CN106941470A - 一种降低fbmc***中信号峰均比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低FBMC***中信号峰均比的方法，首先在信号发送端将信号进行预处理，将数据进行星座映射之后即使乘以相位旋转因子，数据也不会产生重叠；再与传统的PTS方法相结合将数据进行分割，从多组数据中选择峰均比最小的一组数据进行发送，可以很好的降低信号的峰均比；在接收端可以依据信号的判决规则进行信号的解调，这样可以避免边带信息的传送。本发明降低了FBMC***的峰均比，不需要传送相位旋转因子用于接收端信息的解调，相同条件下提高了频谱资源的利用率，从而提高了整个***的使用效率。

Description

一种降低FBMC***中信号峰均比的方法

技术领域

本发明涉及一种FBMC***中通过星座映射与部分传输序列降低信号峰均比的方法，属于无线通信技术研究领域。

缩略语和关键术语定义

背景技术

随着无线通信技术的提高，人们对通信的质量要求也随之变高。由于多载波通信***具有频谱效率高、频谱利用灵活等优势，使得多载波通信***成为主要研究方向。在多载波***中，其中部分信号受到干扰时只会影响到并行传输信号中的一部分子信道的信号传输质量，并会不影响整个通信。虽然多载波通信具有较多的优势，但是信号存在较高的峰均比，容易导致相邻频带的信号失真影响整体的通信性能。因此，降低多载波信号峰均比的研究就显得尤为重要了。

由于各种技术发展的需要以及频谱资源分配的不合理等因素，正交频分复用(OFDM)技术应运而生。尽管OFDM技术已经进行商用，但是也存在着种种缺点，为了满足下一代5G通信***高数据速率传输的需要，FBMC-OQAM***技术吸引了许多人的兴趣。它是一种基于多载波的采用交错正交幅度调制的通信方式。与OFDM***比较，最直观的是在FBMC-OQAM***中信号不需要循环保护，因此，在相同的条件下FBMC-OQAM数据传输速率比OFDM高。

峰均比降低技术研究已经有很长的时间，研究人员从不同的场景角度考虑，提出了许多降低信号峰均比的方法，主要可以分为有失真技术和无失真技术。信号无失真方案中，信号不会发生畸变；而在信号有失真方案中，其处理信号的基本思想是对信号进行非线性处理，从而降低信号的峰均比值，虽然这种方法比较简单但是在接收端解调出来的信号会产生较高的误码率。

(1)信号无失真技术：编码类技术主要是对信号进行编码操作，利用传输的码字集合对信号进行处理，选择那些能够使峰均比减小或者最小的码字，然后从码字集合中选出信号的峰值幅度比较低的码字集合用于传输，可以避免较高的峰值出现，此外编码类技术也不会引起信号失真和带外辐射。在文献1中提出了基于BCH码、M序列、Golay互补序列和Hadamard码的编码类技术来降低峰均比。概率类的方法主要是降低信号中高峰值出现的概率而不是降低信号中功率的最大值。在文献2中提出了选择映射方法(SLM)，其基本思想是输入的信号用M个统计独立的向量X_m(1≤m≤M)进行表示，经过变换降低信号峰均比出现的概率。

(2)信号有失真技术：压扩类技术方法的基本思想是在发射端对原始的时域信号进行非线性的变换，对其中幅值比较大的信号进行压缩，对幅值比较小的信号进行扩大，但需要保持变换之后的平均功率和原始信号的平均功率相等。在文献3中提出了限幅类方法，它最简单的降低峰均比方案，该类方法的基本思想是，设置一个初始的门限值，当信号的幅度高于该门限值时，信号的幅度就保持与该设定的门限值相同，并且相位不变。虽然该方法的实现比较简单，但对信号进行削峰后会使信号产生带内失真，从而使BER性能下降，产生带外辐射，对相邻的信道产生干扰等问题。

降低信号峰均比的技术难点，主要有以下几个方面：

(1)频谱资源利用率：在已有的概率类方法中，为了在接收端准确的解调出发送的信号，需要知道信号在发送端的相位旋转信息。因此，在发送有用信号的同时需要将相位旋转因子作为边带信息进行发送。这样就会降低频谱资源的利用率。

