CN1849761A - 降低正交频分复用通信系统中峰均功率比的装置和方法 - Google Patents

Abstract

用于在包括N个载波的正交频分复用(OFDM)通信系统中降低峰均功率比(PAPR)的方法，在这N个载波中有L个载波被分配给L个保留音调，而由(N－L)个剩下的音调承载数据，其中L小于N，该方法包括：从L个保留音调中产生脉冲信号；将产生的脉冲信号的相位转换成从通过N个载波的快速反傅立叶变换(IFFT)获得的复输出信号当中具有最大峰值的信号的相位；将所产生的脉冲信号缩放最大峰值和目标功率值之间的差；并且将缩放后的信号和IFFT后的复输出信号复数相加。

Description

降低正交频分复用通信系统中峰均功率比的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于降低正交频分复用(下面称为“OFDM”)通信系统中的峰均功率比(peak-to-average power ratio，下面称为“PAPR”)的装置和方法，尤其涉及利用复梯度算法降低PAPR的装置和方法。

背景技术

最近，正在从第三代(3G)移动通信系统开发第四代(4G)移动通信系统。第四代(4G)移动通信系统的目标不仅仅是提供与前面几代移动通信系统相同的移动通信服务，而且还能有效地将有线通信网络和无线通信网络互连，并且提供结合有线和无线通信网络的服务。此外，4G移动通信系统配置了技术标准，以提供比3G移动通信系统速度高的数据传输服务。

这里，正在积极研究OFDM方案以将其应用到4G移动通信系统，它采用使用多载波的数据传输方案。OFDM方案是一个多载波调制方案，其中将串行输入的符号串并转换，以便调制成多个彼此正交的子载波，即，多个子载波信道，然后将其发送。

OFDM与传统的频分复用(FDM)类似，但区别特征在于在OFDM方案中保持多个子载波之间的正交性的同时发送多个子载波，因而OFDM方案可以实现最佳传输效率。换句话说，OFDM方案在使用频率上有很好的效率，并且有很强的抗多径衰落能力，因此OFDM方案可以以高速数据传输实现最佳传输效率。

下面，将参照图1描述采用传统OFDM的通信系统的发送/接收终端的结果。

图1是示出传统OFDM移动通信系统的发送/接收终端的结构的方框图。

参照图1，使用OFDM方案的移动通信系统包括发送终端100和接收终端150。发送终端100包括数据发送器102、编码器104、符号映射器106、串并转换(下面称为“S/P”)转换器108、导频符号插入器110、快速反傅立叶变换(下面称为“IFFT”)单元112、并串(下面称为“P/S”)转换器114、保护间隔插入器116、数模转换器(下面称为“D/A转换器”)118和射频(下面称为“RF”)处理器120。

在发送终端100中，数据发送器102产生并输出要发送到编码器104的用户数据比特和控制数据比特。编码器104接收并根据预定编码方案编码从数据发送器102输出的信号，然后将编码后的信号输出到符号映射器106。编码器104可以使用具有预定编码速率的卷积编码方案或者turbo编码方案执行编码。符号映射器106根据预定的调制方案调制从编码器104输出的编码比特，从而产生调制符号，并且将调制符号输出到S/P转换器108。这里，符号映射器106可以遵从的调制方案包括例如，BPSK(二进制相移键控)方案、QPSK(四相移键控)方案、16QAM(正交幅度调制)方案、64QAM等。

S/P转换器108接收并将符号映射器106输出的串行调制符号转换成并行调制符号，并且将转换后的并行调制符号输出到导频符号插入器110。导频符号插入器110将导频符号插入到从S/P转换器108输出的转换后的并行调制符号中，然后将其输出到IFFT单元112。

IFFT单元112接收从导频符号插入器110输出的信号，对信号执行N点IFFT，然后将其输出到P/S转换器114。

P/S转换器114接收从IFFT单元112输出的信号，将信号转换成串行信号，并且将转换后的串行信号输出到保护间隔插入器116。保护间隔插入器116接收从P/S转换器114输出的信号，将保护间隔插入到接收到的信号中，然后将其输出到D/A转换器118。这里，插入的保护间隔防止OFDM通信系统中发送的OFDM符号之间的干扰，也就是说，插入的保护间隔防止在前一OFDM符号周期中发送的前一OFDM符号与当前OFDM符号周期中要发送的当前OFDM符号之间的干扰。

