網(wǎng)格多載波并行傳輸系統(tǒng)中峰均功率比的抑制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及多載波并行傳輸系統(tǒng)，具體為一種網(wǎng)格多載 波并行傳輸系統(tǒng)中峰均功率比的抑制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著通信網(wǎng)格化、寬帶化的高速發(fā)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸能力和實(shí)時(shí)性的要求也 不斷提高。網(wǎng)格多載波系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)基于矩形成形脈沖的正交頻分復(fù)用OFDM系統(tǒng) (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，其特殊的時(shí)頻結(jié)構(gòu)性與成形脈沖設(shè)計(jì) 使之能夠更好適應(yīng)信道時(shí)變特性，較傳統(tǒng)OFDM更強(qiáng)的抗信道干擾能力。但是，如同一般的 多載波信號(hào)，網(wǎng)格多載波信號(hào)也面臨著較高的峰均功率比問(wèn)題，并且由于其信號(hào)的特殊結(jié) 構(gòu)形式，其發(fā)射信號(hào)可能面臨更高的峰均比問(wèn)題。圖1給出了目前常見并行多載波信號(hào)構(gòu) 成的時(shí)頻結(jié)構(gòu)，圖I (a)為傳統(tǒng)的基于矩形時(shí)頻結(jié)構(gòu)的多載波信號(hào)，圖I (b)對(duì)應(yīng)于新型的網(wǎng) 格正交頻分復(fù)用多載波LOFDM信號(hào)時(shí)頻結(jié)構(gòu)。由圖知，網(wǎng)格多載波LOFDM信號(hào)較傳統(tǒng)信號(hào) 相比在時(shí)間-頻率域呈交錯(cuò)分布，也使這種信號(hào)具有較以往更新的結(jié)構(gòu)特性與問(wèn)題。
[0003] 圖2對(duì)應(yīng)于網(wǎng)格多載波系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖。在實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與多波合成過(guò)程中，高峰 均比是多載波信號(hào)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中必須予以考慮的一個(gè)重要問(wèn)題，因?yàn)楦叻寰葧?huì)導(dǎo)致發(fā)射端 高功放的有效性大大降低，從而不僅導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行成本的增加，處理不當(dāng)還會(huì)導(dǎo)致發(fā)射信 號(hào)出現(xiàn)嚴(yán)重的非線性失真。
[0004] 目前，針對(duì)高峰均比抑制的可行途徑主要包括時(shí)域變換處理方法和頻域變換處理 方法。時(shí)域變化處理法主要是在信號(hào)經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換之前進(jìn)行處理，主要方式有部分 傳輸序列和選擇性映射，以及單音保留等，但是由于這些方法往往復(fù)雜度較高所以并不適 合實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。頻域變換處理法則是在信號(hào)經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換之 后進(jìn)行的處理方法，典型的有限幅和濾波、壓擴(kuò)變換等，這些方法雖然在一定程度上引入非 線性失真，破壞子載波之間的正交性，但是計(jì)算復(fù)雜度低、處理時(shí)延小，因而引起了研宄人 員的廣泛關(guān)注。與常規(guī)OFDM信號(hào)相比，憑借其特有的交錯(cuò)分布時(shí)頻結(jié)構(gòu)，在同等移動(dòng)速率 下網(wǎng)格多載波LOFDM系統(tǒng)對(duì)相鄰符號(hào)干擾的抑制能力明顯提高，但同時(shí)由于空中信號(hào)峰均 比指標(biāo)惡化，網(wǎng)格多載波LOFDM系統(tǒng)的研宄應(yīng)用受到很大限制。為此，如何針對(duì)網(wǎng)格多載波 系統(tǒng)特殊的信號(hào)結(jié)構(gòu)形式，在降低峰均比的同時(shí)有效保留成形脈沖的時(shí)頻特性就顯得尤為 迫切，目前這方面研宄成果很缺乏（參考文獻(xiàn)[1，2])。此后在文獻(xiàn)[3]-[5]中對(duì)并行多載 波信號(hào)非線性壓擴(kuò)函數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了進(jìn)一步研宄，處理效果雖得以改善，但其使用效果仍無(wú) 法滿足工程設(shè)計(jì)應(yīng)用的要求。為有效提高非線性壓擴(kuò)算法的實(shí)際效能，本發(fā)明對(duì)上述算法
[3]-[5]處理后的信號(hào)特性進(jìn)行了分析，并與壓擴(kuò)前信號(hào)概率密度分布函數(shù)進(jìn)行對(duì)比，給出 了測(cè)試結(jié)果示意圖（見圖3)。圖中，曲線PCl為文獻(xiàn)[3]所給方法處理后的壓擴(kuò)輸出信號(hào) 的分布特性，其服從均勻分布，PC2、PC3分別對(duì)應(yīng)于文獻(xiàn)[4]、[5]，其處理后的壓擴(kuò)后信號(hào) 服從線性或分段線性分布。從信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性角度易見，這些方法對(duì)原信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性（幅度 服從瑞利分布）影響巨大，處理前后信號(hào)的分布類型存在巨大差異。
