CN111614594B - 一种降低信号峰均比的自适应调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低信号峰均比的自适应调整方法，属于通信技术领域，根据功率放大器、A/D、D/A转换器等器件的工作范围，综合设定功率门限值P0，保证所有的信号功率都在器件的动态线性范围内，改善了OFDM***的误码率性能；引入自适应的思想，通过设定PAPR门限值要求，针对小于门限值的信号，不进行处理；而针对大于门限值的信号，结合经验以及相关推导，初步给定处理参数V、W；对于不同的传输信号，给定不同的处理参数，节省了***资源，减小了处理信号的时间。本发明针对在初始给定处理参数下仍不满足功率门限值的信号，设定了分块数目V和搜索空间W的调整规则，在保证PAPR性能的前提下，降低了计算复杂度。

Description

一种降低信号峰均比的自适应调整方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是一种降低信号峰均比的自适应调整方法。

背景技术

正交频分复用(OFDM)技术凭借其传输速率高、抗干扰能力强、频谱利用率高、易于与其他多种接入方法相结合等特性，广泛应用于有线和无线通信***当中。然而OFDM技术的一个主要问题就是较高的峰值平均功率比(PAPR)。较大的PAPR要求***中A/D、D/A、功率放大器等器件有很大的线性范围，峰均比较大的OFDM信号极易进入功率放大器的非线性区域，导致信号产生非线性失真，使整个***性能严重下降。

第五代移动通信技术(5G)是目前国内外移动通信领域的研究热点，5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高***容量和大规模设备连接。为了保证OFDM可以在5G上得到很好地应用，改善其性能有着重要的意义。

目前，针对OFDM***峰值平均功率比较高的问题，部分传输序列(PTS)法是一种有效的解决办法。然而，作为一种概率类方法，其不能保证每个信号都满足功率条件。此外，对于不同的传输信号，其给定的处理参数是固定的，这样就浪费了一定的***资源，且对计算复杂度问题考虑欠佳。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种降低信号峰均比的自适应调整方法，根据设定的功率门限值，自适应的调整参数V、W，在保证***PAPR性能的前提下，尽可能的降低计算复杂度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种降低信号峰均比的自适应调整方法，包括以下步骤：

(1)将数据流进行串并转换以及IFFT处理，得到时域信号；

(2)根据功率放大器、A/D、D/A转换器等器件的工作范围，综合设定功率门限值P_THD；

(3)计算原始信号的峰值平均功率比P₀，并计算其与功率门限值的功率差值a＝P₀-P_THD；

31：若功率差值α≤0，则原始信号满足功率门限条件，无需进行分块处理，可直接进行传输；

32：若功率差值α>0，则进入步骤(4)；

(4)结合功率差值α和不同PTS参数V、W的处理能力b，为当前信号匹配对应的处理参数c，其中c₀表示为分块数目V的取值，即

b₀为调整分块数目V带来的处理能力增益；c₁表示W的取值，

b₁为调整搜索空间W带来的处理能力增益，计算初始参数情况下信号的功率值P；

(5)将初始参数情况下信号的功率值P与功率门限值P_THD进行比较，并进行参数调整；

51：若信号功率值P≤P_THD，则保存此时的V、W取值；

52：若信号功率值P>P_THD，则结合计算复杂度比较函数Fc对PTS参数进行调整，使调整后的参数在保证***PAPR性能的前提下，尽可能的降低***计算复杂度；

(6)将所得信号以及相位因子信息组合发送给接收机，接收机通过相位因子信息来恢复原始信号。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤(1)中，为了更好的恢复时域信号，在这里对N个调制符号X＝[X₀,X₁,...,X_N-1]^T采用过采样处理，其中采样系数L通常满足(L≥4)，即

经过IFFT处理后得到时域信号

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤(2)中，对于功率门限值P_THD，是根据功率放大器、A/D、D/A转换器等器件的工作范围综合设定，取***功率容忍度的80％为***功率门限值。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤(4)中，b₀为调整分块数目V带来的处理能力增益，且V可以整除子载波个数N，故定义b₀为V每增加一倍所获得的处理能力增益，b₀根据经验值进行确定；b₁为调整搜索空间W带来的处理能力增益，为了降低***计算复杂度，W只取2、4，即[1,-1]或[1,-1,j,-j]，b₁根据经验值进行确定。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤(5)的52中，分块数目V与相位因子搜索空间W的调整规则，是综合考虑计算复杂度以及PAPR性能，对分块数目V与相位因子搜索空间W进行自适应调整；采用子序列分割方式取交织分割法进行分析时，具体方法如下：

