本發(fā)明涉及一種fbmc系統(tǒng)中通過星座映射與部分傳輸序列降低信號峰均比的方法，屬于無線通信技術(shù)研究領(lǐng)域。

縮略語和關(guān)鍵術(shù)語定義

背景技術(shù)：

隨著無線通信技術(shù)的提高，人們對通信的質(zhì)量要求也隨之變高。由于多載波通信系統(tǒng)具有頻譜效率高、頻譜利用靈活等優(yōu)勢，使得多載波通信系統(tǒng)成為主要研究方向。在多載波系統(tǒng)中，其中部分信號受到干擾時(shí)只會影響到并行傳輸信號中的一部分子信道的信號傳輸質(zhì)量，并會不影響整個通信。雖然多載波通信具有較多的優(yōu)勢，但是信號存在較高的峰均比，容易導(dǎo)致相鄰頻帶的信號失真影響整體的通信性能。因此，降低多載波信號峰均比的研究就顯得尤為重要了。

由于各種技術(shù)發(fā)展的需要以及頻譜資源分配的不合理等因素，正交頻分復(fù)用(ofdm)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。盡管ofdm技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行商用，但是也存在著種種缺點(diǎn)，為了滿足下一代5g通信系統(tǒng)高數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)男枰琭bmc-oqam系統(tǒng)技術(shù)吸引了許多人的興趣。它是一種基于多載波的采用交錯正交幅度調(diào)制的通信方式。與ofdm系統(tǒng)比較，最直觀的是在fbmc-oqam系統(tǒng)中信號不需要循環(huán)保護(hù)，因此，在相同的條件下fbmc-oqam數(shù)據(jù)傳輸速率比ofdm高。

峰均比降低技術(shù)研究已經(jīng)有很長的時(shí)間，研究人員從不同的場景角度考慮，提出了許多降低信號峰均比的方法，主要可以分為有失真技術(shù)和無失真技術(shù)。信號無失真方案中，信號不會發(fā)生畸變；而在信號有失真方案中，其處理信號的基本思想是對信號進(jìn)行非線性處理，從而降低信號的峰均比值，雖然這種方法比較簡單但是在接收端解調(diào)出來的信號會產(chǎn)生較高的誤碼率。

(1)信號無失真技術(shù)：編碼類技術(shù)主要是對信號進(jìn)行編碼操作，利用傳輸?shù)拇a字集合對信號進(jìn)行處理，選擇那些能夠使峰均比減小或者最小的碼字，然后從碼字集合中選出信號的峰值幅度比較低的碼字集合用于傳輸，可以避免較高的峰值出現(xiàn)，此外編碼類技術(shù)也不會引起信號失真和帶外輻射。在文獻(xiàn)1中提出了基于bch碼、m序列、golay互補(bǔ)序列和hadamard碼的編碼類技術(shù)來降低峰均比。概率類的方法主要是降低信號中高峰值出現(xiàn)的概率而不是降低信號中功率的最大值。在文獻(xiàn)2中提出了選擇映射方法(slm)，其基本思想是輸入的信號用m個統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的向量xm(1≤m≤m)進(jìn)行表示，經(jīng)過變換降低信號峰均比出現(xiàn)的概率。

(2)信號有失真技術(shù)：壓擴(kuò)類技術(shù)方法的基本思想是在發(fā)射端對原始的時(shí)域信號進(jìn)行非線性的變換，對其中幅值比較大的信號進(jìn)行壓縮，對幅值比較小的信號進(jìn)行擴(kuò)大，但需要保持變換之后的平均功率和原始信號的平均功率相等。在文獻(xiàn)3中提出了限幅類方法，它最簡單的降低峰均比方案，該類方法的基本思想是，設(shè)置一個初始的門限值，當(dāng)信號的幅度高于該門限值時(shí)，信號的幅度就保持與該設(shè)定的門限值相同，并且相位不變。雖然該方法的實(shí)現(xiàn)比較簡單，但對信號進(jìn)行削峰后會使信號產(chǎn)生帶內(nèi)失真，從而使ber性能下降，產(chǎn)生帶外輻射，對相鄰的信道產(chǎn)生干擾等問題。

