CN103973629A - 一种降低mimo-ofdm***papr的slm方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种降低MIMO-OFDM***PAPR的SLM方法，其发射端处理过程只需要进行一次IFFT运算和时域信号的循环移位和加减操作，计算复杂度大幅度降低；接收端处理过程利用发射信号的时域循环移位对应于接收信号的频域反向相位旋转，并通过比较反向旋转序列与其最近的信号星座点的距离大小来恢复调制信号，同时，本发明只需要发送所选择的传输信号在某个集合中的选择情况作为边带信息，边带信息一定，实现了半盲检测。本发明只需传输少量边带信息便可在接收端恢复原始信号，提高了频谱利用效率。

Description

一种降低MIMO-OFDM***PAPR的SLM方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种降低MIMO-OFDM***PAPR的SLM方法

背景技术

众所周知，多输入多输出正交频分复用(简称MIMO-OFDM)***通过利用频率、时间以及利用不同天线来获得分集增益，能有效的抵抗无线通信中的多径、噪声等，成为未来移动多媒体通信的主要候选技术之一。

MIMO-OFDM信号是一种多载波调制信号，主要缺点之一是信号峰值功率与平均功率的比值，简称峰均功率比(PAPR)偏高。目前降低MIMO-OFDM***峰均功率比的一种主流方法是选择性映射方法(简称SLM方法)。传统SLM方法的基本原理是：每根天线的OFDM信号与U个模值为1的旋转相位序列相乘，得到U个表示相同信息的输出信号，然后将这U个信号分别进行IFFT调制得到U个时域备选信号，计算每个备选序列的PAPR并从中选择出一个最小值作为这根天线的PAPR，对应的时域信号作为发射信号，最后在所有天线的PAPR中选出一个最大值作为整个MIMO-OFDM***的PAPR。为了在接收端能够正确地对接收信号进行解调和恢复，在发送端必须发送边带副信息来表示具体发送的是哪个序列即发射端使用的是哪个相位因子。传统SLM方法缺陷有：1)、为了获得比较好的PAPR抑制性能，每根天线通常需要从多个备选信号中选择一个PAPR最小的信号用来传输，而每个备选信号都需要由IFFT调制得到，算法的计算复杂度随着备选序列数的增加而增加；2)、为了使通信***可以在接收端正确恢复出原始信号，发射端需要传输相位因子这一边带副信息，边带副信息的传输降低了***的频谱利用效率。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种降低MIMO-OFDM***PAPR的SLM方法，包括发送端处理过程和接收端处理过程，

所述发射处理过程的具体操作流程为：天线的信源比特通过基带调制、串并转换和IFFT调制后得到相应的时域信号，时域信号经过信号处理单元产生得到具有最小PAPR的时域传输序列，经过并串转换并加入循环前缀后，经D/A转换器和射频进行发射，其特征在于，

所述信号处理单元的具体操作步骤为：

步骤1：对经IFFT调制后得到时域信号进行不同长度的时域循环移位操作，所述循环移位操作的计算公式为：

x_i(u_ik)＝circshift(x_i,[0,u_ik])

其中，x_i表示第i根天线的原始OFDM信号经IFFT调制后得到的时域信号；u_ik表示第i根天线第k次使用的循环移位因子，u_ik∈U_i(U_i表示第i根天线使用的循环移位因子向量，U_i＝[u_i1,u_i2,…,u_iM])，M表示循环移位次数，不失一般性，每根天线的第一个循环移位因子取u_i1＝0即原始信号；x_i(u_ik)表示第i根天线当循环移位因子为u_ik时得到的循环移位信号；

步骤2：进行天线间时域信号的加减操作，其计算公式为：

$x\left(n\right)={\mathrm{\α}}_n\left(i\right)\·\underset{i=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}a\·x_i\left(u_{\mathrm{ik}}\right)$

其中，x_i(u_ik)表示第i根天线当循环移位因子为u_ik时得到的循环移位信号；x(n)表示由计算得到的新序列；参数a的取值为[0,±1]；所述α_n(i)表示功率归一化因子，α_n(i)不仅限于常数，也可以是变值；

