CN111628953B - 降低ofdm信号峰均比值的方法 - Google Patents

Abstract

降低OFDM信号峰均比值的方法，步骤如下：在信号发送端，将二进制信息比特流信号循环移动、加扰、信道编码、星座映射、***导频、IFFT计算，分别计算得到的OFDM符号的峰均比值，选出最大值与设定阈值进行比较，如果峰均比值最大值≤设定阈值，则进入后续的信号处理流程并进行发射，当生成的二进制信息比特流信号的峰均比值都小于等于设定阈值或循环次数超过上限时，信号发送结束；信号接收端接收信号后去除循环前缀、FFT运算、信道估计解调、信道译码、逆加扰，将逆加扰后的信号反向循环移动并进行CRC校验运算，如果校验结果全为0，信号接收结束，当循环移动后的信号的CRC校验结果全为0或者循环次数超过上限时，信号接收结束。

Description

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，尤指涉及一种基于信息比特发送次序优化选择的降低OFDM信号峰均比值的方法。

背景技术

OFDM通信技术是目前主流宽带数字通信***采用的一种通信技术，OFDM通信技术是将比特流调制到正交的子载波上进行传输，使各个子信道所经历的衰落相对平坦，再通过引入循环前缀作为符号间保护间隔，以保持子载波之间的正交性，从而降低符号间干扰的影响。与常规的频分复用***相比，OFDM通信***在保证载波间正交的情况下，可以最大限度地有效利用有限的频谱资源，具有频谱利用率高、抗多径效应好等特点，并且快速傅里叶变换为其提供了一种简单、低成本的实现方式。如图1所示，现有的OFDM通信***的信号发送和接收流程为：在信号发送端，在信息比特信号中添加循环冗余校验(CRC)比特，然后进行加扰和信号编码，再将编码后的信息比特信号进行载波星座映射、***导频、IFFT运算(反向快速傅里叶变换)和加入循环前缀，最后由信号发送端的射频前端将信号发射出去。在信号接收端，信号接收端的射频前端接收到信号后，进行一个相反的操作过程，去除循环前缀并进行FFT运算(快速傅里叶变换)，然后进行信道估计、解调、信道译码、逆加扰、进行CRC校验，得到所传输的信号。

峰均比(峰值平均功率比，PAPR)较高是OFDM通信***的一个明显缺点，会导致输出信号的瞬时值出现较大的波动。信号峰均比过大，也对发送端设备的功率放大器、A/D和D/A转换器等器件提出了更高的要求，要求这些器件具有很大的线性动态范围，这不仅会增加硬件成本，还会使得功率放大器的效率大幅降低，对设备的低功耗设计带来较大的压力，而且还会引起子载波之间的交调干扰和带外功率辐射，从而导致整个OFDM通信***性能的下降。另外这些器件的非线性也会使动态范围较大的信号产生非线性失真，所产生的谐波会造成子信道间的相互干扰，从而影响OFDM通信***的通信性能。

为了降低信号的峰均比值，学者们从多方面进行研究与分析，提出了多种降低OFDM信号峰均比值的方法，这些方法主要分为三大类：预畸变技术、编码技术、概率技术。其中，预畸变技术会给发送信号带来一定的失真，从而导致通信性能下降；编码技术的计算复杂度高，且会降低***的频谱利用率；概率技术需要增加边带信息的传输和处理，增加了***的复杂度。此外，衡量一个峰均比抑制方法的主要指标包括峰均比抑制效果、传输性能和计算复杂度，以上几种峰均比值抑制技术较难在这三个指标上获得较好的均衡，仍存在改善的空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于信息比特发送次序优化选择的降低OFDM信号峰均比值的方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

降低OFDM信号峰均比值的方法，包括以下步骤：

S1、在信号发送端，将待发送分组信号对应的二进制信息比特流信号循环移动X位，X的初值为0；

S2、对循环移动后的二进制信息比特流信号进行加扰、信道编码、星座映射、***导频、IFFT计算，得到含有K个OFDM符号的信号，K为一次分组信号发送中的OFDM符号数量；

