聯(lián)合星座擴展與預(yù)留子載波的lte系統(tǒng)ofdm信號峰均比抑制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種聯(lián)合星座擴展與預(yù)留子載波的LTE系統(tǒng)正交頻分復(fù)用OFDM信號峰均比抑制方法，將主動星座擴展智能梯度映射算法原理與預(yù)留子載波最小平方估計算法相結(jié)合，通過修正星座點位置，以有效實現(xiàn)對信號峰均比性能、系統(tǒng)誤碼率性能、以及發(fā)射信號帶外頻譜擴展性能的控制。本發(fā)明能獲得較快的收斂速度，并有效優(yōu)化系統(tǒng)運行時間，以保證在對系統(tǒng)誤碼率性能影響很小的情況下，顯著地降低OFDM信號的峰均比，提高了LTE系統(tǒng)的整體綜合性能。
【專利說明】聯(lián)合星座擴展與預(yù)留子載波的LTE系統(tǒng)OFDM信號峰均比抑 制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種聯(lián)合星座擴展與預(yù)留子載波LTE系 統(tǒng)正交頻分復(fù)用0FDM信號峰均比抑制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 正交頻分復(fù)用0FDM調(diào)制是一種多載波調(diào)制技術(shù)，由于其符號間子載波相互正交， 因此能夠顯著減小系統(tǒng)的碼間干擾；與單載波調(diào)制相比，其頻譜效率更高；此外，通過插入 保護間隔，0FDM調(diào)制技術(shù)可以更好地抵抗多徑信道。由于這些優(yōu)點，0FDM技術(shù)已被廣泛應(yīng) 用于無線通信系統(tǒng)中。但是，0FDM調(diào)制主要缺點是其發(fā)射信號具有高峰均比PAPR特性，當 發(fā)射機采用非線性功率放大器時，會引起嚴重的帶內(nèi)和帶外性能惡化。此外，由于高峰均比 信號具有很大的動態(tài)變化范圍，所以要求高分辨率的量化器以減小量化誤差，這就要求系 統(tǒng)傳輸更多的有效信息位比特，從而增加接收機前端的復(fù)雜度和功率負荷。
[0003] 為了降低0FDM信號的峰均比，迄今業(yè)界已提出了許多解決方法，例如預(yù)留子載波 方法?，F(xiàn)有預(yù)留子載波方法的主要思路是：發(fā)送端首先保留少量未承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的子載波 作為預(yù)留子載波，然后對原始頻域輸入信號進行處理，得到能抑制0FDM系統(tǒng)PAPR的消峰信 號；消峰信號經(jīng)過IFFT變換后，再把時域消峰信號疊加到原始時域信號上，以得到PAPR值 更小的合成信號；再將得到的合成信號作為發(fā)射信號。由于時域消峰信號在發(fā)送端易于產(chǎn) 生，且在接收端也易于濾除，且無需傳送額外的邊帶信息，受到了廣泛的關(guān)注。例如，2011 年，LiH在IEEETransactionsonBroadcasting匯干丨J發(fā)表的論文"Animprovedtone reservationschemewithfastconvergenceforPAPRreductioninOFDMsystems，' 中提出的一種預(yù)留子載波算法，其基本思想是用最小平方估計預(yù)留子載波算法求出最優(yōu)系 數(shù)，再將時域消峰信號乘于最優(yōu)系數(shù)以產(chǎn)生新的時域消峰信號，從而減小迭代次數(shù)；但是， 該算法中的限幅操作會造成非線性失真和頻譜擴展，惡化誤碼率BER性能。