專利名稱：一種基于噴泉編碼控制ofdm信號(hào)峰均功率比的信息傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于采用正交頻分復(fù)用信號(hào)(OFDM)的無線和有線通信技術(shù) 領(lǐng)域，具體涉及噴泉編碼控制OFDM信號(hào)峰均功率比的信息傳輸。
背景技術(shù)：
在移動(dòng)無線信道中，信號(hào)從發(fā)射天線經(jīng)過一個(gè)時(shí)變多徑信道到達(dá)接收 天線，會(huì)產(chǎn)生時(shí)間選擇性衰落和頻率選擇性衰落。信道的時(shí)變特性引起信 號(hào)頻譜的展寬，導(dǎo)致Doppler效應(yīng)，造成信號(hào)隨時(shí)間呈選擇性衰落。根據(jù) 多徑信道在頻域中表現(xiàn)出的頻率選擇性衰落特性，人們提出了正交頻分復(fù) 用(OFDM)技術(shù)。OFDM正是將頻域分割成多個(gè)子信道，各相鄰子信道間正 交重疊，從而提高頻譜的利用效率。可見，OFDM —方面能夠克服頻率選 擇性衰落，另一方面，取小于相干時(shí)間的一段時(shí)間間隔作為一個(gè)OFDM符 號(hào)的持續(xù)時(shí)間，還可以大大降低信道的時(shí)間選擇性衰落對(duì)傳輸系統(tǒng)的影響。
盡管OFDM技術(shù)在提高頻譜的效率以及抗信道頻率選擇性衰落方面具 有獨(dú)特的優(yōu)勢，但OFDM技術(shù)仍然存在一些重要問題沒有得到很好地解決。 其中難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)就是峰均功率比的控制。由于OFDM信號(hào)是由多個(gè)子 載波信號(hào)疊加而成，與恒包絡(luò)信號(hào)如單載波信號(hào)相比，OFDM信號(hào)的峰均 功率比(峰值功率和平均功率之比)將是非常的高。如果信號(hào)的峰均功率 比很高，發(fā)射機(jī)功率放大器的線性動(dòng)態(tài)范圍將要求很寬。使用寬線性動(dòng)態(tài) 范圍的功率放大器，將使得發(fā)射機(jī)的成本將大大增加。使用低線性動(dòng)態(tài)范 圍的功率放大器雖然可以降低成本，但發(fā)送信號(hào)將會(huì)嚴(yán)重失真，從而導(dǎo)致 系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降。為了降低OFDM信號(hào)對(duì)發(fā)送功率放大器的要求，需要降低OFDM信號(hào)的峰均功率比。為了降低OFDM信號(hào)的峰均功率比， 人們提出了很多解決方案。在這些方案中，采用編碼方法降低峰均功率比 最為引人注目。Tao Jiang禾口Yiyan Wu在"An Overview: Peak-to-Average Power Ratio of OFDM Signals "(IEEE Transactions on Broadcasting, vol. 54， no. 2, pp. 257-268, Jun. 2008)中總結(jié)了降低OFDM峰均功率比的技術(shù)發(fā)展歷 程。首先Jones等人提出了加入校驗(yàn)比特的方法將3比特的分組映射為4 比特的碼字的分組編碼來降低峰均功率比。Wulich等人使用循環(huán)碼， Fragiacomo在此基礎(chǔ)上提出了一種簡單的分組碼降低OFDM信號(hào)峰均功率 比的方法。后來，人們進(jìn)一步提出了使用互補(bǔ)碼和改進(jìn)的互補(bǔ)碼降低OFDM 的方法。雖然使用這些方法可以較好地控制和降低OFDM信號(hào)峰均功率比， 但這些方法使用固定碼率的編碼降低峰均功率比，將帶來傳送信息速率的 損失。同時(shí)，這些編碼方案需要傳送編碼的邊帶信息(Side Information), 這將造成稀有的頻譜資源的浪費(fèi)。例如，當(dāng)分組較大時(shí)，使用碼率為3/4 的互補(bǔ)碼降低OFDM信號(hào)的峰均功率比時(shí)，降低2.75dB的峰均功率比將 帶來l/4信息傳送效率的損失。
