降低lte上行单载波频分多址信号峰均比的方法
【专利摘要】本发明公开了一种降低LTE上行单载波频分多址信号峰均比的方法，主要解决单载波频分多址信号峰均比高的问题。本发明实现方法的步骤包括：(1)分析信号峰值特性；（2）为设计一组加权窗向量；（3）获得加窗频域备选符号块；(4)获得传输信号块；（5）获取频域接收符号块；（6）定义等效信道；(7)估计等效信道；(8)数据检测。本发明具有很好的降峰均比性能，并通过设计的低复杂度实现方法，达到了很低的计算复杂度；同时，本发明不需要额外带宽，也不会造成系统误比特率性能的下降，可适用于长期演进LTE上行单载波频分多址系统中获得良好的系统性能。
【专利说明】降低LTE上行单载波频分多址信号峰均比的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于通信【技术领域】,更进一步涉及长期演进(long term evolution, LTE)无线通信中的一种降低LTE上行单载波频分多址(single-carrier frequency-divisionmultiplexing, SC-FDMA)信号峰均比的方法。本发明可用于无线通信系统的峰均比降低模块中，实现峰均比的有效降低以及系统性能的大大提高。
【背景技术】
[0002]长期演进LTE标准的上行链路传输中采用了单载波频分多址技术。在单载波频分多址系统中，每个用户端都采用了离散傅里叶变换矩阵作为预编码矩阵来降低传输信号的峰均比。然而，长期演进LTE上行单载波频分多址系统采用的集中式频分多址(localizedfrequency-di vis ion multiple access, LFDMA)传输信号仍然具有较高的峰均比，尤其是在高阶调制下。高的峰均比不但会降低功放的效率、提高功放成本，还会由于功放的非线性导致带内失真和带外辐射。由于用户端的低功耗与低成本需求，这一问题对于上行链路而言尤其严重，因此降低长期演进LTE上行单载波频分多址信号的峰均比具有重大意义。
[0003]S.B.Slimane 在文章“Reducing the peak-to-average power ratio of OFDMsignals through precoding，，(IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2007)中提出了根升余弦窗与升余弦窗两种加权窗向量的方法。该方法利用提出的加权窗向量对单载波频分多址系统离散傅里叶变换矩阵预编码的输出频域数据进行加权来降低其峰均比。该方法可有效降低单载波频分多址信号的峰均比，且额外带宽越大，降峰均比性能越好，大的额外带宽可以实现很好的降峰均比性能。并且，其对低阶调制(BPSK，QPSK)的降峰均比性能优于高阶调制(16-QAM，64-QAM)。但是，该方法仍然存在的不足之处是:由于引入额外带宽而降低了系统的频谱效率，降峰均比性能与引入的额外带宽比例有关；当引入的额外带宽比例小时，降峰均比性能迅速恶化，因此，降峰均比性能与系统频谱效率之间有一个折中。同时，此方法存在由于采用的加权窗向量各元素的模值不相等而引入的噪声增强效应，降低系统的误比特率性能。
[0004]D.Falconer 在文章 “Linear precoding of OFDMA signals to minimize theirinstantaneous power variance，，( IEEE Transactions on Communications, 2011)中提出了一种使用最优加权窗向量对单载波频分多址系统离散傅里叶变换矩阵预编码的输出频域数据进行加权来降低单载波频分多址信号峰均比的方法。该方法使用的最优加权窗向量通过求解使单载波频分多址信号功率方差最小的最优化问题得到。此方法在不引入额外带宽的条件下，可以降低单载波频分多址信号的峰均比。但是，该方法存在的不足之处是:降低峰均比性能较差，并且该方法得到的最优加权窗向量各元素的模值不相等，因此，此方法同样存在由于加权窗向量各兀素的模值不相等而引入的噪声增强效应，同样会造成系统误比特率性能的下降。此外，得到的最优加权窗向量只是针对特定的系统参数，对不同的系统参数，需要重新求解复杂的最优化问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，针对长期演进LTE标准中无线通信系统上行单载波频分多址传输信号，提供一种有效降低其峰均比的方法，可实现上行单载波频分多址信号峰均比的大大降低，有效提高通信系统的性能以及降低系统成本。