S1：从以下三个方面考虑计算复杂度：

1)傅里叶逆变换：

2)搜索最优相位因子：

C_add＝W^V-1N(V-1)

C_mult＝W^V-1N(V+1)

3)候选信号比较：

C_comp＝W^V-1N-1

则有：

即当子载波个数给定后，影响***计算复杂度的只有分块数目V和搜索空间W。所以合理的对V和W进行调整对于减小计算复杂度有着很重要的意义；

注：C_add表示需要进行的加法次数，C_mult表示需要进行的乘法次数，C_comp表示需要进行的比较次数,C_total表示累计运算次数；

取子载波个数N为64，当V、W取不同值时，计算复杂度如下：

a.取V、W为2、2，求得此时C_总为1247，

b.取V、W为2、4，求得此时C_总为1887，

c.取V、W为2、6，求得此时C_总为2527，

d.取V、W为4、2，求得此时C_总为5247，

e.取V、W为4、4，求得此时C_总为37503，

f.取V、W为4、6，求得此时C_总为125055；

由以上分析，计算复杂度情况a<b<c<d<e<f；一定程度上，对搜索空间W进行调整相比调整分块数目V而言，带来的计算复杂度较低；

则计算复杂度比较函数F_C为：

注：F_W为调整W的计算复杂度，F_V为调整V的计算复杂度，a为W的调整量，V每次按2倍进行调整；

S2:PAPR性能：

分块数目V越大、搜索空间W越大，则子载波之间的相关性越小、产生峰值功率的概率就越小，相应的可得到的PAPR性能就越好；另一方面，增加分块数目V要比增大搜索空间W的效果要好；这是因为增加分块数目V可以降低子载波间的相关性，增加分块子序列数量，增大产生低峰均比信号的概率；而增大搜索空间W的作用是增大可搜索空间，只是增大产生低峰均比信号的概率；

综上所述，制定分块数目V和搜索空间W调整规则如下：

若当前信号不满足设定的功率门限值条件，则优先对搜索空间W进行一定程度的调整，并计算此时F_C的值；

若调整W之后PAPR性能仍不能满足门限值条件，且此时F_C<0,则继续调整W；若F_C>0,则对分块数目V以及搜索空间W进行调整；

对于每一个需要传输的信号，都循环上述过程，自适应的对V、W进行调整；以达到在保证PAPR性能的前提下尽可能的降低***的计算复杂度的效果。

本发明技术方案的进一步改进在于：

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明根据功率放大器、A/D、D/A转换器等器件的工作范围，综合设定功率门限值P₀，保证所有的信号功率都在器件的动态线性范围内，尤其改善了OFDM***的误码率(BER)性能。

2、本发明引入自适应的思想，通过设定PAPR门限值要求，针对小于门限值的信号，不进行处理；而针对大于门限值的信号，结合经验以及相关推导，初步给定处理参数V、W；对于不同的传输信号，给定不同的处理参数，节省了***资源，减小了处理信号的时间。

3、本发明针对在初始给定处理参数下仍不满足功率门限值的信号，设定了分块数目V和搜索空间W的调整规则，在保证PAPR性能的前提下，降低了计算复杂度。

附图说明

图1是本发明方法的整体流程图；

图2是本发明自适应部分传输序列OFDM***框图；

图3是本发明采用交织分割法的示意图；

图4是本发明中N、V、W取不同值时的计算复杂度结果图；

图5是本发明中参数调整流程图。

具体实施方式

本发明是针对OFDM***峰值平均功率比较高的问题，而研发的一种用于工业可靠通信场景下针对正交频分复用(OFDM)技术的峰均比抑制技术，一种降低OFDM峰均比的自适应部分传输序列方法，具体的是一种降低信号峰均比的自适应调整方法。