步骤3：计算出循环移位后得到的多个备选集合的PAPR，选出一个PAPR最小值作为这个集合的PAPR，同时这个最小PAPR对应的两个序列组合在这个集合中的位置作为边带信息；

步骤4：在所有的集合的PAPR中选择一个最小值作为***的PAPR，这个集合中的两个最小PAPR的序列作为传输序列。

所述循环移位操作还可以是直接相移、时域自相关等。

所述循环移位次数可以根据需要自行设定，每次循环移位的长度也可以根据子载波数和循环移位次数的大小来自行设定。

所述接收端处理过程的具体操作流程为：接收端接收到的天线信号经过射频和A/D转换后，对其进行去循环前缀和串并转换后进行FFT解调，将FFT解调后的信号传送至信号检测处理单元得到检测信号，经并串转换和基带解调恢复得到原始信号；

所述信号检测处理单元的具体操作步骤为：

步骤1：根据传输信号与循环移位信号之间的关系，确定传输的边带信息；

步骤2：对信号进行相应时域循环移位操作的反向相位旋转，其具体的计算公式为：

$X_{\mathrm{ik}}^{\′}\left(n\right)=X_i^{*}\left(n\right)e^{j2\mathrm{\π}{u}_{\mathrm{ik}}(n-1)/N}$

其中，N表示OFDM信号的子载波数；u_ik表示发射端使用的循环移位因子，表示由循环移位因子组成的反向旋转向量；X_i ^*表示利用第i根天线通过边带副信息恢复得到的频域信号形式；X_i'_k(n)表示通过反向相位旋转得到的反向旋转信号；

步骤3：比较每个旋转信号的所有频点到离它最近的信号星座图的距离大小；

步骤4：选择一个最小的距离对应的序列作为原始序列，这个最小距离对应的循环移位因子作为恢复得到的发射端使用的循环移位因子，其计算公式为：

$u_i^{\′}=\arg \underset{1\≤k\≤M}{\min }\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{|X_{\mathrm{ik}}^{\′}\left(n\right)-X^Q\left(n\right)|}^2$

其中，N表示OFDM信号的子载波数；X_i'_k(n)为反向旋转信号；u_i＇为移位因子；X^Q(n)∈Q，Q为所选调制方式的信号星座图；

所述移位因子ui＇对应的反向旋转信号Xik＇(n)为恢复出的原始信号。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种降低MIMO-OFDM***PAPR的SLM方法，其发射端处理过程只需要进行一次IFFT运算和时域信号的循环移位和加减操作，计算复杂度大幅度降低；接收端处理过程利用发射信号的时域循环移位对应于接收信号的频域反向相位旋转，并通过比较反向旋转序列与其最近的信号星座点的距离大小来恢复调制信号，同时，本发明只需要发送所选择的传输信号在某个集合中的选择情况作为边带信息，边带信息一定，实现了半盲检测。本发明只需传输少量边带信息便可在接收端恢复原始信号，提高了频谱利用效率。

附图说明

图1为本发明发射端处理过程流程图；

图2为本发明发射部分信号处理单元的操作流程图；

图3为本发明接收端处理过程流程图；

图4为本发明接收部分信号检测单元的操作流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种降低MIMO-OFDM***PAPR的SLM方法，该方法可以有效降低MIMO-OFDM***的PAPR，且***发射端的计算复杂度明显降低，同时只需传输少量的边带信息就可以在接收端将原始信号恢复出来。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明提供了一种降低MIMO-OFDM***PAPR的SLM方法，包括发送端处理过程和接收端处理过程，如图1所示，

所述发射端处理过程的具体操作流程为：天线的信源比特通过基带调制1、串并转换2和IFFT调制3后得到相应的时域信号，时域信号经过信号处理单元4产生得到具有最小PAPR的时域传输序列，经过并串转换5并加入循环前缀6后，经D/A转换器7和射频8进行发射。

如图2所示，所述信号处理单元4的具体操作步骤为：

步骤1：将经IFFT调制后得到时域信号通过不同长度的时域循环移位操作，所述循环移位操作的计算公式为：

x_i(u_ik)＝circshift(x_i,[0,u_ik]) (1)

