專利名稱：降低正交頻分復(fù)用通信系統(tǒng)中峰均功率比的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于降低正交頻分復(fù)用(下面稱為“OFDM”)通信系統(tǒng)中的峰均功率比(peak-to-average power ratio，下面稱為“PAPR”)的裝置和方法，尤其涉及利用復(fù)梯度算法降低PAPR的裝置和方法。
背景技術(shù)：
最近，正在從第三代(3G)移動通信系統(tǒng)開發(fā)第四代(4G)移動通信系統(tǒng)。第四代(4G)移動通信系統(tǒng)的目標不僅僅是提供與前面幾代移動通信系統(tǒng)相同的移動通信服務(wù)，而且還能有效地將有線通信網(wǎng)絡(luò)和無線通信網(wǎng)絡(luò)互連，并且提供結(jié)合有線和無線通信網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)。此外，4G移動通信系統(tǒng)配置了技術(shù)標準，以提供比3G移動通信系統(tǒng)速度高的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。
這里，正在積極研究OFDM方案以將其應(yīng)用到4G移動通信系統(tǒng)，它采用使用多載波的數(shù)據(jù)傳輸方案。OFDM方案是一個多載波調(diào)制方案，其中將串行輸入的符號串并轉(zhuǎn)換，以便調(diào)制成多個彼此正交的子載波，即，多個子載波信道，然后將其發(fā)送。
OFDM與傳統(tǒng)的頻分復(fù)用(FDM)類似，但區(qū)別特征在于在OFDM方案中保持多個子載波之間的正交性的同時發(fā)送多個子載波，因而OFDM方案可以實現(xiàn)最佳傳輸效率。換句話說，OFDM方案在使用頻率上有很好的效率，并且有很強的抗多徑衰落能力，因此OFDM方案可以以高速數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)最佳傳輸效率。
下面，將參照圖1描述采用傳統(tǒng)OFDM的通信系統(tǒng)的發(fā)送/接收終端的結(jié)果。
圖1是示出傳統(tǒng)OFDM移動通信系統(tǒng)的發(fā)送/接收終端的結(jié)構(gòu)的方框圖。
參照圖1，使用OFDM方案的移動通信系統(tǒng)包括發(fā)送終端100和接收終端150。發(fā)送終端100包括數(shù)據(jù)發(fā)送器102、編碼器104、符號映射器106、串并轉(zhuǎn)換(下面稱為“S/P”)轉(zhuǎn)換器108、導(dǎo)頻符號插入器110、快速反傅立葉變換(下面稱為“IFFT”)單元112、并串(下面稱為“P/S”)轉(zhuǎn)換器114、保護間隔插入器116、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(下面稱為“D/A轉(zhuǎn)換器”)118和射頻(下面稱為“RF”)處理器120。
在發(fā)送終端100中，數(shù)據(jù)發(fā)送器102產(chǎn)生并輸出要發(fā)送到編碼器104的用戶數(shù)據(jù)比特和控制數(shù)據(jù)比特。編碼器104接收并根據(jù)預(yù)定編碼方案編碼從數(shù)據(jù)發(fā)送器102輸出的信號，然后將編碼后的信號輸出到符號映射器106。編碼器104可以使用具有預(yù)定編碼速率的卷積編碼方案或者turbo編碼方案執(zhí)行編碼。符號映射器106根據(jù)預(yù)定的調(diào)制方案調(diào)制從編碼器104輸出的編碼比特，從而產(chǎn)生調(diào)制符號，并且將調(diào)制符號輸出到S/P轉(zhuǎn)換器108。這里，符號映射器106可以遵從的調(diào)制方案包括例如，BPSK(二進制相移鍵控)方案、QPSK(四相移鍵控)方案、16QAM(正交幅度調(diào)制)方案、64QAM等。
S/P轉(zhuǎn)換器108接收并將符號映射器106輸出的串行調(diào)制符號轉(zhuǎn)換成并行調(diào)制符號，并且將轉(zhuǎn)換后的并行調(diào)制符號輸出到導(dǎo)頻符號插入器110。導(dǎo)頻符號插入器110將導(dǎo)頻符號插入到從S/P轉(zhuǎn)換器108輸出的轉(zhuǎn)換后的并行調(diào)制符號中，然后將其輸出到IFFT單元112。
IFFT單元112接收從導(dǎo)頻符號插入器110輸出的信號，對信號執(zhí)行N點IFFT，然后將其輸出到P/S轉(zhuǎn)換器114。
P/S轉(zhuǎn)換器114接收從IFFT單元112輸出的信號，將信號轉(zhuǎn)換成串行信號，并且將轉(zhuǎn)換后的串行信號輸出到保護間隔插入器116。保護間隔插入器116接收從P/S轉(zhuǎn)換器114輸出的信號，將保護間隔插入到接收到的信號中，然后將其輸出到D/A轉(zhuǎn)換器118。這里，插入的保護間隔防止OFDM通信系統(tǒng)中發(fā)送的OFDM符號之間的干擾，也就是說，插入的保護間隔防止在前一OFDM符號周期中發(fā)送的前一OFDM符號與當前OFDM符號周期中要發(fā)送的當前OFDM符號之間的干擾。
在插入保護間隔時，提出了插入空數(shù)據(jù)的方法。然而，插入空數(shù)據(jù)作為保護間隔可能導(dǎo)致接收機錯誤地估計OFDM符號的開始點，從而引起子載波之間的干擾，這增加了對接收到的OFDM符號錯誤判決的概率。因此，在插入保護間隔時通常使用循環(huán)前綴法或循環(huán)后綴法。在循環(huán)前綴法中，將OFDM符號的預(yù)定數(shù)量的最后比特復(fù)制并插入到OFDM符號中。在循環(huán)前綴法中，將OFDM符號的預(yù)定數(shù)量的起始比特復(fù)制并插入到OFDM符號中。