[0005] 歸結(jié)而言，空中信號(hào)所固有的峰均比問(wèn)題是并行多載波系統(tǒng)傳輸設(shè)計(jì)與應(yīng)用中亟 待解決的關(guān)鍵難題，也是影響限制此類系統(tǒng)性能有效發(fā)揮的關(guān)鍵所在。隨著高速移動(dòng)速率 特別是對(duì)空中信號(hào)適應(yīng)性要求的不斷增強(qiáng)，基于網(wǎng)格時(shí)頻構(gòu)造理論的網(wǎng)格正交頻分復(fù)用技 術(shù) LOFDM(Lattice Orthogonal Frequency Division Multiplexing)隨即出現(xiàn)，為更大程 度上抑制和降低信道多徑與多普勒散射開辟了有效途徑，但同時(shí)研宄也表明：更高的峰均 比將隨之出現(xiàn)，峰平比抑制問(wèn)題與有效設(shè)計(jì)和低復(fù)雜度要求在該技術(shù)實(shí)用化過(guò)程中將變得 尤其突出。本發(fā)明的目的在于針對(duì)網(wǎng)格多載波系統(tǒng)這樣一種特殊的信號(hào)結(jié)構(gòu)形式，提出一 種高效的峰均比問(wèn)題解決方法，用以改善和提高網(wǎng)格多載波傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)性能，以更大 限度發(fā)揮該技術(shù)在無(wú)線通領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，并為其進(jìn)一步走向?qū)嵱没蛳铝己没A(chǔ)。
[0006] [l]Qu. D, Lu. S, Jiang. T. Multi-block joint optimization for the peak-t〇-average power ratio reduction of FBMC-0QAM signals[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2013, 61 (6):1605-1613.
[0007] [2]Xu. K, Zhang. D, Xu. Y, et al. Distribution of PAPR in LOFDM systems based on extreme theory[C]//Proc. IEEE Conference on Wireless Communications and Signal Processing, Nanjing: IEEE Press, 2011:1-6.
[0008] [3]Hou. J, Ge. J, Zhai D, et al. Peak-t〇-average power ratio reduction of OFDM signals with nonlinear companding scheme[J]. IEEE Transactions on Broadcas ting, 2010, 56(2) :258-262.
[0009] [4]ffang. Y, Ge. J, Wang. L, et al. Nonlinear companding transform for reduction of peak-to-average power ratio in OFDM systems[J]. IEEE Transactions on Broadcasting, 2013, 59(2) :369-375.
[0010] [5]Jeng. S, Chen. J. Efficient PAPR reduction in OFDM systems based on a companding technique with trapezium distribution[J]. IEEE Transactions on Broad casting, 2011, 57 (2) :291-298.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明要解決的問(wèn)題是：傳統(tǒng)壓擴(kuò)設(shè)計(jì)方法，以改變壓擴(kuò)后信號(hào)統(tǒng)計(jì)分布特性為 代價(jià)，換取信號(hào)峰均比的有效降低，由于這些方法均是設(shè)定壓擴(kuò)后信號(hào)服從線性分布的條 件下設(shè)計(jì)得到的，這無(wú)疑與原信號(hào)幅度服從瑞利分布這一事實(shí)相去甚遠(yuǎn)，因此這些技術(shù)無(wú) 法避免在有效降低峰均比的同時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼性能的較大損失這一問(wèn)題。
[0012] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：網(wǎng)格多載波并行傳輸系統(tǒng)中峰均功率比的抑制方法，通過(guò) 壓擴(kuò)變換抑制高峰均比，對(duì)網(wǎng)格多載波系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換之后的信號(hào)x(n)進(jìn)行 壓擴(kuò)變換處理，壓擴(kuò)信號(hào)表示為y n= ζ (χη)，ζ (·)為壓擴(kuò)函數(shù)，η時(shí)刻的壓擴(kuò)輸入信號(hào) Χ(η)和輸出信號(hào)y (η)分別簡(jiǎn)記為下標(biāo)形式\和7"，
[0013] 設(shè)輸入信號(hào)是獨(dú)立同分布的，則樣值Xn的概率密度分布函數(shù)為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 網(wǎng)格多載波并行傳輸系統(tǒng)中峰均功率比的抑制方法，通過(guò)壓擴(kuò)變換抑制高峰均比， 對(duì)網(wǎng)格多載波系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換之后的信號(hào)x(n)進(jìn)行壓擴(kuò)變換處理，壓擴(kuò)信號(hào) 表示為yn=e(Xn)，e(?)為壓擴(kuò)函數(shù)，n時(shí)刻的壓擴(kuò)輸入信號(hào)x(n)和輸出信號(hào)y(n)分 另IJ簡(jiǎn)記為下標(biāo)形式xjPyn， 其特征是設(shè)輸入信號(hào)是獨(dú)立同分布的，則樣值xn的概率密度分布函數(shù)為：