S3、分别计算K个OFDM符号的峰均比值，从中选出最大值PAPR1作为该循环移动后的二进制信息比特流信号的峰均比值，将该峰均比值最大值PAPR1与设定阈值C进行比较，如果峰均比值最大值PAPR1≤设定阈值C，则认为待发送信号的峰均比值已符合要求，进入后续的信号处理流程并进行发射，如果峰均比值最大值PAPR1＞设定阈值C，则进入步骤S4；

S4、判断X是否大于W，如果X大于W，则从生成的循环移位后的二进制信息比特流信号中选出峰均比值最小的二进制信息比特流信号，进入后续的信号处理流程并进行发射；否则令X＝X+1，并返回步骤S1，W为信息比特循环移动次数的上限值；当生成的循环移位后的二进制信息比特流信号的峰均比值都小于等于设定阈值C，或者循环次数超过W时，信号的发送过程结束；

S5、信号接收端接收信号，依次进行去除循环前缀、FFT运算、信道估计解调、信道译码、逆加扰等常规步骤，得到逆加扰后的信号；

S6、将逆加扰后的信号反向循环移动

位，

的初值为0；

S7、对反向循环移动后的信号进行CRC校验运算，如果校验结果全为0，则认为已正确接收到发送端所发送的分组信号，信号接收结束；如果校验结果不全为0，则认为未正确接收发送端所发送的分组信号，执行步骤S8；

S8、判断

是否大于W，如果

大于W，则认为本次信号接收错误，信号接收结束，否则令

返回步骤S6；当循环移动后的信号的CRC校验结果全为0，或者循环次数超过W时，信号的接收过程结束。

进一步的，在信号发送端，对待发送分组信号对应的二进制信息比特流信号进行循环左移或循环右移，对于同一待发送分组信号对应的二进制信息比特流信号，循环移动的方向一致。

由以上技术方案可知，本发明方法通过对未编码的信息比特发送次序进行优化选择，生成一个峰均比值较低的OFDM信号进行发送，以改善发送信号的峰均比值性能；而接收端则充分利用了循环冗余校验比特对信息接收结果是否正确的判断，在不需要边带信息的辅助判断的情况下，可以通过低复杂度的CRC盲检测来搜索出未编码的信息比特的正确发送顺序。和传统的降峰均比算法相比，本发明方法的发送信号是无失真的且不会降低***频谱利用率，因此不会造成***通信性能损失；同时接收端具有盲判断能力，因此无需辅助传输边带信息，可以在不明显改变现有信号处理流程的情况下，在发送OFDM符号数较少的短分组信号中获得较好的降峰均比性能。

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信号的发送和接收流程图；

图2为本发明方法信号发送端的信号处理流程图；

图3为本发明方法信号接收端端的信号处理流程图；

图4为不同循环左移次数发送信号的互补累积分布函数图。

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。

本发明的降低OFDM信号峰均比值的方法是在二进制信息比特流信号中添加循环冗余校验(CRC)比特后，通过对信息比特的发送顺序进行优化，从而降低信号的峰均比值。

下面结合图2和图3对本发明方法进行说明，本发明的方法步骤如下：在信号发送端，物理层某次待发送分组信号对应的长度为L的二进制信息比特流信号S＝[s₁,s₂,…,s_L]，s_l＝0 or 1，l＝1,…,L，L为比特流信号的长度，在二进制信息比特流信号S中，最后的R个比特为本次发送分组信号的CRC校验比特；

S1、将二进制信息比特流信号S循环移动X位，X的初值为0，循环移动时，可以是循环左移X位，也可以是循环右移X位，但在同一次信号处理过程中，重复循环移动步骤时，循环移动的方向一致，例如对于某次待发送分组信号的二进制信息比特流信号，首次循环移动为左移时，则该二级制信息比特流信号在后续重复执行循环移动(第2，第3，…，第W次)时都为循环左移；每进行一次循环移动，就会生成一组新的循环移动后的二进制信息比特流信号；

