CN113225292B - 利用导频分块降低ofdm峰均比的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用导频分块降低OFDM峰均比的方法，本发明通过将数据和导频分块并旋转相位，可以有效降低生成信号的峰均比，且不影响资源分配，与现有系统没有任何冲突，不增加额外器件，实现简单。本发明不需要更改已有的通信体制和标准，发送端只需增加简单的额外计算，接收端不需要增加任何额外处理，适用于OFDM系统、FBMC系统或GDMC系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的发送端技术，可降低发送信号的峰均比(PAPR，Peak to Average Power Ratio)，属于移动通信系统中的信号处理领域。
背景技术
目前，第五代移动通信系统(5G)的标准化工作已经结束，正在开始大规模商用。5G在空中接口上仍然采用基于OFDM的多载波技术。但是，与第四代移动通信系统(4G)不同的是，由于5G支持丰富的业务场景，每种业务场景对子载波(Subcarrier)的带宽或间隔要求各不相同。据5G的技术规范3GPP TS 38.211(V15.2.0)和3GPP TS 38.212(V15.2.0)，子载波的带宽将采用15kHz的2n倍数，比如：15kHz，30kHz，60kHz等等，而4G只采用15kHz一种子载波间隔。载频在6GHz以下(FR1频段)，子载波带宽为15kHz，30kHz和60kHz，信号带宽最高达100MHz；而在6GHz以上(FR2频段)，子载波带宽为60kHz，120kHz和240kHz，信号带宽最高达400MHz。
5G支持最多4096个子载波。这些子载波经过离散傅里叶反变换(IDFT)后的时域信号呈现高斯分布，信号的峰值与平均功率之比(PAPR)非常大，降低了功放(PA)的效率。尤其是用户端不太可能采用价格昂贵、性能较好的PA器件，所以上行链路发送信号的峰均比问题就变得尤为重要。为了降低峰均比，4G在上行采用了DFT-s-OFDM技术。但是，这又带来了上行链路资源分配不灵活等问题。本发明针对这些问题，提出一种适用于OFDM的峰均比降低方法。该方法通过将数据和导频分块并旋转相位，可以有效降低生成信号的峰均比，且不影响资源分配，与现有系统没有任何冲突，不增加额外器件，实现简单。
发明内容
技术问题：本发明的目的是针对OFDM，通过将数据和导频分块并旋转相位，降低信号的峰均比，提高发送端的PA效率，并据此进一步提供一种快速可靠、实现复杂度低、既适于OFDM又适于其它多载波技术的发送方法。
技术方案：为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
步骤1)发送端在频域将1个OFDM符号的N个子载波平均分为M个部分，其中1≤M≤N且M可以被N整除；
步骤2)分别以N维向量
和
表示第m个部分中的导频和数据；
步骤3)分别对每个部分的
和
进行N点的离散傅里叶反变换(IDFT)，得到长度为N个采样的时域信号向量
和
并通过相加得到xm，即
步骤4)选取一组
计算第i个候选序列
的值，共得到Q个候选序列；
步骤5)在Q个候选序列中，寻找PAPR值最小的序列，并记录下其权值为
步骤6)选取一组
计算第i个候选序列
的值，共得到Q个候选序列；
步骤7)在Q个候选序列中，寻找PAPR值最小的序列作为发送序列直接发送出去。
其中，
表示旋转因子，取值为集合
中的任一元素。由于b0i通常设为1，所以共有Q＝WM-1个候选序列。
有益效果
1、本发明的峰均比降低方法能适用于多载波调制系统的上下行链路。
2、本方法不需要更改已有的通信体制和标准，发送端只需增加简单的额外计算，接收端不需要增加任何额外处理。
3、除了OFDM，适用于下一代通信系统的新波形还包括滤波器组多载波(FBMC)，广义频分复用(GDMC)等。本发明的峰均比降低方法也可适用于这些新波形技术。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为PAPR仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好的理解本发明。需要特别注意的是，在以下的描述中，由于对一些已知的技术和功能的详细描述可能会淡化本发明的内容，这些描述在这里将被忽略。
考虑一个OFDM系统，共有N个子载波，每个子载波带宽为Δf，总带宽为S＝NΔf。假设X＝[X(0),X(1),,X(N-1)]为需要传送的符号向量，其中X(k)表示在第k个子载波上传输的经过QPSK或QAM调制的符号。为了进行信道估计，导频(Pilot)需要和数据一起传送。实际系统，比如5G，通常采用梳状(Comb-type)导频。此时，Np个导频{P(m)；0≤m≤Np-1}均匀地插入X，占据的位置可以表示为{k＝mDf；0≤m≤Np-1}。其中，Df＝N/Np表示导频间隔，是一个整数。于是，每个子载波上传输的符号最终可以表示为：
其中，D(k)表示调制到第k个子载波上的数据符号；
表示包含所有导频位置的集合。频域信号X经过IDFT变换后得到时域信号x，其采样周期为T＝1/S。在发送前，每个OFDM符号还需加上G个采样的循环前缀(CP)。为了去除符号间干扰。CP的长度需要大于信道的最大时延扩展τmax，即此时GT>τmax。所以，根据采样定理，导频间隔需满足：
在所提方法中，发送端首先将X平均分为相等的M个不连续的子块，其中1≤M≤N且M可以被N整除。第m个子块用Xm＝[Xm(0),Xm(1),,Xm(N-1)]表示，且满足
接下来，再将Xm分为导频部分
和数据部分
分别包含第m个子块在导频子载波和数据子载波上的符号，其它位置为零。比如，第0个子块的导频部分
可以表示为：
第0个子块的数据部分
可以表示为：
分别对每个
和
做N点的IDFT得到各自的时域信号
和
以及它们相加的和
其中0≤m≤M-1。
首先计算第i个候选序列，即：
