一种OFDM/OQAM混合型峰均比抑制系统及方法与流程

本发明涉及宽带无线通信
技术领域：
，具体涉及一种OFDM/OQAM混合型峰均比抑制系统及方法。
背景技术：
：作为5G物理层备选调制方案之一，基于交错正交调制的正交频分复用(offsetquadraturemodulationbasedorthogonalfrequencydivisionmultiplexing，OFDM/OQAM)技术受到了学术界越来越广泛的关注。该系统使用具有良好时频聚焦特性的原型滤波器，可以有效克服符号间干扰与载波间干扰，并且具有较低的带外辐射。但作为多载波通信技术的一种，OFDM/OQAM与OFDM(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，OFDM)系统存在同样的问题，即峰均比(peaktoaveragepowerratio，PAPR)过大。这会增加工程实现中对于功率放大器线性范围的要求，使得系统实现成本剧增的同时也降低了功率放大器效率。在传统OFDM系统中，选择映射法(selectivemapping，SLM)以其不影响系统误码性能的特点而被广泛研究并用于降低各类通信系统的PAPR。但由于OFDM/OQAM系统中存在“符号重叠”这一现象，原本要求系统中符号与符号之间具有独立性的选择映射法不能直接应用于OFDM/OQAM系统。为了解决符号重叠的问题，在OFDM/OQAM系统中，需要将选择映射法改进为重叠选择映射法(overlappedselectivemapping，OSLM)，以使其适用于峰均比抑制。然而，与同等参数下的OFDM系统中SLM峰均比抑制算法性能相比，OSLM在OFDM/OQAM系统中由于增加了码字筛选的约束条件，效果并不理想。且OSLM以多路候选的方式进行码字筛选，随着码字组数增加，算法性能会在一定范围内提升，但是码字数增加到一定程度，其性能增益逐渐减弱，而系统复杂度急剧增加。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是在OFDM/OQAM系统下，现有OSLM算法降低峰均比时效率不理想的问题，提供一种OFDM/OQAM混合型峰均比抑制系统及方法。为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种OFDM/OQAM混合型峰均比抑制方法，包括如下步骤：步骤1、将信源数据进行串并转换后生成n行m列的频域数据，该频域数据每一列为一个符号，即有m个符号；步骤2、产生U组码字；步骤3、将第1组码字与第1个符号进行点乘，点乘结果作为第1个符号的最优版本A1；步骤4、对于2个符号，将与U组码字分别与其进行点乘，得到第2个符号的U个版本；步骤5，将第1个符号的最优版本A1分别放在第2个符号的U个版本之前，组成U组n行2列的频域数据；其中每组数据均由第1个符号的最优版本A1与第2个符号的一个版本组成；步骤6、将此U组n行2列由第1个符号的最优版本与第2个符号的一个版本组成的频域数据分别进行频域到时域的转换，得到U组第1个符号的最优版本与第2个符号的一个版本组成的时域数据；步骤7、分别计算此U组时域数据的峰均比，并从中选出峰均比最小的一组时域数据，该组时域数据所对应的码字与第2个符号的点乘结果作为第2个符号的最优版本A2；步骤8、重复上述步骤4-7的过程；步骤9、对于m个符号，将U组码字分别与其进行点乘，得到第m个符号的U个版本；步骤10，将第m-1个符号的最优版本Am-1分别放在第m个符号的U个版本之前，获得第m-1个符号的最优版本与第m个符号的一个版本所组成的U组频域数据；其中每组数据均由第m-1个符号的最优版本Am-1与第m个符号的一个版本组成；步骤11、将第m-1个符号的最优版本与第m个符号的一个版本所组成的U组频域数据进行频域到时域的转换，得到U组第m个符号的一个版本与第m-1个符号的最优版本组合的时域数据；步骤12、分别计算U组第m个符号的一个版本与第m-1个符号的最优版本组合的时域数据的峰均比，并从中选出峰均比最小的一组时域数据，该组时域数据所对应的码字与第m个符号的点乘结果作为第m个符号的最优版本Am；步骤13、将所有符号的最优版本A1A2…Am一同进行频域到时域的转换，得到待发送时域数据；步骤14、将待发送时域数据进行并串转换后形成最终的发送数据；上述n、m和U均为正整数。