其中方差〇2=E[|xn|2]/2,對(duì)應(yīng)的累積分布函數(shù)為
|表示當(dāng)前時(shí) 刻樣值幅度|xn|小于等于某給定數(shù)值x的概率，其中Prob{|xn|彡x}表示事件|xn|彡x的發(fā)生概率，記微分變量為y，累積分布函數(shù)尺可寫為式（6)所給概率密度分布函數(shù) ./^(?)在區(qū)間[〇，x]上的積分值，計(jì)算過(guò)程及結(jié)果如下：
式⑵給出了Prob{|xn|彡x}對(duì)應(yīng)的積分計(jì)算形式； 在后續(xù)處理中，依據(jù)壓擴(kuò)輸入信號(hào)幅度的概率密度分布原函數(shù)通過(guò)進(jìn)行截?cái)?處理，使壓擴(kuò)信號(hào)幅度限制在與原信號(hào)分布特性一致的范圍內(nèi)，這里將壓擴(kuò)輸出信號(hào)yjg 度的概率密度分布函數(shù)人/x)簡(jiǎn)稱為"期望分布函數(shù)"，對(duì)應(yīng)的累積分布函數(shù)寫為：
當(dāng)1x1 =k_ff|時(shí)，有仏仏= 其中，X_ff為關(guān)于壓擴(kuò)輸入信號(hào)幅度概率密度 分布函數(shù)/wa)的截止點(diǎn)，由于壓擴(kuò)函數(shù)G(?)是嚴(yán)格單調(diào)增函數(shù)，因此有：
相應(yīng)的壓擴(kuò)函數(shù)計(jì)算為
其中，sgn(x)為符號(hào)函數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的網(wǎng)格多載波并行傳輸系統(tǒng)中峰均功率比的抑制方法，其特征 是做關(guān)于壓擴(kuò)輸入信號(hào)幅度的概率密度分布函數(shù)的截?cái)嗵幚?，?jù)此完成壓擴(kuò)與解壓 擴(kuò)函數(shù)設(shè)計(jì)，壓擴(kuò)輸出信號(hào)的幅度的概率分布函數(shù)為：
式中，A為網(wǎng)格多載波信號(hào)分布函數(shù)的截止點(diǎn)，也即壓擴(kuò)后信號(hào)最大幅值，0為一個(gè)常 數(shù)，用于保證壓擴(kuò)變換后信號(hào)的連續(xù)分布特性，根據(jù)累積分布函數(shù)的定義
有：f3 =l/[l-eXp(-A2/。2)]， 為了保持壓擴(kuò)變換前后信號(hào)的平均功率不變，這里在式（10)基礎(chǔ)上進(jìn)行增益控制與 調(diào)整，引入功率補(bǔ)償系數(shù)a，調(diào)整后的壓擴(kuò)函數(shù)廠（x)寫為：
由式（7)和式（12)帶入推導(dǎo)得最終的壓擴(kuò)函數(shù)為：
經(jīng)壓擴(kuò)處理前后，有E[ |xn |2] =E[ |yn|2]，在接收端恢復(fù)出發(fā)射信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)的解壓擴(kuò) 函數(shù)C'x)為
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的網(wǎng)格多載波并行傳輸系統(tǒng)中峰均功率比的抑制方法，其特征 是通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)A的取值對(duì)所述抑制方法進(jìn)行優(yōu)化，隨著A的減小，峰均比指標(biāo)改善程度越 大，但同時(shí)非線性失真也會(huì)相應(yīng)增加，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)及指標(biāo)要求進(jìn)行設(shè)置與調(diào)整。
【專利摘要】網(wǎng)格多載波并行傳輸系統(tǒng)中峰均功率比的抑制方法，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，將壓擴(kuò)信號(hào)處理為一個(gè)與原信號(hào)分布形式相同但是截?cái)嗔说匿J利分布函數(shù)，從而來(lái)最大限度的保持原信號(hào)的統(tǒng)計(jì)分布特性，并且還可很好保證發(fā)射空中信號(hào)的時(shí)頻特性，使得因非線性失真及其所引起的系統(tǒng)誤碼性能損失有效降低。本發(fā)明采用簡(jiǎn)單實(shí)用的預(yù)失真壓擴(kuò)處理算法，通過(guò)改變壓擴(kuò)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)分布特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射信號(hào)中大信號(hào)進(jìn)行壓縮和小信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)張，使壓擴(kuò)器處理后的信號(hào)分布與原信號(hào)分布特性具有更強(qiáng)的漸進(jìn)一致性，測(cè)試結(jié)果表明，該種在有效降低峰均比的同時(shí)兼可確保格多載波成形脈沖良好的時(shí)頻特性，在保證壓擴(kuò)前后信號(hào)功率不變的條件下使得發(fā)射信號(hào)的峰均功率比得到顯著改善。
【IPC分類】H04L27-26
【公開號(hào)】CN104580059
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510080008
【發(fā)明人】袁志鋼, 王曉紅, 彭斯明, 武媛媛, 張宏蘇
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年2月13日