(2)峰值再生：如果降低信号的峰均比采用非线性的处理，虽然在一定的程度上可以降低信号的带外干扰和带内噪声，但是信号经过滤波之后仍然容易出现峰值再生的现象。

(3)传输速率：利用传输的码字集合对信号进行处理，选择那些能够使峰均减小或者最小的码字，然后从码字集合中选出信号的峰值幅度比较低的码字集合用于传输，可以避免较高的峰值出现，但是，信号的传输速率也会明显降低。

信号是由经过调制且相互独立的若干个子载波信号叠加而成的，所以当子载波信号的相位相同或者相近时就会使***的输出信号产生较高的峰均比。PTS(PTS算法模型的框图见附图1)的主要思想是使用多个相互独立的相位序列和输入的数据相乘，生成多组序列来表示同一组相同的信号，这样在满足给定的PAPR阈值的条件下，选择其中PAPR值最小的那一组信号进行传输，减小高峰均功率比产生的概率。

部分传输(PTS)技术是将数据X分割成V组连续分布、大小相同且互不相交的子载波块，可以表示成如下的形式：

X＝[X¹,X²,…,X^υ]^T

其中，X^υ表示第υ个子载波块，υ＝1,2,…,V。从图1中我们可以看出PTS方法是对每一个子载波块进行独立相位旋转。从相位旋转序列集合B＝{e^j2πi/W|i＝0,1,…,W-1}中为第υ个子载波块X^υ选择一个相位旋转因子b^υ，形成相位旋转因子序列b＝[b¹,…,b^V]，第υ个子载波块X^υ与对应的相位旋转因子b^υ相乘后，再经过IFFT变换和叠加运算可得到相位旋转因子序列b情况下得到的备选发送数据x，表示成如下的形式：

其中，x^υ为X^υ经IFFT变换后的结果，W为相位旋转因子选择的进制数。

计算备选发送数据x的峰均功率比PAPR，从所有相位旋转因子序列b情况中，选取峰均功率比PAPR最小的备选发送数据x作为待发送数据待发送数据对应的相位旋转因子序列b作为最优相位旋转因子序列表示成如下的形式：

其中，x^υ包括N个频域符号，x^υ[n]为x^υ中的第n个频域符号。

下面以W＝2的情况进行举例说明PTS方法的步骤，当W＝2时，B＝{1,-1}，也即b^υ的可选值为1和-1两种，算法步骤如下：

结合上面的例子，可以看出现有的PTS方法存在如下的技术缺点：

(1)因为在实际的应用中需要考虑到***实现的复杂度问题，所以为了减小复杂度相位旋转因子只在一个有限的相位旋转序列集合B＝{e^j2πi/W|i＝0,1,…,W-1}中选取；尽管这样，最优相位旋转向量的选择理论上还是需要进行W^V次计算，并且计算的复杂度也会随着子载波块数目的增加呈指数级增长。

(2)通常情况下，为了提高***的误码率性能，需要将产生最小PAPR值的相位旋转因子作为边带信息和具有最小PAPR的数据一起发送，这样在接收端才能够较为准确的恢复出原始信号。但同时，边带信息就会降低***数据的传输速率，如果接收端不能够准确的解调出边带信息，也会降低***的误码率性能。

参考文献

[1].Meymanatabadi,Saber,Niya,Javad Musevi,and Mozaffari,Behzad.Selected mapping technique for PAPR reduction without side informationbased on m-sequence[J].Wireless personal communications,2013,71(4):2523–2534.

[2].Alsusa,Emad and Rabie,Khaled M.Dynamic peak-based thresholdestimation method for mitigating impulsive noise in power-line communicationsystems[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2013,28(4):2201–2208.

[3].Sharma,Chhavi,Sharma,Pankaj Kumar,Tomar,SK,et al.A modifiedIterative Amplitude clipping and filtering technique for PAPR reduction inOFDM systems[C].In:Emerging Trends in Networks and Computer Communications(ETNCC),2011International Conference on.2011.365–368.