可見，上述各種方法降低OFDM信號(hào)峰均功率比的效果是有限的，不 能完全滿足現(xiàn)實(shí)通信技術(shù)的發(fā)展需求。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)OFDM系統(tǒng)因?yàn)楦叩姆寰β时龋瑥亩鴮?dǎo)致發(fā)射機(jī)功率放大器線
性動(dòng)態(tài)范圍要求很高或者發(fā)送信號(hào)的畸變等，而現(xiàn)有的控制和降低OFDM
信號(hào)峰均功率比方法均存在計(jì)算復(fù)雜度高和信號(hào)發(fā)送效率低等缺點(diǎn)，本發(fā) 明提出了一種基于噴泉編碼控制OFDM信號(hào)峰均功率比的方法，目的在于
實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度情況下，能根據(jù)系統(tǒng)需要來控制OFDM信號(hào)的峰均功率比。 本發(fā)明提供的基于噴泉編碼控制OFDM信號(hào)峰均功率比的信息傳輸方法，設(shè)待發(fā)送報(bào)文包含K個(gè)信源數(shù)據(jù)包，每個(gè)信源數(shù)據(jù)包包含iV個(gè)《進(jìn)制符 號(hào)，則一個(gè)待發(fā)送的報(bào)文由A:.W個(gè)《進(jìn)制符號(hào)構(gòu)成；其中，《=2 ,附為自 然數(shù)，尺和7V均為正整數(shù)； 包括下述步驟
(1) 將待發(fā)送報(bào)文中的尺個(gè)信源包("o,", ， —)，(6。，6，…,V!)，…，
(/oX…,U重新排序成數(shù)據(jù)包(a。,V'.,/。) ， (",A，…")，…, ("仲V,，…,/w-)；將重新排序后的第z'個(gè)數(shù)據(jù)包(",.A，…，乂)經(jīng)過噴泉編碼 后輸出半無限序列(4,A,…，《,…)，"0,1,…,W-1;按列序讀半無限序列 得到噴泉數(shù)據(jù)包序列(4，4，…，4v—。， (A，A，…，5n)，…，(巧，巧,…，尸w-,)，
(2) 依次對(duì)得到的每個(gè)噴泉數(shù)據(jù)包序列先后進(jìn)行調(diào)制、串并轉(zhuǎn)換，再 進(jìn)行反傅立葉變換，這樣就得到了一個(gè)OFDM信號(hào)；
(3) 利用式(I)計(jì)算每一個(gè)經(jīng)IDFT變換后的OFDM信號(hào)的峰均功 率比PJ尸i ，如果/MM小于預(yù)先設(shè)置的峰均功率比控制值WPi 。，即 iMPi </MP及。，則對(duì)該OFDM信號(hào)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換后被送入到信道中，否則 該OFDM信號(hào)包將被丟棄；
<formula>formula see original document page 6</formula> (I)
式中，^為該OFDM信號(hào)中第"個(gè)取樣值的功率；
(4)接收機(jī)接收到信道輸出的信號(hào)，首先對(duì)此信號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換， 然后對(duì)該信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換；接著對(duì)傅立葉變換后的信號(hào)先后進(jìn)行并串 轉(zhuǎn)換和與發(fā)射機(jī)端的調(diào)制相對(duì)應(yīng)解調(diào)；(5)判斷接收機(jī)是否已經(jīng)正確接收到了A/個(gè)正確數(shù)據(jù)包，如果是，轉(zhuǎn)
入步驟(6);否則，接收機(jī)繼續(xù)接收數(shù)據(jù)包；M依據(jù)所使用的噴泉編碼方
式確定，M =《(l + 。， f為實(shí)際噴泉的開銷，取值為0%~5%;
(6)接收機(jī)向發(fā)射機(jī)反饋停止發(fā)送的信號(hào)，發(fā)射機(jī)接收到接收機(jī)反 饋的停止發(fā)送信號(hào)后，停止本報(bào)文的噴泉數(shù)據(jù)包的發(fā)送；同時(shí)，接收機(jī)對(duì) 接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行噴泉碼譯碼，正確恢復(fù)出原始的尺個(gè)信源包。