D/A轉(zhuǎn)換器118接收從保護間隔插入器116輸出的信號，將信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，并且將轉(zhuǎn)換后的模擬信號輸出到RF處理器120。RF處理器120包括濾波器和前端單元(front end unit)。RF處理器120從D/A轉(zhuǎn)換器118接收信號，對信號進行RF處理，然后通過Tx天線由空中發(fā)射信號。
下面將描述接收終端150。
發(fā)送終端150包括RF處理器152、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(下面稱為“A/D轉(zhuǎn)換器”)154、保護間隔移除器156、S/P轉(zhuǎn)換器158、快速傅立葉變換(下面稱為“FFT”)單元160、導(dǎo)頻符號提取器162、信道估計器164、均衡器166、P/S轉(zhuǎn)換器168、符號解映射器170、解碼器172和數(shù)據(jù)接收器174。
從發(fā)送終端100發(fā)送的信號通過多徑信道，被接收終端150的Rx天線接收(在信號中包含噪聲的狀態(tài)下)。通過Rx天線接收的信號輸入到RF處理器152，RF處理器152將接收到的信號下變頻成中頻(IF)帶的信號，然后將IF信號輸出到A/D轉(zhuǎn)換器154。A/D轉(zhuǎn)換器154將RF處理器152輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后將數(shù)字信號輸出到保護間隔移除器156。
保護間隔移除器156接收經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器154轉(zhuǎn)換并輸出的數(shù)字信號，從數(shù)字信號中消除保護間隔，然后將其輸出到S/P轉(zhuǎn)換器158。S/P轉(zhuǎn)換器158接收從保護間隔移除器156輸出的串行信號，將串行信號轉(zhuǎn)換成并行信號，然后將并行信號輸出到FFT單元160。FFT單元160對P/S轉(zhuǎn)換器158輸出的信號執(zhí)行N點FFT，然后將其輸出到均衡器166和導(dǎo)頻符號提取器162。均衡器166從FFT單元160接收信號，對信號進行信道均衡，然后將信道均衡后的信號輸出到P/S轉(zhuǎn)換器168。P/S轉(zhuǎn)換器168接收從均衡器166輸出的并行信號，將并行信號轉(zhuǎn)換成串行信號，然后將轉(zhuǎn)換后的串行信號輸出到符號解映射器170。
如所示，從FFT單元160輸出的信號還輸入到導(dǎo)頻符號提取器162。導(dǎo)頻符號提取器162從FFT單元160輸出的信號中檢測導(dǎo)頻符號，并且將檢測出的導(dǎo)頻符號輸出到信道估計器164。信道估計器164使用導(dǎo)頻符號執(zhí)行信道估計，并且將信道估計的結(jié)果輸出到均衡器166。這里，接收終端150產(chǎn)生對應(yīng)于信道估計結(jié)果的信道質(zhì)量信息(下面稱為“CQI”)，并且將CQI通過CQI發(fā)送器(未示出)發(fā)送到發(fā)送終端100。
符號解映射器170接收從P/S轉(zhuǎn)換器168輸出的信號，根據(jù)與發(fā)送終端100的調(diào)制方案對應(yīng)的解調(diào)方案解調(diào)信號，然后將解調(diào)后的信號輸出到解碼器172。解碼器172根據(jù)與發(fā)送終端100的編碼方案對應(yīng)的解碼方案解碼來自符號解映射器170的信號，并且將解碼信號輸出到數(shù)據(jù)接收器174。
然而，OFDM系統(tǒng)不僅具有上述優(yōu)點，也有這樣的問題多載波調(diào)制可能在OFDM系統(tǒng)中導(dǎo)致高PAPR。即，在OFDM系統(tǒng)中，通過多載波發(fā)送數(shù)據(jù)，因而得到的OFDM信號具有等于所有載波幅度之和的幅度，因此可能大幅改變。特別地，當多個載波具有相同相位時，得到的OFDM信號的幅度可能具有很大的值，并且可能劇烈波動。因此，OFDM信號可能超過高功率線性放大器(未示出)的工作范圍，因此在經(jīng)過高功率線性放大器后可能會畸變。為了防止該畸變，高功率線性放大器采用補償(back-off)方法，通過降低輸入功率來允許信號保持在線性范圍內(nèi)。
也就是說，在補償方法中，降低高功率線性放大器的工作點以便減少信號的畸變。然而，補償值越大，放大器的利用率越低。因此，具有高PAPR的信號可能使線性放大器的效率變差。
用于減少OFDM通信系統(tǒng)中的PAPR的典型方法包括消波(clipping)、分組編碼、相位調(diào)節(jié)和音調(diào)保留(tone reservation，下面稱為“TR”)。
在消波方法中，為了使信號能具有放大器的線性工作范圍內(nèi)的幅度，當信號幅度超過預(yù)先設(shè)置的預(yù)定參考消波值時，消去超過參考消波值的信號幅度部分。然而，在消波方法中，非線性工作可能導(dǎo)致帶內(nèi)畸變，從而增加符號間干擾和誤比特率。此外，在消波方法中，帶外噪聲可能導(dǎo)致信道干擾，從而降低頻率效率。
在分組編碼方法中，為了降低所有載波信號的PAPR，編碼額外的載波并然后發(fā)送。在該方法中，額外載波的編碼實現(xiàn)糾錯和PAPR的降低，而沒有信號畸變。然而，當子載波具有大幅度時，該方法導(dǎo)致很差的頻率效率，并且要求大的查找表或大的生成矩陣，從而增加和大大復(fù)雜了計算。
