無(wú)邊帶信息傳輸?shù)牡蛷?fù)雜度改進(jìn)SLM方案

劉 臣，黃麗亞，朱文俊

(南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210003)

正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)具有頻譜利用率高、可以有效對(duì)抗多徑干擾等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用。但是OFDM存在峰均功率比(PAPR)較高的問(wèn)題。由于功率放大器的線性范圍有限，因此PAPR較高的信號(hào)通過(guò)功率放大器會(huì)產(chǎn)生非線性失真。為了減小這種非線性失真，需要擴(kuò)大功率放大器的線性范圍，而這又會(huì)導(dǎo)致功率發(fā)射效率下降和成本提高[1]。

目前降低OFDM系統(tǒng)PAPR的方法可以分為三類：限幅類、編碼類和概率類[2]。參考文獻(xiàn)[3]～[5]提出的方法分別屬于限幅類、編碼類和概率類。選擇映射(SLM)方法能夠有效降低OFDM系統(tǒng)的PAPR，但是計(jì)算復(fù)雜度高，需要額外帶寬傳輸邊帶信息，從而降低傳輸效率。目前對(duì)SLM的改進(jìn)工作主要是針對(duì)SLM方法的上述兩個(gè)缺點(diǎn)進(jìn)行的，比如參考文獻(xiàn)[6]、參考文獻(xiàn)[7]提出的改進(jìn)方案可以降低計(jì)算復(fù)雜度，參考文獻(xiàn)[8]、參考文獻(xiàn)[9]提出的改進(jìn)方案能夠不需要傳輸邊帶信息，但是還沒(méi)有能夠同時(shí)解決這兩個(gè)缺點(diǎn)的改進(jìn)方案。本文通過(guò)分析SLM原理，將參考文獻(xiàn)[7]和參考文獻(xiàn)[9]提出的方案有機(jī)結(jié)合，提出一種新的SLM方案，既降低了計(jì)算復(fù)雜度，又不需要傳輸邊帶信息。

1 SLM方法原理

設(shè)要發(fā)送的 OFDM符號(hào)頻域數(shù)據(jù)向量為X=[X1，X2，…，XN]。SLM方法首先產(chǎn)生M個(gè)長(zhǎng)度為N的不同隨機(jī)相移序列：

式中，〈·〉表示向量之間的點(diǎn)乘。然后對(duì)所得到的M個(gè)不同的輸出序列 X(μ)分別實(shí)施 IFFT變換，相應(yīng)得到 M個(gè)不同的輸出序列 x(μ)=[x，…，]，最后從這 M個(gè)輸出序列中選擇峰均功率比最小的序列進(jìn)行發(fā)送。

為了能夠提供多個(gè)OFDM信號(hào)進(jìn)行選擇，SLM方法需要M個(gè)IFFT計(jì)算器，使得計(jì)算復(fù)雜度有了很大的提高。在接收端，為了能夠正確接收信號(hào)，需要知道隨機(jī)相移序列信息，因此需要將隨機(jī)相移序列作為邊帶信息進(jìn)行傳輸，而傳輸邊帶信息會(huì)占用額外的帶寬，從而降低傳輸效率。

2 改進(jìn)的SLM方案

針對(duì)SLM方法計(jì)算復(fù)雜度高，傳輸邊帶信息導(dǎo)致傳輸效率降低的缺點(diǎn)，提出了改進(jìn)的SLM方案。改進(jìn)方案在發(fā)送端對(duì)數(shù)據(jù)分組進(jìn)行選擇映射，從而降低計(jì)算復(fù)雜度，利用發(fā)送數(shù)據(jù)的幅值變化表示隨機(jī)相移信息，從而不需要傳輸邊帶信息，提高傳輸效率。

2.1 分組選擇映射

如果SLM方法在發(fā)送端產(chǎn)生的隨機(jī)相移序列個(gè)數(shù)為M，要處理的數(shù)據(jù)向量長(zhǎng)度為N，則在發(fā)送端需要進(jìn)行l(wèi)og2N次復(fù)數(shù)乘法和MNlog2N次復(fù)數(shù)加法，再考慮相位調(diào)整的工作量，則在發(fā)送端共需要進(jìn)行MN(1+log2N)次復(fù)數(shù)乘法和MNlog2N次復(fù)數(shù)加法。

