一種采用SLM降低峰均比的裝置及方法

高 知，余建國

（武漢郵電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074）

0 引言

較高的峰均比（PAPR）一直是 OFDM技術(shù)的難點和關(guān)鍵問題所在，也是 OFDM 技術(shù)走向?qū)嵱没囊坏榔琳?，所以為了推廣 OFDM技術(shù)的應(yīng)用，就必須優(yōu)化其系統(tǒng)性能，這就需要去降低系統(tǒng)的PAPR。

選擇性映射[1]（SLM）是一種非畸變的方法來降低PAPR，其基本思想是用U個統(tǒng)計獨立的向量去代表相同數(shù)據(jù),然后再讓這U個向量同時進行IFFT ,得到OFDM符號的在時域的離散采樣，分別計算這U個向量的 PAPR ,從這些序列中選出具有最小 PAPR的向量進行傳輸。選擇性映射法的優(yōu)點就是不受調(diào)制方式和載波數(shù)量的限制，且不會發(fā)生信號畸變。

當(dāng)使用SLM方案來抑制PAPR時，不可避免的要考慮以下兩個問題：首先，接收機必須要知道發(fā)射機所選擇的相位序列，以至于接收機能夠準(zhǔn)確的恢復(fù)數(shù)據(jù)，因此需要在發(fā)射機加一個輔助信息發(fā)生器來產(chǎn)生輔助信息標(biāo)志經(jīng)過相位偏轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)塊。其次，輔助信息的傳輸應(yīng)該準(zhǔn)確高效，而且系統(tǒng)資源不能被占用，且不能影響系統(tǒng)性能。因此現(xiàn)設(shè)計出了一種解決上述兩個問題的發(fā)射和接收裝置，不但大大提高了系統(tǒng)傳輸效率，而且增強了系統(tǒng)抗干擾的能力，從而提高了OFDM系統(tǒng)的性能。

1 SLM算法原理及新裝置數(shù)據(jù)流程

采用SLM的OFDM系統(tǒng)發(fā)射機內(nèi)的信號可以表示為[2]：

假設(shè)存在M個不同的，長度為N的隨機相位序列矢量：

ψi(u)在[0,2π]之內(nèi)均勻分布?？梢岳眠@M個相位矢量分別與IFFT的輸入序列X進行點乘，則可以得到M個不同的輸出序列uX ，即：

其中 ·表示向量之間的點乘。

然后對得到的M個序列()uX 分別實施IFFT計算，相應(yīng)得到 M個不同的輸出序列最后在給定PAPR門限值的條件下，從這M個時域信號序列內(nèi)選擇PAPR性能最好的用于傳輸。

作者所設(shè)計的采用SLM的OFDM發(fā)射機的原理如圖1。

圖1 采用SLM的OFDM發(fā)射機

其數(shù)據(jù)流程及算法原理如下：

經(jīng)過編碼、交織處理后的數(shù)據(jù)進入星座映射表，然后映射表根據(jù)預(yù)置調(diào)制方案將輸入數(shù)據(jù)映射到調(diào)制碼元（在LTE系統(tǒng)中映射輸出為順序的復(fù)數(shù)序列流），S/P轉(zhuǎn)換器將從映射表接收的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的并行數(shù)據(jù)流。分配器將并行數(shù)據(jù)復(fù)制成U個數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊包含N個數(shù)據(jù)符號：

相位序列和輔助信息發(fā)生器產(chǎn)生 U個統(tǒng)計獨立的相位序列 P1, P2,… ,PU，每一個相位序列的長度為N( p1, p2,… ,pN)，同時根據(jù)相位序列產(chǎn)生一一對應(yīng)的U個長度為N的輔助信息 A1, A2,… ,AU，U個長度為N的輔助信息序列之間要求滿足共軛正交（對應(yīng)位上的復(fù)數(shù)進行共軛相乘后的求和值為0），即[3]：

然后，分配器出來的U個數(shù)據(jù)塊分別與U個統(tǒng)計獨立的相位序列相乘，產(chǎn)生U個不同相位偏轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)序列[4]：

U個經(jīng)不同相位偏轉(zhuǎn)后的數(shù)據(jù)序列分別加上與該相位序列對應(yīng)的輔助信息序列，得到U個不同的數(shù)據(jù)序列流：

為了有效利用發(fā)射功率，增大系統(tǒng)覆蓋面積，可以將輔助信息功率和數(shù)據(jù)功率按照一定的比例取值x進行相加合成[5]（x取值為1/10～1），從而提高系統(tǒng)有效發(fā)射功率。

U個數(shù)據(jù)塊然后分別進行N點的IFFT變換，得到U個時域信號數(shù)據(jù)塊：

選擇器對這U個輸出的時域數(shù)據(jù)塊分別進行計算，比較選擇其中峰均比PAPR最小的數(shù)據(jù)塊進行放大，調(diào)制到射頻后發(fā)送出去。

