基于凸优化的OFDM信号峰均比抑制算法、系统、设备及介质

摘要

本发明涉及通信技术领域，具体而言，涉及基于凸优化的OFDM信号峰均比抑制算法、系统、设备及介质。步骤如下：通过IFFT将原始频域信号变换为时域信号；对时域信号进行限幅处理，得到限幅后的时域OFDM信号后再通过FFT进行变换；根据凸优化二阶锥约束对限幅后的频域OFDM信号进行优化，利用优化内点法求解，得到处理后的OFDM信号。本发明对限幅后的信号利用凸优化在一定EVM约束条件下最小化PAPR，利用优化内点法进行求解，比ICF算法和直接采用优化内点法对OFDM信号进行优化求解，能进一步降低PAPR，并且有更好的误码性能。

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体而言，涉及基于凸优化的OFDM信号峰均比抑制算法、系统、设备及介质。

背景技术

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）是一种带宽有效性高的调制技术，且能有效的对抗多径和脉冲噪声等信道干扰。目前，正交频分复用技术由于其优良特性被广泛运用于无线通信系统，并成为下一代移动通信系统的核心技术之一。然而OFDM系统的一个主要问题是，发送信号所特有的较高的峰均比（Peak-to-Average Power Ratio, PAR），为了提高功放效率，避免互调失真，通常需要对OFDM信号的峰均比进行控制。

目前已有多种方法来降低多载波系统中的峰均比。第一类是以部分传输序列（Partial Transmitting Sequence, PTS）为代表的概率类技术，这种方法能降低峰值出现概率，但是计算复杂度较大。第二类是通过添加空闲载波功率的子载波预留（ToneReservation, TR）方法，但这种算法会的闲子载波会浪费功率，降低数据速率。第三类是简单并易于实现的限幅技术，但是限幅滤波会引起信号畸变和带外频谱再生。

因此，亟需对现有算法做进一步的改进。

发明内容

本发明的目的在于提供基于凸优化的OFDM信号峰均比抑制算法、系统、设备及介质，通过改进ICF算法，利用凸优化技术替代经典算法中的矩形窗滤波器，在给定PAPR门限和最大误差向量幅度值的条件下，大幅降低PAPR，得到较小的信号畸变，从而提高误码能力。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：基于凸优化的OFDM信号峰均比抑制算法，包括如下步骤：

步骤一、输入原始频域信号；

步骤二、令迭代次数

否则，直接通过IFFT将频域信号变换为时域信号；

步骤三、对所述时域信号进行限幅处理，得到限幅后的时域OFDM信号；

步骤四、通过FFT将限幅后的时域OFDM信号变换为限幅后的频域OFDM信号；

步骤五、根据凸优化二阶锥约束对所述限幅后的频域OFDM信号进行优化，利用优化内点法求解，得到处理后的OFDM信号；

步骤六、若处理后的OFDM信号PAPR最优，则迭代结束；

否则，迭代次数

根据一种优选实施方式，所述步骤二具体包括：

若

通过IFFT将原始频域信号

否则，

根据一种优选实施方式，所述步骤三具体包括：

对所述时域信号进行限幅处理，表达式如下：

上式中，

上式中，

根据一种优选实施方式，所述步骤五中根据凸优化二阶锥约束对所述限幅后的频域OFDM信号进行优化的表达式如下：

上式中，

上式中，

本发明还提供利用上述所述基于凸优化的OFDM信号峰均比抑制算法的系统，包括：

输入模块，用于输入原始频域信号；

IFFT变换模块，用于令迭代次数

否则，直接通过IFFT将频域信号变换为时域信号；

限幅处理模块，用于对所述时域信号进行限幅处理，得到限幅后的时域OFDM信号；

FFT变换模块，用于通过FFT将限幅后的时域OFDM信号变换为限幅后的频域OFDM信号；

优化模块，用于根据凸优化二阶锥约束对所述限幅后的频域OFDM信号进行优化，利用优化内点法求解，得到处理后的OFDM信号；

PAPR评估模块，用于评估处理后的OFDM信号PAPR，若处理后的OFDM信号PAPR最优，则迭代结束；

否则，迭代次数

本发明还提供一种设备，包括存储有可执行程序代码的存储器、以及与所述存储器耦合的处理器，所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行如上述所述的基于凸优化的OFDM信号峰均比抑制算法。

本发明还提供一种介质，其上存储有可执行程序代码，所述可执行程序代码被计算设备执行时，所述计算设备执行如上述所述的基于凸优化的OFDM信号峰均比抑制算法。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

与现有技术相比，本发明将通过IFFT将频域信号变换为时域信号；对时域信号进行限幅处理，得到限幅后的时域OFDM信号；通过FFT将限幅后的时域OFDM信号变换为限幅后的频域OFDM信号；对限幅后的信号利用凸优化在一定EVM约束条件下最小化PAPR，利用优化内点法进行求解，比ICF算法和直接采用优化内点法对OFDM信号进行优化求解，能进一步降低PAPR，并且有更好的误码性能。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的基于凸优化的OFDM信号峰均比抑制算法的流程图；