降低信號峰均比的技術(shù)難點(diǎn)，主要有以下幾個方面：

(1)頻譜資源利用率：在已有的概率類方法中，為了在接收端準(zhǔn)確的解調(diào)出發(fā)送的信號，需要知道信號在發(fā)送端的相位旋轉(zhuǎn)信息。因此，在發(fā)送有用信號的同時(shí)需要將相位旋轉(zhuǎn)因子作為邊帶信息進(jìn)行發(fā)送。這樣就會降低頻譜資源的利用率。

(2)峰值再生：如果降低信號的峰均比采用非線性的處理，雖然在一定的程度上可以降低信號的帶外干擾和帶內(nèi)噪聲，但是信號經(jīng)過濾波之后仍然容易出現(xiàn)峰值再生的現(xiàn)象。

(3)傳輸速率：利用傳輸?shù)拇a字集合對信號進(jìn)行處理，選擇那些能夠使峰均減小或者最小的碼字，然后從碼字集合中選出信號的峰值幅度比較低的碼字集合用于傳輸，可以避免較高的峰值出現(xiàn)，但是，信號的傳輸速率也會明顯降低。

信號是由經(jīng)過調(diào)制且相互獨(dú)立的若干個子載波信號疊加而成的，所以當(dāng)子載波信號的相位相同或者相近時(shí)就會使系統(tǒng)的輸出信號產(chǎn)生較高的峰均比。pts(pts算法模型的框圖見附圖1)的主要思想是使用多個相互獨(dú)立的相位序列和輸入的數(shù)據(jù)相乘，生成多組序列來表示同一組相同的信號，這樣在滿足給定的papr閾值的條件下，選擇其中papr值最小的那一組信號進(jìn)行傳輸，減小高峰均功率比產(chǎn)生的概率。

部分傳輸(pts)技術(shù)是將數(shù)據(jù)x分割成v組連續(xù)分布、大小相同且互不相交的子載波塊，可以表示成如下的形式：

x＝[x¹,x²,…,x^υ]^t

其中，x^υ表示第υ個子載波塊，υ＝1,2,…,v。從圖1中我們可以看出pts方法是對每一個子載波塊進(jìn)行獨(dú)立相位旋轉(zhuǎn)。從相位旋轉(zhuǎn)序列集合b＝{e^j2πi/w|i＝0,1,…,w-1}中為第υ個子載波塊x^υ選擇一個相位旋轉(zhuǎn)因子b^υ，形成相位旋轉(zhuǎn)因子序列b＝[b¹,…,b^v]，第υ個子載波塊x^υ與對應(yīng)的相位旋轉(zhuǎn)因子b^υ相乘后，再經(jīng)過ifft變換和疊加運(yùn)算可得到相位旋轉(zhuǎn)因子序列b情況下得到的備選發(fā)送數(shù)據(jù)x，表示成如下的形式：

其中，x^υ為x^υ經(jīng)ifft變換后的結(jié)果，w為相位旋轉(zhuǎn)因子選擇的進(jìn)制數(shù)。

計(jì)算備選發(fā)送數(shù)據(jù)x的峰均功率比papr，從所有相位旋轉(zhuǎn)因子序列b情況中，選取峰均功率比papr最小的備選發(fā)送數(shù)據(jù)x作為待發(fā)送數(shù)據(jù)待發(fā)送數(shù)據(jù)對應(yīng)的相位旋轉(zhuǎn)因子序列b作為最優(yōu)相位旋轉(zhuǎn)因子序列表示成如下的形式：

其中，x^υ包括n個頻域符號，x^υ[n]為x^υ中的第n個頻域符號。

下面以w＝2的情況進(jìn)行舉例說明pts方法的步驟，當(dāng)w＝2時(shí)，b＝{1,-1}，也即b^υ的可選值為1和-1兩種，算法步驟如下：

結(jié)合上面的例子，可以看出現(xiàn)有的pts方法存在如下的技術(shù)缺點(diǎn)：

(1)因?yàn)樵趯?shí)際的應(yīng)用中需要考慮到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度問題，所以為了減小復(fù)雜度相位旋轉(zhuǎn)因子只在一個有限的相位旋轉(zhuǎn)序列集合b＝{e^j2πi/w|i＝0,1,…,w-1}中選??；盡管這樣，最優(yōu)相位旋轉(zhuǎn)向量的選擇理論上還是需要進(jìn)行w^v次計(jì)算，并且計(jì)算的復(fù)雜度也會隨著子載波塊數(shù)目的增加呈指數(shù)級增長。

