CN110611632A - 一种降低ofdm信号峰均比值的方法 - Google Patents

Abstract

一种降低OFDM信号峰均比值的方法，收到数据载荷的二进制原始数据后，随机选择一个加扰种子生成加扰序列并对原始数据进行加扰及编码调制；计算OFDM符号的峰均比值，从中选出最大值作为本次加扰生成的信号的峰均比值；如果加扰生成的信号的峰均比值≤设定阈值，则对加扰生成的信号进行处理后进行发射；否则，判断加扰种子是否都已用于对原始数据加扰，若没有则从剩余的加扰种子中随机挑选一个，重新进行加扰和编码调制；若加扰种子都已用过且得到的加扰生成的信号的峰均比值均大于设定阈值，则选出加扰生成的信号的峰均比值的最小值对应的信号，对该信号进行处理后进行发射。本发明不用修改现有通信协议且可以降低OFDM发送信号的峰均比值。

Description

一种降低OFDM信号峰均比值的方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，尤指涉及一种基于IEEE 802.15.4g标准的降低OFDM信号峰均比值的方法。

背景技术

为更好地支持户外低速无线智能计量公用网络在不同监管领域上的应用，IEEE组织在2012年颁布了IEEE 802.15.4g标准，这个标准在无线个人区域网络(wirelesspersonal area network，WPAN)上获得了广泛的应用，而WPAN网络的特征与传感器网络有很多相似之处，很多研究机构把它作为传感器的通信标准。因此基于该标准的相关通信产品和***在全球多个国家和地区都获得了大量应用和部署。

IEEE 802.15.4g标准中增加了对户外低速无线智能计量公用网络的需求，包括相关的MAC修改和物理层波形。标准中增加了3种物理层波形，以支持户外低速无线智能计量公用网络在不同监管领域上的应用。这3种波形包括：FSK调制方式波形、QPSK调制方式波形和OFDM调制方式波形。OFDM调制方式波形的形频谱效率高，可以提供更高的数据速率，但是OFDM多载波体制发送信号的峰均比值明显高于第一、第二种波形，因此对设备的功率放大器提出了更高要求，这无疑会增加硬件成本，同时也会降低发射能量的利用效率，对设备的低功耗设计带来较大的压力；而且高峰均比还会引起子载波之间的交调干扰和带外功率辐射，导致整个OFDM***性能的下降。

为了解决以上问题，研究学者们提出了多种针对OFDM信号的降低峰均比值的方法，包括预畸变类、编码类、概率类技术等。虽然这些技术都可以获得较好的性能，但这些技术在IEEE 802.15.4g的应用中都存在一个问题，即新技术的使用必须对现有标准的内容进行一定的修改，而现有标准已经颁布多年，依照本标准而生产的相关产品已经大量销售和部署，因此对标准的修改就意味新产品和大量旧产品之间将无法互联互通，存在较大的市场阻力。如何能在不修改现有IEEE 802.15.4g标准的协议内容且保持对旧产品的互联互通的前提下，降低降信号峰均比是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不用修改现有通信协议以保持产品的通信兼容性，且可以优化OFDM发送信号的峰均比值性能的方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种降低OFDM信号峰均比值的方法，在物理层收到MAC层下发的数据载荷的二进制原始数据后，执行以下步骤：

S101、从4个加扰种子中随机选择一个加扰种子进行数据加扰；

S102、所选择的加扰种子，生成长度和二进制原始数据的长度相同的加扰序列，使用该加扰序列对二进制原始数据进行加扰；

S103、对加扰后的数据进行编码调制，产生含K个OFDM符号的信号；

S104、分别计算K个OFDM符号的峰均比值，并从中选出峰均比值的最大值作为本次加扰生成的信号的峰均比值；

S105、将步骤S104得到的加扰生成的信号的峰均比值和设定阈值进行比较，如果加扰生成的信号的峰均比值≤设定阈值，则认为发送信号的峰均比值符合要求，对加扰生成的信号进行处理后进行发射；否则，进一步判断4个加扰种子是否都已用于对原始数据进行加扰，如果没有，则从剩余的加扰种子中随机挑选一个，返回步骤S102；如果4个加扰种子都已用过，且得到的加扰生成的信号的峰均比值均大于设定阈值，则从分别基于这4个加扰种子进行加扰后生成的4组信号中，选出加扰生成的信号的峰均比值的最小值对应的信号，对该加扰生成的信号进行处理后进行发射。