[0006]为实现上述目的，本发明方法的思路是:针对长期演进LTE上行集中式分配的单载波频分多址信号的特点，提出了一种自适应的脉冲成形方法。该方法为单载波频分多址符号离散傅里叶变换矩阵预编码后的输出频域符号设计了一组加权窗向量；将每个时隙的单载波频分多址符号当作一个处理块，利用设计的加权窗向量对离散傅里叶变换矩阵预编码后的处理块中的每一个单载波频分多址符号进行加权，得到频域备选信号块，通过对频域备选信号块进行快速反傅里叶变换产生时域备选单载波频分多址信号块；从时域备选单载波频分多址信号块中选择峰均比最低的信号块作为传输信号块；接收端利用每个处理块中的导频单载波频分多址符号对定义的等效信道进行频域等效信道估计，并利用得到的等效信道估计值对处理块中的每一个单载波频分多址符号进行均衡，以实现不需要边信息的数据检测。
[0007]本发明实现的具体步骤包括如下:
[0008]( I)分析信号峰值特性:
[0009]对用户端发送的单载波频分多址信号，分析高阶调制条件下的峰值特性；
[0010](2)设计一组加权窗向量；
[0011](3)获得加窗频域备选符号块:
[0012]3a)将一个时隙的单载波频分多址符号当作一个符号块；
[0013]3b)用加权窗向量组中的每一个向量，对符号块中的所有单载波频分多址符号的离散傅里叶变换矩阵预编码后的输出数据分别进行加权，得到加权后的频域备选单载波频分多址符号块；
[0014](4)获得传输信号块:
[0015]4a)利用时域备选信号的低复杂度产生模块，获得加窗时域备选单载波频分多址信号块；
[0016]4b)从加窗时域备选单载波频分多址信号块中，选择峰均比最低的备选单载波频分多址信号块；
[0017]4c)将峰均比最低的时域备选单载波频分多址信号块，作为传输单载波频分多址信号块；
[0018](5)获取频域接收符号块:
[0019]对接收的单载波频分多址信号块进行快速傅里叶变换，获取频域单载波频分多址接收符号块；
[0020](6)定义等效信道:
[0021]接收端利用实际信道响应和设计的加权窗向量定义等效信道，按照下式定义等效信道:
[0022]He (m, fk) =H (m, fk) pr (k)
[0023]其中，He(m，fk)表示一个时隙中第m个单载波频分多址符号的第fk个子载波上的等效信道，m的取值范围为:1 < m < Z，Z表示一个时隙中单载波频分多址符号的总数，fk表示分配给单载波频分多址符号的第k个子载波的序号，k=0，l，...，M-l，M表示每个单载波频分多址符号传输的调制符号的总数，H(m, fk)表示第fk个子载波上的实际信道频率响应，Pr (k)表示使备选单载波频分多址信号块峰均比最小的加权窗向量的第k个元素，r表示使备选单载波频分多址信号块峰均比最小的加权窗向量的序号；
[0024](7)估计等效信道:
[0025]利用一个时隙中的导频单载波频分多址符号，估计等效信道；
[0026](8)数据检测:
[0027]8a)利用导频单载波频分多址符号上估计得到的等效信道，对一个时隙中的每个单载波频分多址符号进行频域均衡；
[0028]Sb)对均衡后的每个单载波频分多址符号进行反傅里叶变换，得到单载波频分多址系统的接收数据。
[0029]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0030]第一，本发明使用了一组简单的加权窗向量来降低单载波频分多址信号的峰均t匕，由于设计的加权窗向量适用于任意的系统参数，并且简单易实现，克服了现有技术的最优加权窗向量需要针对特定系统参数求解复杂最优化问题的缺点，使得本发明可适用于无线通信环境下的LTE上行通信链路，并且具有简单可行的优点。
[0031]第二，由于本发明使用了一组加权窗向量来降低单载波频分多址信号的峰均比，因而能提供降低峰均比的额外自由度，与现有技术的不占用额外带宽的最优加权窗向量相t匕，能够达到更好的降峰均比性能，并且使用的一组加权窗向量不需要额外带宽，与现有技术的通过引入额外带宽来实现峰均比降低的加权窗向量相比，具有高的频谱效率；由于本发明使用的各个加权窗向量的元素具有相同的幅度值，克服了现有技术因采用的加权窗向量幅度值不相同而造成噪声增强效应的缺点。
[0032]第三，由于本发明为时域备选单载波频分多址信号块的产生设计了低复杂度的实现方案，使得本方案具有复杂度低的优点，简单可行。
[0033]第四，由于本发明将一个时隙的单载波频分多址符号当作一个符号块，并利用符号块中的导频单载波频分多址符号进行等效信道的估计，实现了接收端数据简单可行的检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1为本发明的流程图；
[0035]图2为本发明的低复杂度时域备选单载波频分多址信号的产生图；