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

一种降低信号峰均比的自适应调整方法，包括以下步骤：

(1)将数据流进行串并转换以及IFFT处理，得到时域信号；

为了更好的恢复时域信号，在这里对N个调制符号X＝[X₀,X₁,...,X_N-1]^T采用过采样处理，其中采样系数L通常满足(L≥4)，即

经过IFFT处理后得到时域信号

(2)根据功率放大器、A/D、D/A转换器等器件的工作范围，综合设定功率门限值P_THD；

对于功率门限值P_THD，是根据功率放大器、A/D、D/A转换器等器件的工作范围综合设定的。一般来说，取***功率容忍度的80％为***功率门限值；

(3)计算原始信号的峰值平均功率比P₀，并计算其与功率门限值的功率差值a＝P₀-P_THD；

31：若功率差值α≤0，则原始信号满足功率门限条件，无需进行分块处理，可直接进行传输；

32：若功率差值α>0，则进入步骤(4)；

(4)结合功率差值α和不同PTS参数V、W的处理能力b，为当前信号匹配对应的处理参数c，其中c₀表示为分块数目V的取值，即

b₀为调整分块数目V带来的处理能力增益；c₁表示W的取值，

b₁为调整搜索空间W带来的处理能力增益，计算初始参数情况下信号的功率值P；

b₀为调整分块数目V带来的处理能力增益，且V可以整除子载波个数N，故定义b₀为V每增加一倍所获得的处理能力增益，b₀根据经验值进行确定；b₁为调整搜索空间W带来的处理能力增益，为了降低***计算复杂度，W只取2、4，即[1,-1]或[1,-1,j,-j]，b₁根据经验值进行确定。

(5)将初始参数情况下信号的功率值P与功率门限值P_THD进行比较，并进行参数调整；

51：若信号功率值P≤P_THD，则保存此时的V、W取值；

52：若信号功率值P>P_THD，则结合计算复杂度比较函数Fc对PTS参数进行调整，使调整后的参数在保证***PAPR性能的前提下，尽可能的降低***计算复杂度；

所述分块数目V与相位因子搜索空间W的调整规则，是综合考虑计算复杂度以及PAPR性能，对分块数目V与相位因子搜索空间W进行自适应调整；

以子序列分割方式取交织分割法为例，具体分析如下：

S1：就计算复杂度而言，从以下三个方面进行考虑：

1)傅里叶逆变换：

2)搜索最优相位因子：

C_add＝W^V-1N(V-1)

C_mult＝W^V-1N(V+1)

3)候选信号比较：

C_comp＝W^V-1N-1

则有：

即当子载波个数给定后，影响***计算复杂度的只有分块数目V和搜索空间W。所以合理的对V和W进行调整对于减小计算复杂度有着很重要的意义。

注：C_add表示需要进行的加法次数，C_mult表示需要进行的乘法次数，C_comp表示需要进行的比较次数,C_total表示累计运算次数。

取子载波个数N为64，当V、W取不同值时，计算复杂度如下：

a.取V、W为2、2，求得此时C_总为1247，

b.取V、W为2、4，求得此时C_总为1887，

c.取V、W为2、6，求得此时C_总为2527，

d.取V、W为4、2，求得此时C_总为5247，

e.取V、W为4、4，求得此时C_总为37503，

f.取V、W为4、6，求得此时C_总为125055。

由以上分析，计算复杂度情况a<b<c<d<e<f。一定程度上，对搜索空间W进行调整相比调整分块数目V而言，带来的计算复杂度较低。

则计算复杂度比较函数F_C为：

注：F_W为调整W的计算复杂度，F_V为调整V的计算复杂度，a为W的调整量，V每次按2倍进行调整。

S2：就PAPR性能而言：

就PAPR性能而言，分块数目V越大、搜索空间W越大，则子载波之间的相关性越小、产生峰值功率的概率就越小，相应的可得到的PAPR性能就越好。另一方面，增加分块数目V要比增大搜索空间W的效果要好。这是因为增加分块数目V可以降低子载波间的相关性，增加分块子序列数量，增大产生低峰均比信号的概率。而增大搜索空间W的作用是增大可搜索空间，只是增大产生低峰均比信号的概率。