进一步的，所述加扰种子为IEEE 802.15.4g标准中规定的加扰种子。

进一步的，在完成发送信号所使用的加扰种子的选择后，根据加扰种子和加扰种子字段中比特的对应关系在物理层协议数据单元的物理层头中的加扰种子字段填写相应的比特值。

进一步的，加扰种子和加扰种子字段中比特的对应关系如下表：

表中的比特值为物理层协议数据单元中物理层头的加扰种子字段的比特值。

由以上技术方案可知，本发明方法通过对加扰种子优化选择来降低发送信号峰均比值，本发明方法充分利用了IEEE 802.15.4g标准发送信号中的物理层头中的长度为2bit，用于指示发送信号中用于产生加扰序列所使用的加扰种子数值，针对业务载荷部分的OFDM信号的生成过程中引入加扰种子的优化选择机制，从而生成一个峰均比值较低的OFDM数据载荷信号进行发送，从而改善发送信号的峰均比值性能。和现有的降峰均比方法相比，本发明方法无需对IEEE 802.15.4g标准规定的协议内容进行任何修改，且在发送端几乎不增加信号计算复杂度以及不明显改变现有信号处理流程的情况下，可以获得较好的降峰均比性能；同时在接收端无需对现有的信号接收机制进行任何修改，仍可以正确对发送信号进行接收和内容解析，从而实现新产品对大量已部署产品的通信兼容。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为OFDM体制波形的物理层协议数据单元的格式示意图；

图2为OFDM体制波形的物理层头信令信号的结构图；

图3为数据载荷原始二进制数据的加扰流程图；

图4为PN9二进制随机序列发生器的原理图；

图5为本发明方法的流程图；

图6为64个子载波、BPSK调制、20个OFDM符号进行仿真实验时的峰均比值优化结果对比图；

图7为128个子载波、BPSK调制、20个OFDM符号进行仿真实验时的峰均比值优化结果对比图；

图8为64个子载波、QPSK调制、20个OFDM符号进行仿真实验时的峰均比值优化结果对比图；

图9为128个子载波、QPSK调制、20个OFDM符号进行仿真实验时的峰均比值优化结果对比图。

具体实施方式

为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。

通信设备的组网形式有星型拓扑和分布式多跳网络拓扑等，考虑到通信设备需要支持不同的组网形式，IEEE 802.15.4g标准中将信号的发送形式规定为猝发信号发送形式。如图1所示，IEEE 802.15.4g标准中OFDM调制方式波形的物理层协议数据单元包括前导信号、物理层头和数据载荷。前导信号的作用是实现信号接收同步，物理层头则携带了36个信令比特(图2)，分别为速率字段、帧长度字段、加扰种子字段、预留字段、CRC字段和尾比特字段，其中，速率字段指示了数据载荷部分的数据速率(等价于调制编码方案)，帧长度字段用于指定包含在数据载荷部分中的字节总数(在纠错编码之前的原始比特)，加扰种子字段用于指定信号的加扰种子。

IEEE 802.15.4g标准的协议中提供了4个加扰种子供用户选择，加扰种子的长度为9bit。表1为本实施例加扰种子字段中比特与加扰种子的对应列表。

表1物理层加扰指示比特对应的加扰种子

第1个比特值	第2个比特值	加扰种子
			0	0	000010111
1	0	000011100
			0	1	101110111
1	1	101111100

图3为对数据载荷的二进制原始数据进行加扰的过程示意图，对二进制原始数据进行加扰时，把加扰种子和信号长度这两个参数输入到二进制随机序列发生器(PN9)中，二进制随机序列发生器则基于这两个参数产生一段和(数据载荷)二进制原始数据的序列长度相同的一段二进制随机序列，将得到的二进制随机序列和二进制原始数据进行异或运行，实现对信号的加扰。图4为PN9二进制随机序列发生器的原理图，长度为9bit的加扰种子是该发生器的初始化值(每次数据包的发送或接收都需要重新初始化)。

由于IEEE 802.15.4g标准没有对发送端如何选择加扰种子进行任何强制规定，而接收端是通过对物理层头的信令内容解析来获取本次发送信号所使用的加扰种子，并据此实现接收数据的逆加扰。由此，本发明的基本思路是：在信号发送端通过对加扰种子进行优化选择来降低信号峰均比值，对加扰种子的优化选择既严格符合现有的协议内容，同时无需对接收侧的信号接收流程进行任何的修改，因此不用修改IEEE 802.15.4g标准的协议内容，可以保持产品的通信兼容性。

以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图5为本发明方法的流程图，下面结合图5对本发明方法作进一步的说明，如图5所示，本发明方法的步骤如下：物理层收到MAC层下发的数据载荷的二进制原始数据后(二进制原始数据的长度为L个比特)，