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明对传统的部分传输(PTS)技术进行改进，提出一种通过星座映射与部分传输序列降低信号峰均比的方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种降低FBMC***中信号峰均比的方法，发送端的数据处理包括如下步骤：

(1)通过编码操作将发送端的待发送原数据转换成四进制数据，然后将转换后的四进制数据分别映射到星座圆上，形成数据X；

(2)数据X经串并转化后，分割成V组子载波块X＝[X¹,X²,…,X^V]^T，X^υ表示第υ个子载波块，υ＝1,2,…,V；

(3)从相位旋转序列集合B中为第υ个子载波块X^υ选择一个相位旋转因子b^υ，形成相位旋转因子序列b＝[b¹,…,b^V]，第υ个子载波块X^υ与对应的相位旋转因子b^υ相乘后，再经过IFFT变换和叠加运算可得到相位旋转因子序列b情况下得到的备选发送数据x，表示成如下的形式：

其中，x^υ为X^υ经IFFT变换后的结果；计算备选发送数据x的峰均功率比PAPR；

(4)基于步骤(3)的计算，从所有相位旋转因子序列b情况中，选取峰均功率比PAPR最小的备选发送数据x作为待发送数据待发送数据对应的相位旋转因子序列b作为最优相位旋转因子序列表示成如下的形式：

其中，x^υ包括N个频域符号，x^υ[n]为x^υ中的第n个频域符号。

具体的，所述步骤(1)中，转换后的四进制数据，将数据0映射到星座圆上，将数据1映射到星座圆(0,2j)上，将数据2映射到星座圆(-4,0)上，将数据3映射到星座圆上。

具体的，所述步骤(4)中，相位旋转序列集合B为B＝{e^(2πj/2)i,i＝0,1}。

具体的，所述步骤(2)中，数据X经串并转化后，分割成V组的分组方法为相邻分组，交织分组或随机分组，其中随机分组为最优方法。

传统的PTS方案能够有效的降低信号的峰均比，但是由于需要传送相位旋转信息，因此降低了***的传输效率；此外，传统的PTS方案整体的计算复杂度比较大。本发明对发送端的数据进行了处理，进行星座映射之后的数据即使乘以相位旋转因子之后，所有的点都在同心圆上并且在进行映射的过程中数据不会出现重叠；这样，在接收端不需要任何辅助的信息就可以将数据恢复出来，相比于传统的PTS方案提高了频谱利用率。

本发明首先将数据映射到圆上，映射之后的数据经过串并转换将所有子载波采用相邻分割的方法分割成V组，每一个分组都相互独立；每一组的子载波分别乘以一个相位旋转因子，再将所有的信号叠加起来，在所有的候选信号中选择峰均比较小的一组数据进行传输，从而实现降低峰均比的目标算法框图，如图3所示。信号经过IFFT变换之后，时域的信号进行循环移位，在频域上等价于信号进行相位旋转，因此信号的幅值不会发生变化，即变换之后星座点仍然在原来的位置上。

在接收端进行FFT变换之后，时域信号变成频域信号。并且信号的幅值不变，所以在接收端信号可以表示为re^jθ，r是接收信号的幅值，θ是接收信号的相角。因此，在接收端四进制数据的判决规则如算法2所示。根据以下的判决方法采用星座映射的方法就能够在接收端恢复出发送的四进制数据，不需要额外传送边带信息的情况下恢复出发送数据，提高了数据的发送速率。

算法2星座映射PTS方案，接收端信号判决规则

有益效果：本发明提供的降低FBMC***中信号峰均比的方法，采用了星座映射与部分传输序列相结合的方法，相对于现有技术，具有如下优势：

1、传统的PTS方案在降低信号峰均比的过程中，信号预处理时只是进行简单的信号分组后乘以相位旋转因子操作，导致在接收端需要额外传送的边带信息进行信号解调；本发明在信号预处理时进行了信号星座映射，从而提高频谱资源的利用率，降低信号解调的计算复杂度；