由預(yù)留子載波 算法的基本思想可知，算法的目標是找到合適的時域消峰信號使最終輸出的0FDM時域信 號有最小的PAPR值，但是，現(xiàn)有預(yù)留子載波技術(shù)方法在進行確定合適的時域消峰信號相關(guān) 處理時，往往將該過程轉(zhuǎn)化為一個凸函數(shù)的優(yōu)化問題，但凸函數(shù)優(yōu)化問題意味著非常大的 運算復(fù)雜度以及大量的迭代次數(shù)，即長的系統(tǒng)運行時間，從而導(dǎo)致其算法實現(xiàn)成本高，難以 適用于實際的LTE系統(tǒng)；而且，凸優(yōu)化處理缺乏必要的算法靈活性與自適應(yīng)性，當輸入的寬 帶信號統(tǒng)計分布復(fù)雜或優(yōu)化處于非穩(wěn)態(tài)信號條件下時，其峰均比PAPR抑制效果并不理想， 甚至導(dǎo)致誤碼率性能惡化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種聯(lián)合星座擴展與預(yù)留子載波LTE系統(tǒng)0FDM信號峰均 比抑制方法，旨在解決現(xiàn)有預(yù)留子載波算法的峰均比抑制綜合性能效率低下的問題。
[0005] 本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種聯(lián)合星座擴展與預(yù)留子載波LTE系統(tǒng)0FDM信號峰均比 抑制方法，該聯(lián)合星座擴展與預(yù)留子載波LTE系統(tǒng)OFDM信號峰均比抑制方法將主動星座擴 展中的智能梯度映射算法原理與預(yù)留子載波最小平方估計算法相結(jié)合，通過修正星座點位 置，實現(xiàn)信號峰均比性能、系統(tǒng)誤碼率性能、以及發(fā)射信號帶外頻譜擴展性能的控制；包括 以下步驟：
[0006] 第一步，將0FDM調(diào)制信號經(jīng)上采樣得到原始0FDM信號；
[0007] 第二步，設(shè)置迭代參數(shù)初始值；
[0008] 第三步，對原始0FDM信號進行限幅操作；
[0009] 第三步，將限幅后的信號變換到頻域，進行頻域星座修正后，再變換到時域，接著 進行最小平方估計和智能梯度映射，得到傳輸信號，并計算傳輸信號的峰均比；
[0010] 第五步，根據(jù)迭代參數(shù)判斷迭代是否結(jié)束，結(jié)束，即獲得滿足系統(tǒng)峰均比PAPR要 求的傳輸信號，否則，繼續(xù)迭代。
[0011] 進一步，該聯(lián)合星座擴展與預(yù)留子載波LTE系統(tǒng)0FDM信號峰均比抑制方法包括以 下步驟：
[0012] 步驟一：對輸入信號進行正交幅度調(diào)制和串并變換后，隨機選擇L個預(yù)留子載波 的位置，對L個預(yù)留子載波的位置分配0和其他N-L個數(shù)據(jù)子載波的位置分配正交幅度調(diào) 制得到的頻域有效數(shù)據(jù)信息，得到N點頻域信號I,其中，N表示0FDM調(diào)制包含的子載波個 數(shù)，L表示0FDM調(diào)制包含的預(yù)留子載波個數(shù)，r= 0, 1，…，N-1 ;
[0013] 步驟二：對信號足進行上采樣得到原始0FDM頻域信號Xk，其中，k= 0，1，? ，JN_1，J表示上采樣因子，JN表示上采樣后0FDM系統(tǒng)包含的子載波個數(shù)；然后將信號Xk進 行IFFT變換得到原始0FDM時域信號xn，其中，n= 0, 1，…，JN-1 ;
[0014] 步驟三：設(shè)置初始值：
[0015] 令迭代次數(shù)m= 1、子載波個數(shù)N，并根據(jù)系統(tǒng)要求的峰均比PAPR及系統(tǒng)誤碼率 BER設(shè)置最大迭代次數(shù)M、限幅門限A、預(yù)留子載波個數(shù)L，開始進行迭代，本實例設(shè)置M= 4、 A= 2'E{|xn|}，n= 0，l，...，JN-l;
[0016] 步驟四：計算限幅前的信號xn的幅值，并將該幅值與A比較；
[0017] 步驟五：信號7"減去信號xn，得到時域限幅噪聲信號fn:
[0018] fn=yn-xn,
[0019] 其中，n= 0, 1，…，JN-1，fn表示時域限幅噪聲信號；
[0020] 步驟六：對限幅噪聲信號fn進行FFT變換，得到頻域限幅噪聲信號Fk:

【權(quán)利要求】
1. 一種聯(lián)合星座擴展與預(yù)留子載波LTE系統(tǒng)OFDM信號峰均比抑制方法，其特征在于， 該聯(lián)合星座擴展與預(yù)留子載波LTE系統(tǒng)OFDM信號峰均比抑制方法，首先，通過修正星座點 位置，即在原始低幅值OFDM信號的子載波頻率上疊加擴展向量，達到在保持峰值功率不變 的前提下使信號平均功率提高，從而降低信號峰均比；其次，在保證星座點間最小距離不變 的情況下，對外部星座點進行擴展，增大最小歐式距離，從而改善系統(tǒng)的誤碼率性能；最后， 在發(fā)送端發(fā)送信號前，還對發(fā)射信號做了功率歸一化處理；具體包括以下步驟： 步驟一：對輸入信號進行正交幅度調(diào)制和串并變換后，隨機選擇L個預(yù)留子載波的位 置，對L個預(yù)留子載波的位置分配0和其他N-L個數(shù)據(jù)子載波的位置分配正交幅度調(diào)制得 到的頻域有效數(shù)據(jù)信息，得到N點頻域信號無^其中，N表示OFDM調(diào)制包含的子載波個數(shù)，L表示OFDM調(diào)制包含的預(yù)留子載波個數(shù)，r= 0, 1，…，N-I; 步驟二：對信號足進行上采樣得到原始OFDM頻域信號Xk，其中，k= 0, 1，"'JN-I，J表示上采樣因子，JN表示上采樣后OFDM系統(tǒng)包含的子載波個數(shù)；然后將信號Xk進行IFFT 變換得到原始OFDM時域信號Xn，其中，η= 0, 1，…，JN-I; 步驟三：設(shè)置初始值： 令迭代次數(shù)m= 1、子載波個數(shù)Ν，并根據(jù)系統(tǒng)要求的峰均比PAPR及系統(tǒng)誤碼率BER設(shè) 置最大迭代次數(shù)M、限幅門限A、預(yù)留子載波個數(shù)L，開始進行迭代，本實例設(shè)置M= 4、A= 2XE{|xn|}，n= 0, 1，…，JN-I; 步驟四：計算限幅前的信號Xn的幅值，并將該幅值與A比較； 步驟五：信號7"減去信號Xη，得到時域限幅噪聲信號fn: fn=Υn_Xn， 其中，η= 0, 1，"'JN-I，fn表示時域限幅噪聲信號； 步驟六：對限幅噪聲信號fn進行FFT變換，得到頻域限幅噪聲信號Fk:
其中，k= 0, 1，…，JN-I，F(xiàn)k表示頻域限幅噪聲信號； 步驟七：根據(jù)頻域信號Fk獲得傳輸信號A，并計算其峰均比PAPR; 步驟八：獲得滿足系統(tǒng)峰均比PAPR性能要求的傳輸信號。
2. 如權(quán)利要求1所述的聯(lián)合星座擴展與預(yù)留子載波LTE系統(tǒng)OFDM信號峰均比抑制方 法，其特征在于，所述的聯(lián)合星座擴展與預(yù)留子載波LTE系統(tǒng)OFDM信號峰均比抑制方法包 含的迭代方法包括以下步驟： 第一步，將OFDM調(diào)制信號經(jīng)上采樣得到原始OFDM信號； 第二步，設(shè)置迭代參數(shù)初始值； 第三步，對原始OFDM信號進行限幅操作； 第三步，將限幅后的信號變換到頻域，進行頻域星座修正后，再變換到時域，接著進行 最小平方估計和智能梯度映射，得到傳輸信號，并計算傳輸信號的峰均比； 第五步，根據(jù)迭代參數(shù)判斷迭代是否結(jié)束，結(jié)束，即獲得滿足系統(tǒng)峰均比PAPR要求的 傳輸信號，否則，繼續(xù)迭代。
3. 如權(quán)利要求1所述的聯(lián)合星座擴展與預(yù)留子載波LTE系統(tǒng)OFDM信號峰均比抑制方 法，其特征在于，在步驟八中，m〈M，則令迭代次數(shù)m=m+1，用傳輸信號< 代替原始OFDM信 號Xn，返回步驟三繼續(xù)執(zhí)行；m=M，則迭代結(jié)束，步驟六所得的傳輸信號5,,即為滿足系統(tǒng)峰 均比PAPR性能要求的信號，并輸出傳輸信號九。
4. 如權(quán)利要求1所述的聯(lián)合星座擴展與預(yù)留子載波LTE系統(tǒng)OFDM信號峰均比抑制方 法，其特征在于，步驟四的具體方法包括： 第一步，存在采樣點的幅值大于限幅門限A，則對原始OFDM信號Xn進行限幅操作，得到 限幅后的信號7"為：