[0036]图3为本发明与现有技术在16-QAM调制下的性能比较曲线图；
[0037]图4为本发明与现有技术在64-QAM调制下的性能比较曲线图；
[0038]图5为本发明采用不同加权窗向量数目时的性能比较曲线图；
[0039]图6为本发明与现有技术的误比特率性能比较曲线图。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
[0041]参照附图1，本发明的具体步骤如下:[0042]步骤1，分析信号峰值特性。
[0043]对用户端发送的单载波频分多址信号，分析高阶调制条件下的峰值特性。假设单载波频分多址信号一个时隙有Z个单载波频分多址符号，逆快速傅里叶变换长度为N，离散傅里叶变换长度为M。按照下式得到一个时隙第m (I SmSZ)个单载波频分多址符号的复调制数据a(m) = [a(m，0),a(m, I),...，a(m，M_l)]T经过离散傅里叶矩阵预编码后的频域符号为:
【权利要求】
1.降低LTE上行单载波频分多址信号峰均比的方法，包括如下步骤: (1)分析信号峰值特性: 对用户端发送的单载波频分多址信号，分析高阶调制条件下的峰值特性； (2)设计一组加权窗向量； (3)获得加窗频域备选符号块: 3a)将一个时隙的单载波频分多址符号当作一个符号块； 3b)用加权窗向量组中的每一个向量，对符号块中的所有单载波频分多址符号的离散傅里叶变换矩阵预编码后的输出数据分别进行加权，得到加权后的频域备选单载波频分多址符号块； (4)获得传输信号块: 4a)利用时域备选信号的低复杂度产生模块，获得加窗时域备选单载波频分多址信号块； 4b)从加窗时域备选单载波频分多址信号块中，选择峰均比最低的备选单载波频分多址信号块； 4c)将峰均比最低的时域备选单载波频分多址信号块，作为传输单载波频分多址信号块； (5)获取频域接收符号块:` 对接收的单载波频分多址信号块进行快速傅里叶变换，获取频域单载波频分多址接收符号块； (6)定义等效信道: 接收端利用实际信道响应和设计的加权窗向量定义等效信道，按照下式定义等效信道:
He (m, fk) =H (m, fk) pr (k) 其中，He(m，fk)表示一个时隙中第m个单载波频分多址符号的第fk个子载波上的等效信道，m的取值范围为:1Z，Z表示一个时隙中单载波频分多址符号的总数，fk表示分配给单载波频分多址符号的第k个子载波的序号，k=0，l，...，M-l，M表示每个单载波频分多址符号传输的调制符号的总数，H(m, fk)表示第fk个子载波上的实际信道频率响应，Pr (k)表示使备选单载波频分多址信号块峰均比最小的加权窗向量的第k个元素，r表示使备选单载波频分多址信号块峰均比最小的加权窗向量的序号； (7)估计等效信道: 利用一个时隙中的导频单载波频分多址符号，估计等效信道； (8)数据检测: 8a)利用导频单载波频分多址符号上估计得到的等效信道，对一个时隙中的每个单载波频分多址符号进行频域均衡； 8b)对均衡后的每个单载波频分多址符号进行反傅里叶变换，得到单载波频分多址系统的接收数据。
2.根据权利要求1所述的降低LTE上行单载波频分多址信号峰均比的方法，其特征在于，步骤(1)所述高阶调制条件下的峰值特性分析，按照下式进行:
3.根据权利要求1所述的降低LTE上行单载波频分多址信号峰均比的方法，其特征在于，步骤(2)所述设计加权窗向量方法的步骤如下: 第I步，将加权窗向量的集合P分为三个子集:
P= {P(0)，P(1)，P(2)} 其中，P表示加权窗向量的集合，Pto)表示仅包含一个M长的全I向量Ptl=Iil, 1,...,1]T的子集，M表示每个单载波频分多址符号传输的调制符号的总数，其值与Ptl长度相同，P(1)和P(2)分别表示设计的两个子集； 第2步，按照下式，设计子集Pa)中的加权窗向量Pi:
4.根据权利要求1所述的降低LTE上行单载波频分多址信号峰均比的方法，其特征在于，步骤(7)所述的利用一个时隙中的导频单载波频分多址符号估计等效信道方法的步骤如下: 第I步，假设信道在单载波频分多址信号的一个时隙内保持不变； 第2步，利用导频符号，按照下式得到第m个单载波频分多址符号的第fk个子载波上的等效信道估计:
5.根据权利要求1所述的降低LTE上行单载波频分多址信号峰均比的方法，其特征在于，步骤8a)所述的频域均衡按照下式进行:
【文档编号】H04L27/26GK103595679SQ201310514238
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年10月27日 优先权日:2013年10月27日
【发明者】任光亮, 纪金伟, 张会宁, 夏玉杰 申请人:西安电子科技大学