公式(1)中，x_i表示第i根天线的原始OFDM信号经IFFT调制后得到的时域信号；u_ik表示第i根天线第k次使用的循环移位因子，u_ik∈U_i(U_i表示第i根天线使用的循环移位因子向量，U_i＝[u_i1,u_i2,…,u_iM])，M表示循环移位次数，不失一般性，每根天线的第一个循环移位因子取u_i1＝0即原始信号；x_i(u_ik)表示第i根天线当循环移位因子为u_ik时得到的循环移位信号。

步骤2：进行天线间时域信号的加减操作(即通过时域信号序列的复数加法和减法实现)，

公式为：

$x\left(n\right)={\mathrm{\α}}_n\left(i\right)\·\underset{i=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}a\·x_i\left(u_{\mathrm{ik}}\right)---\left(2\right)$

式(2)中：x_i(u_ik)表示第i根天线当循环移位因子为u_ik时得到的循环移位信号；x(n)表示由公式(2)得到的新序列；参数a的取值为[0,±1]；α_n(i)表示功率归一化因子，α_n(i)不仅限于常数，也可以是变值，。

当发射天线数为2时，α_n(i)一般取经过公式(2)可以得到一些序列，这些序列组成了一些集合，表示为[x₁(u₁k)x₂(u_2m)其中：1≤m,k≤M,x₁(u_1k)和x₂(u_2m)表示由循环移位得到的信号，显然集合中的4个序列具有不同的PAPR，值得注意的是，我们舍弃了计算公式中其它一些可能构成的序列，例如：[-x₁(u₁k)x₂(u_2m)等，这些序列与前面给出的4个序列有相同的PAPR。

步骤3：计算出循环移位后得到的多个备选集合的PAPR，选出一个PAPR最小值作为这个集合的PAPR，同时这个最小PAPR对应的两个序列组合在这个集合中的位置作为边带信息：由M个不同的循环移位信号x₁(u_1k)和x₂(u_2m)可以组合得到M²个不同的集合，每个集合中的4个序列两两组合可以得到C₄ ²＝6组不同的组合情况(具体为集合中的第1和2，1和3，1和4，2和3，2和4，3和4个序列分别组合)，分别计算出这6种组合的PAPR，选出一个PAPR最小值作为这个集合的PAPR，同时这个最小PAPR对应的两个序列组合在这6个组合中的位置作为边带信息SI。

步骤4：在所有的集合的PAPR中选择一个最小值作为***的PAPR，这个集合中的两个最小PAPR的序列作为传输序列。

本发明不仅限于两根发射天线的MIMO-OFDM***，对于发射天线数大于2时仍然适用，信号处理前的信号可以是时域信号，也可以是频域信号。

综上所述，本发明的信号处理过程发生在时域，每根天线只需要进行一次IFFT运算和时域信号的循环移位和加减操作，计算复杂度大幅度降低。同时，本发明只需要发送所选择的传输信号在某个集合中的选择情况作为边带信息，很大程度上降低了边带信息数量。例如当发射天线数为2时，所需的边带信息仅为3比特，大大降低了***的复杂度。相对于传统SLM方法，本发明在时域对时域信号进行循环移位再加减得到新的序列，既降低了原始信号的PAPR，又大大降低了计算复杂度，并且减少了额外的带宽发送边带信息。

本发明的信号处理操作不仅仅可以应用于SLM方法中，还可以应用于PTS、TR等降低MIMO-OFDM***PAPR的方法当中。

如图3所示，所述接收端处理过程的具体操作流程为：接收端接收到的天线信号经过射频9和A/D转换10后，对其进行去循环前缀11和串并转换12后进行FFT解调13，将FFT解调后的信号传送至信号检测处理单元14得到检测信号，经并串转换15和基带解调16恢复得到原始信号。

如图4所示，所述信号检测处理单元(14)的具体操作步骤为：

步骤1：根据传输信号与循环移位信号之间的关系，确定传输的边带信息。

假设某次传输序列 $\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{*}& x_2^{*}\end{array}\right]$ 为某个集合中的第2种序列组合，即第1个信号和第3个信号，如： $\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{*}& x_2^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{x}_1\left(u_{1k}\right)& \sqrt{1/2}(x_1\left(u_{1k}\right)+x_2\left(u_{2m}\right))\end{array}\right]---\left(3\right)$