在插入保护间隔时，提出了插入空数据的方法。然而，插入空数据作为保护间隔可能导致接收机错误地估计OFDM符号的开始点，从而引起子载波之间的干扰，这增加了对接收到的OFDM符号错误判决的概率。因此，在插入保护间隔时通常使用循环前缀法或循环后缀法。在循环前缀法中，将OFDM符号的预定数量的最后比特复制并插入到OFDM符号中。在循环前缀法中，将OFDM符号的预定数量的起始比特复制并插入到OFDM符号中。

D/A转换器118接收从保护间隔插入器116输出的信号，将信号转换成模拟信号，并且将转换后的模拟信号输出到RF处理器120。RF处理器120包括滤波器和前端单元(front end unit)。RF处理器120从D/A转换器118接收信号，对信号进行RF处理，然后通过Tx天线由空中发射信号。

下面将描述接收终端150。

发送终端150包括RF处理器152、模数转换器(下面称为“A/D转换器”)154、保护间隔移除器156、S/P转换器158、快速傅立叶变换(下面称为“FFT”)单元160、导频符号提取器162、信道估计器164、均衡器166、P/S转换器168、符号解映射器170、解码器172和数据接收器174。

从发送终端100发送的信号通过多径信道，被接收终端150的Rx天线接收(在信号中包含噪声的状态下)。通过Rx天线接收的信号输入到RF处理器152，RF处理器152将接收到的信号下变频成中频(IF)带的信号，然后将IF信号输出到A/D转换器154。A/D转换器154将RF处理器152输出的模拟信号转换成数字信号，然后将数字信号输出到保护间隔移除器156。

保护间隔移除器156接收经由A/D转换器154转换并输出的数字信号，从数字信号中消除保护间隔，然后将其输出到S/P转换器158。S/P转换器158接收从保护间隔移除器156输出的串行信号，将串行信号转换成并行信号，然后将并行信号输出到FFT单元160。FFT单元160对P/S转换器158输出的信号执行N点FFT，然后将其输出到均衡器166和导频符号提取器162。均衡器166从FFT单元160接收信号，对信号进行信道均衡，然后将信道均衡后的信号输出到P/S转换器168。P/S转换器168接收从均衡器166输出的并行信号，将并行信号转换成串行信号，然后将转换后的串行信号输出到符号解映射器170。

如所示，从FFT单元160输出的信号还输入到导频符号提取器162。导频符号提取器162从FFT单元160输出的信号中检测导频符号，并且将检测出的导频符号输出到信道估计器164。信道估计器164使用导频符号执行信道估计，并且将信道估计的结果输出到均衡器166。这里，接收终端150产生对应于信道估计结果的信道质量信息(下面称为“CQI”)，并且将CQI通过CQI发送器(未示出)发送到发送终端100。

符号解映射器170接收从P/S转换器168输出的信号，根据与发送终端100的调制方案对应的解调方案解调信号，然后将解调后的信号输出到解码器172。解码器172根据与发送终端100的编码方案对应的解码方案解码来自符号解映射器170的信号，并且将解码信号输出到数据接收器174。

然而，OFDM系统不仅具有上述优点，也有这样的问题：多载波调制可能在OFDM系统中导致高PAPR。即，在OFDM系统中，通过多载波发送数据，因而得到的OFDM信号具有等于所有载波幅度之和的幅度，因此可能大幅改变。特别地，当多个载波具有相同相位时，得到的OFDM信号的幅度可能具有很大的值，并且可能剧烈波动。因此，OFDM信号可能超过高功率线性放大器(未示出)的工作范围，因此在经过高功率线性放大器后可能会畸变。为了防止该畸变，高功率线性放大器采用补偿(back-off)方法，通过降低输入功率来允许信号保持在线性范围内。

也就是说，在补偿方法中，降低高功率线性放大器的工作点以便减少信号的畸变。然而，补偿值越大，放大器的利用率越低。因此，具有高PAPR的信号可能使线性放大器的效率变差。

用于减少OFDM通信系统中的PAPR的典型方法包括消波(clipping)、分组编码、相位调节和音调保留(tone reservation，下面称为“TR”)。

在消波方法中，为了使信号能具有放大器的线性工作范围内的幅度，当信号幅度超过预先设置的预定参考消波值时，消去超过参考消波值的信号幅度部分。然而，在消波方法中，非线性工作可能导致带内畸变，从而增加符号间干扰和误比特率。此外，在消波方法中，带外噪声可能导致信道干扰，从而降低频率效率。