本發(fā)明中待發(fā)送的《個(gè)信源數(shù)據(jù)包，構(gòu)成一個(gè)待發(fā)送的報(bào)文。每個(gè)信 源數(shù)據(jù)包含iV個(gè)《進(jìn)制符號(hào)。這些信源數(shù)據(jù)包經(jīng)噴泉碼編碼得到新的噴泉包 序列。新的噴泉包序列經(jīng)過調(diào)制、串并轉(zhuǎn)換、反傅立葉變換(IDFT)后得 到OFDM信號(hào)。然后，計(jì)算OFDM信號(hào)的峰均功率比并選擇滿足峰均功 率比控制要求的信號(hào)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換后發(fā)送。在接收機(jī)端，信道輸出的信號(hào) 首先進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換后，再進(jìn)行傅立葉變換(DFT)作用后進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換和 解調(diào)。每當(dāng)接收機(jī)正確接收到足夠多的數(shù)據(jù)包時(shí)，則向發(fā)射機(jī)端反饋一個(gè) 停止發(fā)送信號(hào)。然后，接收機(jī)對(duì)所接收到的足夠多的正確的數(shù)據(jù)包進(jìn)行噴 泉碼譯碼。發(fā)射機(jī)收到停止發(fā)送信號(hào)，立即停止本報(bào)文噴泉數(shù)據(jù)^的發(fā)送。 本發(fā)明能有效地控制OFDM信號(hào)的峰均功率比，同時(shí)，具有較強(qiáng)的信號(hào)糾 錯(cuò)能力和節(jié)省帶寬，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度也較低，可應(yīng)用于采用OFDM技術(shù)的各種 通信系統(tǒng)。當(dāng)控制的峰均功率比WPi 。-8dB時(shí)，和傳統(tǒng)的基于OFDM符 號(hào)反饋重傳方式(稱為ACK)相比，對(duì)于釆用64QAM調(diào)制，在SW -18dB 的情形下，基于噴泉碼的傳送方式在高斯信道下歸一化的數(shù)據(jù)吞吐量要提 高10%。


圖1是本發(fā)明的信息傳輸?shù)南到y(tǒng)框圖2是本發(fā)明中基于包的噴泉碼編碼示意圖。圖3是本發(fā)明中控制峰均功率比的工作流程圖
圖4是本發(fā)明中接收機(jī)端數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)的工作示意圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和一組具體參數(shù)對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明
如圖1所示，本發(fā)明提供的基于噴泉編碼控制OFDM信號(hào)峰均功率比 的信息傳輸方法，設(shè)待發(fā)送報(bào)文包含《個(gè)信源數(shù)據(jù)包，每個(gè)信源數(shù)據(jù)包包
含iV個(gè)《進(jìn)制符號(hào)，則一個(gè)待發(fā)送的報(bào)文由尺.W個(gè)g進(jìn)制符號(hào)構(gòu)成；其中， g = 2m， m為自然數(shù)，夂和W均為正整數(shù)，包括下述步驟
(1) 信源數(shù)據(jù)包噴泉編碼步驟
如圖2所示，每K個(gè)信源數(shù)據(jù)包共/^iV個(gè)《進(jìn)制符號(hào)構(gòu)成一個(gè)待發(fā)送 的報(bào)文。
一個(gè)信源包的長度為iV。將K個(gè)信源包("。，， _》，
(6。，V.、Vi)，…，(/0，,，…，/am)重新排序成數(shù)據(jù)包("。，V"，/0)，
^a,…，y;)，…，( —"Vp…，a—j。重新排序后的第z'個(gè)數(shù)據(jù)包(",，v",y;)
經(jīng)噴泉編碼輸出半無限序列(4，A，…，《，…)，hO，i，…,w-1。按列序讀半
無限序列得到噴泉數(shù)據(jù)包序列(4,4,…,a-,)， (a，a，…，^m)，…，