S101、从4个加扰种子中随机选择一个加扰种子进行数据加扰；

S102、二进制随机序列发生器基于所选择的加扰种子，生成长度和二进制原始数据的长度相同的加扰序列(长度为L个比特)，使用该加扰序列对二进制原始数据进行加扰；

S103、对加扰后的数据进行编码调制，产生相应的含K个OFDM符号的信号；

S104、分别计算K个OFDM符号的峰均比值，从K个峰均比值中选出最大值作为本次加扰生成的信号的峰均比值，并记为PAPR，上一步骤中对数据的编码调制和本步骤中计算OFDM符号的峰均比值的计算方法均采用现有技术中的常规方法，如何进行编码调制和峰均比值的计算不是本发明的创新之处，此处不再赘叙；

S105、将上一步骤得到的加扰生成的信号的峰均比值PAPR和设定阈值C进行比较，如果PAPR≤设定阈值C，则认为发送信号的峰均比值符合要求，则继续进行后续的信号处理流程并进行发射；否则，进一步判断4个加扰种子是否都已用于对原始数据进行加扰，如果没有，则从剩余的加扰种子中随机挑选一个，返回步骤S102，重新对原始数据进行加扰和编码调制，如果4个加扰种子都已用过，仍无法生成PAPR小于等于设定阈值C的信号，则从分别基于这4个加扰种子所对应生成的4组信号的PAPR值中选出最小值对应的信号，对该信号进行后续的信号处理流程并进行发射。后续的信号处理流程为常规的信号处理过程。

在完成本次发送信号所使用的加扰种子的选择后，根据加扰种子和加扰种子字段中比特的对应关系(如表1的映射关系)在物理层头中的加扰种子字段填写相应的2个比特值，从而为接收端的逆加扰过程提供加扰种子数值的信令指示。

本发明的设定阈值C是一个动态参数，其为经验值，可根据子载波数量、调制方式和功率放大器性能等因素灵活调整。设定阈值C的取值较大时，发送端尝试较少次数的随机种子就可以生成满足要求的OFDM信号，计算量较小，但OFDM信号的峰均比值较高；而C的取值较小时，发送信号的峰均比值较低，但需要尝试更多次数的随机种子才能生成满足要求的OFDM信号，计算量较大，在实际应用中，可由各设备厂家根据自身情况自主设定。设定阈值C可事先通过模拟仿真计算得到。

通常情况下，衡量降低信号峰均比值方法的性能主要从如下5个方面来进行分析：1)计算过程的复杂度；2)峰均比值的降低水平；3)边带信息数量；4)对***误比特率的影响；5)对传输速率的影响。

假定一个OFDM***中包含N个子载波，***的频域输入信号为X＝[X₁,X₂,...,X_N]，***的时域信号序列为x＝[x₁,x₂,...,x_N]，***的时域信号序列中的元素

信号的峰均比值其中max(|x_n|²)表示信号功率的最大值，E(|x_n|²)表示信号的平均功率。

一般使用时域互补累积分布函数(CCDF)来描述OFDM信号峰均比值(PAPR)的分布情况，其数学计算式为：Pr(PAPR＞z)＝1-Pr(PAPR≤z)，其中Pr(PAPR＞z)表示信号峰均比值大于数值z的概率，Pr(PAPR≤z)表示信号峰均比值小于等于数值z的概率。

根据中心极限定理可知，OFDM信号会出现高峰均比值情况下的本质就是N个频域输入信号经过IFFT变换后，其得到的时域信号将趋于高斯分布，这种情况将随着N值的增加和调制阶数的增加而变得更加逼近，而高斯分布函数在左右两侧存在拖尾区，因此时域信号将出现小概率的较大数值。

从本发明方法的步骤流程可以看出，本发明方法没有对发送信号进行任何的削峰或压缩处理，因此对***误比特率和传输速率没有产生任何影响；另外2个比特的边带信息数量符合了IEEE 802.15.4g标准中对物理层信号的发送格式要求，无需对协议进行任何修改，因此边带信息数量符合标准要求。

下面分别对算法复杂度和峰均比值减低水平进行详细分析。

(1)算法复杂度

从本发明方法的步骤可以看出，计算过程的复杂度和设定阈值C的大小息息相关。如果将设定阈值C的取值为0，则算法复杂度达到最高，即每次信号发送时，发送端都需要数据载荷数据进行4次的信号处理流程，包括加扰、编码和调制等，因此算法复杂度是不采用降峰均比值机制时的4倍；而如果将C的取值为无限大，则算法复杂度最低，发送端对数据载荷数据仅需要进行1次信号处理流程即可，但此时信号的峰均比值性能没有得到任何优化。

下面通过时域互补累积分布函数来对算法复杂度进行理论分析，设定阈值为C，不失一般性，假定相同的数据载荷和4个加扰种子产生的加扰序列进行加扰后，所得到的4个序列是相互独立的。