综上所述，制定分块数目V和搜索空间W调整规则如下：若当前信号不满足设定的功率门限值条件，则优先对搜索空间W进行一定程度的调整，并计算此时F_C的值。若调整W之后PAPR性能仍不能满足门限值条件，且此时F_C<0,则继续调整W；若F_C>0,则对分块数目V以及搜索空间W进行调整；对于每一个需要传输的信号，都循环上述过程，自适应的对V、W进行调整。以达到在保证PAPR性能的前提下尽可能的降低***的计算复杂度的效果。

(6)将所得信号以及相位因子信息组合发送给接收机，接收机通过相位因子信息来恢复原始信号。

具体的

如图1所示，为自适应部分传输序列方法流程图，包括以下步骤：

(1)将数据流进行串并转换以及IFFT处理，为了保证在接收端恢复信号的完整信息，在对调制信号进行IFFT处理时采用4倍过采样处理，之后得到时域信号；

(2)根据功率放大器、A/D、D/A转换器等器件的工作范围，综合设定功率门限值P_THD，在这里取各器件综合功率容忍度为10dB，则功率门限值P_THD为10dB*80％，即8dB；

(3)计算原始信号的峰值平均功率比P₀，并计算其与功率门限值P_THD的差值a＝P₀-P_THD；

31：若功率差值α≤0，则原始信号满足功率门限条件，无需进行分块处理，可直接进行传输；

32：若功率差值α>0，则进入步骤4；

(4)结合功率差值α和不同PTS参数V、W的处理能力b，为当前信号匹配对应的处理参数c。其中c₀表示为分块数V的取值，即

b₀为调整分块数目V带来的处理能力增益；c₁表示W的取值，

b₁为调整搜索空间W带来的处理能力增益。计算初始参数情况下信号的功率值P。依据经验，在这里取b₀为1.5dB；考虑计算复杂度问题，将搜索空间W取值限制为2、4，即W＝[1,-1]或W＝[1,-1；j,-j]，并取b₁为1.0dB。之后，按所求的初始参数c₀、c₁对子序列进行分块和相位因子搜索处理，其中子序列分割方式采用交织分割的方式，如图3所示。

(5)将初始参数情况下信号的功率值P与功率门限值P_THD进行比较，并进行参数调整；

51：若信号功率值P≤P_THD，则保存此时的V、W取值；

52：若信号功率值P>P_THD，则结合计算复杂度比较函数Fc对PTS参数进行调整，使调整后的参数在保证***PAPR性能的前提下，尽可能的降低***计算复杂度。其中Fc是权衡计算复杂度以及PAPR性能而求得的，不同处理参数的计算复杂度情况如图4所示，参数调整规则如图5所示；

(6)将经过处理后的信号以及相位因子组合发送给接收机，接收机利用相位因子信息来恢复原始信号。

综上所述，本发明针对在初始给定处理参数下仍不满足功率门限值的信号，设定了分块数目V和搜索空间W的调整规则，在保证PAPR性能的前提下，降低了计算复杂度。

Claims (5)

1.一种降低信号峰均比的自适应调整方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将数据流进行串并转换以及IFFT处理，得到时域信号；

(2)根据功率放大器、A/D、D/A转换器等器件的工作范围，综合设定功率门限值P_THD；

(3)计算原始信号的峰值平均功率比P₀，并计算其与功率门限值的功率差值a＝P₀-P_THD；

31：若功率差值α≤0，则原始信号满足功率门限条件，无需进行分块处理，可直接进行传输；

32：若功率差值α>0，则进入步骤(4)；

(4)结合功率差值α和不同PTS参数V、W的处理能力b，为当前信号匹配对应的处理参数c，其中c₀表示为分块数目V的取值，即

b₀为调整分块数目V带来的处理能力增益；c₁表示W的取值，

b₁为调整搜索空间W带来的处理能力增益，计算初始参数情况下信号的功率值P；

(5)将初始参数情况下信号的功率值P与功率门限值P_THD进行比较，并进行参数调整；

51：若信号功率值P≤P_THD，则保存此时的V、W取值；

52：若信号功率值P>P_THD，则结合计算复杂度比较函数Fc对PTS参数进行调整，使调整后的参数在保证***PAPR性能的前提下，尽可能的降低***计算复杂度；计算复杂度比较函数F_C为：