2、传统的PTS方案在降低信号峰均比的过程中，由于在子载波数较多的情况下采用PTS算法搜索最优相位旋转因子向量的复杂度比较高；本发明由于进行了星座映射操作，因此降低了相位旋转因子搜索的计算复杂度，提高效率降低计算成本；

3、传统的PTS方案在降低信号峰均比的过程中，发射端需要将边带信息准确的发送给接收端，这样接收端才能够较为准确的解调出发送的信息，这样就会降低信号的频谱资源利用率；本发明采用星座映射算法，在保证降低峰均比的同时解决了边带信息问题。

附图说明

图1为传统的PTS方案发送端数据处理框图；

图2为数据星座映射示意图；

图3为本发明发送端数据处理框图；

图4为FBMC***的原始信号与OFDM***原始信号的CCDF的比较；

图5为FBMC-OQAM信号采用不同数目的分块时的CCDF的比较；

图6为FBMC-OQAM***采用星座映射与PTS方法的CCDF的比较。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图3所示为本例中发送端的数据处理过程框图，包括如下步骤：

(1)通过编码操作将发送端的待发送原数据转换成四进制数据，然后将转换后的四进制数据分别映射到星座圆上，形成数据X；

(2)数据X经串并转化后，分割成V组连续分布、大小相同且互不相交的子载波块X＝[X¹,X²,…,X^V]^T，X^υ表示第υ个子载波块，υ＝1,2,…,V；

(3)从相位旋转序列集合B＝{e^(2πj/2)i,i＝0,1}中为第υ个子载波块X^υ选择一个相位旋转因子b^υ，形成相位旋转因子序列b＝[b¹,…,b^V]，第υ个子载波块X^υ与对应的相位旋转因子b^υ相乘后，再经过IFFT变换和叠加运算可得到相位旋转因子序列b情况下得到的备选发送数据x，表示成如下的形式：

其中，x^υ为X^υ经IFFT变换后的结果；计算备选发送数据x的峰均功率比PAPR；

(4)基于步骤(3)的计算，从所有相位旋转因子序列b情况中，选取峰均功率比PAPR最小的备选发送数据x作为待发送数据待发送数据对应的相位旋转因子序列b作为最优相位旋转因子序列表示成如下的形式：

其中，x^υ包括N个频域符号，x^υ[n]为x^υ中的第n个频域符号。

本案采用的相位旋转序列集合为B＝{e^(2πj/2)ⁱ,i＝0,1}，即W＝2，这样不仅可以降低最优相位因子搜索的计算复杂度还可以很好的发挥部分传输序列降低信号峰均比的优势。传统的PTS方案需要传送边带信息用于接收端信号的解调，如果传送的边带信息在解调时发生严重的失真，会导致信号不能准确的解调。在本案中因为采用了环形映射的方案，在接收端可以依据信号的相位和幅度对信号进行判决，不在需要PTS算法的边带信息；这样不仅提高了信号频谱的使用率也提高了信号的准确度。

图2是数据进行星座映射进行的原理图，将原始数据进行预处理，将四进制的数据分别映射到半径为2和半径为4的圆上如图2左侧图所示，这样数据在进行PTS算法操作时，数据分别乘以不同的相位旋转因子，不会发生重叠的现象，这样在接收端可以依据信号的幅度和相位对数据进行判决，从而避免需要传送边带信息的情况，降低了计算的复杂度。

图4是FBMC***的原始信号与OFDM***原始信号的CCDF比较，从中可以看出在CCDF＝0.001数量级上FBMC信号PAPR比OFDM下降了0.1dB。由此，可以得出结论，FBMC相比于OFDM有较好的峰均比特性。

图5是FBMC-OQAM***采用PTS方法(子块数目变化)时，不同的分块数目条件下FBMC-OQAM***信号的PAPR的CCDF性能。从图中可以看出随着子块数目的不断增加，即V＝1,2,4,8,16***的PAPR性能提高了。