在分组编码方法中，为了降低所有载波信号的PAPR，编码额外的载波并然后发送。在该方法中，额外载波的编码实现纠错和PAPR的降低，而没有信号畸变。然而，当子载波具有大幅度时，该方法导致很差的频率效率，并且要求大的查找表或大的生成矩阵，从而增加和大大复杂了计算。

相位调节方法包括部分发送序列(下面称为“PTS”)方法和选择性映射(下面称为“SLM”)方法。

在PTS方法中，将输入数据分成M个子块，M个子块中的每个经受L点IFFT，然后乘以相位因子来最小化PAPR，然后将M个子块相加并发送。

在SLM方法中，相同的M个数据块乘以具有统计独立的N长度的不同相位序列，并且选择并发送具有最低PAPR的相乘后的一个块。SLM方法要求M个IFFT过程，但可以大大降低PAPR，并且不管载波数量如何，可以应用到所有载波。

然而，PTS方法和SLM方法都有这样的问题，即，必须向接收机发送关于旋转因子的额外信息以便恢复数据。这种额外信息的发送使通信方法复杂化，并且导致包含错误符号的相应周期内的所有OFDM符号信息都作为出错对待。

同时，在TR方法中，全部子载波中的某些不承载数据的音调被保留用来降低PAPR。这里，接收机不理会不携带信息信号的音调，并且从其他音调中恢复信息信号。因此，接收机可以具有较简单的结构。

梯度算法(gradient algorithm)是TR方法的好的解决方案。在梯度算法(它是消波方法在TR方法的应用)中，使用没有携带信息信号的音调产生具有脉冲特性的信号，并且使用具有脉冲特性的信号对IFFT输出信号消波。当将产生的具有脉冲特性的信号加到IFFT输出信号时，只有在某些没有携带信息的音调上会出现数据畸变，而在频域的其他音调中不会出现数据畸变。

下面，将参照图2描述使用梯度算法的TR方法。

图2示出使用常规TR方法的发射机的结构。

参照图2，通过图1的S/P转换器108输出的总共N个子载波包括L个音调信号201和(N-L)个信息信号203。这里，信息信号是指用户数据比特和控制数据比特。此外，没有承载信息的L个保留音调信号产生具有脉冲特性的波形，并且用于对IFFT单元112的输出信号消波。

(N-L)个信息信号203和L个保留音调信号201输入到音调分配单元205。音调分配单元205将L个保留音调信号201分配到发射机和接收机之间事先保留的子载波位置。换句话说，音调分配单元205将L个保留音调信号201分配到保留的L个位置，将(N-L)个音调或(N-L)个信息信号203分配到其余的(N-L)个位置，然后将其输出到N点IFFT单元207。

N点IFFT单元207接收所有分配的音调信号，对其执行IFFT运算，然后将其输出到并串转换器209。并串转换器209接收经受IFFT运算的并行信号，将并行信号转换成串行信号，然后将转换的串行信号输出到梯度算法单元211。这里，当假设转换后的串行信号为x时，x表示时域的信号。梯度算法单元211产生时域信号c，将信号c和x相加，然后作为输出信号c和x之和的发送信号。

这里，用于减少PAPR的信号c可以表示为等式1。

$C_k=\left\{\begin{array}{c}{C}_k,k\∈\{i_1,i_2,...,i_L\}\\ O,k\∉\{i_1,i_2,i_L\}\end{array}\right....\left(1\right)$

在等式1中，事先保留L个子载波并且用于信号C，并且L个子载波的位置{i₁...，i_L}由音调分配单元205在初始传输时固定。此外，在等式1中，i表示音调分配单元205中的保留音调信号的索引，而k表示频域的索引。这里，输入信号X以等式(2)所示的方式分配到信号c之外的子载波。

$X_k=\left\{\begin{array}{c}{X}_k,k\∉\{i_1,i_2,i_L\}\\ O,k\∈\{i_1,i_2,...,i_L\}\end{array}\right....\left(2\right)$

下面，将参照图3详细描述如上所述的常规梯度算法，图3是用于使用常规梯度算法降低PAPR的装置的方框图。

找图3，用于使用常规梯度算法降低PAPR的装置包括p波形发生器301、峰值检测器303、循环移位单元305、缩放(scaling)单元307、加法器309、PAPR计算单元311和控制单元313。

首先，p波形发生器301从总共N个信号当中的L个音调201生成p波形，在音调分配单元205中保留了L个音调201的位置。P波形是类似于脉冲信号的信号，它是从所有信号中通过几十万到几百万次重复随机选择至少一个没有信息的音调而得到的。