在一次信号发送中，发送端在数据载荷部分需要发送K个OFDM符号，考虑到这K个OFDM符号数值是相互独立的，因此这K个OFDM符号中的幅度最大值的平方大于C的概率值为：

Pr{K个OFDM符号的幅度最大值的平方大于C}＝1-K×Pr(PA≤C)；

则因此发送端阈值设定为C时，对加扰种子选择次数为1、2、3、4的概率值如表2所示：

表2不同加扰种子选择次数对应的概率值

加扰种子选择次数	对应概率值
		1	pr<sub>1</sub>＝(Pr(PAPR≤C))<sup>K</sup>
2	pr<sub>2</sub>＝(1-pr<sub>1</sub>)×pr<sub>1</sub>
		3	pr<sub>3</sub>＝(1-pr<sub>1</sub>)×pr<sub>2</sub>
4	1-pr<sub>1</sub>-pr<sub>2</sub>-pr<sub>3</sub>

通常情况下，评估信号的峰均比值时会比较关注其发送信号的时域互补累积分布函数在10^-4处对应的数值大小。因此，可以将把设定阈值C的取值设置为本次信号所使用的调制编码方案对应的时域互补累积分布函数在10^-4处对应的数值，即Pr(PAPR＞C)＝1-Pr(PAPR≤C)＝10^-4，(该数值可利用计算机通过仿真计算获取)，此时不同加扰种子选择次数对应的概率值情况如表3所示：

表3 Pr(PAPR＞C)＝10^-4时不同加扰种子选择次数对应的概率值

考虑到IEEE 802.15.4g标准主要用于户外低速无线智能计量公用网络和传感器网络的应用，因此业务数据以短报文为主，单次信号发送的数据载荷数据量不会太大，一次信号发送中数据载荷的OFDM符号数量一般为几十个比特，在此情况下，当Pr(PAPR＞C)＝10^-4时，加扰种子数大于1的事件发生概率基趋于0，因此发送端在约99％的情况下的加扰种子选择次数都为1，因此和传统的算法相比，本发明方法基本不会增加计算的复杂程度。

(2)信号峰均比值降低性能仿真

图6至图9分别为不同子载波数量(N＝64和128)和不同调制方案(BPSK和QPSK)时仿真结果图，图中的曲线分别为未使用本发明方法对加扰种子进行优化选择时的信号时域互补累积分布函数(未优化)和采用本发明方法对加扰种子进行优化选择后(即降低峰均比后)的信号时域互补累积分布函数(优化后)，其中每次信号发送的OFDM符号数为K＝20个。从图6至图9可以看出，在不同的载波和调制方案下，采用本发明方法降低信号峰均比值后，不同参数发送信号的峰均比值的互补累积分布函数在10^-4处降低了2～2.5dB，获得了降低峰均比值的效果。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (4)

1.一种降低OFDM信号峰均比值的方法，其特征在于：在物理层收到MAC层下发的数据载荷的二进制原始数据后，执行以下步骤：

S101、从4个加扰种子中随机选择一个加扰种子进行数据加扰；

S102、基于所选择的加扰种子，生成长度和二进制原始数据的长度相同的加扰序列，使用该加扰序列对二进制原始数据进行加扰；

S103、对加扰后的数据进行编码调制，产生含K个OFDM符号的信号；

S104、分别计算K个OFDM符号的峰均比值，并从中选出峰均比值的最大值作为本次加扰生成的信号的峰均比值；

S105、将步骤S104得到的加扰生成的信号的峰均比值和设定阈值进行比较，如果加扰生成的信号的峰均比值≤设定阈值，则认为发送信号的峰均比值符合要求，对加扰生成的信号进行处理后进行发射；否则，进一步判断4个加扰种子是否都已用于对原始数据进行加扰，如果没有，则从剩余的加扰种子中随机挑选一个，返回步骤S102；如果4个加扰种子都已用过，且得到的加扰生成的信号的峰均比值均大于设定阈值，则从分别基于这4个加扰种子进行加扰后生成的4组信号中，选出加扰生成的信号的峰均比值的最小值对应的信号，对该加扰生成的信号进行处理后进行发射。

2.如权利要求1所述的降低OFDM信号峰均比值的方法，其特征在于：所述加扰种子为IEEE 802.15.4g标准中规定的加扰种子。

3.如权利要求1或2所述的降低OFDM信号峰均比值的方法，其特征在于：在完成发送信号所使用的加扰种子的选择后，根据加扰种子和加扰种子字段中比特的对应关系在物理层协议数据单元的物理层头中的加扰种子字段填写相应的比特值。

4.如权利要求3所述的降低OFDM信号峰均比值的方法，其特征在于：加扰种子和加扰种子字段中比特的对应关系如下表：

表中的比特值为物理层协议数据单元中物理层头的加扰种子字段的比特值。