通過(guò)分組選擇映射降低SLM方法的復(fù)雜度的思路源于IFFT的性質(zhì)。IFFT的計(jì)算量與數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度成正比。在OFDM系統(tǒng)的發(fā)送端將數(shù)據(jù)分組，分組后每組數(shù)據(jù)長(zhǎng)度都會(huì)減小，這樣每組進(jìn)行IFFT的計(jì)算量就會(huì)減小。另外，OFDM符號(hào)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，子載波個(gè)數(shù)越大，OFDM系統(tǒng)的峰均功率比就越大，因此，數(shù)據(jù)分組能夠降低信號(hào)峰均功率比。下面分兩組數(shù)據(jù)為例具體介紹分組選擇映射。

在OFDM系統(tǒng)發(fā)送端，將N個(gè)數(shù)據(jù)向量分為兩組，長(zhǎng)度均為 N/2，分別用 XU和 XL表示，分別將 XU和 XL與M個(gè)隨機(jī)相移序列點(diǎn)乘，隨機(jī)相移序列長(zhǎng)度為N/2，得到的數(shù)據(jù)用 X(U，μ)(μ=1，2，… ，M)和 X(L，μ)(μ=1，2，… ，M)表示，則

對(duì) X(U，μ)(μ=1，2，…，M)和 X(L，μ)(μ=1，2，… ，M)分 別進(jìn)行IFFT處理，從得到的兩組OFDM時(shí)域數(shù)據(jù)中分別選擇PAPR值最小的輸出信號(hào)進(jìn)行合并發(fā)送。使得兩組OFDM符號(hào)的PAPR值最小的兩組隨機(jī)相移序列也要進(jìn)行合并，作為邊帶信息發(fā)送。

采用分組選擇映射，如果分組數(shù)為S，則在發(fā)送端需要進(jìn)行MN(1+log2)次復(fù)數(shù)乘法和 MNlog2次復(fù)數(shù)加法，計(jì)算量相對(duì)于改進(jìn)前的SLM方法大大減小。

2.2 隨機(jī)相移序列的處理

傳統(tǒng)SLM方法中，隨機(jī)相移序列的幅值均為1。這里利用幅值對(duì)隨機(jī)相移序列進(jìn)行標(biāo)記，達(dá)到不需要傳輸邊帶信息的目的，具體方法為：

將M個(gè)隨機(jī)相移序列組成隨機(jī)相移表。將隨機(jī)相移表中的每個(gè)隨機(jī)相移序列 P(μ)都分成 L個(gè)子序列，每個(gè)子序列長(zhǎng)度為 D=N/L，用 pd，l表示第 l+1個(gè)子序列中的第 d+1 個(gè)元素，其中 d∈{0，1，…，D-1}，l∈{0，1，…，L-1}。在每個(gè)子序列中選擇K個(gè)元素，將其幅值設(shè)為定值C＞1，其余(D-K)個(gè)元素的幅值仍為1。同一隨機(jī)相移序列中的各個(gè)子序列的幅值為C的元素在子序列中的位置是相同的，也就是說(shuō) pd，l幅值大小與 d無(wú)關(guān)，與 l也無(wú)關(guān)。

對(duì)于給定的隨機(jī)相移序列，幅值為C的元素在子序列中的位置構(gòu)成含有K個(gè)元素的集合S(μ)。如果隨機(jī)相移序列對(duì)應(yīng)的集合 S(μ)={0，3}，則在隨機(jī)相移序列的所有子序列中，在d=0和d=3的元素pd，l的幅值等于C。由于不同隨機(jī)相移序列對(duì)應(yīng)的集合 S(μ)不同，因此集合S(μ)可以作為區(qū)分隨機(jī)相移序列在隨機(jī)相移表中位置的標(biāo)識(shí)，而發(fā)送的隨機(jī)相移序列的幅值包含著集合 S(μ)的信息，因此可以不必發(fā)送包含集合S(μ)的邊帶信息。

由排列組合可知，集合S(μ)的個(gè)數(shù)最多為，因此隨機(jī)相移表中的隨機(jī)相移序列的個(gè)數(shù)最多為M=。圖1列出了按照以上方法生成的一組隨機(jī)相移序列的幅值，其中隨機(jī)相移序列被分為L(zhǎng)=3個(gè)長(zhǎng)度為D=4的子序列，參數(shù)K=1，這些隨機(jī)相移序列可用于含有12個(gè)子載波的OFDM系統(tǒng)。