同时，从模拟信号经过IFFT后转换的时域串行信号x输入到梯度算法单元211。峰值检测器303检测输入到梯度算法单元211的信号x的最大峰值和峰值位置。循环移位单元305将p波形的位置循环移位到检测到的最大峰值位置。缩放单元307用循环移位的p波形缩放信号x的最大峰值，从而受到IFFT后的输出的信号x的最大峰值可以保持在系统预先设置的PAPR值以下。这里，如果用于将最大峰值降到预定PAPR以下的缩放值是c，则可以说c是梯度算法单元211计算出的用来消除N点IFFT单元207的输出信号x的峰值的最佳值。

加法器309将信号x和c相加，并且将和输出到PAPR计算单元311。PAPR计算单元311计算输入信号x+c的PAPR，并且将计算出的值发送给控制单元313。

控制单元313接收到计算出的PAPR值，并且当计算出的PAPR值大于系统中设置的PAPR值时，反馈PAPR值并重复执行梯度算法。重复PAPR值的该反馈和梯度算法的重新执行直到计算出的PAPR值变得小于系统设置的PAPR值为止。然而，为了防止无限重复，系统有预设的重复次数的最大极限，并且当重复执行梯度算法预定次时，即使计算出的PAPR大于系统设置的PAPR，也发送信号。

当假设N点IFFT输出信号是复数a+bi时(其中

常规梯度算法仅仅考虑实数项(b＝0)。然而，最好OFDM系统使用所有的子载波来进行高速数据传输。当使用所有子载波时，IFFT输出具有复数值，因此不可能采用仅仅对实数项控制信号幅度的常规梯度算法。

此外，在梯度算法中，为了使IFFT输出信号具有实数，频域的输入数据必须对称和共轭。当频域中IFFT后的输出是对称和共轭的时，它们具有相同的幅度和180°的相位差，从而虚数项b为0。因此，共轭部不能承载数据，从而将系统的吞吐量降低到一半容量。因此，只反映实数项的常规梯度算法具有低吞吐量，因此对高速数据传输是低效率的。

发明内容

因此，做出本发明来解决现有技术中出现的上述问题，并且本发明的目的是提供用于在OFDM移动通信系统中通过复梯度算法降低PAPR的装置和方法。

本发明的另一目的是提供在OFDM移动通信系统中通过复梯度算法高速传输数据的装置和方法。

为了实现上述目的，提供用于在包括N个载波的正交频分复用(OFDM)通信系统中降低峰均功率比(PAPR)的装置，在这N个载波中有L个载波被分配给L个保留音调，而由(N-L)个剩下的音调承载数据，其中L小于N，该装置包括复梯度算法单元，用于从L个保留音调产生脉冲信号，对该脉冲信号进行相移，缩放该脉冲信号，并且将该脉冲信号与通过N个载波的IFFT得到的复输出信号进行复数运算，从而将复输出信号当中的最大峰值降低到目标功率值以下。

根据本发明的另一方面，提供用于在包括N个载波的正交频分复用(OFDM)通信系统中降低峰均功率比(PAPR)的方法，在这N个载波中有L个载波被分配给L个保留音调，而由(N-L)个剩下的音调承载数据，其中L小于N，该方法包括步骤：从L个保留音调中产生脉冲信号；将产生的脉冲信号的相位旋转成从通过N个载波的快速反傅立叶变换(IFFT)获得的复输出信号当中具有最大峰值的信号的相位；将所产生的脉冲信号缩放最大峰值和目标功率值之间的差；和将缩放后的信号和IFFT后的复输出信号复数相加。

