专利名称：基于窗函数加权的峰均比(papr)抑制的方法
技术领域：
本发明涉及正交频分复用(OFDM)技术。
背景技术：
众所周知地，峰均比(Peak-to-Average Power Ratio)问题是所有使用OFDM技术的系统、装置和设备的瓶颈。它直接影响了系统的性能和效率，并最终导致了设备成本的显著增加。
OFDM技术中PAPR的产生可以用一个简单的原理进行说明。在某一个时间点上，如果装载在大量子载波的符号信息被同相相加，则在时域上产生了与OFDM符号均值相比很大的峰值。这就需要系统发射端的功率放大器(Power Amplifier)具备相当大的线性动态范围，否则一旦这样的峰值进入到PA的非线性区域，将导致信号的失真和交调。更严重的是，这将导致子载波间正交性的丧失和频谱的带外泄漏，从而严重影响系统性能。另一方面，PA的大线性动态范围是以低放大效率以及格外昂贵的成本作为代价的。然而，在移动通信系统特别是上行链路上，传输能量的受限要求PA有很高的放大效率。
现有的降低PAPR的技术方案，主要包含部分传输(PartialTransmission)、选择性映射(Selective Mapping)、基于脉冲成型(Pulse Shaping)、音调注入(Tone Injection)、音调预留(ToneReservation)和限幅(Clipping)等方法。而相关专利和文献中出现的其他方法为这几种基本方法的变形与改进，并无本质上的差别。
在上述传统方法中，限幅方法是最为简单和直接的方法。然而，其非线性的运算将导致信号产生不必要的畸变和失真。
音调注入和音调预留的方法虽然可以降低系统的PAPR值，但是会显著增加信号的平均功率，显然对于功率受限的终端来说是不适合的。
部分传输和选择性映射方法可以获得比较好的PAPR性能，并且不会带来信号的任何失真，然而其庞大的计算量对于终端来说也是不合适的。
仅就PAPR性能来说，基于脉冲成型技术的处理方法是最好的，在获得令人满意的通信质量条件下可以获得非常理想的PAPR性能。然而，该方法在PAPR性能上的增益是以牺牲系统频率效率为代价的，因而也需要进行相应的改善。
发明内容
因此，本发明的目的提供一种通信链路的峰均比抑制方法，包括步骤输入子载波集合；对输入的子载波进行扩展对扩展后的子载波集合进行IDFT变换；以及形成OFDM符号并输出。
本发明的方法在不改变系统其他性能的前提下，能够有效地降低系统发射端的PAPR。此外，本发明的方法通过窗函数的使用，既避免了利用升余弦脉冲成型技术造成的带宽利用率的下降，又可以简单、实用地应用于终端之中，同时其系统性能并不受影响。
图1为采用基于加权抑制PAPR方法的OFDM系统的发射机原理2为用于降低PAPR的窗函数的子载波-时间轴的二维表示图；图3为用于降低PAPR的汉宁窗的时间函数；图4为用于降低PAPR的布莱克曼窗的时间函数；图5为基于窗函数加权算法的原理图；图6为N个子载波条件下该方法的实现过程；图7为在发射机端本发明对PAPR的处理过程；图8为在接收端有用信息的恢复过程与方式；图9、10和11分别给出了在子载波数目分别为16、64和128条件下，Pr(PAPR＞PAPR0)的累积分布密度函数(CCDF)，而窗函数为汉宁窗，调制方式为QPSK；图12示出了在子载波数目为16、调制方式为QPSK以及布莱克曼窗函数条件下，PAPR的CCDF结果；以及图13示出了子载波数目为16、窗函数为汉宁窗且调制方式为16QAM时PAPR的CCDF结果。
具体实施例方式
具体地说，较好的上行链路PAPR解决方案应当具备以下性质1、频谱效率尽可能高；换句话说，对系统PAPR的改善尽量不应以牺牲频谱效率为代价；在基于脉冲成型的方法中，其升余弦滤波器的利用降低了频谱的使用效率(经过该方法处理后，其有效带宽为原始带宽的1/(1+β)，其中β为升余弦滤波器的滚降系数)。
2、原有的系统性能尽可能地得到保持；即系统应当尽可能地保持诸如误符号率(SER)、误比特率(BER)等质量参数在内的原有系统性能。
3、处理方法有效(Effective)和实用(Practical)；要求解决方案在有效降低系统PAPR的条件下，尽可能地减少计算复杂度和计算成本。
根据以上准则，在本发明中，给出了一种基于窗函数加权的改善PAPR的解决方案。图1中给出了广义的基于函数加权方法的OFDM系统发射机原理图。