特别地，在步骤13之后和步骤14之前，还进一步包括对待发送时域数据进行限幅处理后，再进行并串转换的步骤。一种OFDM/OQAM混合型峰均比抑制系统，包括串并转换模块、码字产生模块、点乘码字模块、频时转换模块、码字筛选模块和并串转换模块组成；信源数据输入串并转换模块的输入端，串并转换模块的输出端和码字产生模块的输出端同时连接点乘码字模块的输入端，点乘码字模块的输出端连接频时转换模块的输入端，频时转换模块的输出端连接码字筛选模块的输入端，码字筛选模块的输出端连接并串转换模块的输入端，并串转换模块的输出端输出最终的发送数据；串并转换模块，将信源数据进行串并转换后生成n行m列的频域数据；该频域数据每一列为一个符号，即有m个符号；码字产生模块，产生U组码字；点乘码字模块，将串并转换模块输出的符号与码字产生模块输出的码字进行点乘；频时转换模块，对点乘码字模块输出的点乘结果进行频域到时域的转换；码字筛选模块，对频时转换模块输出的时域数据进行基于峰均比的筛选，选出每个符号的最优版本；并串转换模块，将码字筛选模块输出的所有符号的最优版本进行并串转换后输出；上述n、m和U均为正整数。特别地，码字筛选模块的输出端和并串转换模块的输入端之间还串接有限幅模块；该限幅模块，对码字筛选模块输出的所有符号的最优版本进行限幅处理后送入并串转换模块。与现有技术相比，本发明基于时频聚焦滤波器性能特点，优化了OFDM/OQAM系统下的重叠选择映射法中用于计算峰均比的符号选择范围。将重叠选择映射法中对于重叠符号的个数考虑从四个改为一个，大幅减小选择映射法在OFDM/OQAM系统中的计算量，且增加了码字筛选过程中的自由度，使得改进的选择映射算法在OFDM/OQAM系统中的峰均比抑制效果相比原重叠选择映射法有明显提升。将限幅法与改进的选择映射法进一步结合，优化了限幅法门限，设计了联合改进OSLM和限幅的峰均比抑制系统。本发明通过选择特定参数，使限幅法在保证系统一定误码性能的条件下，以特定的方式加入至改进的OSLM当中，进一步显著提升现有OFDM/OQAM系统峰均比抑制性能。附图说明图1为一种OFDM/OQAM混合型峰均比抑制系统的结构示意图。图2为一种OFDM/OQAM混合型峰均比抑制方法的原理示意图。图3为子载波数为128，符号数为1000的OFDM/OQAM系统中应用改进的OSLM算法与OSLM算法时，二者的CCDF曲线对比示意图。图4为子载波数为128，符号数为1000的OFDM/OQAM系统中应用限幅法的CCDF示意图。图5为子载波数为128，符号数为1000的OFDM/OQAM系统中应用限幅法时，系统的误码率曲线示意图。图6为本发明实施例中应用联合算法、单独应用改进的OSLM算法、单独应用限幅法在OFDM/OQAM系统下抑制峰均比的CCDF曲线比较示意图。具体实施方式下面开始结合附图和具体的实施例对本发明的方法作进一步阐述。一种OFDM/OQAM混合型峰均比抑制系统，如图1所示，包括串并转换模块、码字产生模块、点乘码字模块、频时转换模块、码字筛选模块、限幅模块和并串转换模块组成。信源数据输入串并转换模块的输入端，串并转换模块的输出端和码字产生模块的输出端同时连接点乘码字模块的输入端，点乘码字模块的输出端连接频时转换模块的输入端，频时转换模块的输出端连接码字筛选模块的输入端，码字筛选模块的输出端连接限幅模块的输入端，限幅模块的输出端连接并串转换模块的输入端，并串转换模块的输出端输出最终的发送数据；串并转换模块，将信源数据进行串并转换后生成n行m列的频域数据；该频域数据每一列为一个符号，即有m个符号。码字产生模块，产生U组码字。点乘码字模块，将串并转换模块输出的符号与码字产生模块输出的码字进行点乘。频时转换模块，对点乘码字模块输出的点乘结果进行频域到时域的转换。码字筛选模块，对频时转换模块输出的时域数据进行基于峰均比的筛选，选出每个符号的最优版本。限幅模块，对码字筛选模块输出的所有符号的最优版本进行限幅处理后送入并串转换模块。并串转换模块，将码字筛选模块输出的所有符号的最优版本进行并串转换后输出。在OFDM/OQAM系统发送端获得频域信号。