(2)通常情況下，為了提高系統(tǒng)的誤碼率性能，需要將產(chǎn)生最小papr值的相位旋轉(zhuǎn)因子作為邊帶信息和具有最小papr的數(shù)據(jù)一起發(fā)送，這樣在接收端才能夠較為準(zhǔn)確的恢復(fù)出原始信號。但同時(shí)，邊帶信息就會降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸速率，如果接收端不能夠準(zhǔn)確的解調(diào)出邊帶信息，也會降低系統(tǒng)的誤碼率性能。

參考文獻(xiàn)

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技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明對傳統(tǒng)的部分傳輸(pts)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，提出一種通過星座映射與部分傳輸序列降低信號峰均比的方法。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種降低fbmc系統(tǒng)中信號峰均比的方法，發(fā)送端的數(shù)據(jù)處理包括如下步驟：

(1)通過編碼操作將發(fā)送端的待發(fā)送原數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成四進(jìn)制數(shù)據(jù)，然后將轉(zhuǎn)換后的四進(jìn)制數(shù)據(jù)分別映射到星座圓上，形成數(shù)據(jù)x；

(2)數(shù)據(jù)x經(jīng)串并轉(zhuǎn)化后，分割成v組子載波塊x＝[x¹,x²,…,x^v]^t，x^υ表示第υ個子載波塊，υ＝1,2,…,v；

(3)從相位旋轉(zhuǎn)序列集合b中為第υ個子載波塊x^υ選擇一個相位旋轉(zhuǎn)因子b^υ，形成相位旋轉(zhuǎn)因子序列b＝[b¹,…,b^v]，第υ個子載波塊x^υ與對應(yīng)的相位旋轉(zhuǎn)因子b^υ相乘后，再經(jīng)過ifft變換和疊加運(yùn)算可得到相位旋轉(zhuǎn)因子序列b情況下得到的備選發(fā)送數(shù)據(jù)x，表示成如下的形式：

其中，x^υ為x^υ經(jīng)ifft變換后的結(jié)果；計(jì)算備選發(fā)送數(shù)據(jù)x的峰均功率比papr；

(4)基于步驟(3)的計(jì)算，從所有相位旋轉(zhuǎn)因子序列b情況中，選取峰均功率比papr最小的備選發(fā)送數(shù)據(jù)x作為待發(fā)送數(shù)據(jù)待發(fā)送數(shù)據(jù)對應(yīng)的相位旋轉(zhuǎn)因子序列b作為最優(yōu)相位旋轉(zhuǎn)因子序列表示成如下的形式：

其中，x^υ包括n個頻域符號，x^υ[n]為x^υ中的第n個頻域符號。

具體的，所述步驟(1)中，轉(zhuǎn)換后的四進(jìn)制數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)0映射到星座圓上，將數(shù)據(jù)1映射到星座圓(0,2j)上，將數(shù)據(jù)2映射到星座圓(-4,0)上，將數(shù)據(jù)3映射到星座圓上。

具體的，所述步驟(4)中，相位旋轉(zhuǎn)序列集合b為b＝{e^(2πj/2)i,i＝0,1}。

具體的，所述步驟(2)中，數(shù)據(jù)x經(jīng)串并轉(zhuǎn)化后，分割成v組的分組方法為相鄰分組，交織分組或隨機(jī)分組，其中隨機(jī)分組為最優(yōu)方法。

傳統(tǒng)的pts方案能夠有效的降低信號的峰均比，但是由于需要傳送相位旋轉(zhuǎn)信息，因此降低了系統(tǒng)的傳輸效率；此外，傳統(tǒng)的pts方案整體的計(jì)算復(fù)雜度比較大。本發(fā)明對發(fā)送端的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，進(jìn)行星座映射之后的數(shù)據(jù)即使乘以相位旋轉(zhuǎn)因子之后，所有的點(diǎn)都在同心圓上并且在進(jìn)行映射的過程中數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)重疊；這樣，在接收端不需要任何輔助的信息就可以將數(shù)據(jù)恢復(fù)出來，相比于傳統(tǒng)的pts方案提高了頻譜利用率。