實(shí)際所使用的噴泉編碼可以是LT (Luby Transform)碼，Raptor碼， Reed-Solomon碼，或者基于有限域GF(q)的多進(jìn)制隨機(jī)噴泉碼等。
(2) 反傅立葉變換(IDFT)步驟 依次對(duì)得到的每個(gè)噴泉數(shù)據(jù)包序列先后進(jìn)行調(diào)制、串并轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行
IDFT變換，這樣就得到了 一個(gè)OFDM信號(hào)；
(3) OFDM信號(hào)峰均功率比控制步驟如圖3所示，利用式(I)計(jì)算每一個(gè)經(jīng)IDFT變換后的OFDM信號(hào)的 峰均功率比A4Pi ，如果W/^小于預(yù)先設(shè)置的峰均功率比控制值/Mi^。，即 iMi^<il4Pi 。，則對(duì)該OFDM信號(hào)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換后被送入到信道中，否則 該OFDM信號(hào)包將被丟棄；
<formula>formula see original document page 9</formula>(I)
式中，^為該OFDM信號(hào)中第"個(gè)取樣值的功率；
峰均功率比控制值iMPi ?？筛鶕?jù)系統(tǒng)能夠承受的成本(即計(jì)算復(fù)雜度) 來預(yù)先設(shè)置。如果/M戶i 。設(shè)置較小，計(jì)算復(fù)雜度就高，反之，計(jì)算復(fù)雜度就 很低，如實(shí)例中的分析。通常情況下，iM戶A的預(yù)設(shè)范圍因調(diào)制方式和子載
波的長度的不同而不同。 一般情況下，對(duì)于任何情況下的OFDM系統(tǒng)， /M尸i ?？稍O(shè)置為[7.5 8.0]dB之間的任何一個(gè)值，可以滿足在成本比較低的情
況下，所控制的/M戶i 也能滿足系統(tǒng)性能的需求；
(4) 接收機(jī)接收到信道輸出的信號(hào)，首先對(duì)此信號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，然 后對(duì)該信號(hào)進(jìn)行DFT變換；接著對(duì)DFT變換后的信號(hào)先后進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換 和解調(diào)(與發(fā)射機(jī)端的調(diào)制相對(duì)應(yīng))；
(5) 判斷接收機(jī)是否已經(jīng)正確接收到了所需數(shù)目M個(gè)的正確數(shù)據(jù)包， 如圖4所示，如果已經(jīng)正確接收到所需數(shù)目A/的數(shù)據(jù)包，則轉(zhuǎn)入到步驟(6); 否則，否則，接收機(jī)繼續(xù)接收數(shù)據(jù)包；
所需接收到正確的數(shù)據(jù)包數(shù)M取決于所使用的噴泉編碼方式，實(shí)際上， 所需接收到的正確數(shù)據(jù)包數(shù)M通常設(shè)置為等于K(l + e)，式中s是實(shí)際噴泉
的開銷， 一般取值在0%~5%間，由實(shí)際所選用的噴泉編碼決定。例如，使用Reed-Solomon碼作為噴泉碼，則只需接收到《個(gè)數(shù)據(jù)包即可，此時(shí)f-O。
如果Raptor碼作為噴泉碼，s可選擇為2%。
(6)發(fā)射機(jī)停止報(bào)文發(fā)送和接收機(jī)譯碼步驟接收機(jī)向發(fā)射機(jī)反饋停 止發(fā)送的信號(hào)，發(fā)射機(jī)接收到接收機(jī)反饋的停止發(fā)送信號(hào)后，立即停止本 報(bào)文的噴泉數(shù)據(jù)包的發(fā)送；同時(shí)，接收機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行噴泉碼譯 碼(噴泉碼譯碼與步驟(1)中的噴泉碼編碼相對(duì)應(yīng))，正確恢復(fù)出原始的《 個(gè)信源包。
實(shí)例
