降低OFDM系统峰均功率比的阈值分类SLM方法及系统

摘要

本发明公开了一种降低OFDM系统峰均功率比的阈值分类SLM方法，包括：用两组不同的相位因子集合产生相位因子旋转序列，然后对映射后的二进制序列分别进行加权处理，接着进行快速傅里叶逆变换，产生两组原始的备选信号序列，然后对两组原始的备选信号序列进行判决处理，将两组中的PAPR值大于阈值的信号序列分别与不同组的每一个PAPR值大于阈值的信号序列相加并做归一化处理，产生新一组备选信号序列；最后从这三组备选信号中选择峰均功率比值最小的备选信号序列进行传输。本发明不仅可以获得与原始的SLM方法相似的峰均功率比性能，而且使得计算复杂度大幅度降低，从而提高了OFDM系统的性能。

说明书

技术领域

本发明涉及数字通信技术领域，尤其涉及一种降低OFDM系统峰均功率比的阈值分类SLM方法及系统。

背景技术

正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)技术是一种比较特别的多载波传输技术，它既可以被看作一种调制技术，也可以被看作一种复用技术。OFDM技术在抗多径衰落、抗窄带干扰多址、频谱利用率以及信号处理方面显示出明显优势。目前，其以独特的优势已经被广泛地应用到无线通信的很多领域，像无线局域网以及数字音视频广播和非对称数字用户线标准等等。以5G传输技术为代表的未来移动通信技术正在快速发展，在其物理层关键技术的研究中，OFDM技术被广泛看好，以实现更高的数据传输速率。但是，对于OFDM技术来说，峰均功率比(peak-to-Average power ratio,PAPR)过高是其主要缺点之一。因此这就要求功率放大器的线性特性很好，不然的话将会引起一定的带内失真和带外辐射，从而导致误码率变大，系统性能变差。

由OFDM的定义可知，第k个OFDM符号的时域表达式为

其中，N是子载波个数；T是OFDM符号周期；X_n,k是第k个OFDM符号中第n个子载波上传输的数据。因此，时域信号x(t)的采样信号为：

通过式(1)和式(2)可知，OFDM信号是由多个子载波信号的叠加产生的，所以当子载波的数量达到一定数量后，由中心极限定理可知，OFDM信号的包络具有不稳定性，从而带来较高的峰均功率比(PAPR)。则定义峰均功率比为：单个OFDM符号中的峰值功率与其平均功率的比值，即

其中，E{·}表示数学期望运算，x＝[x₀,x₁,...,x_N-1]。

关于上面的定义，更准确地描述OFDM信号的PAPR性能应该是它的概率统计特性，因此我们通常情况下使用互补累积分布函数(complementary cumulative distributionfunction,CCDF)来描述OFDM符号的峰均功率比，则可表示为

很久以前，研究者们就已经开始热衷于研究如何高效地降低OFDM系统的峰均功率比，并且提出了一些非常有价值方法来降低系统的PAPR值，例如：限幅类方法、编码类方法以及概率类方法。限幅类方法，是通过设定门限值对信号进行削峰从而达到降低PAPR的目的，虽然该技术较为简单并且比较容易实施，但是也造成了信号失真以及较大频谱的带外失真。另外，虽然编码方法具有很好的降低PAPR的效果,但是能够用来编码的图样数量很少，特别是当子载波数量达到一定程度时，编码效率是很低的。概率类方法主要是利用不同的相位因子序列对OFDM信号进行加权处理，然后从中选择PAPR值最小的OFDM信号用于传输。其中，选择性映射法(selected mapping,SLM)就是一种非常简单的改善OFDM系统PAPR性能的方法。

选择性映射法的基本原理：首先原始的输入信号序列X＝[X₀,X₁,…,X_N-1]被复制成U路，然后再分别与U个相互独立的相位因子加权旋转序列相乘。一般而言，我们选择则得到的U个信号序列为然后再分别进行IFFT操作，得到U个备选信号序列最后，从这U个备选信号序列中选出PAPR值最小的信号序列用来传输。