如图1所示，基于函数加权方法传送的OFDM的符号可以表示为x(t)=Σm=0N-1X(m)pm(t)ej2πmtT---(1)]]>其中，Xn(m)为调制在子载波m上的数据，T为OFDM符号的长度。pm(t)为对应于子载波m的时间加权波形，其持续时间与OFDM符号完全相等。
在处理方法中，将加权函数Pm(t)设计为窗函数，并且是子载波的函数，如下式表示pm(t)＝w(m-t)(2)其中，w(t)为标准的窗函数，如汉宁窗或者布莱克曼窗。可以利用一个子载波-时间的二维函数图上来清晰地表达(2)的形式，如图2所示。举例来说，图3和图4给出了当窗函数w(t)分别为汉宁窗和布莱克曼窗时，不同子载波的不同波形。
从结果中不难看出，对于每一个子载波，其时域的峰值均不在同一位置上，因此可以有效地降低OFDM符号的PAPR值。更重要的是，窗函数是典型的窄带波形，因而它基本上不会改变频谱利用率。
图5给出了本发明方法的设计原理。在图中，“1”代表单个子载波m在时域上为一个矩形函数，也就是说在各个时间变量上有相同的加权。这里汉宁窗函数为例，在“2”中子载波m经汉宁窗函数的加权后为三根谱线。即，时域上则是一个非矩形函数，也就是说，在不同的时间变量上有不同的加权。实际上在时域就是汉宁窗函数的形式。在“3”中，如果在子载波k上乘以时间位移因子 ，它时域上的波形就成为右边的形状。同“2”相比，它的峰值经时间位移而不再在原来的位置上。因此，当且仅当子载波位置不同的时候，其在时域上的峰值位置也不同。显然，本发明并不局限于此，可以使用其它窗函数对子载波进行加权。
本发明的构成包含七个部分(如图7所示)1.子载波的输入部分；此部分将原有子载波集合按照原有的顺序输入到本发明的其他处理模块中；2.子载波扩展部分；此部分捋每一个子载波扩展复制为窗函数的傅立叶变换后频域主瓣中的谱线。例如，将原有的每一个子载波扩展为三根谱线，该三根谱线的形式可以由汉宁窗函数的离散傅立叶变换中主瓣中的三根谱线进行复制。此外，这三根谱线将同时承载与原有对应子载波完全相同的信息。
3.时间位移调整部分；对于每一个子载波，需要进行相应的时间位移因子的调整，从而使得它们在时域中的峰值出现在不同的位置上。
4.IDFT处理部分；在该部分中，对子载波集合进行M倍于输入子载波数目的IDFT处理，并采用输入子载波数目的点数作为OFDM符号的采样点，其中根据对输入的子载波进行扩展的步骤来确定M的取值。这里，对扩展后的子载波集合做3倍的IDFT变换。
5.序列截取部分；为保证获得与原有OFDM符号相同的采样间隔和符号长度，需要将处理后的时间序列进行截取，取前N点作为输出。
6.形成OFDM符号部分；根据输入的N点采样，和原有OFDM符号的采样率，形成OFDM符号，做进一步处理。
7.数据输出部分；将经过该方法处理后形成的FODM符号输出到下一级处理，如D/A转换等。
作为实施例，图6给出了在N个子载波条件下该方法的具体实现过程，该过程亦可以通过以下公式予以说明。
x(n)=Σm=03·N-1[X-(m)·ej·2·π·m·(k+3·N2)3·N]·ej·2·πkT·t,n=0,1,......,3·N-1---(3)]]>其中k＝m/3(4)且X-(m)=residualofm/3=2,=X(k)·H0residualofm/3=0,=X(k)·H1residualofm/3=1,=X(k)·H2m=0,1,...,3·N-1---(5)]]>应当指出的是，H0，H1和H2汉宁窗函数傅立叶变换后主瓣中三根谱线的复数值。
进而，图7给出了本发明PAPR抑制方法的流程图。在子载波的输入部分，将原有的子载波集合按照原有的顺序输入到本发明的其他处理模块中。在子载波扩展部分，将原有的每一个子载波扩展为三根谱线，该三根谱线的形式可以由汉宁窗函数的离散傅立叶变换中主瓣中的三根谱线进行复制。此外，这三根谱线将同时承载与原有对应子载波完全相同的信息。在时间位移调整部分，对于每一个子载波，需要进行相应的时间位移因子的调整，从而使得它们在时域中的峰值出现在不同的位置上。在IDFT处理部分，对扩展后的子载波集合做3倍的IDFT变换。在序列截取部分，为保证获得与原有OFDM符号相同的采样间隔和符号长度，需要将处理后的时间序列进行截取，取前N点作为输出。而在形成OFDM符号部分，根据输入的N点采样，和原有OFDM符号的采样率，形成OFDM符号，做进一步处理。
