专利名称：一种多载波调制系统中降低峰均比的方法
技术领域：
本发明涉及一种无线通信系统中，尤其在正交频分复用(OFDM)系统中降低峰值平均功率比(PAPR)的方法，尤其涉及的是一种多载波调制系统中降低峰均比的方法。
背景技术：
现有技术的正交频分复用(OFDM)系统是一种多载波调制系统，某时刻，若多个载波以同一方向进行叠加，则会出现较大峰值，故要求功率放大器具有很大的线性区域。若线性区域小于信号最大峰值，则在峰值进入功放非线性区域时会产生信号畸变，从而产生子载波间的互调干扰和带外辐射，破坏子载波间的正交性，降低系统性能。若功放工作在大功率补偿状态下，会导致非常低的放大效率，并使发射机成本非常昂贵。峰均比问题已经成为OFDM技术广泛应用的一个瓶颈，因此，必须采用一定技术降低峰均比，使发射机中功率放大器高效工作，同时提高系统的整体性能。
目前解决峰均比问题的技术主要分为3大类限幅类技术、编码类技术以及概率类技术。
限幅类技术中，当信号幅度超过预先规定的门限值时，超过门限部分的幅度即被砍掉，引起信号畸变。故限幅类技术中非线性操作会引起带间干扰，增加符号间干扰(ISI)和误码率(BER)，此外，带外噪声还可能引起信道间干扰，降低频谱利用率。
韩国三星公司所提出的名为“在OFDM通讯系统中减少PAPR的装置和方法(Apparatus and method for reducing PAPR in OFDM communicationsystem)”的专利，欧洲专利号EP1515504，即属于限幅类技术，其主要思想是对将进行IFFT的N个子载波，其中N-L个子载波传送数据，L个子载波传送辅助数据，产生一个脉冲，改变脉冲的相位，使其与N-L个子载波IFFT后最大峰值的相位相同，用最大峰值和门限功率值的差值来决定产生的脉冲信号的缩放比例，然后把脉冲信号和IFFT的输出信号线性相加输出。但该专利没有考虑频谱上相邻OFDM符号之间的干扰，由于利用L个子载波传送辅助数据，必然会引起频谱的扩展，影响相邻的OFDM符号。此外，若直接利用L个子载波上的数据直接进行峰值抵消，不但不能达到优化效果，反而会恶化峰均比，如仿真验证中的图2所示，可以看出，要达到优化峰均比的效果，必须在峰值抵消时对L个子载波数据进行加权，加权系数小于1，加权的系数可根据经验确定。
此外，专利EP1515504中用L个子载波辅助数据改善峰均比，其改善性能很大程度取决于L大小，L越大，性能越好，但同时N-L会减少，即有用信息减少，降低了系统的效率。在仿真验证专利EP1515504时，发现该方法在进行峰值抵消时，如果未对L个数据加权，会造成峰均比恶化，如图2所示，根据不同加权值，峰均比变化很大，当加权值为0.2时，峰均比得到改善；而当加权值为0.5时，峰均比反而恶化。故对于专利EP1515504，加权值是一个很重要的参数，对于它的选择，需要依靠工程经验确定。
编码类技术的主要思想是限制可用于传输的信号码字集合，只有幅度峰值低于功放最大范围的码字才能用于传输，从而完全避开信号峰值，目前证明性能较好的为Golay编码技术。但该编码技术在子载波点数较多时，编码率太低，如IFFT点数N＝256时，对应编码率仅为0.05左右，这些冗余信息会很大程度的降低有效信息的频谱利用率，此外，Golay码的编码以及译码技术十分复杂，在工程实现中显然不可取。
概率类技术的着眼点是降低峰值出现概率，而不是降低信号幅度最大值，通过线性变化完成，但在通常情况下，需要传输额外的辅助信息，增加冗余。属于该类技术的有选择映射法(SLM Selected Mapping)、部分传输序列法(PTS Partial Transmit Sequence)、冲激整形(PS Pulse Shaping)等。
SLM(请参见Stefan H Muller，Johannes B Huber.A comparison of peakpower reduction schemes for OFDM.Global Telecommunications Conference.1997.GLOBECOM’97，IEEE，1997，13～8)方法中，相同数据块乘上不同的M个相位序列，M个相位序列长度为N(N即为要进行IFFT的点数)，并且它们相互之间统计独立。数据块与M个相位序列相乘后分别进行IFFT操作，输出后计算M路的峰均比，进行比较，选出具有最小峰均比的数据块传输。SLM方法的优点是进行线性变换，不会引起信号畸变。但缺点是需要M个IFFT处理，占用较大资源，需要利用冗余信息传输相位序列信息。
PTS(请参见Stefan H Muller，Johannes B Huber.A comparison of peakpower reduction schemes for OFDM.Global Telecommunications Conference.1997.GLOBECOM’97，IEEE，1997，13～8)方法基于与SLM相同的原理，但其转换向量具有不同的结构，PTS方法首先将输入的数据分为M个子块，每个子块分别进行N点的IFFT操作，IFFT后每个数据块乘一相位因子，最后M路数据相加，得到整个数据IFFT结果，对于多组相位因子，分别计算其对应数据的峰均比，找出其中最小峰均比对应的相位因子(M个)，输出IFFT结果以及相位因子信息。PTS方法优点是无信号畸变，但其缺点是要进行M个IFFT处理，需要增加冗余来传输相位因子信息。