通常情况下，我们为了保证OFDM系统的PAPR性能不受损失，U个相位加权旋转序列中应包含一个全1的序列。通常我们设定第一个相位因子加权旋转序列全为1，即P¹＝[1,1,...,^T1。]

此外，由于选择性映射方法所需的计算复杂度非常大，因此增加了在现实中实现该方法的困难，促使我们不得不改善该技术来解决此类问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种降低OFDM系统峰均功率比的阈值分类SLM方法及系统，其不仅可以提供与原始的选择性映射方法相似的PAPR性能，而且还大大地降低了计算复杂度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

在一个或多个实施方式中公开的一种降低OFDM系统峰均功率比的阈值分类SLM方法，包括：

(1)对输入的原始二进制传输信号数据进行编码映射后复制成U路，并把U路信号分成两组；

(2)用两组不同的相位因子集合分别产生两组不同的相位因子旋转序列组，每一个相位因子旋转序列组中包含U/2个相位因子旋转序列；

(3)对步骤(1)产生的两组信号数据分别进行加权理，并分别对加权处理后的数据进行IFFT操作，产生两组原始的备选信号序列组，将第一组备选信号序列组存储在集合1中，将第二组备选信号序列组存储在集合2中；

(4)计算两组原始的备选信号序列组中每一个备选信号序列的PAPR值，分别与设定的阈值p相比较，当第一组备选信号序列组中某一个备选信号序列的PAPR值大于p，则将该备选信号序列存储在集合4中；当第二组备选信号序列组中某一个备选信号序列的PAPR值大于p，则将该备选信号存储在集合5中；

(5)如果集合4和集合5中有一个是空集合，则跳转到步骤(7)，否则，跳转到步骤(6)；

(6)用集合4中的每一个备选信号序列与集合5中每一个备选信号序列相加并做归一化处理，产生新的备选信号序列组，存储在集合3中；

(7)从集合1、集合2和集合3中选择PAPR值最小的备选信号序列进行传输。

进一步地，所述步骤(2)中，选定两个相位因子集合P₁＝{±j}和P₂＝{±1}，用相位因子集合P₁和P₂分别产生U/2个长度与正交频分复用系统子载波数相等的相位因子旋转序列，每个相位因子旋转序列中的元素都是从相应的相位因子集合的元素中随机选择的。

进一步地，两组不同的相位因子旋转序列中必须包含一个全1的序列。

进一步地，对步骤(1)产生的两组信号数据分别进行加权处理，具体为：

对于步骤(2)中产生的两组相位因子旋转序列组，将其中一组相位因子旋转序列组与步骤(1)产生的其中一组信号数据进行点乘处理；将另外一组相位因子旋转序列组与步骤(1)产生的另外一组信号数据进行点乘处理。

进一步地，所述步骤(6)中产生新的备选信号序列组，具体为：

将集合4中的备选信号序列记做x_c4(v_i)，i＝1,2,…,m；m为集合4中备选信号序列的个数；

将集合5中的备选信号序列记做x_c5(v_j)；j＝1,2,…,n；n为集合5中备选信号序列的个数；

则集合3中得到的新的备选信号序列组中的备选信号序列为：集合4中的每一个备选信号序列分别与集合5中每一个备选信号序列相加并进行归一化处理，得到m×n个新的备选信号序列。

在一个或多个实施方式中公开的一种降低OFDM系统峰均功率比的阈值分类SLM方法，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的方法。

在一个或多个实施方式中公开的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明方法解决了选择性映射方法存在的计算复杂度大的问题，不仅可以获得与原始的SLM技术相似的峰均功率比性能，而且使得计算复杂度大幅度降低，从而提高了OFDM系统的性能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明方法的发射端技术原理框图。

图2是在具有128个子载波的OFDM系统中，U＝12的情况下，本发明方案选择合适阈值p的仿真图。

图3是在相同备选信号序列数目下，本发明方案与原始SLM方法的PAPR性能对比图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中公开的一种降低OFDM系统峰均功率比的阈值分类SLM方法，图1给出了发射端的技术原理框图，具体实现步骤如下：