相位調(diào)節(jié)方法包括部分發(fā)送序列(下面稱為“PTS”)方法和選擇性映射(下面稱為“SLM”)方法。
在PTS方法中，將輸入數(shù)據(jù)分成M個子塊，M個子塊中的每個經(jīng)受L點IFFT，然后乘以相位因子來最小化PAPR，然后將M個子塊相加并發(fā)送。
在SLM方法中，相同的M個數(shù)據(jù)塊乘以具有統(tǒng)計獨立的N長度的不同相位序列，并且選擇并發(fā)送具有最低PAPR的相乘后的一個塊。SLM方法要求M個IFFT過程，但可以大大降低PAPR，并且不管載波數(shù)量如何，可以應(yīng)用到所有載波。
然而，PTS方法和SLM方法都有這樣的問題，即，必須向接收機發(fā)送關(guān)于旋轉(zhuǎn)因子的額外信息以便恢復(fù)數(shù)據(jù)。這種額外信息的發(fā)送使通信方法復(fù)雜化，并且導(dǎo)致包含錯誤符號的相應(yīng)周期內(nèi)的所有OFDM符號信息都作為出錯對待。
同時，在TR方法中，全部子載波中的某些不承載數(shù)據(jù)的音調(diào)被保留用來降低PAPR。這里，接收機不理會不攜帶信息信號的音調(diào)，并且從其他音調(diào)中恢復(fù)信息信號。因此，接收機可以具有較簡單的結(jié)構(gòu)。
梯度算法(gradient algorithm)是TR方法的好的解決方案。在梯度算法(它是消波方法在TR方法的應(yīng)用)中，使用沒有攜帶信息信號的音調(diào)產(chǎn)生具有脈沖特性的信號，并且使用具有脈沖特性的信號對IFFT輸出信號消波。當將產(chǎn)生的具有脈沖特性的信號加到IFFT輸出信號時，只有在某些沒有攜帶信息的音調(diào)上會出現(xiàn)數(shù)據(jù)畸變，而在頻域的其他音調(diào)中不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)畸變。
下面，將參照圖2描述使用梯度算法的TR方法。
圖2示出使用常規(guī)TR方法的發(fā)射機的結(jié)構(gòu)。
參照圖2，通過圖1的S/P轉(zhuǎn)換器108輸出的總共N個子載波包括L個音調(diào)信號201和(N-L)個信息信號203。這里，信息信號是指用戶數(shù)據(jù)比特和控制數(shù)據(jù)比特。此外，沒有承載信息的L個保留音調(diào)信號產(chǎn)生具有脈沖特性的波形，并且用于對IFFT單元112的輸出信號消波。
(N-L)個信息信號203和L個保留音調(diào)信號201輸入到音調(diào)分配單元205。音調(diào)分配單元205將L個保留音調(diào)信號201分配到發(fā)射機和接收機之間事先保留的子載波位置。換句話說，音調(diào)分配單元205將L個保留音調(diào)信號201分配到保留的L個位置，將(N-L)個音調(diào)或(N-L)個信息信號203分配到其余的(N-L)個位置，然后將其輸出到N點IFFT單元207。
N點IFFT單元207接收所有分配的音調(diào)信號，對其執(zhí)行IFFT運算，然后將其輸出到并串轉(zhuǎn)換器209。并串轉(zhuǎn)換器209接收經(jīng)受IFFT運算的并行信號，將并行信號轉(zhuǎn)換成串行信號，然后將轉(zhuǎn)換的串行信號輸出到梯度算法單元211。這里，當假設(shè)轉(zhuǎn)換后的串行信號為x時，x表示時域的信號。梯度算法單元211產(chǎn)生時域信號c，將信號c和x相加，然后作為輸出信號c和x之和的發(fā)送信號。
這里，用于減少PAPR的信號c可以表示為等式1。
Ck=Ck,k∈{i1,i2,...,iL}O,k∉{i1,i2,iL}...(1)]]>
在等式1中，事先保留L個子載波并且用于信號C，并且L個子載波的位置{i1...，iL}由音調(diào)分配單元205在初始傳輸時固定。此外，在等式1中，i表示音調(diào)分配單元205中的保留音調(diào)信號的索引，而k表示頻域的索引。這里，輸入信號X以等式(2)所示的方式分配到信號c之外的子載波。
Xk=Xk,k∉{i1,i2,iL}O,k∈{i1,i2,...,iL}...(2)]]>下面，將參照圖3詳細描述如上所述的常規(guī)梯度算法，圖3是用于使用常規(guī)梯度算法降低PAPR的裝置的方框圖。
找圖3，用于使用常規(guī)梯度算法降低PAPR的裝置包括p波形發(fā)生器301、峰值檢測器303、循環(huán)移位單元305、縮放(scaling)單元307、加法器309、PAPR計算單元311和控制單元313。
首先，p波形發(fā)生器301從總共N個信號當中的L個音調(diào)201生成p波形，在音調(diào)分配單元205中保留了L個音調(diào)201的位置。P波形是類似于脈沖信號的信號，它是從所有信號中通過幾十萬到幾百萬次重復(fù)隨機選擇至少一個沒有信息的音調(diào)而得到的。
同時，從模擬信號經(jīng)過IFFT后轉(zhuǎn)換的時域串行信號x輸入到梯度算法單元211。峰值檢測器303檢測輸入到梯度算法單元211的信號x的最大峰值和峰值位置。循環(huán)移位單元305將p波形的位置循環(huán)移位到檢測到的最大峰值位置。縮放單元307用循環(huán)移位的p波形縮放信號x的最大峰值，從而受到IFFT后的輸出的信號x的最大峰值可以保持在系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的PAPR值以下。這里，如果用于將最大峰值降到預(yù)定PAPR以下的縮放值是c，則可以說c是梯度算法單元211計算出的用來消除N點IFFT單元207的輸出信號x的峰值的最佳值。