在接收机一侧，必须做3N点的DFT处理，而信号的恢复形式可以参照以下表示。
Y(p)=Σn=0N-1x(n)·e-j·2π3·N·n·p]]>=Σn=0N-1[Σm=03N-1X-(m)·ej·2π3N·m·n]·e-j2π3·N·n·p---(6)]]>=Σm=03N-1X-(m)·[Σn=0N-1ej·2πN·[(m-p)3]·n]]]>从中不难发现当且仅当m＝p，同时m和p可以被3整除，则有Y(3·l)=X-(3·k)=X(3·k),]]>l，k＝0，1，…，N-1(7)为了更加清晰的进行描述，用图8来对此做更加详细的说明。在图8中，N个带“白帽子”的子载波是可以得到并希望得到的真实信息。而带着“灰帽子”的2N个子载波是插值结果，因为这仅仅是为了降低PAPR而做的一些变换，因此在接收端可以予以丢弃”。
最后，为了验证该方法对PAPR改善的有效性，给出一个详细的仿真。具体的仿真条件如表1所示。
表1仿真条件描述
相应地，图9、10和11给出了在子载波数目分别为16、64和128条件下，Pr(PAPR＞PAPR0)的累积分布密度函数(CCDF)，而窗函数为汉宁窗，调制方式为QPSK。
从仿真结果中不难发现，随着子载波数目的不断增多，原有OFDM系统的PAPR是不断恶化的。然而，本发明中给出的方法表明，该方法的PAPR性能与子载波数目无关，而仅仅是窗函数的函数，在CCDF为10-3的条件下，PAPR的改善均为6dB。
图12给出了在子载波数目为16，调制方式为QPSK以及布莱克曼窗函数条件下，PAPR的CCDF结果。从结果中可以看出，该窗函数可以得到与汉宁窗相类似的结果。
图12窗函数为布莱克曼窗、子载波数目16时PAPR的CCDF图13给出了子载波数目为16，窗函数为汉宁窗，而调制方式为16QAM时PAPR的CCDF结果。从中可以得出结论，本发明中给出的方法对于PAPR性能的改善与调制方式无关。
从上述仿真结果中可以得出结论，本发明中给出的方法对于PAPR性能的改善是相当有效的，且同时可以保证系统原有的传输性能以及频谱效率。
权利要求
1.一种通信链路的峰均比抑制方法，包括步骤输入子载波集合；对输入的子载波进行扩展；对扩展后的子载波集合进行IDFT变换；形成OFDM符号并输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对输入的子载波进行扩展步骤包括将每一个子载波扩展复制为窗函数的傅立叶变换后频域主瓣中的谱线；以及对于每一个子载波，进行相应的时间位移因子调整，以使其在时域的峰值出现在不同位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，复制得到的所有谱线上均承载与输入子载波上完全同样的信息，对每一个子载波进行同样的复制和信息加载，并按照原有顺序排列。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述时间位移调整处理包括对每一个扩展后的子载波组进行时间位移因子加权。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对子载波集合进行M倍于输入子载波数目的IDFT处理，并采用输入子载波数目的点数作为OFDM符号的采样点，其中根据对输入的子载波进行扩展的步骤来确定M的取值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述通信链路包含上行链路和下行链路。
全文摘要
提供了一种通信链路的峰均比抑制方法，包括步骤输入子载波集合；对输入的子载波进行扩展；对扩展后的子载波集合进行IDFT变换；以及形成OFDM符号并输出。本发明的方法在不改变系统其他性能的前提下，能够有效地降低系统发射端的PAPR。此外，本发明的方法通过窗函数的使用，既避免了利用升余弦脉冲成型技术造成的带宽利用率的下降，又可以简单、实用地应用于终端之中，同时其系统性能并不受影响。
文档编号H04L27/26GK1996979SQ20051013075
公开日2007年7月11日 申请日期2005年12月28日 优先权日2005年12月28日
发明者梁宗闯, 王家城, 具珍奎, 朴东植 申请人:北京三星通信技术研究有限公司, 三星电子株式会社