其中，下标1表示第一次选择。
表示第i个候选序列对第m个子块旋转的角度，取值为集合B中的任一元素。考虑到计算复杂度等问题，假设集合有W个元素，可将集合B设为：
由于将
设为1，不改变最终结果，所以共有不相同的候选序列数为：
Q＝WM-1 [公式七]
接下来，分别计算每个候选序列的PAPR，并寻找PAPR值最小的序列，并记录下其权值为
即：
然后，保持数据部分的权值不变，改变导频部分的权值，得到：
其中，下标2表示第二次选择。
表示第i个候选序列对第m个导频部分旋转的角度，取值为与第一次选择相同的集合B中的任一元素。同理，计算每个候选序列的PAPR，并记录使PAPR值最小的权值为
最后，选择
为发送序列，加上CP后发送出去。导频和数据采用的权值组合或候选序列的序号可通过控制信令告诉接收端。由于接收端已知集合B，通过该信令可准确恢复出原有的相位未旋转时的信号。
图2给出了PAPR的累积分布函数(CCDF)计算机仿真结果。仿真中，假设OFDM有1024个子载波，采用QPSK调制，128个导频均匀地插入到数据序列中，M＝2且W＝4。由仿真结果可见，相比于传统系统(标注为OFDM的曲线)所提方法极大地降低了峰均比。
根据以上描述，可以得到一种利用导频分块降低OFDM符号峰均比的方法实现步骤如下：
步骤1)发送端在频域将1个OFDM符号的N个子载波平均分为M个部分，其中1≤M≤N且M可以被N整除；
步骤2)分别以N维向量
和
表示第m个部分中的导频和数据；
步骤3)分别对每个部分的
和
进行N点的离散傅里叶反变换(IDFT)，得到长度为N个采样的时域信号向量
和
并通过相加得到xm，即
步骤4)选取一组
计算第i个候选序列
的值，共得到Q个候选序列；
步骤5)在Q个候选序列中，寻找PAPR值最小的序列，并记录下其权值为
步骤6)选取一组
计算第i个候选序列
的值，共得到Q个候选序列；
步骤7)在Q个候选序列中，寻找PAPR值最小的序列作为发送序列直接发送出去。
其中，
表示旋转因子，取值为集合
中的任一元素。由于
通常设为1，所以共有Q＝WM-1个候选序列。
以上所述即使本发明的实施方法，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，再不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种利用导频分块降低OFDM峰均比的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：发送端在频域将OFDM的N个子载波平均分为M个不连续的子块Xm，其中1≤M≤N且M可被N整除，0≤m≤M-1；
步骤2：将Xm分为导频部分
和数据部分
分别包含第m个子块在导频子载波和数据子载波上的符号，其它位置为零；
步骤3：对
和
分别进行N点的离散傅里叶反变换，得到长度为N个采样的时域信号向量
和
并计算
步骤4：对xm进行若干次相位旋转，得到若干个候选序列中，寻找PAPR值最小的候选序列作为发送序列直接发送出去。
2.根据权利要求1所述的一种利用导频分块降低OFDM峰均比的方法，其特征在于，步骤4的具体步骤包括：
步骤4.1：选取一组
计算第i个候选序列
的值，共得到Q个候选序列；其中，
表示第i个候选序列对第m个子块旋转的角度，取值为集合
中的任一元素，W为自然数；
步骤4.2：在Q个候选序列中，寻找PAPR值最小的序列，并记录下其权值为
步骤4.3：选取一组
计算第i个候选序列
的值，共得到Q个候选序列；
步骤4.4：在步骤4.3得到的Q个候选序列中，寻找PAPR值最小的序列作为发送序列直接发送出去。
3.根据权利要求1所述的一种利用导频分块降低OFDM峰均比的方法，其特征在于，将
设为1，则Q＝WM-1。
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Family Cites Families (1)
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2021
- 2021-05-08 CN CN202110500557.1A patent/CN113225292B/zh active Active
Non-Patent Citations (4)
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|---|
| "On Channel Estimation and PAPR Reduction of an OFDM Signal Using Partial Transmit Sequences";Bin Sheng;《2021 13th International Conference on Wireless Communications and Signal Processing (WCSP)》;20211201;全文 * |
| Peak to average power ratio (PAPR) reduction in orthogonal frequency division multiplexing using pilot assisted technique;Bhalchandra Madhao Hardas;《2016 International Conference on Wireless Communications, Signal Processing and Networking (WiSPNET)》;20160915;全文 * |
| 利用导频降低峰均值比算法的研究;郝喜国等;《现代电子技术》;20160701(第13期);全文 * |
| 基于频域导频PTS-OFDM系统峰平比降低技术;王勇等;《电路与系统学报》;20070228(第01期);全文 * |
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