加法器309將信號x和c相加，并且將和輸出到PAPR計算單元311。PAPR計算單元311計算輸入信號x+c的PAPR，并且將計算出的值發(fā)送給控制單元313。
控制單元313接收到計算出的PAPR值，并且當計算出的PAPR值大于系統(tǒng)中設(shè)置的PAPR值時，反饋PAPR值并重復(fù)執(zhí)行梯度算法。重復(fù)PAPR值的該反饋和梯度算法的重新執(zhí)行直到計算出的PAPR值變得小于系統(tǒng)設(shè)置的PAPR值為止。然而，為了防止無限重復(fù)，系統(tǒng)有預(yù)設(shè)的重復(fù)次數(shù)的最大極限，并且當重復(fù)執(zhí)行梯度算法預(yù)定次時，即使計算出的PAPR大于系統(tǒng)設(shè)置的PAPR，也發(fā)送信號。
當假設(shè)N點IFFT輸出信號是復(fù)數(shù)a+bi時(其中 常規(guī)梯度算法僅僅考慮實數(shù)項(b＝0)。然而，最好OFDM系統(tǒng)使用所有的子載波來進行高速數(shù)據(jù)傳輸。當使用所有子載波時，IFFT輸出具有復(fù)數(shù)值，因此不可能采用僅僅對實數(shù)項控制信號幅度的常規(guī)梯度算法。
此外，在梯度算法中，為了使IFFT輸出信號具有實數(shù)，頻域的輸入數(shù)據(jù)必須對稱和共軛。當頻域中IFFT后的輸出是對稱和共軛的時，它們具有相同的幅度和180°的相位差，從而虛數(shù)項b為0。因此，共軛部不能承載數(shù)據(jù)，從而將系統(tǒng)的吞吐量降低到一半容量。因此，只反映實數(shù)項的常規(guī)梯度算法具有低吞吐量，因此對高速數(shù)據(jù)傳輸是低效率的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，做出本發(fā)明來解決現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的上述問題，并且本發(fā)明的目的是提供用于在OFDM移動通信系統(tǒng)中通過復(fù)梯度算法降低PAPR的裝置和方法。
本發(fā)明的另一目的是提供在OFDM移動通信系統(tǒng)中通過復(fù)梯度算法高速傳輸數(shù)據(jù)的裝置和方法。
為了實現(xiàn)上述目的，提供用于在包括N個載波的正交頻分復(fù)用(OFDM)通信系統(tǒng)中降低峰均功率比(PAPR)的裝置，在這N個載波中有L個載波被分配給L個保留音調(diào)，而由(N-L)個剩下的音調(diào)承載數(shù)據(jù)，其中L小于N，該裝置包括復(fù)梯度算法單元，用于從L個保留音調(diào)產(chǎn)生脈沖信號，對該脈沖信號進行相移，縮放該脈沖信號，并且將該脈沖信號與通過N個載波的IFFT得到的復(fù)輸出信號進行復(fù)數(shù)運算，從而將復(fù)輸出信號當中的最大峰值降低到目標功率值以下。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供用于在包括N個載波的正交頻分復(fù)用(OFDM)通信系統(tǒng)中降低峰均功率比(PAPR)的方法，在這N個載波中有L個載波被分配給L個保留音調(diào)，而由(N-L)個剩下的音調(diào)承載數(shù)據(jù)，其中L小于N，該方法包括步驟從L個保留音調(diào)中產(chǎn)生脈沖信號；將產(chǎn)生的脈沖信號的相位旋轉(zhuǎn)成從通過N個載波的快速反傅立葉變換(IFFT)獲得的復(fù)輸出信號當中具有最大峰值的信號的相位；將所產(chǎn)生的脈沖信號縮放最大峰值和目標功率值之間的差；和將縮放后的信號和IFFT后的復(fù)輸出信號復(fù)數(shù)相加。


通過下面參照附圖的詳細描述，本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點將變得更加清楚，其中圖1是示出傳統(tǒng)OFDM移動通信系統(tǒng)的發(fā)送/接收終端的結(jié)構(gòu)的方框圖；圖2示出采用常規(guī)TR方法的發(fā)射機的結(jié)構(gòu)；圖3示出使用常規(guī)梯度算法降低PAPR的裝置的方框圖；圖4示出使用根據(jù)本發(fā)明的復(fù)梯度算法降低PAPR的裝置的方框圖；圖5示出執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的復(fù)梯度算法的處理的流程圖；圖6A到6E是依次示出根據(jù)本發(fā)明降低復(fù)平面上的峰值的處理的圖；圖7A到7F是示出應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的復(fù)梯度算法的處理中波形改變的圖；和圖8是示出執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的功能的OFDM通信系統(tǒng)的發(fā)射機的結(jié)構(gòu)的方框圖。
具體實施例方式
下面將參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。在下面描述中，當這里對公知功能和配置的詳細描述會混淆本發(fā)明的主題時，省略該描述。
本發(fā)明實現(xiàn)在采用OFDM方案的移動通信系統(tǒng)中降低PAPR的裝置和方法。特別地，本發(fā)明闡明使用復(fù)梯度算法的裝置和方法，從而在增加傳輸速率的同時降低PAPR。
首先，將描述生成p波形的原因和使用p波形降低PAPR的方法。