图6是FBMC-OQAM***采用星座映射PTS方案的仿真图，为了对比分析，在其他仿真参数相同的条件下，两种方案采用的分块数都为4，即V＝4。从图中可以看出星座映射的PTS方案和传统的PTS方案具有同样的降低PAPR的效果(优于传统的PTS方案)，但星座映射PTS方案相比于传统的PTS方案不需要传送边带信息，提高了频谱资源利用率。同时，在接收端星座映射PTS方案恢复出发送数据比传统的PT方案更为简便，因为不需要传送边带信息，这样即使在较为恶劣的传送环境下(接收端不能准确的获取边带信息)也能够保证数据传输的误码率性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种降低FBMC***中信号峰均比的方法，其特征在于：发送端的数据处理包括如下步骤：

(1)通过编码操作将发送端的待发送原数据转换成四进制数据，然后将转换后的四进制数据分别映射到星座圆上，形成数据X；

(2)数据X经串并转化后，分割成V组子载波块X＝[X¹,X²,…,X^V]^T，X^υ表示第υ个子载波块，υ＝1,2,…,V；

(3)从相位旋转序列集合B中为第υ个子载波块X^υ选择一个相位旋转因子b^υ，形成相位旋转因子序列b＝[b¹,…,b^V]，第υ个子载波块X^υ与对应的相位旋转因子b^υ相乘后，再经过IFFT变换和叠加运算可得到相位旋转因子序列b情况下得到的备选发送数据x，表示成如下的形式：

$x=IFFT\left\{\underset{\mathrm{\υ}=1}{\overset{V}{\Σ}}{b}^{\mathrm{\υ}}{X}^{\mathrm{\υ}}\right\}=\underset{\mathrm{\υ}=1}{\overset{V}{\Σ}}{b}^{\mathrm{\υ}}\·IFFT\left\{X^{\mathrm{\υ}}\right\}=\underset{\mathrm{\υ}=1}{\overset{V}{\Σ}}{b}^{\mathrm{\υ}}{x}^{\mathrm{\υ}}$

其中，x^υ为X^υ经IFFT变换后的结果；计算备选发送数据x的峰均功率比PAPR；

(4)基于步骤(3)的计算，从所有相位旋转因子序列b情况中，选取峰均功率比PAPR最小的备选发送数据x作为待发送数据待发送数据对应的相位旋转因子序列b作为最优相位旋转因子序列表示成如下的形式：

$\[{\tilde{b}}^1,...,{\tilde{b}}^V\]=\arg \underset{\[b^1,...,b^V\]}{min}\left(\underset{\[n=0,1,...,N-1\]}{max}\right|\underset{\mathrm{\υ}=1}{\overset{V}{\Σ}}{b}^{\mathrm{\υ}}{x}^{\mathrm{\υ}}\[n\]\left|\right)$

$\tilde{x}=\underset{\mathrm{\υ}=1}{\overset{V}{\Σ}}{\tilde{b}}^{\mathrm{\υ}}{x}^{\mathrm{\υ}}$

其中，x^υ包括N个频域符号，xυ[n]为x^υ中的第n个频域符号。

2.根据权利要求1所述的降低FBMC***中信号峰均比的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，转换后的四进制数据，将数据0映射到星座圆上，将数据1映射到星座圆(0,2j)上，将数据2映射到星座圆(-4,0)上，将数据3映射到星座圆上。

3.根据权利要求1所述的降低FBMC***中信号峰均比的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，相位旋转序列集合B为B＝{e^(2πj/2)i,i＝0,1}。

4.根据权利要求1所述的降低FBMC***中信号峰均比的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，数据X经串并转化后，分割成V组的分组方法为相邻分组，交织分组或随机分组，其中随机分组为最优方法，本案采用相邻分组的方法进行仿真验证。

5.根据权利要求1所述的降低FBMC***中信号峰均比的方法，其特征在于：接收端根据如下判决规则对接收信号进行解调：

①当r＜3时，若则接收信号为0；

②当r＜3时，若则接收信号为1；

③当r≥3时，若则接收信号为2；

④当r≥3时，若则接收信号为3；

其中，r为接收信号的幅值，θ为接收信号的相角。