S2、对循环移动后的二进制信息比特流信号S进行加扰、信道编码、星座映射、***导频、IFFT计算，得到含有K个OFDM符号的信号；K为一次分组信号发送中的OFDM符号数量，本发明方法中发送端对信号进行加扰、信道编码、星座映射、***导频、IFFT计算的处理机制均和传统的OFDM信号发送时的加扰、信道编码、星座映射、***导频、IFFT计算的处理机制相同，以上步骤不是本发明的创新点，此处不做赘述；

S3、分别计算K个OFDM符号的峰均比值，从中选出最大值PAPR1作为该循环移动后的二进制信息比特流信号的峰均比值，将该峰均比值最大值PAPR1与设定阈值C进行比较，如果峰均比值最大值PAPR1≤设定阈值C，则认为待发送信号的峰均比值已符合要求，进入后续的信号处理流程并进行发射，如果峰均比值最大值PAPR1＞设定阈值C，则进入步骤S4；信号处理流程和发射流程与现有方法的信号处理流程及发射流程一致，不是本发明的创新点，此处不做赘述；

S4、判断X是否大于W，如果X大于W，则从得到的循环移位后的二进制信息比特流信号中选出峰均比值最小的信号，进入后续的信号处理流程并进行发射；如果X小于等于W，则令X＝X+1，并返回步骤S1；W为信息比特循环移动次数的上限值；除了首次循环移动二进制信息比特流信号S不变外(X＝0)，后续每次执行步骤S1后，二进制信息比特流信号S都会因位置移位而生成一个新的比特流信号，例如第2次循环执行步骤S1时二进制信息比特流信号S循环左移1位，得到循环移动后的新信号为S_1＝[s₂,…,s_L,s₁]，以此类推，第3次循环执行步骤S1时，信息比特信号循环左移2位，得到循环移动后的新信号为S_2＝[s₃,…,s_L,s₁,s₂]；当生成的比特流信号的峰均比值都小于等于设定阈值C，或者循环次数超过W时，信号的发送过程结束，本实施例中W＝15；W的取值可根据需求进行设定，当W取值越大时，降峰均比值的效果越好，但计算量也就越大，因此在本发明中不做具体限定；

S5、信号接收端接收信号，依次进行去除循环前缀、FFT运算、信道估计解调、信道译码、逆加扰等常规步骤，得到逆加扰后的信号

本发明方法中接收端对信号进行去除循环前缀、FFT运算、信道估计解调、信道译码、逆加扰的处理机制均和传统的OFDM信号接收时的去除循环前缀、FFT运算、信道估计解调、信道译码、逆加扰的处理机制相同，以上步骤不是本发明的创新点，此处不做赘述；

S6、将逆加扰后的信号S反向循环移动

位，即循环移动的方向和步骤S1中循环移动的方向相反，相当于逆操作，

的初值为0；例如，

时，循环右移后的信号

S7、对反向循环移动后的信号(如S_1)进行CRC校验运算，如果校验结果全为0，则认为已正确接收到发送端所发送的分组信号，信号接收结束，将循环移动后的信号(如S_1)上报给高层处理；如果校验结果不全为0，则认为未正确接收发送端所发送的分组信号，执行步骤S8；

S8、判断

是否大于W，如果

大于W，则认为本次信号接收错误，信号接收结束，向高层报错，否则令

返回步骤S6；当循环移动后的信号的CRC校验结果全为0，或者循环次数超过W时，信号的接收过程结束。

本发明的设定阈值C是一个动态参数，根据子载波数量、调制方式和功率放大器性能灵活调整，当设定阈值C较大时，发送端对信息比特信号尝试较少次数的循环移位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；而设定阈值C较小时，发送信号的峰均比值较低，但需要尝试更多次数才能生成满足要求的OFDM信号，计算量较大。因此本发明对设定阈值C取值不做具体限定，可在实际应用过程中由各设备厂家根据自身情况自主设定。