(1)首先对输入的原始二进制信号数据进行编码映射后复制成U路，并把U路二进制信号数据分成两组。此处的原始二进制信号数据代表需要传输的原始二进制信号数据。

(2)接着用相位因子集合P₁＝{±j}和P₂＝{±1}分别产生两组不同的相位因子旋转序列组；选定两个相位因子集合P₁＝{±j}和P₂＝{±1}，并用P₁和P₂分别产生U/2个长度与正交频分复用系统子载波数相等的相位因子旋转序列组，每个相位因子旋转序列组包含U/2个相位因子旋转序列，每一个相位因子旋转序列中的元素都是从相对应的集合的元素中随机选择的。

为了保证OFDM系统的PAPR性能不受损失，两组不同的相位因子旋转序列中必须包含一个全1的序列，在这里我们设定

(3)用步骤(2)中产生的相位因子旋转序列组分别与步骤(1)中编码映射后的二进制序列进行点乘运算，即：将其中一组相位因子旋转序列组与步骤(1)产生的其中一组信号数据进行点乘处理；将另外一组相位因子旋转序列组与步骤(1)产生的另外一组信号数据进行点乘处理。

然后进行IFFT操作，产生两组原始的备选信号序列组，分别存储在集合1和集合2中。

(4)计算上面两组原始的备选信号序列组中每一个备选信号序列的PAPR值，分别与设定的阈值p相比较，当第一组中某一个备选信号序列的PAPR值>p，则将该备选信号序列存储集合4中，记做x_c4(v_i)，i＝1,2,…,m；m为集合4中备选信号序列的个数；当第二组中某一个备选信号序列的PAPR值>p，则将该备选信号序列存储在集合5中，记做x_c5(v_j)；j＝1,2,…,n；n为集合5中备选信号序列的个数；其中，m和n的数值由阈值p的大小决定。

(5)如果集合4或者集合5中有一个是空集合，那么跳转到步骤(7)，否则，继续下一步。

(6)用集合4中的每一个备选信号序列与集合5中每一个备选信号序列相加并做归一化处理，产生新的备选信号序列，存储在集合3中，记做x_c3(v_k)，k＝1,2,…,m×n；即集合3中的新的备选信号序列包括：

…

…

(7)最后从集合1、2、3中选择峰均功率比(PAPR)值最小的序列进行传输。

为了对本发明方法的性能进行验证，特给出下面一个具体实例。

仿真实验条件：基于MATLAB平台，随机产生10⁵个OFDM信号，QPSK调制方式，子载波个数为128，过采样因子为4。

图2是在具有128个子载波的OFDM系统中，U＝12的情况下，本发明方案选择合适阈值p的仿真图。在这里我们基于原始SLM方案的PAPR性能曲线和对应PAPR值的发生概率寻找合适的阈值p来模拟和验证本发明方法的性能。表1给出了在图2仿真条件下，对于不同阈值，本发明方法的计算复杂度。

表1

图3给出了在相同备选信号序列数量下，本发明方法与原始的选择性映射方法的PAPR性能对比。从图3可以看出：当p＝7dB时，本发明方案可以获得与原始选择性映射方法相似的PAPR性能。表2给出了在图3仿真条件下，本发明方法的计算复杂度；从表2可以看出：与原始SLM方法计算复杂度相比，本发明方法计算复杂度也是大大降低。

表2

综上所述，与原始选择性映射相比，当选择阈值p＝7dB时，本发明的方法在提供相似的PAPR性能同时，计算复杂度很大程度上降低了。

实施例二

在一个或多个实施方式中公开的一种降低OFDM系统峰均功率比的阈值分类SLM系统，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中所述的降低OFDM系统峰均功率比的阈值分类SLM方法。

实施例三

在一个或多个实施方式中公开的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行实施例一中所述的降低OFDM系统峰均功率比的阈值分类SLM方法。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。