对于每个符号，在其进行实虚分路之前，产生U组相位矢量(也成码字)，每组矢量的元素个数与信号子载波数相同，元素形式为α∈[0,2π)。进一步，以U组矢量分别与当前符号进行点乘，产生U路备选信号。分别以U路备选信号作为当前信号的“备选方案”信号，将每路当前信号的“备选方案”信号分别与前4个符号的“最终方案”组成U组数据块。分别对U组数据块进行“频-时变换”，所述“频-时变换”过程为OFDM/OQAM系统中包含实虚分路、时域偏移、逆傅里叶变换(IFFT)、经过滤波器以及将实虚路数据叠加在内的一系列操作，即OFDM/OQAM系统中数据从频域到时域的变换过程。进一步，得到U组数据块的时域形式。计算每组时域数据块的峰均比，以峰均比最小一组中当前信号的“备选方案”信号(即该组中当前信号的频域形式与对应相位矢量的点乘结果)作为当前信号的“最终方案”。其中，前4个符号中每个符号的“最终方案”均可设为其与由1组成的向量点乘的结果。通过图3与图6分别可以看出：随着码字组数成倍增加，从U＝8开始，通过使码字组数加倍来为PAPR抑制效果带来的增益较为微弱；而为了保证系统的误码率性能，限幅率(clippingrate，CR)不可低于5。本实施例系统各参数设置如下：表1调制方式4QAM信道高斯信道滤波器形式IOTA滤波器滤波器长度L＝4T子载波个数128符号数1000OSLM算法码字组数U＝8限幅法限幅率(dB)CR＝5一种OFDM/OQAM混合型峰均比抑制方法，如图2所示，包括如下步骤：一、产生信源与码字：步骤1，使用4QAM调制方式产生128000个频域信源数据并进行串并转换，生成128行、1000列形式的频域信源数据，每一列为一个符号。第m个符号的第n个子载波上的数据表示为am,n(m∈[1,1000],n∈[1,128],且m与n均为正整数)。步骤2，产生8组码字，码字元素表示为α∈[0,2π)；i＝1,2,...,8；n＝1,2,...,128。则对于每个符号，将8组码字与之点乘，结果可表示为m∈[1,1000],n∈[1,128]。二、设定第1个符号的最优码字：步骤3，第m个符号的最优码字组数记为im,im∈{1,2,...,U}，将第1个符号与第1组码字点乘的结果作为码字选择后的最优方案(记im＝1,m＝1)。并存储第一个符号与其最优码字的点乘结果：三、每个符号筛选最优码字：步骤4，对于2个符号，将与8组码字分别与其进行点乘，得到第2个符号的8个版本i∈{1,2,...,8}；步骤5，将第1个符号的最优版本A1分别放在第2个符号的8个版本之前，组成8组128行2列的频域数据(其中每组数据均由第1个符号的最优版本与第2个符号的一个版本组成)i∈{1,2,...,8}；步骤6，将此8组128行2列由第1个符号的最优版本与第2个符号的一个版本组成的频域数据分别进行频域到时域的转换，得到8组第1个符号的最优版本与第2个符号的一个版本组成的时域数据；步骤7，分别计算此8组时域数据(每组时域数据为128行5列)的峰均比，并从中选出峰均比最小的一组时域数据，计算方法为：计算经过每组时域数据的后4列的峰均比：选择峰均比最小的一组，该组时域数据所对应的码字与第2个符号的点乘结果作为第2个符号的最优版本A2，并记下对应组数i2；步骤8，重复上述步骤4-7；步骤9，对于第m个符号，将U组码字分别与其进行点乘，得到第m个符号的U个版本i∈{1,2,...,8}；步骤10，将第m-1个符号的最优版本Am-1分别放在第m个符号的U个版本之前，获得第m-1个符号的最优版本与第m个符号的一个版本所组成的U组频域数据i∈{1,2,...,8}；步骤11，将第m-1个符号的最优版本与第m个符号的一个版本所组成的U组频域数据进行频域到时域的转换，得到U组第m个符号的一个版本与第m-1个符号的最优版本组合的时域数据；步骤12，分别计算U组第m个符号的一个版本与第m-1个符号的最优版本组合的时域数据的峰均比(按步骤7方法计算)，并从中选出峰均比最小的一组时域数据，该组时域数据所对应的码字与第m个符号的点乘结果作为第m个符号的最优版本Am；四、限幅：步骤13，将所有符号的最优版本A1A2…Am一同进行频域到时域的转换，并对时域数据进行如下规则的限幅操作(s(t)'为s(t)经过限幅后的结果)：其中A为限幅阀值，φ(t)代表原信号辐角。