附图说明

通过下面参照附图的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得更加清楚，其中：

图1是示出传统OFDM移动通信系统的发送/接收终端的结构的方框图；

图2示出采用常规TR方法的发射机的结构；

图3示出使用常规梯度算法降低PAPR的装置的方框图；

图4示出使用根据本发明的复梯度算法降低PAPR的装置的方框图；

图5示出执行根据本发明的复梯度算法的处理的流程图；

图6A到6E是依次示出根据本发明降低复平面上的峰值的处理的图；

图7A到7F是示出应用根据本发明的复梯度算法的处理中波形改变的图；和

图8是示出执行根据本发明的功能的OFDM通信系统的发射机的结构的方框图。

具体实施方式

下面将参照附图描述本发明的优选实施例。在下面描述中，当这里对公知功能和配置的详细描述会混淆本发明的主题时，省略该描述。

本发明实现在采用OFDM方案的移动通信系统中降低PAPR的装置和方法。特别地，本发明阐明使用复梯度算法的装置和方法，从而在增加传输速率的同时降低PAPR。

首先，将描述生成p波形的原因和使用p波形降低PAPR的方法。

当x^clip表示被削减到一定程度的x的向量时，该向量满足关系

$x-x^{\mathrm{clip}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\β}}_i\mathrm{\δ}[n-m_i].$ 在该关系中，i代表重复次数，β指的是削减值，而m_i指的是削减位置。此外，“δ”表示德耳塔函数(delta function)，而“n”表示时间采样值。在该关系中，当 $c=-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\β}}_i\mathrm{\δ}[n-m_i]$ 时，x+c＝x^clip。因此，要注意N点FFT单元207的输出信号的峰值可以通过信号c降低到x^clip。因此，信号c可以理解为延迟和缩放的脉冲函数之和。

然而，在频域中，在多数频率位置上信号具有0以外的值，并且位于保留的L个位置之外的其他位置上的数据符号具有畸变值。因此，需要产生具有时域中的脉冲函数的特性的函数用于削减，而不是使用理想脉冲函数。

假设1_L表示在保留的L个位置上具有值1、在其他位置具有值0的向量，于是向量满足关系 $p=p\left[n\right]=[p_0{p}_1...p_{N-1}]=\frac{\sqrt{N}}{L}\mathrm{IFFT}\left(1L\right).$ 在该关系中，p₀为1，并且p₁到p_N-1中的每个具有大大小于p₀的值。在具有理想脉冲函数特性的信号的情况下，p₁到P_N-1中的每个具有值0。因此，必须通过对p₁到p_N-1选择小的值来最小化IFFT输出信号的峰值变化。

接着，峰值检测器从IFFT的输出信号x中检测最大峰值m_i的位置信息，并且循环移位单元将事先使用L个音调生成的脉冲波形或准脉冲波形循环移位到m_i的位置。即，由p[((n-m_i))_N]所示(它表示脉冲波形或准脉冲波形到最大峰值m_i的位置的循环移位值，循环移位处理使得IFFT输出信号x的最大峰值位置与在初步生成的脉冲波形中具有最大值的位置p₀一致，并且使得输出信号x被p波形的幅度缩放，从而输出信号x具有降低的峰值。

同时，根据常规的实梯度算法，脉冲波形还必须具有实数值，从而L个被分配的音调必须位置对称，并且是共轭的。相反，在根据本发明的复梯度算法中，可以在没有要求波形具有实数值的限制的情况下生成脉冲波形，从而可以生成近似等于理想脉冲的波形。

图4示出使用根据本发明的复梯度算法降低PAPR的装置的方框图。

参照图4，使用根据本发明的复梯度算法降低PAPR的装置包括p波形发生器401、峰值检测器403、循环移位单元405、相位旋转器407、缩放单元409、复数加法器411、PAPR计算单元413和控制单元415。

p波形发生器401从所有N个信号当中的(除了(N-L)个音调的信息信号之外)保留的L个音调201生成具有脉冲特性的p波形。

p波形是类似于脉冲信号的信号，它是从所有信号中通过几十万到几百万次重复随机选择至少一个没有信息的音调而得到的。

同时，在IFFT处理后输出的时域信号x输入到峰值检测器403。峰值检测器403检测信号x的最大峰值。循环移位单元405将p波形的位置循环移位到检测到的最大峰值。相位旋转器407旋转循环移位的p波形的相位，直到它与最大峰值的相位一致为止。缩放单元409用循环移位的p波形缩放信号x的最大峰值，从而可以将受到IFFT后的输出的信号x的最大峰值降低到系统预先设置的PAPR值以下。这里，如果用于将最大峰值降到预定PAPR值以下的缩放值是c，则可以说c是用来降低信号x的最大峰值的缩放值。

复数加法器411接收IFFT后的输出信号x和计算用来将p波形的最大峰值降低到系统设置的PAPR值以下的值c。然后，复数加法器411将信号x和c相加，并且将和x+c输出到PAPR计算单元413。PAPR计算单元413计算输入信号x+c的PAPR，并且将计算出的值发送给控制单元415。

控制单元415接收到计算出的PAPR，并且反馈其输出来重复上述处理，直到计算出的PAPR值变得小于系统设置的PAPR值为止。然而，为了防止无限重复，系统有预设的重复次数的最大极限，并且当重复执行梯度算法预定次时，即使计算出的PAPR大于系统设置的PAPR，也发送信号。