本發(fā)明首先將數(shù)據(jù)映射到圓上，映射之后的數(shù)據(jù)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換將所有子載波采用相鄰分割的方法分割成v組，每一個分組都相互獨(dú)立；每一組的子載波分別乘以一個相位旋轉(zhuǎn)因子，再將所有的信號疊加起來，在所有的候選信號中選擇峰均比較小的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)降低峰均比的目標(biāo)算法框圖，如圖3所示。信號經(jīng)過ifft變換之后，時(shí)域的信號進(jìn)行循環(huán)移位，在頻域上等價(jià)于信號進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)，因此信號的幅值不會發(fā)生變化，即變換之后星座點(diǎn)仍然在原來的位置上。

在接收端進(jìn)行fft變換之后，時(shí)域信號變成頻域信號。并且信號的幅值不變，所以在接收端信號可以表示為re^jθ，r是接收信號的幅值，θ是接收信號的相角。因此，在接收端四進(jìn)制數(shù)據(jù)的判決規(guī)則如算法2所示。根據(jù)以下的判決方法采用星座映射的方法就能夠在接收端恢復(fù)出發(fā)送的四進(jìn)制數(shù)據(jù)，不需要額外傳送邊帶信息的情況下恢復(fù)出發(fā)送數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的發(fā)送速率。

算法2星座映射pts方案，接收端信號判決規(guī)則

有益效果：本發(fā)明提供的降低fbmc系統(tǒng)中信號峰均比的方法，采用了星座映射與部分傳輸序列相結(jié)合的方法，相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下優(yōu)勢：

1、傳統(tǒng)的pts方案在降低信號峰均比的過程中，信號預(yù)處理時(shí)只是進(jìn)行簡單的信號分組后乘以相位旋轉(zhuǎn)因子操作，導(dǎo)致在接收端需要額外傳送的邊帶信息進(jìn)行信號解調(diào)；本發(fā)明在信號預(yù)處理時(shí)進(jìn)行了信號星座映射，從而提高頻譜資源的利用率，降低信號解調(diào)的計(jì)算復(fù)雜度；

2、傳統(tǒng)的pts方案在降低信號峰均比的過程中，由于在子載波數(shù)較多的情況下采用pts算法搜索最優(yōu)相位旋轉(zhuǎn)因子向量的復(fù)雜度比較高；本發(fā)明由于進(jìn)行了星座映射操作，因此降低了相位旋轉(zhuǎn)因子搜索的計(jì)算復(fù)雜度，提高效率降低計(jì)算成本；

3、傳統(tǒng)的pts方案在降低信號峰均比的過程中，發(fā)射端需要將邊帶信息準(zhǔn)確的發(fā)送給接收端，這樣接收端才能夠較為準(zhǔn)確的解調(diào)出發(fā)送的信息，這樣就會降低信號的頻譜資源利用率；本發(fā)明采用星座映射算法，在保證降低峰均比的同時(shí)解決了邊帶信息問題。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)的pts方案發(fā)送端數(shù)據(jù)處理框圖；

圖2為數(shù)據(jù)星座映射示意圖；

圖3為本發(fā)明發(fā)送端數(shù)據(jù)處理框圖；

圖4為fbmc系統(tǒng)的原始信號與ofdm系統(tǒng)原始信號的ccdf的比較；

圖5為fbmc-oqam信號采用不同數(shù)目的分塊時(shí)的ccdf的比較；

圖6為fbmc-oqam系統(tǒng)采用星座映射與pts方法的ccdf的比較。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖3所示為本例中發(fā)送端的數(shù)據(jù)處理過程框圖，包括如下步驟：

(1)通過編碼操作將發(fā)送端的待發(fā)送原數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成四進(jìn)制數(shù)據(jù)，然后將轉(zhuǎn)換后的四進(jìn)制數(shù)據(jù)分別映射到星座圓上，形成數(shù)據(jù)x；

(2)數(shù)據(jù)x經(jīng)串并轉(zhuǎn)化后，分割成v組連續(xù)分布、大小相同且互不相交的子載波塊x＝[x¹,x²,…,x^v]^t，x^υ表示第υ個子載波塊，υ＝1,2,…,v；