當xclip表示被削減到一定程度的x的向量時，該向量滿足關(guān)系x-xclip=Σiβiδ[n-mi].]]>在該關(guān)系中，i代表重復(fù)次數(shù)，β指的是削減值，而mi指的是削減位置。此外，“δ”表示德耳塔函數(shù)(delta function)，而“n”表示時間采樣值。在該關(guān)系中，當c=-Σiβiδ[n-mi]]]>時，x+c＝xclip。因此，要注意N點FFT單元207的輸出信號的峰值可以通過信號c降低到xclip。因此，信號c可以理解為延遲和縮放的脈沖函數(shù)之和。
然而，在頻域中，在多數(shù)頻率位置上信號具有0以外的值，并且位于保留的L個位置之外的其他位置上的數(shù)據(jù)符號具有畸變值。因此，需要產(chǎn)生具有時域中的脈沖函數(shù)的特性的函數(shù)用于削減，而不是使用理想脈沖函數(shù)。
假設(shè)1L表示在保留的L個位置上具有值1、在其他位置具有值0的向量，于是向量滿足關(guān)系p=p[n]=[p0p1...pN-1]=NLIFFT(1L).]]>在該關(guān)系中，p0為1，并且p1到pN-1中的每個具有大大小于p0的值。在具有理想脈沖函數(shù)特性的信號的情況下，p1到PN-1中的每個具有值0。因此，必須通過對p1到pN-1選擇小的值來最小化IFFT輸出信號的峰值變化。
接著，峰值檢測器從IFFT的輸出信號x中檢測最大峰值mi的位置信息，并且循環(huán)移位單元將事先使用L個音調(diào)生成的脈沖波形或準脈沖波形循環(huán)移位到mi的位置。即，由p[((n-mi))N]所示(它表示脈沖波形或準脈沖波形到最大峰值mi的位置的循環(huán)移位值，循環(huán)移位處理使得IFFT輸出信號x的最大峰值位置與在初步生成的脈沖波形中具有最大值的位置p0一致，并且使得輸出信號x被p波形的幅度縮放，從而輸出信號x具有降低的峰值。
同時，根據(jù)常規(guī)的實梯度算法，脈沖波形還必須具有實數(shù)值，從而L個被分配的音調(diào)必須位置對稱，并且是共軛的。相反，在根據(jù)本發(fā)明的復(fù)梯度算法中，可以在沒有要求波形具有實數(shù)值的限制的情況下生成脈沖波形，從而可以生成近似等于理想脈沖的波形。
圖4示出使用根據(jù)本發(fā)明的復(fù)梯度算法降低PAPR的裝置的方框圖。
參照圖4，使用根據(jù)本發(fā)明的復(fù)梯度算法降低PAPR的裝置包括p波形發(fā)生器401、峰值檢測器403、循環(huán)移位單元405、相位旋轉(zhuǎn)器407、縮放單元409、復(fù)數(shù)加法器411、PAPR計算單元413和控制單元415。
p波形發(fā)生器401從所有N個信號當中的(除了(N-L)個音調(diào)的信息信號之外)保留的L個音調(diào)201生成具有脈沖特性的p波形。
p波形是類似于脈沖信號的信號，它是從所有信號中通過幾十萬到幾百萬次重復(fù)隨機選擇至少一個沒有信息的音調(diào)而得到的。
同時，在IFFT處理后輸出的時域信號x輸入到峰值檢測器403。峰值檢測器403檢測信號x的最大峰值。循環(huán)移位單元405將p波形的位置循環(huán)移位到檢測到的最大峰值。相位旋轉(zhuǎn)器407旋轉(zhuǎn)循環(huán)移位的p波形的相位，直到它與最大峰值的相位一致為止。縮放單元409用循環(huán)移位的p波形縮放信號x的最大峰值，從而可以將受到IFFT后的輸出的信號x的最大峰值降低到系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的PAPR值以下。這里，如果用于將最大峰值降到預(yù)定PAPR值以下的縮放值是c，則可以說c是用來降低信號x的最大峰值的縮放值。
復(fù)數(shù)加法器411接收IFFT后的輸出信號x和計算用來將p波形的最大峰值降低到系統(tǒng)設(shè)置的PAPR值以下的值c。然后，復(fù)數(shù)加法器411將信號x和c相加，并且將和x+c輸出到PAPR計算單元413。PAPR計算單元413計算輸入信號x+c的PAPR，并且將計算出的值發(fā)送給控制單元415。
控制單元415接收到計算出的PAPR，并且反饋其輸出來重復(fù)上述處理，直到計算出的PAPR值變得小于系統(tǒng)設(shè)置的PAPR值為止。然而，為了防止無限重復(fù)，系統(tǒng)有預(yù)設(shè)的重復(fù)次數(shù)的最大極限，并且當重復(fù)執(zhí)行梯度算法預(yù)定次時，即使計算出的PAPR大于系統(tǒng)設(shè)置的PAPR，也發(fā)送信號。
圖5示出執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的復(fù)梯度算法的處理的流程圖。
參照圖5，在步驟501中，p波形發(fā)生器401從所有N個載波當中具有保留位置的L個音調(diào)中生成具有脈沖特性的p波形。在步驟503中，峰值檢測器403對IFFT的時域輸出信號x檢測超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的PAPRp值的峰值部分。在步驟505中，循環(huán)移位單元405將p波形循環(huán)移位到檢測出的峰值的位置。在步驟507中，相位旋轉(zhuǎn)器407旋轉(zhuǎn)具有p波形的相位p0與最大峰值xk的相位的脈沖特性，從而使兩個相位彼此一致。這里，最大峰值xk的相位可以通過標準化來獲得。此外，p0理想地具有功率值1。因此，p0的相位旋轉(zhuǎn)可以通過將p0復(fù)數(shù)乘以 來實現(xiàn)。結(jié)果，可以具有與最大峰值xk相同的相位。在步驟S509中，用p0波形縮放最大峰值xk，使得最大峰值xk降低到系統(tǒng)預(yù)設(shè)的PAPR值以下。