图5示出执行根据本发明的复梯度算法的处理的流程图。

参照图5，在步骤501中，p波形发生器401从所有N个载波当中具有保留位置的L个音调中生成具有脉冲特性的p波形。在步骤503中，峰值检测器403对IFFT的时域输出信号x检测超过系统预设的PAPRp值的峰值部分。在步骤505中，循环移位单元405将p波形循环移位到检测出的峰值的位置。在步骤507中，相位旋转器407旋转具有p波形的相位p₀与最大峰值x_k的相位的脉冲特性，从而使两个相位彼此一致。这里，最大峰值x_k的相位可以通过标准化来获得。此外，p₀理想地具有功率值1。因此，p₀的相位旋转可以通过将p₀复数乘以

来实现。结果，可以具有与最大峰值x_k相同的相位。在步骤S509中，用p₀波形缩放最大峰值x_k，使得最大峰值x_k降低到系统预设的PAPR值以下。

这里，获得c以便将次输出信号x的峰值的处理如下。

(1)将初始值设为c⁽⁰⁾＝[0…0]^T＝0_N。

(2)得到最大峰值及其|x_k+c_k ^(i-1)|的位置。当最大峰值小于系统预设的PAPR值时，控制单元415发送x+c⁽⁰⁾。当最大峰值不小于系统预设的PAPR时，执行下面步骤(3)。

(3)通过等式(3)计算值c。

c⁽ⁱ⁾＝c^(i-1)-α_ip[((n-m_i))_N]       .....(3)

在等式3中，m_i表示峰值的位置，而α_i表示相位旋转和缩放的值。m_i和α_i由等式(4)表示。

$m_i=\mathrm{Arg}\max |x_n+c_n^{\left(i\right)}|$

${\mathrm{\α}}_i=\frac{x_{m_i}+c_{m_i}^{\left(i\right)}}{|x_{m_i}+c_{m_i}^{\left(i\right)}}\left(\right|x_{m_i}+c_{m_i}^{\left(i\right)}|-A).....\left(4\right)$

(4)重复步骤(2)和(3)。

在将步骤(2)和(3)重复预先设置的j次之后，PAPR计算单元413的输出信号由等式(5)表示。

$x+c^{\left(j\right)}=x-\underset{i=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{i}p\left[{\left((n-m_i)\right)}_N\right].....\left(5\right)$

换句话说，PAPR计算单元413在步骤511中计算x+c。在步骤513中，当计算结果小于或等于预设的PAPR值时，控制单元415停止重复并执行步骤517。在步骤517中，控制单元415输出满足阈值PAPR值条件的复运算值。相反，当计算结果大于预设的PAPR值时，执行步骤515。在步骤515中，控制单元415确定重复次数是否超过系统预设的次数。当重复次数超过系统预设的次数时，控制单元415输出当前的复运算值。否则，重复步骤503到515。

图6A到6E是依次示出根据本发明降低复平面上的峰值的处理的图。

图6A是示出N点IFFT单元207的输出信号x的最大峰值x_k的图。在复数值的情况下，PAPR的最小化是指通过降低复平面上x和圆的原点之间的距离来将所有x的峰值置于一个圆中。因此，使用p波形以便将最大峰值x_k置于圆中。

图6B是示出从L个分配的音调生成的p波形的图，其具有为1的p₀和0°的初始相位。

图6C是示出在复平面上被旋转了最大峰值x_k的相位的D₀的图。可以通过将p₀复数乘以

来实现相位旋转。

图6D是示出被缩放以便将峰值降低到目标等级A的最大峰值p₀的图。

图6E是示出通过将缩放的p₀加到信号x_k上而被降低到目标等级A的信号的图。

下面，将参照特定例子详细描述通过应用复梯度算法将PAPR降低到系统预设的PAPR值以下的处理。

在图7A到7F所示的例子中，使用了256点IFFT，分配了L个音调，系统预先设置7dB作为极限PAPR。系统预设的PAPR值仅仅是随机选择用来仿真的值，并且可以在实际系统的实现中改变。此外，图7A到7F的每个水平轴表示从0到255的IFFT索引，其每个垂直轴表示每个IFFT输出值的功率。即，当IFFT的输出值具有 $a+\mathrm{bi}(i+[\sqrt{-1})$ 形式的复数值时，垂直轴表示值a²+b²。