其中，η= 0, 1，…，JN-1，Xn表示限幅前的信號，yn表示限幅后的信號，A是限幅門限，j是虛數(shù)單位，exp( ·)是自然指數(shù)函數(shù)，I·I是求模運算符； 第二步，所有采樣點的幅值均小于或等于限幅門限A，則停止迭代，直接輸出傳輸信號 XnO
5. 如權(quán)利要求1所述的聯(lián)合星座擴展與預(yù)留子載波LTE系統(tǒng)OFDM信號峰均比抑制方 法，其特征在于，步驟七具體包括： 第一步，取出Fk中L個預(yù)留子載波位置處的值，將N-L個數(shù)據(jù)子載波位置處的值置0， 以及（N-I)J個上采樣點位置處的置0,得到頻域信號Ck，即：
其中，k= 0, 1，…，JN-1，U1,i2，…，ij表示預(yù)留子載波集合； 第二步，對Ck進行IFFT變換，得到時域信號cn，即：
其中，η= 0, 1，…，JN-I; 第三步，用最小平方估計預(yù)留子載波算法求出最優(yōu)系數(shù)P; 第四步，將cn乘以ρ，得到新的時域信號ξ,，即：c"=cnxp, 其中，η= 0, 1，…，JN-I; 第五步，取出Fk中N-L個數(shù)據(jù)子載波位置處的值，將L個預(yù)留子載波位置處的值置0， 以及（N-I)J個上采樣點位置處的置0,得到頻域信號G，即：
其中，k= 0, 1，…，JN-1，IJ1,j2，…，jN_J表示數(shù)據(jù)子載波集合； 第六步，對G:進行星座修正操作，得到頻域信號C' k; 星座調(diào)制方式選用QPSK調(diào)制，則星座修正的限制條件為：
其中，k= 0, 1，···，JN-I，xk表示星座修正前的頻域OFDM信號，4表示擴展信號，Re{ ·} 和Im{ · }分別代表實部和虛部； 第七步，對C't進行IFFT變換，得到時域信號c'n，即：
其中，η= 0, 1，…，JN-I; 第八步，用智能梯度映射主動星座擴展算法求出放大倍數(shù)μ; 第九步，將c'n乘以μ，得到新的時域信號'，即： 其中，η= 0, 1，…，JN-I; 第十步，限幅前的信號Xn加上時域信號&和€，得到新的傳輸信號元，即： \=Χη+δη+^η， 其中，η= 0, 1，…，JN-I; 第i^一步，根據(jù)峰均比PAPR定義計算傳輸信號A的峰均比PAPR:
其中，max {·}表示取最大值運算符，E{IX12}表示輸入信號X的平均功率。
6.如權(quán)利要求5所述的聯(lián)合星座擴展與預(yù)留子載波LTE系統(tǒng)OFDM信號峰均比抑制方 法，其特征在于，第三步具體包括： (1)最小平方估計預(yù)留子載波算法的優(yōu)化目標是：
其中，min{ · }表示取最小值運算符，集合P= {n| |fn| > 0}; ⑵定義-|乂|]2,對g(p)求導(dǎo)數(shù)，求解出最優(yōu)系數(shù)p: neP
其中，I表示偏導(dǎo)數(shù)的記號，f表示求關(guān)于P的偏導(dǎo)數(shù)；
dp
7.如權(quán)利要求5所述的聯(lián)合星座擴展與預(yù)留子載波LTE系統(tǒng)OFDM信號峰均比抑制方 法，其特征在于，第八步具體包括： (1) 求出信號的最大幅值E和最大幅值位置nmax:
其中，argmax{ · }表示使目標函數(shù)取最大值的變量值； (2) 信號&在(^方向的投影為：
(3) 最大幅值點和其他采樣點平衡的μn值為：
其中，c'，"表示信號X1^cn方向的投影，表示在最大幅值位置η_處，信號 在方向的投影； (4) 取μn中的最小值，求出μ值：
其中，min{ · }表示取最小值運算符。
【文檔編號】H04L27/26GK104468455SQ201410840945
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月29日
【發(fā)明者】王勇, 劉芳, 宮豐奎, 葛建華 申請人:西安電子科技大學(xué)