对于一个OFDM信号来说，通信***的频域输入信号为X＝[X₁,X₂,…,X_N]，通信***的时域信号序列为x＝[x₁,x₂,…,x_N]，

n＝1,2,…,N，N是OFDM信号中含有的子载波数量。信号的峰均比值

式中的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。

通常情况下，用时域互补累积分布函数(CCDF)来描述信号峰均比值(PAPR)的分布情况，其数学计算式为：Pr(PAPR＞z)＝1-Pr(PAPR≤z)。

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是N个频域输入信号经过IFFT变换后，得到的时域信号将趋于高斯分布，这种情况会随着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。

一般从以下5个方面来衡量降低信号峰均比值方法的性能：1)边带信息数量；2)对传输速率的影响；3)信号接收性能；4)算法复杂度；5)发送信号峰均比值降低水平。

从边带信息数量来看，从本发明方法的信号处理流程可以看出，接收端在无需任何辅助信息的前提下仍可以对接收信号进行相关的处理流程，因此边带信息数量为0。

从对传输速率的影响来看，采用本发明方法对信号进行优化选择，信号携带的信息比特数量和未使用本发明方法处理的信号相同，因此没有对信号的传输速率产生任何影响。

下面分别对***分组信号传输成功率、算法复杂度和发送信号峰均比值降低水平进行详细分析。

一、分组信号传输成功率性能

采用本发明方法处理后的信号，和传统的OFDM信号相比，从信号处理过程可以看出，两者只是在信息比特层面上的发送次序有些差异，其它信号处理环节保持一致，因此在相同的信道情况下，译码后的每个信息比特出现错误的概率是相同的。而从CRC的校验原理可以看出，如果接收侧在逆加扰运算后得到信息比特信号存在错误比特且这些错误比特仍在CRC的校验能力的范围内，则不管是传统信号或采用本发明方法处理过的信号，CRC校验结果都会显示为错误接收，因此两种信号在信息比特译码结果出现错误的情况下，两种的CRC校验性能是相同的。如果两种信号在信息比特译码结果都没有出现错误的情况下，传统OFDM信号可以保证本次分组信号的正确接收，采用本发明方法处理过的信号会在如下特殊场景中出现误判，即设发送端的实际发送信号为信息比特信号S＝[s₁,...,s_L],s_l＝0 or1,l＝1,...,L经过移动次数A次后的信号S＝[s_A+1,...,s_L,s₁,...,s_A],s_l＝0 or 1,l＝1,...,L，但是如下A-1组信号中

出现1组或多于1组的信号的最后R个比特刚好和前面L-R个比特的CRC校验比特相同的情况，在这种情况下就会出现信息比特译码结果都没有出现错误，但接收端会向高层上报一个错误的分组信号。但一般而言，发送分组信号的未编码信息比特的CRC校验比特长度R≥16bit，发明人经过大量的仿真后发现，在A≤15，R≥16bit，L≥100个字节时，在信息比特信号中出现上述场景的概率＜10^-6，因此综合分析后可知，在相同信道环境下，采用优化机制后的分组信号传输成功率性能和传统信号趋于一致。

二、算法复杂度

从本发明方法的信号处理流程中可以看出，算法复杂度和设定阈值C的设置大小息息相关。如果将设定阈值C的数值设置为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W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W倍；而如果将设定阈值C的数值设置为无限大，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，显然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(CCDF)来给出算法复杂度的理论分析，设定阈值为C，而在一次信号发送中，发送端在数据载荷部分需要发送K个OFDM符号，且这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)。

考虑循环移动操作可以明显改变信息序列比特的发送次序，而再经过加扰和信道编码等非线性操作，因此可以认为基于信号S和其循环移动后的信号所生成了系列信号都是相互独立的，因此发送端设定阈值为C时，其发送信号的循环移动值X(假设为左移)的概率值分布情况如下表：