图7A到7F是示出应用根据本发明的复梯度算法的处理中波形改变的图。

图7A是示出具有从26L音调生成的脉冲特性的p波形的图。

在获得p波形时，重复从256个音调中随机选择26L音调1000000次，并且从一百万次重复中选择除了峰值p₀外的p₁到p_N-1具有最小功率值的情况。此外，通过乘以

来将具有最大峰值的p₀标准化。

图7B是示出IFFT后的复输出信号x的波形的图。

在图7B所示的图中，输出信号x具有10.62dB的PAPR。峰值检测器403检测输出信号x的最大峰值及其位置。由于检测到的最大峰值大于7dB(极限等级)，因此应用复梯度算法以便将检测到的最大峰值降低到系统预先设置的极限PAPR以下。检测到的最大峰值在时间轴上占第229个位置。最大峰值的检测位置输入到循环移位单元405。

图7C是示出移位到最大峰值的位置的p波形的图。

图7C的图示出被循环移位229次到复输出信号x的最大峰值位置(m₁＝229)的图7A的p波形。相位旋转器407通过图6C所示的处理将具有脉冲特性的p波形旋转峰值相位的量。在相位旋转中，获得表示峰值相位的复数值 $\frac{x_{m_2}+c_{m_2}^{\left(2\right)}}{|x_{m_2}+c_{m_2}^{\left(2\right)}|},$ 然后将其乘以p向量，从而相位可以彼此一致。

图7D是示出缩放后的p波形的图。

缩放单元409获得值c以便将IFFT单元413的输出信号x的最大峰值降低到系统预设的PAPR值以下。这里，缩放值是(|x_m1+c_m1 ⁽¹⁾|-A)。因此，图7D示出被循环移位、相位旋转并缩放的c波形，表示为c⁽¹⁾＝-α₁p[((n-m₁))_N]。

图7E是示出在执行一次复梯度算法之后的波形x+c⁽¹⁾的图，它是通过复数加法器411将图7B的输出信号x和缩放后的波形c⁽¹⁾相加得到的。从图7E中要注意的是，位于第229个采样处的峰值降低到系统预设的期望PAPR值。然而，经受一次梯度算法的波形x+c⁽¹⁾在另一位置处的另一峰值的PAPR是8.53dB。因此，由于得到的PAPR超过7dB(系统预设的PAPR值)，因而重复执行上述降低PAPR的处理，直到得到的PAPR小于或等于预设PAPR值。

现在将参照图7F描述在重复执行梯度算法30次之后满足PAPR的图，该图示出在重复执行梯度算法30次之后的波形x+c⁽³⁰⁾。

从图7F中要注意的是，输出信号波形x+c⁽³⁰⁾的PAPR是7.00dB，从而满足系统预设的PAPR值。

因此，由于使用复梯度算法的OFDM系统将数据发送到除了分配到保留位置的L个音调之外的所有子载波，因此OFDM系统可以提高传输速率，同时降低PAPR。

图8是示出执行根据本发明的功能的OFDM通信系统的发射机的结构的方框图。

参照图8，发射机800包括数据发送器801、编码器803、符号映射器805、串并(下面称为“S/P”)转换器807、导频符号插入器809、音调分配器811、IFFT单元813、并串(下面称为“P/S”)转换器815、复梯度算法单元817、保护间隔插入器819、数模转换器(下面称为“D/A转换器”)821和RF处理器823。

在发射机800中，数据发送器801产生并输出要发送到编码器803的用户数据比特和控制数据比特。编码器803接收并根据预定编码方案编码从数据发送器801输出的信号，然后将编码后的信号输出到符号映射器805。这里，编码器803可以使用具有预定编码速率的卷积编码方案或者turbo编码方案执行编码。符号映射器805根据预定的调制方案调制从编码器803输出的编码比特，从而产生调制符号，并且将调制符号输出到S/P转换器807。这里，符号映射器805可以遵从的调制方案包括例如，BPSK(二进制相移键控)方案、QPSK(四相移键控)方案、16QAM(正交幅度调制)方案、64QAM等。

S/P转换器807接收并将符号映射器805输出的串行调制符号转换成并行调制符号，并且将转换后的并行调制符号输出到导频符号插入器809。导频符号插入器809将导频符号插入到从S/P转换器807输出的转换后的并行调制符号中，然后将其输出到音调分配器811。音调分配器811将不承载信息的L个音调分配到预先保留的位置，并且将所有N个信号中除了这L个信号之外的其他信号分配到其他位置。音调分配器811以根据本发明的复数形式分配信号。在分配音调后，并行数据流输入到IFFT单元813。