發(fā)送端與接收端采用同樣的算法產(chǎn)生相同的隨機(jī)相移表。隨機(jī)相移序列被標(biāo)識(shí)后，其他部分與傳統(tǒng)SLM方法一致。

由于隨機(jī)相移序列的元素 pd，l的幅值可能為 1，也可能為C，頻域采樣數(shù)據(jù) Xn與隨機(jī)相移序列元素 pd，l相乘后得到的輸出數(shù)據(jù)的幅值將大于或等于Xn的幅值，因此信號(hào)的平均功率將會(huì)增大，這種功率的增加可能會(huì)影響OFDM系統(tǒng)的PAPR性能。

接下來(lái)分析接收端如何從接收到的數(shù)據(jù)中提取隨機(jī)相移序列。假設(shè)接收端接收到的發(fā)送符號(hào)為x(μ)，通過(guò)信道估計(jì)能夠較準(zhǔn)確地排除信道衰落的干擾，經(jīng)過(guò)FFT變 化 得 到 Y(μ)。

接收端將接收到的信號(hào)序列 Y(μ)分成L個(gè)長(zhǎng)度為D的子序列，在每個(gè)子序列里尋找K個(gè)平均功率較大的符號(hào)的位置。用yd，l表示在第l+1個(gè)子序列中第d+1個(gè)接收符號(hào)采樣點(diǎn)，其中 d∈{0，1，…，D-1}，l∈{0，1，…，L-1}，則子序列第d+1個(gè)位置上的各個(gè)符號(hào)的平均功率為：

通過(guò)式(5)得出功率最大的K個(gè)符號(hào)的位置集合S(μ)，根據(jù)集合S(μ)和隨機(jī)相移序列的對(duì)應(yīng)關(guān)系在相移序列表中得到發(fā)送數(shù)據(jù)的隨機(jī)相移序列，進(jìn)而恢復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

將分組選擇映射與上述隨機(jī)相移序列處理方法結(jié)合，就能達(dá)到既降低計(jì)算復(fù)雜度，又不需要傳輸邊帶信息的目的。圖2所示是分組數(shù)為2時(shí)，改進(jìn)SLM方法的實(shí)現(xiàn)原理圖。

3 仿真結(jié)果與分析

對(duì)基于IEEE 802.16a標(biāo)準(zhǔn)的OFDM系統(tǒng)進(jìn)行仿真，采用QPSK調(diào)制，過(guò)采樣因子為4，OFDM符號(hào)數(shù)為10 000，子載波數(shù)為 256，隨機(jī)相移序列取值范圍為{1，j，-1，-j}，誤碼率性能仿真采用高斯白噪聲信道。為便于描述，將參考文獻(xiàn)[7]和參考[9]提出的改進(jìn)方案分別稱為改進(jìn)方案a和改進(jìn)方案b，測(cè)試結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

可以看出，本文提出的改進(jìn)方案PAPR性能要比改進(jìn)方案a差，但是當(dāng)C取值比較小時(shí)，PAPR性能要優(yōu)于原始SLM方法；在C取值相同的情況下，本文提出的改進(jìn)方案PAPR性能要優(yōu)于改進(jìn)方案b。

圖5所示是SLM改進(jìn)方案a、改進(jìn)方案b與本文改進(jìn)方案的誤碼率性能比較，其中非線性放大器的輸入回退為6 dB，理想情況指接收端完全正確接收到邊帶信息。可以看出，改進(jìn)方案b和本文提出的改進(jìn)方案的誤碼率性能優(yōu)于改進(jìn)方案a，并且信噪比越大，誤碼率性能越接近于理想狀態(tài)。在C取值相同的情況下，本文提出的改進(jìn)SLM方案的誤碼率性能與改進(jìn)方案b幾乎相同。

降低OFDM系統(tǒng)PAPR的SLM方法計(jì)算復(fù)雜度高，需要額外的帶寬用于傳輸邊帶信息，降低了傳輸效率。針對(duì)這些缺點(diǎn)，本文提出的改進(jìn)SLM方案既能降低計(jì)算復(fù)雜度，又不需要傳輸邊帶信息。

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