A＝CR·Aav，CR为限幅率(clippingrate)，Aav为每个符号内数据幅值的均值；五、传输数据至信道：步骤14，将限幅后的时域数据与边带信息[im],m∈{1,2,...,1000}一同传输至信道。鉴于OSLM算法在应用于OFDM/OQAM系统的过程中具有算法性能不佳和复杂度高的问题。改进的OSLM算法针对重叠符号个数的考虑进行优化，根据系统滤波器的时频能量分布特点，缩减了OSLM算法中对与当前符号重叠符号的考虑范围。相比OSLM算法，在改进的OSLM算法中，为当前符号选择最优码字时考虑的约束条件更为宽松，码字筛选的自由度更大。如图3所示，在同样的OFDM/OQAM系统中，每一种码字数情况下，给出改进的OSLM与原OSLM的互补累积分布函数(complementarycumulativedistributionfunction，CCDF)曲线，该曲线上的点表示数据中PAPR大于每个PAPR0值(横坐标)的符号占总符号数的比例(纵坐标)。可以看出，改进的OSLM算法相比原OSLM算法性能在每种情况下均有一定提升，其中码字数为4、8、16时提升较为明显。限幅法作为预畸变类算法，可以大幅降低峰均比。但由于限幅本身对数据符号进行了非线性操作，一定程度上会导致系统误码性能恶化。限幅法与选择映射法二者在对PAPR的抑制过程中通常会呈现两种不同的特点：限幅法由于通过设定门限值、进行判决并对超过门限值的符号数据进行“削砍”，故经过限幅操作的数据，其CCDF曲线在某个点呈现出“陡降”趋势，如图4所示，以使用限幅率为5的限幅法进行PAPR抑制后的曲线为例，限幅法在纵轴范围为10-3至10-0.5较低概率区域内显著降低峰均比，而在10-0.5至1的较高概率范围内无效；对于选择映射法，由于其原理为通过点乘一组结构特殊的码字来改变数据符号的相位，进而优化峰均比，故经过选择映射法优化过的数据，其CCDF曲线与原数据曲线对比，呈现出“整体左移”的特点(如图3所示，各码字数情况下的OSLM与改进的OSLM均呈现出此特点)。即对系统整个概率区域的峰均比进行了优化，但随着码字数成倍增加，其算法性能的提升并不尽如人意。图6中横坐标表示PAPR0值，纵坐标表示全体符号中PAPR大于对应PAPR0的符号数占总符号数的比例。首先，本实施例中取限幅率CR＝5，使得限幅法基本不为系统带来的误码率性能损失(如图5)。从图6可看出：(1)与单独应用限幅法的对比：在OFDM/OQAM系统中，联合算法在各个概率区域的性能表现均优于单独应用限幅法。其中，在高概率区域(纵轴概率为10-1.8～100区间内)，联合算法的PAPR抑制效果均明显优于单独应用限幅法，这是由于联合算法保留了选择映射类方法“降低系统整体峰均比”的优点。而在PAPR峰值(即与横轴交点)方面，联合算法相对限幅法也有0.2dB的性能提升；(2)与单独应用改进的OSLM法的对比：在OFDM/OQAM系统中，联合算法在低概率区域内(纵轴概率为10-3～10-1.8区间内)的表现尤为突出。由于继承了限幅法高效的PAPR抑制能力，联合算法在系统PAPR峰值上相对改进的OSLM有0.6dB的减小。综合上述结果，在OFDM/OQAM系统中，本发明联合改进OSLM和限幅两种算法，使二者优缺点互补。相对于单独使用限幅法，本发明在高概率区域表现优异，在10-0.4概率处的PAPR抑制性能超越单独限幅法1dB，而PAPR峰值的抑制方面也有0.2dB改善；相对于OSLM算法，本发明通过优化重叠符号的计算选择范围，大大降低系统复杂度的同时，使PAPR性能也得到大幅提升，并在此基础上联合限幅法，在低概率区域进一步显著提升算法的峰均比抑制性能，其中在系统峰均比峰值方面有0.6dB改善。即本发明显著增强了在OFDM/OQAM系统中使用选择映射类方法抑制PAPR的效果，从而为解决峰均比过高而引起的如增加工程实现中对于功率放大器线性范围的要求、降低功率放大器效率、使得系统实现成本剧增等问题提供更为有效的帮助。本发明将选择映射法与限幅法在OFDM/OQAM中进行结合，保留了二者各自优点：相比传统的限幅法，联合算法在限幅法工作效率不明显的较高概率区域也有着良好性能；而相比单独应用改进的OSLM算法，联合算法可以显著降低系统PAPR的峰值，帮助OSLM算法在较低概率范围内大幅提升峰均比抑制效果。当前第1页1 2 3