這里，獲得c以便將次輸出信號x的峰值的處理如下。
(1)將初始值設(shè)為c(0)＝
T＝0N。
(2)得到最大峰值及其|xk+ck(i-1)|的位置。當最大峰值小于系統(tǒng)預(yù)設(shè)的PAPR值時，控制單元415發(fā)送x+c(0)。當最大峰值不小于系統(tǒng)預(yù)設(shè)的PAPR時，執(zhí)行下面步驟(3)。
(3)通過等式(3)計算值c。
c(i)＝c(i-1)-αip[((n-mi))N] .....(3)在等式3中，mi表示峰值的位置，而αi表示相位旋轉(zhuǎn)和縮放的值。mi和αi由等式(4)表示。
mi=Argmax|xn+cn(i)|]]>αi=xmi+cmi(i)|xmi+cmi(i)(|xmi+cmi(i)|-A).....(4)]]>(4)重復(fù)步驟(2)和(3)。
在將步驟(2)和(3)重復(fù)預(yù)先設(shè)置的j次之后，PAPR計算單元413的輸出信號由等式(5)表示。
x+c(j)=x-Σi=1jαip[((n-mi))N].....(5)]]>換句話說，PAPR計算單元413在步驟511中計算x+c。在步驟513中，當計算結(jié)果小于或等于預(yù)設(shè)的PAPR值時，控制單元415停止重復(fù)并執(zhí)行步驟517。在步驟517中，控制單元415輸出滿足閾值PAPR值條件的復(fù)運算值。相反，當計算結(jié)果大于預(yù)設(shè)的PAPR值時，執(zhí)行步驟515。在步驟515中，控制單元415確定重復(fù)次數(shù)是否超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的次數(shù)。當重復(fù)次數(shù)超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的次數(shù)時，控制單元415輸出當前的復(fù)運算值。否則，重復(fù)步驟503到515。
圖6A到6E是依次示出根據(jù)本發(fā)明降低復(fù)平面上的峰值的處理的圖。
圖6A是示出N點IFFT單元207的輸出信號x的最大峰值xk的圖。在復(fù)數(shù)值的情況下，PAPR的最小化是指通過降低復(fù)平面上x和圓的原點之間的距離來將所有x的峰值置于一個圓中。因此，使用p波形以便將最大峰值xk置于圓中。
圖6B是示出從L個分配的音調(diào)生成的p波形的圖，其具有為1的p0和0°的初始相位。
圖6C是示出在復(fù)平面上被旋轉(zhuǎn)了最大峰值xk的相位的D0的圖?？梢酝ㄟ^將p0復(fù)數(shù)乘以 來實現(xiàn)相位旋轉(zhuǎn)。
圖6D是示出被縮放以便將峰值降低到目標等級A的最大峰值p0的圖。
圖6E是示出通過將縮放的p0加到信號xk上而被降低到目標等級A的信號的圖。
下面，將參照特定例子詳細描述通過應(yīng)用復(fù)梯度算法將PAPR降低到系統(tǒng)預(yù)設(shè)的PAPR值以下的處理。
在圖7A到7F所示的例子中，使用了256點IFFT，分配了L個音調(diào)，系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置7dB作為極限PAPR。系統(tǒng)預(yù)設(shè)的PAPR值僅僅是隨機選擇用來仿真的值，并且可以在實際系統(tǒng)的實現(xiàn)中改變。此外，圖7A到7F的每個水平軸表示從0到255的IFFT索引，其每個垂直軸表示每個IFFT輸出值的功率。即，當IFFT的輸出值具有a+bi(i+[-1)]]>形式的復(fù)數(shù)值時，垂直軸表示值a2+b2。
圖7A到7F是示出應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的復(fù)梯度算法的處理中波形改變的圖。
圖7A是示出具有從26L音調(diào)生成的脈沖特性的p波形的圖。
在獲得p波形時，重復(fù)從256個音調(diào)中隨機選擇26L音調(diào)1000000次，并且從一百萬次重復(fù)中選擇除了峰值p0外的p1到pN-1具有最小功率值的情況。此外，通過乘以 來將具有最大峰值的p0標準化。
圖7B是示出IFFT后的復(fù)輸出信號x的波形的圖。
在圖7B所示的圖中，輸出信號x具有10.62dB的PAPR。峰值檢測器403檢測輸出信號x的最大峰值及其位置。由于檢測到的最大峰值大于7dB(極限等級)，因此應(yīng)用復(fù)梯度算法以便將檢測到的最大峰值降低到系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的極限PAPR以下。檢測到的最大峰值在時間軸上占第229個位置。最大峰值的檢測位置輸入到循環(huán)移位單元405。
圖7C是示出移位到最大峰值的位置的p波形的圖。
圖7C的圖示出被循環(huán)移位229次到復(fù)輸出信號x的最大峰值位置(m1＝229)的圖7A的p波形。相位旋轉(zhuǎn)器407通過圖6C所示的處理將具有脈沖特性的p波形旋轉(zhuǎn)峰值相位的量。在相位旋轉(zhuǎn)中，獲得表示峰值相位的復(fù)數(shù)值xm2+cm2(2)|xm2+cm2(2)|,]]>然后將其乘以p向量，從而相位可以彼此一致。
圖7D是示出縮放后的p波形的圖。
縮放單元409獲得值c以便將IFFT單元413的輸出信號x的最大峰值降低到系統(tǒng)預(yù)設(shè)的PAPR值以下。這里，縮放值是(|xm1+cm1(1)|-A)。因此，圖7D示出被循環(huán)移位、相位旋轉(zhuǎn)并縮放的c波形，表示為c(1)＝-α1p[((n-m1))N]。