无论PTS方法，还是SLM方法，均需要严格保证额外传输的相位信息的高准确性，否则一旦该相位信息发生错误，则接收端完全错误。故为保证相位信息的准确性，必须引入编码技术传输该相位信息，从而会带来部分信息冗余。
因此，现有技术存在缺陷，而有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多载波调制系统中降低峰均比的方法，提出一种新颖的改善峰均比的方法，用于降低OFDM系统中峰均比，同时产生较小的额外邻带干扰。
本发明的技术方案包括一种多载波调制系统中降低峰均比的方法，其中，包括以下步骤A、在空余子载波上传输多路辅助数据，每路辅助数据与有效数据线性组合；B、计算各路进行IFFT输出后的峰均比，通过多路比较，选择最小峰均比；C、对空余子载波上辅助数据进行加权。
所述方法还包括步骤N表示要进行IFFT的长度；L表示辅助数据的长度；N-L表示有效数据的长度；M表示在M组数据中选取最小峰均比；A1、产生长度为L的M组MPSK调制符号b1，b2，...，bL1，bL1+1，...，bL，每组符号分为两部分，长度分别为L1、L2，且L1+L2＝L；B1、对于产生的两部分调制符号，分别乘上加权系数w1，w2，...，wL1和wL1+1，wL1+2...，wL；C1、将加权后的M组调制符号分别与有效数据组合，将有效数据表示为x1，x2，...，xN-L-1，xN-L；则组合后M路数据其中一路表示为w1b1，w2b2，...，wL1bL1，x1，x2，...，xN-L-1，xN-L，wL1+1bL1+1，...，wLbL；D1、对组合后的M路数据分别进行N点IFFT输出；E1、计算经过IFFT后M路数据的峰均比，并进行比较，选出最小的峰均比输出。
本发明所提供的一种多载波调制系统中降低峰均比的方法，与现有的概率类算法SLM相比，虽均要进行多个IFFT处理，但本发明方法无需增加额外的冗余传输相位因子信息，增加了系统的可靠性；虽然加权后对系统性能有一定影响，但与降低峰均比对系统性能贡献相比，在允许范围之内。
图1为本发明多载波调制系统中降低峰均比的方法的流程图；图2是现有技术的专利EP1515504在不同加权值时峰均比的示意图；图3是本发明方法中不同选择路数M下的CCDF(N＝256，QPSK，M＝3，5，7)示意图；图4是本发明的PAPR改善性能与现有技术的专利EP1515504、SLM方法结果对比示意图；图5是本发明方法的虚子载波不插值，即数据为零时，数据经过256点IFFT后的功率谱图；图6是本发明方法的虚子载波插入加权后的值时，并且加权系数为线性包络，数据经过256点IFFT后的功率谱图。
具体实施例方式
以下结合附图，将对本发明的各较佳实施例进行较为详细的说明。
本发明所述的多载波调制系统中降低峰均比的方法，其核心思想是利用OFDM系统中空余子载波改善峰均比。在空余子载波上传输多路辅助信息，每路辅助信息与有效数据进行线性组合，然后计算各路进行IFFT输出后的峰均比，通过多路比较，选择最优峰均比。由于空余子载波数据处于OFDM符号内两边，会受到相邻OFDM符号的干扰，因此在接收端通常废弃不用，一般情况补零。在本发明方法中，对于空余子载波，插入一些特殊的数据，在多路信号中选取峰均比最好的一路信号。本发明方法的好处是利用了空余子载波，对降低峰均比做出贡献，为了防止本发明方法利用空余子载波而引入的频谱相邻符号的干扰，需要对空余子载波数据进行加权。此外，所述空余子载波数据会分担一部分功率，使有用信息的功率有所降低。
本发明方法的流程如图1所示，具体步骤可包括如下其中N表示要进行IFFT的长度；L表示辅助数据的长度；N-L表示有效数据的长度；M表示在M组数据中选取最优峰均比。
第一步，产生长度为L的M组MPSK调制符号，每组符号分为两部分，长度分别为L1、L2，则有L1+L2＝L。调制符号用b1，b2，...，bL1，bL1+1，...，bL表示。
第二步，对于产生的两组调制符号，分别乘上加权系数w1，w2，...，wL1和wL1+1，wL1+2...，wL，对符号进行加权是为了降低插入数据对频谱扩展的影响，减少相邻频带间的干扰。
第三步，将加权后的M组调制符号分别与有效数据组合，若有效数据表示为x1，x2，...，xN-L-1，xN-L；则组合后M路数据其中一路可表示为w1b1，w2b2，...，wL1bL1，x1，x2，...，xN-L-1，xN-L，wL1+1bL1+1，...，wLbL；第四步，对组合后的M路数据分别进行N点IFFT；第五步，计算经过IFFT后M路数据的峰均比，并进行比较，选出最小的峰均比。
