波之后，得到长度为N的待传输子载波序列；
S5、对所述待传输子载波序列进行IFFT，得到长度为N的实数序列，即待发送的时域信号；IFFT是快速傅里叶逆变换；
S6、对所述时域信号按照每组包含m个数据进行分组，分为N/m组；其中，第一组数据中的m个数据分别为第N/m的整数倍位置处的数据，第二组数据中的m个数据分别为第一组数据中每个数据的相邻下一个位置处的数据，第三组数据中的m个数据分别为第二组数据中每个数据的相邻下一个位置处的数据，以此类推；对每一组数据，都找出该组中的最小值，然后用最小值的相反数作为该组数据的直流偏置加到该组的每个数据上。
2.如权利要求1所述的基于ABO-OFDM的低PAPR通信方法，其特征在于，将添加了直流偏置之后的时域信号经过并/串转换之后通过发射机发射出去，并在接收端经过串/并转换之后，对接收到的数据直接进行FFT，去掉不携带信息的子载波之后，得到待解调信号；FFT是快速傅里叶变换。
3.如权利要求1所述的基于ABO-OFDM的低PAPR通信方法，其特征在于，步骤S2中根据对发射端频谱利用率和能量利用率的要求来确定用于降低发射端PAPR的子载波的数量。
4.如权利要求1所述的基于ABO-OFDM的低PAPR通信方法，其特征在于，步骤S2中凸优化目标函数为
||QC+xn+3*s||∞
其中，Q为IFFT矩阵；函数自变量为列向量C，C包含了用于降低发射端PAPR的子载波的实部和虚部；承载发射信号的子载波记为Xk，xn为Xk经过IFFT之后的序列；s表示xn序列的标准差；
通过找到一组使得所述凸优化目标函数的值最小的自变量C，来确定用于降低发射端PAPR的子载波的值。
5.如权利要求2所述的基于ABO-OFDM的低PAPR通信方法，其特征在于，对所述待解调信号，在解调前先利用分集技术进行等增益合并，以降低误码率。
6.如权利要求2所述的基于ABO-OFDM的低PAPR通信方法，其特征在于，对所述待解调信号先后进行解调和解码，恢复出原始信号。
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