表1不同循环左移值X对应的概率值

通常情况下，评估信号峰均比值(PAPR)情况时将比较关注其发送信号的时域互补累积分布函数(CCDF)在10^-4处对应的数值大小。因此，发送端可以将设定阈值C的数值设置为本次信号发送所对应的时域互补累积分布函数(CCDF)在10^-4处对应的数值，即Pr(PAPR＞C)＝1-Pr(PAPR≤C)＝10^-4(该数值可以利用计算机通过仿真获取)，此时不同加扰种子选择次数对应的概率值情况为：

表2 Pr(PAPR＞C)＝10^-4时发送信号的循环左移值X对应的概率值

在信道带宽较大的情况下，一次分组信号发送中的OFDM符号数量K一般为几十个的水平，在此情况下，当Pr(PAPR＞C)＝10^-4时，W＝0的事件发生概率值非常小，因此发送端在约99％的情况下的都保持了和原算法相同的信号处理流程，而在W>0的情况下需要多进行W次的信号处理过程。因此综合而言，本发明方法几乎未增加计算复杂度。

三、信号峰均比值降低性能仿真结果

下面给出含CRC校验比特的分组信号的信息比特长度为1024bit，而通信***拥有1024个子载波，并采用1/2turbo编码+QPSK调制的传输方案，其中加扰序列由计算机随机产生，而信息比特循环移动(左移)次数上限值W＝0,1,3,7,15次时的OFDM发送信号的互补累积分布函数(CCDF)的情况如图4所示。从仿真结果可以看出，随着循环左移次数上限值的增加，发送端的优化选择空间越来越多，因此峰均比值性能优化能力越好，当W＝15时，发送信号的峰均比值的互补累积分布函数在10^-4处降低了约4dB，获得了非常好的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 (2)

1.降低OFDM信号峰均比值的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在信号发送端，将待发送分组信号对应的二进制信息比特流信号循环移动X位，X的初值为0；

S2、对循环移动后的二进制信息比特流信号进行加扰、信道编码、星座映射、***导频、IFFT计算，得到含有K个OFDM符号的信号，K为一次分组信号发送中的OFDM符号数量；

S3、分别计算K个OFDM符号的峰均比值，从中选出最大值作为该循环移动后的二进制信息比特流信号的峰均比值，将该峰均比值最大值PAPR1与设定阈值C进行比较，如果峰均比值最大值PAPR1≤设定阈值C，则认为待发送信号的峰均比值已符合要求，进入后续的信号处理流程并进行发射，如果峰均比值最大值PAPR1＞设定阈值C，则进入步骤S4；

S4、判断X是否大于W，如果X大于W，则从生成的循环移位后的二进制信息比特流信号中选出峰均比值最小的二进制信息比特流信号，进入后续的信号处理流程并进行发射；否则令X＝X+1，并返回步骤S1，W为信息比特循环移动次数的上限值；当生成的循环移位后的二进制信息比特流信号的峰均比值都小于等于设定阈值C，或者循环次数超过W时，信号的发送过程结束；

S5、信号接收端接收信号，依次进行去除循环前缀、FFT运算、信道估计解调、信道译码、逆加扰等常规步骤，得到逆加扰后的信号；

S6、将逆加扰后的信号反向循环移动

位，

的初值为0；

S7、对反向循环移动后的信号进行CRC校验运算，如果校验结果全为0，则认为已正确接收到发送端所发送的分组信号，信号接收结束；如果校验结果不全为0，则认为未正确接收发送端所发送的分组信号，执行步骤S8；

S8、判断

是否大于W，如果

大于W，则认为本次信号接收错误，信号接收结束，否则令

返回步骤S6；当循环移动后的信号的CRC校验结果全为0，或者循环次数超过W时，信号的接收过程结束。

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：在信号发送端，对待发送分组信号对应的二进制信息比特流信号进行循环左移或循环右移，对于同一待发送分组信号对应的二进制信息比特流信号，循环移动的方向一致。

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