圖7E是示出在執(zhí)行一次復(fù)梯度算法之后的波形x+c(1)的圖，它是通過復(fù)數(shù)加法器411將圖7B的輸出信號x和縮放后的波形c(1)相加得到的。從圖7E中要注意的是，位于第229個采樣處的峰值降低到系統(tǒng)預(yù)設(shè)的期望PAPR值。然而，經(jīng)受一次梯度算法的波形x+c(1)在另一位置處的另一峰值的PAPR是8.53dB。因此，由于得到的PAPR超過7dB(系統(tǒng)預(yù)設(shè)的PAPR值)，因而重復(fù)執(zhí)行上述降低PAPR的處理，直到得到的PAPR小于或等于預(yù)設(shè)PAPR值。
現(xiàn)在將參照圖7F描述在重復(fù)執(zhí)行梯度算法30次之后滿足PAPR的圖，該圖示出在重復(fù)執(zhí)行梯度算法30次之后的波形x+c(30)。
從圖7F中要注意的是，輸出信號波形x+c(30)的PAPR是7.00dB，從而滿足系統(tǒng)預(yù)設(shè)的PAPR值。
因此，由于使用復(fù)梯度算法的OFDM系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到除了分配到保留位置的L個音調(diào)之外的所有子載波，因此OFDM系統(tǒng)可以提高傳輸速率，同時降低PAPR。
圖8是示出執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的功能的OFDM通信系統(tǒng)的發(fā)射機的結(jié)構(gòu)的方框圖。
參照圖8，發(fā)射機800包括數(shù)據(jù)發(fā)送器801、編碼器803、符號映射器805、串并(下面稱為“S/P”)轉(zhuǎn)換器807、導(dǎo)頻符號插入器809、音調(diào)分配器811、IFFT單元813、并串(下面稱為“P/S”)轉(zhuǎn)換器815、復(fù)梯度算法單元817、保護間隔插入器819、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(下面稱為“D/A轉(zhuǎn)換器”)821和RF處理器823。
在發(fā)射機800中，數(shù)據(jù)發(fā)送器801產(chǎn)生并輸出要發(fā)送到編碼器803的用戶數(shù)據(jù)比特和控制數(shù)據(jù)比特。編碼器803接收并根據(jù)預(yù)定編碼方案編碼從數(shù)據(jù)發(fā)送器801輸出的信號，然后將編碼后的信號輸出到符號映射器805。這里，編碼器803可以使用具有預(yù)定編碼速率的卷積編碼方案或者turbo編碼方案執(zhí)行編碼。符號映射器805根據(jù)預(yù)定的調(diào)制方案調(diào)制從編碼器803輸出的編碼比特，從而產(chǎn)生調(diào)制符號，并且將調(diào)制符號輸出到S/P轉(zhuǎn)換器807。這里，符號映射器805可以遵從的調(diào)制方案包括例如，BPSK(二進制相移鍵控)方案、QPSK(四相移鍵控)方案、16QAM(正交幅度調(diào)制)方案、64QAM等。
S/P轉(zhuǎn)換器807接收并將符號映射器805輸出的串行調(diào)制符號轉(zhuǎn)換成并行調(diào)制符號，并且將轉(zhuǎn)換后的并行調(diào)制符號輸出到導(dǎo)頻符號插入器809。導(dǎo)頻符號插入器809將導(dǎo)頻符號插入到從S/P轉(zhuǎn)換器807輸出的轉(zhuǎn)換后的并行調(diào)制符號中，然后將其輸出到音調(diào)分配器811。音調(diào)分配器811將不承載信息的L個音調(diào)分配到預(yù)先保留的位置，并且將所有N個信號中除了這L個信號之外的其他信號分配到其他位置。音調(diào)分配器811以根據(jù)本發(fā)明的復(fù)數(shù)形式分配信號。在分配音調(diào)后，并行數(shù)據(jù)流輸入到IFFT單元813。
IFFT單元813接收從音調(diào)分配器811輸出的信號，對信號執(zhí)行N點IFFT，然后將其輸出到P/S轉(zhuǎn)換器815。
P/S轉(zhuǎn)換器815接收從IFFT單元813輸出的信號，將信號轉(zhuǎn)換成串行信號，并且將轉(zhuǎn)換后的串行信號輸出到復(fù)梯度算法單元817。復(fù)梯度算法單元817執(zhí)行參照圖5所述的操作。然后，復(fù)梯度算法單元817將具有最小PAPR的信號輸出到保護間隔插入器819。保護間隔插入器819接收從復(fù)梯度算法單元817輸出的信號，將保護間隔插入到接收到的信號中，然后將其輸出到D/A轉(zhuǎn)換器821。
這里，插入的保護間隔防止OFDM通信系統(tǒng)中發(fā)送的OFDM符號之間的干擾；也就是說，插入的保護間隔防止在前一OFDM符號周期中發(fā)送的前一OFDM符號與當前OFDM符號周期中要發(fā)送的當前OFDM符號之間的干擾。用循環(huán)前綴法或循環(huán)后綴法執(zhí)行插入保護間隔。
D/A轉(zhuǎn)換器821接收從保護間隔插入器819輸出的信號，將信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，并且將轉(zhuǎn)換后的模擬信號輸出到RF處理器823。RF處理器823包括濾波器和前端單元。RF處理器823從D/A轉(zhuǎn)換器821接收信號，對信號進行RF處理，然后通過Tx天線由空中發(fā)射信號。
如上所述，本發(fā)明使OFDM移動通信系統(tǒng)能采用音調(diào)保留中的復(fù)梯度算法，從而在增加傳輸速率的同時降低了峰均比。