图2为ICF算法原理框图；

图3为单个OFDM符号的EVM和PAPR示意图；

图4为OFDM系统PAPR的CCDF曲线图；

图5为PAPR抑制算法对误码性能的影响示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例1

参考图1所示，本发明实施例提供的基于凸优化的OFDM信号峰均比抑制算法，包括如下步骤：

步骤一、输入一个OFDM原始频域信号。

步骤二、令迭代次数

否则，

步骤三、对所述时域信号进行限幅处理，得到限幅后的时域OFDM信号，表达式如下：

上式中，

上式中，

步骤四、通过FFT将限幅后的时域OFDM信号变换为限幅后的频域OFDM信号。

参见图2所示的ICF算法原理框图，传统ICF算法，在对限幅后的时域OFDM信号进行FFT变换得到限幅后的频域OFDM信号后，再用一个矩形窗进行滤波，即带外置零。传统ICF算法会引起峰值再生，因此需要多次迭代才能得到期望PAPR，也会带来OFDM带内噪声以及带外功率辐射的增加，降低OFDM的性能。

因此，对于ICF中的滤波处理，在发明实施例中采用在一定的误差向量幅度EVM的限制条件下最小化当前符号的PAPR的方法来替代滤波处理，将替代传统ICF算法中的矩形窗滤波器。需要说明的是，误差向量幅度EVM用于描述处理后的OFDM符号的畸变程度。

本发明实施例中，步骤五、根据凸优化二阶锥约束对所述限幅后的频域OFDM信号进行优化，表达式如下：

上式中，

上式中，

利用优化内点法求解，得到处理后的OFDM信号。

步骤六、若处理后的OFDM信号PAPR最优，则迭代结束；

否则，迭代次数

需要说明的是，在本发明实施例中上述优化内点法IPM，即在求解过程中找到障碍函数，搜索方向以及步长进行变量迭代，以找到最优解。需要补充说明的是，限幅操作会引起OFDM信号的失真，因此在对限幅后的信号进行EVM约束时，应当对失真进行补偿，适当提高EVM的约束值，以保证OFDM信号的误码性能。

以下对本发明所提供ICF-IPM算法的仿真结果进行详细说明：

仿真采用802.11a/g WLAN OFDM系统，在该标准中，子载波数量为64个，其中52个载波含有信息数据。仿真中采用QPSK调制，过采样率为4。参考图3所示，图3中示出了1个QPSK符号在IPM-ICF算法、直接使用IPM算法和ICF算法下的峰均比和误差向量幅度的性能。该符号的原始PAPR为7.23dB，在最大EVM为-8dB的限制条件下，直接采用IPM对原始信号进行PAPR最小化，在三次迭代后，PAPR降至3dB，且随着PAPR的降低，EVM的值不会超过于-8dB。

采用ICF-IPM算法，在经过1次限幅处理及对限幅后的信号进行3次IPM迭代求解凸优化问题，可将峰均比降至2.72dB，降低了约4.5dB，由于ICF-IPM算法在限幅处理时会造成信号失真，因而其实际EVM小于-8dB,因而需要对限幅后的OFDM信号进行失真补偿，这里将ICF-IPM中的容限EVM

以下对QPSK的总体性能进行仿真，图4给出了原始OFDM信号，采用ICF方法（分别为1次，8和16次迭代），IPM和ICF-IPM方法（1-3次迭代）进行峰均比抑制处理后的信号的CCDF曲线图。对于ICF其CR参数设为1.5849（PAPR

由图4可以看出，三种方法均能较大幅度的降低PAPR。但是在概率为10

原始OFDM信号采用三种方法进行峰均比抑制后在高斯白噪声信道下的误码性能如图5所示。

由于在峰均比处理的过程中出现了信号失真，因而三种峰均比抑制的方法的误码性能均差于原始OFDM信号的误码性能。对于三种方法，ICF-IPM的性能优于ICF和IPM的性能。由图5可以看出，在误码率为2×10

需要补充说明的是，RMS-EVM定义为K个OFDM符号的EVM的均方根，可以理解的是，OFDM信号失真程度越大，则RMS-EVM越大，误码性能下降。如果发射信号满足EVM的限制条件，则接收端能够得到较好的误码性能，从而提高通信质量。

综上，与现有技术相比，本发明将通过IFFT将频域信号变换为时域信号；对时域信号进行限幅处理，得到限幅后的时域OFDM信号；通过FFT将限幅后的时域OFDM信号变换为限幅后的频域OFDM信号；对限幅后的信号利用凸优化在一定EVM约束条件下最小化PAPR，利用优化IPM算法进行求解，比ICF算法和直接采用IPM算法对OFDM信号进行优化求解，能进一步降低PAPR，并且有更好的误码性能。

本发明实施例还提供利用上述基于凸优化的OFDM信号峰均比抑制算法的系统，包括：输入模块，用于输入原始频域信号；IFFT变换模块，用于令迭代次数m=1，开始迭代过程，若m=1，在对所述原始频域信号进行过采样之后，通过IFFT将原始频域信号变换为时域信号；否则，直接通过IFFT将频域信号变换为时域信号；限幅处理模块，用于对所述时域信号进行限幅处理，得到限幅后的时域OFDM信号；FFT变换模块，用于通过FFT将限幅后的时域OFDM信号变换为限幅后的频域OFDM信号；优化模块，用于根据凸优化二阶锥约束对所述限幅后的频域OFDM信号进行优化，利用IPM算法求解，得到处理后的OFDM信号；PAPR评估模块，用于评估处理后的OFDM信号PAPR，若处理后的OFDM信号PAPR最优，则迭代结束；否则，迭代次数

本发明实施例还提供一种设备，包括存储有可执行程序代码的存储器、以及与所述存储器耦合的处理器，其特征在于，所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行如上述所述的基于凸优化的OFDM信号峰均比抑制算法。

本发明实施例还提供一种介质，其上存储有可执行程序代码，其特征在于，所述可执行程序代码被计算设备执行时，所述计算设备执行如上述所述的基于凸优化的OFDM信号峰均比抑制算法。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。