传输信号和循环移位信号之间的关系为：

$\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{*}& x_2^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{x}_1\left(u_{1k}\right)& x_2\left(u_{2m}\right))\end{array}\right]\·h\left(2\right)---\left(4\right)$

式(4)中： $h\left(2\right)=\left[\begin{array}{cc}1& \sqrt{1/2}\\ 0& \sqrt{1/2}\end{array}\right],$ 传输信号 $\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{*}& x_2^{*}\end{array}\right]$ 只需乘以[h(2)]^-1就可以得到原始的循环移位信号[x₁(u_1k)x₂(u_2m)]。

由以上分析，当每个集合有6种序列组合情况，传输的边带信息为：h(l)，1≤l≤6，接收信号根据边带信息h(l)就能恢复得到循环移位信号。

步骤2：对信号进行相应时域循环移位操作的反向相位旋转，其具体的计算公式为：

$X_{\mathrm{ik}}^{\′}\left(n\right)=X_i^{*}\left(n\right)e^{j2\mathrm{\π}{u}_{\mathrm{ik}}(n-1)/N}---\left(5\right)$

式(5)中，N表示OFDM信号的子载波数；u_ik表示发射端使用的循环移位因子，表示由循环移位因子组成的反向旋转向量；X_i ^*表示利用第i根天线通过边带副信息恢复得到的频域信号形式；X_i'_k(n)表示通过公式(5)计算得到的反向旋转信号。发射端时域信号不同的循环移位因子对应于频域信号的不同反向旋转向量。假设第i根天线的信号在发射端使用了M次循环移位(即循环移位向量U_i＝[u_i1,u_i2,…,u_iM])，通过公式(5)可以恢复得到M个不同的反向旋转序列，这些反向旋转序列中必然存在一个序列已经恢复到了原始信号星座点上或星座点附近。因此，先把反旋转序列的每个频点X_ik＇(n)判定为离它最近的星座点X^Q(n)，再计算所有频点到X^Q(n)的距离之和。

步骤3：比较每个旋转信号的所有频点到离它最近的信号星座图的距离大小，

步骤4：选择一个最小的距离对应的序列作为原始序列，这个最小距离对应的循环移位因子作为恢复得到的发射端使用的循环移位因子，其计算公式为：

$u_i^{\′}=\arg \underset{1\≤k\≤M}{\min }\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{|X_{\mathrm{ik}}^{\′}\left(n\right)-X^Q\left(n\right)|}^2---\left(6\right)$

公式(6)中，N表示OFDM信号的子载波数；X_i'_k(n)为反向旋转信号；u_i＇为移位因子；X^Q(n)∈Q，Q为所选调制方式的信号星座图。

移位因子u_i＇对应的反向旋转信号X_ik＇(n)作为恢复出的原始信号，这样就实现了利用少量边带信息恢复原始信号。

综上所述，利用发射信号的时域循环移位对应于接收信号的频域反向相位旋转，并通过比较反向旋转序列与其最近的信号星座点的距离大小来恢复调制信号，只需传输备选集合中信号的选择情况，边带信息一定，实现了半盲检测。本发明只需传输少量边带信息便可在接收端恢复原始信号，提高了频谱利用效率。

更优的，每根天线的信号相位变化不仅仅只能用循环移位实现，其他的相位变化如直接相移、时域自相关等也可以使用，时域循环移位方式实现相位变化时每根天线的循环移位次数可以根据需要自行设定，每次循环移位的长度也可以根据子载波数和循环移位次数的大小来自行设定。

本发明可以适用于所有的基带调制方式，如QPSK，QAM等。

本发明的工程实现与传统的SLM方法相比，优点在于：发射端，每根天线只需一次IFFT运算，降低了计算复杂度；接收端，利用了信号时域循环移位带来的频域信号固有旋转特性，通过比较反向旋转信号与其对应信号星座点的距离大小来恢复出调制信号，减少了边带信息。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种降低MIMO-OFDM***PAPR的SLM方法，包括发送端处理过程和接收端处理过程，