第六步，将最小峰均比对应的数据输出。
为验证本发明方法的性能，根据802.16协议中物理层规定，可进行仿真验证。
在OFDM系统基带发射端，数据子载波192个，加上8个导频子载波，一共200个有效的子载波数据，利用序号为28到127、129到228的子载波传输，对序号1到27、128以及229到256的子载波，称为虚子载波，虚子载波处于OFDM符号内两边，会受到相邻OFDM符号的干扰，一般情况补零。本发明方法即利用虚子载波传输辅助数据，辅助数据是随机产生的MPSK调制符号经过加权后的数据，具体实施的步骤如下1.将200个有效数据放到序号为28到127、129到228的子载波上，其余位置子载波数据为零；2.对数据进行N(N＝256)点IFFT变换，得到xN-L(n)；3.产生M路随机QPSK调制符号，每路L(L＝55)个调制符号，分成两部分一部分27个QPSK调制符号，加权系数为w1，w2，...，w27，放到序号为1到27子载波上，另一部分28个QPSK调制符号，加权系数为w28，w29，...，w55，放到序号为229到256的子载波上。其余子载波(序号28到228)数据全部为零。仿真中w1，w2，...，w27取值为[1/28:1/28:1-1/28]，w28，w29，...，w55取值为[1:-1/28:1/28]；4.对这M路信号分别进行N点的IFFT操作，输出M路信号xL1(n)，xL2(n)，......，xLM(n)；5.将IFFT输出的M路信号分别与步骤2产生的xN-L(n)相加，得到x1(n)，x2(n)，...，xM(n)；6.将x1(n)，x2(n)，...，xM(n)共M组输出分别计算峰均比，并进行比较，输出最小PAPR对应的数据。
仿真验证中的M值可以变化，M的选择是影响性能和资源的要点，M越大，选择路径就越多，改善峰均比的效果越好，但同时，随着M的增大，要进行256点IFFT运算增大，占用资源也增大，需要在效果和资源之间找一个平衡，根据不同系统的需要，可以通过仿真来找到最佳的M取值。如图3显示了在不同M值时改善峰均比的情况。
如图5和图6则显示了对辅助数据不加权和加权后的频谱图示。
为了与其他方法相比较，对SLM算法以及专利EP1515504也进行仿真，比较结果如图4所示，本发明方法与现有的概率类算法SLM相比，虽均要进行多个IFFT处理，但本发明方法无需增加额外的冗余传输相位因子信息，增加了系统的可靠性。与专利EP1515504相比，均利用插入数据降低峰均比，但实际使用时，专利EP1515504并未对因增加数据引起的频谱扩展问题进行解决，而本发明方法利用给OFDM符号内两边辅助数据进行加权以减少频谱干扰，由仿真结果可得出结论虽然加权后对系统性能有一定影响，但与降低峰均比对系统性能贡献相比，在允许范围之内，得到了非常好的效果。
应当指出的是，上述针对具体实施例的描述较为具体，并不能因此而理解为对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种多载波调制系统中降低峰均比的方法，其特征在于，包括以下步骤A、在空余子载波上传输多路辅助数据，每路辅助数据与有效数据线性组合；B、计算各路进行IFFT输出后的峰均比，通过多路比较，选择最小峰均比；C、对空余子载波上辅助数据进行加权。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤N表示要进行IFFT的长度；L表示辅助数据的长度；N-L表示有效数据的长度；M表示在M组数据中选取最小峰均比；A1、产生长度为L的M组MPSK调制符号b1，b2，...，bL1，bL1+1，...，bL，每组符号分为两部分，长度分别为L1、L2，且L1+L2＝L；B1、对于产生的两部分调制符号，分别乘上加权系数w1，w2，...，wL1和wL1+1，wL1+2...，wL；C1、将加权后的M组调制符号分别与有效数据组合，将有效数据表示为x1，x2，...，xN-L-1，xN-L；则组合后M路数据其中一路表示为w1b1，w2b2，...，wL1bL1，x1，x2，...，xN-L-1，xN-L，wL1+1bL1+1，...，wLbL；D1、对组合后的M路数据分别进行N点IFFT输出；E1、计算经过IFFT后M路数据的峰均比，并进行比较，选出最小的峰均比输出。
全文摘要
本发明的一种多载波调制系统中降低峰均比的方法，包括以下步骤在空余子载波上传输多路辅助信息，每路辅助信息与有效数据线性组合；计算各路进行IFFT输出后的峰均比，通过多路比较，选择最优峰均比；对空余子载波数据进行加权。本发明方法无需增加额外的冗余传输相位因子信息，增加了系统的可靠性；虽然加权后对系统性能有一定影响，但与降低峰均比对系统性能贡献相比，在允许范围之内。
文档编号H04L27/26GK1913511SQ20051009008
公开日2007年2月14日 申请日期2005年8月12日 优先权日2005年8月12日
发明者郭阳, 郑新春, 石苗 申请人:中兴通讯股份有限公司