注：F_W为调整W的计算复杂度，F_V为调整V的计算复杂度，a为W的调整量，

V每次按2倍进行调整；

(6)将所得信号以及相位因子信息组合发送给接收机，接收机通过相位因子信息来恢复原始信号。

2.根据权利要求1所述的一种降低信号峰均比的自适应调整方法，其特征在于：步骤(1)中，为了更好的恢复时域信号，在这里对N个调制符号X＝[X₀，X₁，...，X_N-1]^T采用过采样处理，其中采样系数L通常满足(L≥4)，即

经过IFFT处理后得到时域信号

3.根据权利要求1所述的一种降低信号峰均比的自适应调整方法，其特征在于：步骤(2)中，对于功率门限值P_THD，是根据功率放大器、A/D、D/A转换器等器件的工作范围综合设定，取***功率容忍度的80％为***功率门限值。

4.根据权利要求1所述的一种降低信号峰均比的自适应调整方法，其特征在于：步骤(4)中，b₀为调整分块数目V带来的处理能力增益，且V可以整除子载波个数N，故定义b₀为V每增加一倍所获得的处理能力增益，b₀根据经验值进行确定；b₁为调整搜索空间W带来的处理能力增益，为了降低***计算复杂度，W只取2、4，即[1，-1]或[1,-1,j,-j]，b₁根据经验值进行确定。

5.根据权利要求1所述的一种降低信号峰均比的自适应调整方法，其特征在于：步骤(5)的52中，分块数目V与相位因子搜索空间W的调整规则，是综合考虑计算复杂度以及PAPR性能，对分块数目V与相位因子搜索空间W进行自适应调整；采用子序列分割方式取交织分割法进行分析时，具体方法如下：

S1：从以下三个方面考虑计算复杂度：

1)傅里叶逆变换：

2)搜索最优相位因子：

C_add＝W^V-1N(V-1)

C_mult＝W^V-1N(V+1)

3)候选信号比较：

C_comp＝W^V-1N-1

则有：

即当子载波个数给定后，影响***计算复杂度的只有分块数目V和搜索空间W；所以合理的对V和W进行调整对于减小计算复杂度有着很重要的意义；

注：C_add表示需要进行的加法次数，C_mult表示需要进行的乘法次数，C_comp表示需要进行的比较次数，C_total表示累计运算次数；

取子载波个数N为64，当V、W取不同值时，计算复杂度如下：

a.取V、W为2、2，求得此时C_total为1247，

b.取V、W为2、4，求得此时C_total为1887，

c.取V、W为2、6，求得此时C_total为2527，

d.取V、W为4、2，求得此时C_total为5247，

e.取V、W为4、4，求得此时C_total为37503，

f.取V、W为4、6，求得此时C_total为125055；

由以上分析，计算复杂度情况a<b<c<d<e<f；一定程度上，对搜索空间W进行调整相比调整分块数目V而言，带来的计算复杂度较低；

则计算复杂度比较函数F_C为：

注：F_W为调整W的计算复杂度，F_V为调整V的计算复杂度，a为W的调整量，

V每次按2倍进行调整；

S2：就PAPR性能而言：

就PAPR性能而言，分块数目V越大、搜索空间W越大，则子载波之间的相关性越小、产生峰值功率的概率就越小，相应的可得到的PAPR性能就越好；另一方面，增加分块数目V要比增大搜索空间W的效果要好；这是因为增加分块数目V可以降低子载波间的相关性，增加分块子序列数量，增大产生低峰均比信号的概率；而增大搜索空间W的作用是增大可搜索空间，只是增大产生低峰均比信号的概率；

综上所述，制定分块数目V和搜索空间W调整规则如下：

若当前信号不满足设定的功率门限值条件，则优先对搜索空间W进行一定程度的调整，并计算此时F_C的值；

若调整W之后PAPR性能仍不能满足门限值条件，且此时F_C<0,则继续调整W；若F_C>0,则对分块数目V以及搜索空间W进行调整；

对于每一个需要传输的信号，都循环上述过程，自适应的对V、W进行调整；以达到在保证PAPR性能的前提下尽可能的降低***的计算复杂度的效果。

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