(3)從相位旋轉(zhuǎn)序列集合b＝{e^(2πj/2)i,i＝0,1}中為第υ個子載波塊x^υ選擇一個相位旋轉(zhuǎn)因子b^υ，形成相位旋轉(zhuǎn)因子序列b＝[b¹,…,b^v]，第υ個子載波塊x^υ與對應(yīng)的相位旋轉(zhuǎn)因子b^υ相乘后，再經(jīng)過ifft變換和疊加運(yùn)算可得到相位旋轉(zhuǎn)因子序列b情況下得到的備選發(fā)送數(shù)據(jù)x，表示成如下的形式：

其中，x^υ為x^υ經(jīng)ifft變換后的結(jié)果；計(jì)算備選發(fā)送數(shù)據(jù)x的峰均功率比papr；

(4)基于步驟(3)的計(jì)算，從所有相位旋轉(zhuǎn)因子序列b情況中，選取峰均功率比papr最小的備選發(fā)送數(shù)據(jù)x作為待發(fā)送數(shù)據(jù)待發(fā)送數(shù)據(jù)對應(yīng)的相位旋轉(zhuǎn)因子序列b作為最優(yōu)相位旋轉(zhuǎn)因子序列表示成如下的形式：

其中，x^υ包括n個頻域符號，x^υ[n]為x^υ中的第n個頻域符號。

本案采用的相位旋轉(zhuǎn)序列集合為b＝{e^(2πj/2)ⁱ,i＝0,1}，即w＝2，這樣不僅可以降低最優(yōu)相位因子搜索的計(jì)算復(fù)雜度還可以很好的發(fā)揮部分傳輸序列降低信號峰均比的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的pts方案需要傳送邊帶信息用于接收端信號的解調(diào)，如果傳送的邊帶信息在解調(diào)時(shí)發(fā)生嚴(yán)重的失真，會導(dǎo)致信號不能準(zhǔn)確的解調(diào)。在本案中因?yàn)椴捎昧谁h(huán)形映射的方案，在接收端可以依據(jù)信號的相位和幅度對信號進(jìn)行判決，不在需要pts算法的邊帶信息；這樣不僅提高了信號頻譜的使用率也提高了信號的準(zhǔn)確度。

圖2是數(shù)據(jù)進(jìn)行星座映射進(jìn)行的原理圖，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將四進(jìn)制的數(shù)據(jù)分別映射到半徑為2和半徑為4的圓上如圖2左側(cè)圖所示，這樣數(shù)據(jù)在進(jìn)行pts算法操作時(shí)，數(shù)據(jù)分別乘以不同的相位旋轉(zhuǎn)因子，不會發(fā)生重疊的現(xiàn)象，這樣在接收端可以依據(jù)信號的幅度和相位對數(shù)據(jù)進(jìn)行判決，從而避免需要傳送邊帶信息的情況，降低了計(jì)算的復(fù)雜度。

圖4是fbmc系統(tǒng)的原始信號與ofdm系統(tǒng)原始信號的ccdf比較，從中可以看出在ccdf＝0.001數(shù)量級上fbmc信號papr比ofdm下降了0.1db。由此，可以得出結(jié)論，fbmc相比于ofdm有較好的峰均比特性。

圖5是fbmc-oqam系統(tǒng)采用pts方法(子塊數(shù)目變化)時(shí)，不同的分塊數(shù)目條件下fbmc-oqam系統(tǒng)信號的papr的ccdf性能。從圖中可以看出隨著子塊數(shù)目的不斷增加，即v＝1,2,4,8,16系統(tǒng)的papr性能提高了。

圖6是fbmc-oqam系統(tǒng)采用星座映射pts方案的仿真圖，為了對比分析，在其他仿真參數(shù)相同的條件下，兩種方案采用的分塊數(shù)都為4，即v＝4。從圖中可以看出星座映射的pts方案和傳統(tǒng)的pts方案具有同樣的降低papr的效果(優(yōu)于傳統(tǒng)的pts方案)，但星座映射pts方案相比于傳統(tǒng)的pts方案不需要傳送邊帶信息，提高了頻譜資源利用率。同時(shí)，在接收端星座映射pts方案恢復(fù)出發(fā)送數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)的pt方案更為簡便，因?yàn)椴恍枰獋魉瓦厧畔?，這樣即使在較為惡劣的傳送環(huán)境下(接收端不能準(zhǔn)確的獲取邊帶信息)也能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率性能。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。