接收機的原理如圖2。

圖2 采用SLM的OFDM接收機

該接收機的數(shù)據(jù)處理流程為：

首先接收到的信號經(jīng)過模數(shù)變換、去除循環(huán)前綴、同步校準(zhǔn)、頻偏校正等處理流程后的輸入數(shù)據(jù)進入串并轉(zhuǎn)換器，將串行數(shù)據(jù)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)（同步、頻偏等數(shù)據(jù)處理流程也可能在FFT變換之后進行）；并行數(shù)據(jù)經(jīng)過N點FFT變換后輸出頻域的復(fù)數(shù)序列流；并行數(shù)據(jù)再經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換器變成串行復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)流，由SLM發(fā)射機的數(shù)據(jù)處理流程，知道該復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)流包含了輔助復(fù)數(shù)序列值以及經(jīng)過相位偏轉(zhuǎn)的原始數(shù)據(jù)值；串行數(shù)據(jù)流以及輔助信息發(fā)生器產(chǎn)生的輔助信息流進入相關(guān)器（相關(guān)器的長度為N）進行共軛相關(guān)，通過比較U種已知的發(fā)送輔助信息復(fù)數(shù)流進行相關(guān)后的峰值，從而可以得知發(fā)射器選擇傳輸?shù)妮o助信息復(fù)數(shù)序列值；將FFT變換后接收到的串行數(shù)據(jù)流減去輔助信息復(fù)數(shù)序列值，便可以得到經(jīng)過相位偏轉(zhuǎn)以后的原始數(shù)據(jù)；由于輔助信息數(shù)據(jù)流和相位發(fā)生器的相位序列具有一一對應(yīng)的關(guān)系，通過輔助信息復(fù)數(shù)序列值的確認，同時便得知了發(fā)射器所選擇的的隨機相位序列偏轉(zhuǎn)值，相位序列發(fā)生器產(chǎn)生一個與發(fā)射器選擇的相位序列的反相序列值，乘以對應(yīng)的接收數(shù)據(jù)，于是便可以獲得未加相位偏轉(zhuǎn)的原始數(shù)據(jù)；將原始數(shù)據(jù)經(jīng)過星座去映射，便可以獲得數(shù)據(jù)比特流，從而繼續(xù)完成接收數(shù)據(jù)的下續(xù)處理流程。

2 能量仿真研究

由 SLM 發(fā)射機的數(shù)據(jù)處理流程知道接收數(shù)據(jù)流為包含了相位偏轉(zhuǎn)與輔助信息的原始數(shù)據(jù)流疊加了信道噪聲后的接收信號，而輔助信息發(fā)生器產(chǎn)生與發(fā)射機相同的U種輔助信息序列，將接收信號與這 U種輔助信息序列分別進行相關(guān)，通過比較相關(guān)器的輸出能量峰值，可以找到發(fā)射機所選擇的確定輔助信息序列。由于接收信號中包含了輔助信息序列值，所以當(dāng)且僅當(dāng)進入相關(guān)器的輔助信息序列與接收信號中的輔助信息序列完全相同的時候，相關(guān)器輸出的能量取得最大峰值；對于其他進入相關(guān)器的輔助信息序列，由于與接收信號中包含的輔助信息序列完全正交，其相關(guān)器輸出能量表現(xiàn)為隨機噪聲，其值遠遠低于能量峰值。對于疊加在信號中的噪聲與發(fā)生了相位偏轉(zhuǎn)的原始數(shù)據(jù)來說，其與輔助信息序列的相關(guān)性很差，其相關(guān)輸出能量仍然表現(xiàn)為噪聲能量，其值遠遠低于相關(guān)器能量峰值。如圖 3，其為包含了某中輔助信息的接收數(shù)據(jù)與200個完全正交的輔助信息進行相關(guān)后輸出的仿真能量圖（N取值為512），從該仿真圖中可以正確獲得OFDM系統(tǒng)SLM發(fā)射機所選擇的輔助信息序列。

圖3 相關(guān)器能量輸出仿真圖（N=512）

3 結(jié)語

發(fā)明了一種在多載波的OFDM通信系統(tǒng)中采用SLM方案時輔助信息的發(fā)送和處理的裝置及方法，其創(chuàng)新點在于利用N點相關(guān)器進行輔助信息的探察，通過該相關(guān)器進行共軛相乘求和后，可以正確判斷對應(yīng)的相位偏轉(zhuǎn)值也不影響對輔助信息發(fā)送序列的判斷，而且隨著 IFFT點數(shù)的增加，不會使得整個系統(tǒng)降低PAPR的性能下降。相反，隨著IFFT點數(shù)的增加，輔助信息復(fù)數(shù)序列值的長度增加，相關(guān)器的長度增大，使得相關(guān)器的輸出峰值更加尖銳，從而大大增強了系統(tǒng)對抗干擾的能力，提高了正確接收和判斷輔助信息的能力，從而增加了系統(tǒng)的性能。?

[1] 李萬臣,李佑虎.基于SLM的減小OFDM系統(tǒng)PAPR的改進技術(shù)[J].通信技術(shù),2008(12)：122-124.

[2] 胡澤鑫,許柯,朱曉明,等.一種基于混沌序列降低OFDM系統(tǒng)PAPR方法的研究[J].通信技術(shù),2007,40(12)：63-65,71.

[3] 吳法文,胡茂凱,陳西宏,等.優(yōu)化OFDM系統(tǒng)峰均比的PTS改進算法研究[J].通信技術(shù),2009,42(11)：13-15.

[4] BREILING H, MULLER W S H, HUBER J B.SLM Peak-Power Reduction without Explicit Side Information[J]. IEEE Commun. Lett.,2001,5(06)：239-241.

[5] JAYALATH A D S, TELLAMBURA C.Side Information in PAR Reduced SLM-OFDM Signals[C]USA：IEEE,2003：226-230.