IFFT单元813接收从音调分配器811输出的信号，对信号执行N点IFFT，然后将其输出到P/S转换器815。

P/S转换器815接收从IFFT单元813输出的信号，将信号转换成串行信号，并且将转换后的串行信号输出到复梯度算法单元817。复梯度算法单元817执行参照图5所述的操作。然后，复梯度算法单元817将具有最小PAPR的信号输出到保护间隔插入器819。保护间隔插入器819接收从复梯度算法单元817输出的信号，将保护间隔插入到接收到的信号中，然后将其输出到D/A转换器821。

这里，插入的保护间隔防止OFDM通信系统中发送的OFDM符号之间的干扰；也就是说，插入的保护间隔防止在前一OFDM符号周期中发送的前一OFDM符号与当前OFDM符号周期中要发送的当前OFDM符号之间的干扰。用循环前缀法或循环后缀法执行插入保护间隔。

D/A转换器821接收从保护间隔插入器819输出的信号，将信号转换成模拟信号，并且将转换后的模拟信号输出到RF处理器823。RF处理器823包括滤波器和前端单元。RF处理器823从D/A转换器821接收信号，对信号进行RF处理，然后通过Tx天线由空中发射信号。

如上所述，本发明使OFDM移动通信系统能采用音调保留中的复梯度算法，从而在增加传输速率的同时降低了峰均比。

尽管参照其特定优选实施例示出和描述了本发明，但本领域技术人员精当理解，可以在不背离所附权利要求书限定的本发明宗旨和范围的前提下对其形式和细节进行各种修改。

Claims (12)

1.一种用于在包括N个载波的正交频分复用(OFDM)通信系统中降低峰均功率比(PAPR)的方法，在这N个载波中有L个载波被分配给L个保留音调，而由(N-L)个剩下的音调承载数据，其中L小于N，该方法包括步骤：

(1)从L个保留音调中产生脉冲信号；

(2)将产生的脉冲信号的相位旋转成从通过N个载波的快速反傅立叶变换(IFFT)获得的复输出信号当中具有最大峰值的信号的相位；

(3)将所产生的脉冲信号缩放最大峰值和目标功率值之间的差；和

(4)将缩放后的信号和IFFT后的复输出信号复数相加。

2.如权利要求1所述的方法，还包括步骤(5)：将通过步骤(4)中的复数相加得到的PAPR与预先设置的目标PAPR进行比较。

3.如权利要求2所述的方法，其中，作为比较的结果，当通过步骤(4)中的复数相加得到的PAPR不满足目标PAPR时，对产生的脉冲信号重复步骤(2)到(5)。

4.如权利要求1所述的方法，其中，从L个保留音调产生的脉冲信号是复信号。

5.如权利要求1所述的方法，其中，承载数据的(N-L)个音调中的每个是复信号。

6.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(2)中，在复平面上转换相位。

7.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(2)中，执行相位旋转以便使产生的脉冲信号的相位与具有最大峰值的信号的相位一致，并且通过将从L个保留音调产生的信号复数乘以通过N个载波的IFFT获得的复输出信号当中具有最大峰值的标准化信号，确定相位旋转。

8.一种用于在包括N个载波的正交频分复用(OFDM)通信系统中降低峰均功率比(PAPR)的装置，在这N个载波中有L个载波被分配给L个保留音调，而由(N-L)个剩下的音调承载数据，其中L小于N，该装置包括复梯度算法单元，用于从L个保留音调产生脉冲信号，对该脉冲信号进行相移，缩放该脉冲信号，并且将该脉冲信号与通过N个载波的IFFT得到的复输出信号进行复数运算，从而将复输出信号当中的最大峰值降低到目标功率值以下。

9.如权利要求8所述的装置，其中复梯度算法单元包括：

相位旋转器，用于将产生的脉冲信号的相位旋转成从通过N个载波的IFFT获得的复输出信号当中具有最大峰值的信号的相位；

缩放单元，用于将所产生的脉冲信号缩放最大峰值和目标功率值之间的差；和

复数加法器，用于将缩放后的信号和IFFT后的复输出信号复数相加。

10.如权利要求9所述的装置，其中，复梯度算法单元还包括峰值检测器，用于检测IFFT后输出的复信号的最大峰值。

11.如权利要求9所述的装置，其中，复梯度算法单元还包括PAPR计算单元，用于计算复数加法器的输出的PAPR。

12.如权利要求11所述的装置，其中，复梯度计算单元还包括控制单元，用于通过比较PAPR计算单元的输出与预定目标功率值来控制信号的输出。

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