所述发射端处理过程的具体操作流程为：天线的信源比特通过基带调制、串并转换和IFFT调制后得到相应的时域信号，时域信号经过信号处理单元产生得到具有最小PAPR的时域传输序列，经过并串转换并加入循环前缀后，经D/A转换器和射频进行发射，其特征在于，

所述信号处理单元的具体操作步骤为：

步骤1：对经IFFT调制后得到时域信号进行不同长度的时域循环移位操作，所述循环移位操作的计算公式为：

x_i(u_ik)＝circshift(x_i,[0,u_ik])

其中，x_i表示第i根天线的原始OFDM信号经IFFT调制后得到的时域信号；u_ik表示第i根天线第k次使用的循环移位因子，u_ik∈U_i(U_i表示第i根天线使用的循环移位因子向量，U_i＝[u_i1,u_i2,…,u_iM])，M表示循环移位次数，不失一般性，每根天线的第一个循环移位因子取u_i1＝0即原始信号；x_i(u_ik)表示第i根天线当循环移位因子为u_ik时得到的循环移位信号；

步骤2：进行天线间时域信号的加减操作，其计算公式为：

$x\left(n\right)={\mathrm{\α}}_n\left(i\right)\·\underset{i=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}a\·x_i\left(u_{\mathrm{ik}}\right)$

其中，x_i(u_ik)表示第i根天线当循环移位因子为u_ik时得到的循环移位信号；x(n)表示由计算得到的新序列；参数a的取值为[0,±1]；所述α_n(i)表示功率归一化因子，α_n(i)不仅限于常数，也可以是变值；

步骤3：计算出循环移位后得到的多个备选集合的PAPR，选出一个PAPR最小值作为这个集合的PAPR，同时这个最小PAPR对应的两个序列组合在这个集合中的位置作为边带信息；

步骤4：在所有的集合的PAPR中选择一个最小值作为***的PAPR，这个集合中的两个最小PAPR的序列作为传输序列。

2.根据权利要求1所述的一种降低MIMO-OFDM***PAPR的SLM方法，其特征在于，所述循环移位操作还可以是直接相移、时域自相关等。

3.根据权利要求2所述的一种降低MIMO-OFDM***PAPR的SLM方法，其特征在于，所述循环移位次数可以根据需要自行设定，每次循环移位的长度也可以根据子载波数和循环移位次数的大小来自行设定。

4.根据权利要求3所述的一种降低MIMO-OFDM***PAPR的SLM方法，其特征在于，所述接收端处理过程的具体操作流程为：接收端接收到的天线信号经过射频和A/D转换后，对其进行去循环前缀和串并转换后进行FFT解调，将FFT解调后的信号传送至信号检测处理单元得到检测信号，经并串转换和基带解调恢复得到原始信号；

所述信号检测处理单元的具体操作步骤为：

步骤1：根据传输信号与循环移位信号之间的关系，确定传输的边带信息，

步骤2：对信号进行相应时域循环移位操作的反向相位旋转，其具体的计算公式为：

$X_{\mathrm{ik}}^{\′}\left(n\right)=X_i^{*}\left(n\right)e^{j2\mathrm{\π}{u}_{\mathrm{ik}}(n-1)/N}$

其中，N表示OFDM信号的子载波数；u_ik表示发射端使用的循环移位因子，表示由循环移位因子组成的反向旋转向量；X_i ^*表示利用第i根天线通过边带副信息恢复得到的频域信号形式；X_i'_k(n)表示通过反向相位旋转得到的反向旋转信号；

步骤3：比较每个旋转信号的所有频点到离它最近的信号星座图的距离大小；

步骤4：选择一个最小的距离对应的序列作为原始序列，这个最小距离对应的循环移位因子作为恢复得到的发射端使用的循环移位因子，其计算公式为：

$u_i^{\′}=\arg \underset{1\≤k\≤M}{\min }\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{|X_{\mathrm{ik}}^{\′}\left(n\right)-X^Q\left(n\right)|}^2$

其中，N表示OFDM信号的子载波数；X_i'_k(n)为反向旋转信号；u_i＇为移位因子；X^Q(n)∈Q，Q为所选调制方式的信号星座图；

所述移位因子u_i＇对应的反向旋转信号X_ik＇(n)为恢复出的原始信号。