參數(shù)說明調(diào)制方式采用QPSK、 16QAM或64QAM。噴泉編碼采用 基于有限域GF(q)的隨機(jī)編碼，有限域q的值與調(diào)制階數(shù)一致。例如，如果 使用16QAM調(diào)制，則噴泉碼是基于GF(16)進(jìn)行編碼。編碼長度尺=100， 所需正確數(shù)據(jù)包數(shù)^ =尺。子載波數(shù)iV-512的OFDM系統(tǒng)。
仿真結(jié)果表明，對(duì)于預(yù)先給定的峰均功率比控制值iMi^。，本發(fā)明基于 噴泉編碼的峰均功率比控制方法，確實(shí)可以將OFDM信號(hào)的峰均功率比控 制在要求的范圍之內(nèi)。
當(dāng)iMM。比較大時(shí)，使用此發(fā)明的方法，其復(fù)雜度比較低。例如當(dāng) iM尸及。> 8.5 dB時(shí)，每平均傳送一個(gè)OFDM符號(hào)需要進(jìn)行的IDFT運(yùn)算小于 1.3次。隨著iMPJ 。的降低，使用噴泉碼控制峰均功率比的計(jì)算復(fù)雜度逐漸 上升。例如，當(dāng)P」Pi 。 = 7.5dB時(shí)，每平均傳送一個(gè)OFDM符號(hào)需要進(jìn)行的 IDFT運(yùn)算上升到6.4次。當(dāng)iMPi 。-7.0dB時(shí)，每平均傳送一個(gè)OFDM符號(hào) 需要進(jìn)行的IDFT運(yùn)算將大于30次。因此，使用噴泉編碼控制峰均功率比，
應(yīng)根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)設(shè)值P^^。，將計(jì)算復(fù)雜度控制在合適的水平。
發(fā)送端發(fā)送的OFDM符號(hào)經(jīng)過信道傳送后，由于信道中存在干擾和噪 聲，在收端譯碼可能會(huì)出錯(cuò)。出錯(cuò)的包將被丟棄。采用噴泉編碼，16QAM 的調(diào)制方式，SNR45dB時(shí)，接收機(jī)每成功譯出一個(gè)OFDM符號(hào)，發(fā)送端需要作IFFT的平均次數(shù)為3次。如果信道質(zhì)量很差(<10dB)，信道包丟 失率嚴(yán)重，采用此方面方法，其復(fù)雜度較高。但在實(shí)際系統(tǒng)中， 一般丟包 率遠(yuǎn)小于l。因此，信道誤幀所造成的復(fù)雜度增加可忽略。
以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施 例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等 效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1、一種基于噴泉編碼控制OFDM信號(hào)峰均功率比的信息傳輸方法，設(shè)待發(fā)送報(bào)文包含K個(gè)信源數(shù)據(jù)包，每個(gè)信源數(shù)據(jù)包包含N個(gè)q進(jìn)制符號(hào)，則一個(gè)待發(fā)送的報(bào)文由K·N個(gè)q進(jìn)制符號(hào)構(gòu)成；其中，q＝2m，m為自然數(shù)，K和N均為正整數(shù)；包括下述步驟(1)將待發(fā)送報(bào)文中的K個(gè)信源包(a0，a1，…，aN-1)，(b0，b1，…，bN-1)，…，(f0，f1，…，fN-1)重新排序成數(shù)據(jù)包(a0，b0，…，f0)，(a1，b1，…，f1)，…，(aN-1，bN-1，…，fN-1)；將重新排序后的第i個(gè)數(shù)據(jù)包(ai，bi，…，fi)經(jīng)過噴泉編碼后輸出半無限序列(Ai，Bi，…，F(xiàn)i，…)，i＝0，1，…，N-1；按列序讀半無限序列得到噴泉數(shù)據(jù)包序列(A0，A1，…，AN-1)，(B0，B1，…，BN-1)，…，(F0，F(xiàn)1，…，F(xiàn)N-1)，…；(2)依次對(duì)得到的每個(gè)噴泉數(shù)據(jù)包序列先后進(jìn)行調(diào)制、串并轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行反傅立葉變換，這樣就得到了一個(gè)OFDM信號(hào)；(3)利用式(I)計(jì)算每一個(gè)經(jīng)IDFT變換后的OFDM信號(hào)的峰均功率比PAPR，如果PAPR小于預(yù)