盡管參照其特定優(yōu)選實施例示出和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員精當理解，可以在不背離所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明宗旨和范圍的前提下對其形式和細節(jié)進行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種用于在包括N個載波的正交頻分復(fù)用(OFDM)通信系統(tǒng)中降低峰均功率比(PAPR)的方法，在這N個載波中有L個載波被分配給L個保留音調(diào)，而由(N-L)個剩下的音調(diào)承載數(shù)據(jù)，其中L小于N，該方法包括步驟(1)從L個保留音調(diào)中產(chǎn)生脈沖信號；(2)將產(chǎn)生的脈沖信號的相位旋轉(zhuǎn)成從通過N個載波的快速反傅立葉變換(IFFT)獲得的復(fù)輸出信號當中具有最大峰值的信號的相位；(3)將所產(chǎn)生的脈沖信號縮放最大峰值和目標功率值之間的差；和(4)將縮放后的信號和IFFT后的復(fù)輸出信號復(fù)數(shù)相加。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括步驟(5)將通過步驟(4)中的復(fù)數(shù)相加得到的PAPR與預(yù)先設(shè)置的目標PAPR進行比較。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，作為比較的結(jié)果，當通過步驟(4)中的復(fù)數(shù)相加得到的PAPR不滿足目標PAPR時，對產(chǎn)生的脈沖信號重復(fù)步驟(2)到(5)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，從L個保留音調(diào)產(chǎn)生的脈沖信號是復(fù)信號。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，承載數(shù)據(jù)的(N-L)個音調(diào)中的每個是復(fù)信號。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在步驟(2)中，在復(fù)平面上轉(zhuǎn)換相位。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在步驟(2)中，執(zhí)行相位旋轉(zhuǎn)以便使產(chǎn)生的脈沖信號的相位與具有最大峰值的信號的相位一致，并且通過將從L個保留音調(diào)產(chǎn)生的信號復(fù)數(shù)乘以通過N個載波的IFFT獲得的復(fù)輸出信號當中具有最大峰值的標準化信號，確定相位旋轉(zhuǎn)。
8.一種用于在包括N個載波的正交頻分復(fù)用(OFDM)通信系統(tǒng)中降低峰均功率比(PAPR)的裝置，在這N個載波中有L個載波被分配給L個保留音調(diào)，而由(N-L)個剩下的音調(diào)承載數(shù)據(jù)，其中L小于N，該裝置包括復(fù)梯度算法單元，用于從L個保留音調(diào)產(chǎn)生脈沖信號，對該脈沖信號進行相移，縮放該脈沖信號，并且將該脈沖信號與通過N個載波的IFFT得到的復(fù)輸出信號進行復(fù)數(shù)運算，從而將復(fù)輸出信號當中的最大峰值降低到目標功率值以下。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中復(fù)梯度算法單元包括相位旋轉(zhuǎn)器，用于將產(chǎn)生的脈沖信號的相位旋轉(zhuǎn)成從通過N個載波的IFFT獲得的復(fù)輸出信號當中具有最大峰值的信號的相位；縮放單元，用于將所產(chǎn)生的脈沖信號縮放最大峰值和目標功率值之間的差；和復(fù)數(shù)加法器，用于將縮放后的信號和IFFT后的復(fù)輸出信號復(fù)數(shù)相加。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中，復(fù)梯度算法單元還包括峰值檢測器，用于檢測IFFT后輸出的復(fù)信號的最大峰值。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中，復(fù)梯度算法單元還包括PAPR計算單元，用于計算復(fù)數(shù)加法器的輸出的PAPR。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中，復(fù)梯度計算單元還包括控制單元，用于通過比較PAPR計算單元的輸出與預(yù)定目標功率值來控制信號的輸出。
全文摘要
用于在包括N個載波的正交頻分復(fù)用(OFDM)通信系統(tǒng)中降低峰均功率比(PAPR)的方法，在這N個載波中有L個載波被分配給L個保留音調(diào)，而由(N－L)個剩下的音調(diào)承載數(shù)據(jù)，其中L小于N，該方法包括從L個保留音調(diào)中產(chǎn)生脈沖信號；將產(chǎn)生的脈沖信號的相位轉(zhuǎn)換成從通過N個載波的快速反傅立葉變換(IFFT)獲得的復(fù)輸出信號當中具有最大峰值的信號的相位；將所產(chǎn)生的脈沖信號縮放最大峰值和目標功率值之間的差；并且將縮放后的信號和IFFT后的復(fù)輸出信號復(fù)數(shù)相加。
文檔編號H04J11/00GK1849761SQ200480025726
公開日2006年10月18日 申請日期2004年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月9日
發(fā)明者尹圣烈, 樸圣恩, 金宰烈 申請人:三星電子株式會社