先設(shè)置的峰均功率比控制值PAPR0，即PAPR<PAPR0，則對(duì)該OFDM信號(hào)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換后被送入到信道中，否則該OFDM信號(hào)包將被丟棄；式中，Pn為該OFDM信號(hào)中第n個(gè)取樣值的功率；(4)接收機(jī)接收到信道輸出的信號(hào)，首先對(duì)此信號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，然后對(duì)該信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換；接著對(duì)傅立葉變換后的信號(hào)先后進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換和與發(fā)射機(jī)端的調(diào)制相對(duì)應(yīng)的解調(diào)；(5)判斷接收機(jī)是否已經(jīng)正確接收到了M個(gè)正確數(shù)據(jù)包，如果是，轉(zhuǎn)入步驟(6)；否則，接收機(jī)繼續(xù)接收數(shù)據(jù)包；M依據(jù)所使用的噴泉編碼方式確定，M＝K(1+ε)，ε為實(shí)際噴泉的開銷，取值為0％～5％；(6)接收機(jī)向發(fā)射機(jī)反饋停止發(fā)送的信號(hào)，發(fā)射機(jī)接收到接收機(jī)反饋的停止發(fā)送信號(hào)后，停止本報(bào)文的噴泉數(shù)據(jù)包的發(fā)送；同時(shí)，接收機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行噴泉碼譯碼，正確恢復(fù)出原始的K個(gè)信源包。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于噴泉編碼控制OFDM信號(hào)峰均功率 比的信息傳輸方法，其特征在于峰均功率比控制值iMP及。的取值范圍為7.5至8.0dB。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于噴泉編碼控制OFDM信號(hào)峰均功率比的信息傳輸方法。該方法將包含K個(gè)信源數(shù)據(jù)包的報(bào)文經(jīng)噴泉編碼，得到噴泉包序列，經(jīng)過調(diào)制、串并轉(zhuǎn)換和IDFT后得到OFDM信號(hào)。計(jì)算OFDM信號(hào)的峰均功率比并選擇滿足控制要求的信號(hào)經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后發(fā)送。在接收機(jī)端，接收到的信號(hào)經(jīng)串并轉(zhuǎn)換、DFT和并串轉(zhuǎn)換后進(jìn)行解調(diào)。當(dāng)接收機(jī)接收到足夠多的數(shù)據(jù)包時(shí)，則向發(fā)射機(jī)端反饋停止發(fā)送的信號(hào)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行噴泉譯碼恢復(fù)出原始的K個(gè)信源包。發(fā)射機(jī)收到停止發(fā)送信號(hào)即停止發(fā)送。本發(fā)明能有效地控制OFDM信號(hào)的峰均功率比，具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力、節(jié)省帶寬和提高吞吐量，可應(yīng)用于采用OFDM技術(shù)的各種通信系統(tǒng)。對(duì)64QAM，SNR＝18dB，本方法在高斯信道下歸一化的數(shù)據(jù)吞吐量可提高10％。
文檔編號(hào)H04L1/00GK101420407SQ200810197999
公開日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2008年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月2日
發(fā)明者屈代明, 濤 江 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)