专利名称：：用于减小功率峰均比的方法
技术领域：
：本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于减小无线通信信号的功率峰均比的方法。进一步地，本发明涉及一种分别根据权利要求9、10和ll的发射机、接收机和通信系统。
背景技术：
：在移动通信系统的上行链路中，发射信号的低功率峰均比(peak-to-averagepowerratio，PAPR)很重要，因为越低的PAPR意味着例如在相同的平均发射功率下越长的电池寿命。单载波频分多址(SC-FDMA)为E-UTRA系统中上行链^各的一种后选多址方案，其在"2005年6月的3GPPRANITR25.814v.0.1.1"PhysicalLayerAspectsforEvolvedUTRA(E-UTRA的物理层部分)，，(在以下称为文献1)中详细说明。SC-FDMA的传输方案是单载波信号的块级方式传输，其在每个传输块中在有用信号前插入循环前缀。一种提出的传输模式称为离散傅立叶变换-展开正交频分复用(DFT-S-OFDM,DiscreteFourierTransmission-spreadOrthogonalFrequencyDomainMultiplexing),参见3GPPRl-050702NTTDoCoMo等"DFT-spreadOFDMwithpulseshapingfilterinfrequencydomaininEvolvedUTRAuplink(E-UTRA上行链路频域中带有脉冲成形滤波器的DFT-S-OFDM)"(在下文中称为文献2),其可以看作具有预编码的OFDM。尽管产生多载波信号的OFDM具有高PAPR，但是经过DFT预编码后能产生具有较低PAPR的单载波信号。图1示出了DFT-S-OFDM的发射结构。M个复合调制符号x,w=0，l,...，M-l的每一块经过DFT变换成M个系数Zr<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>DFT的输出被映射到等间隔的子载波4=/。+辽，其中/0为频率偏移量，丄为大于或等于1的整数。输入到N个点反傅立叶变换(IDFT)的剩余其它值被设置为零。IDFT的输出<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>最后，插入循环前缀。时间窗可以在该循环前缀后应用来减小带外发射。该循环前缀和时间窗不改变该信号的PAPR。尽管所述单载波的特性比OFDM产生更低的PAPR，但仍然可能进一步减少PAPR。图1中的发射机对该发射信号的功率分布作用与在时域对单载波传输使用sine脉冲成形滤波器处理的效果非常类似。该sine波形衰减得非常緩慢，因此在某个特定时间的信号通常依赖于多个调制符号，这多个信号引入功率的变化从而增加了PAPR。在单载波传输的时域处理中，PAPR能够通过应用脉冲成形滤波器而减小。才艮升余弦(Root-raisedcosine，RRC)滤波器广泛用于脉冲成形。这些滤波器具有以下的特性，并且以下特性在许多应用场合中有用这些滤波器o能够通过FIR滤波器来实现，以及o在匹配滤波器后产生奈奎斯特(Nyquist)脉冲。但是，这些特性对于DFT-S-OFDM并不重要，因为o时域滤波可以由频域中的频谱成形代替，并且o均衡是在频域进行，与包括频谱成形的信道的脉冲响应无关。对于时域单载波的传输，RRC滤波器随着滾降(roll-off)系数的增加会使脉冲形状变短。变短的脉冲形状意味着在某一时刻的信号直接取决于少数符号，使得信号振幅产生很小变化，并由此产生比sinc滤波器更低的PAPR。事实上，sinc滤波器为滚降系数等于零的RRC滤波器。如图2中所示，一种在DFT-S-OFDM中减小信号PAPR的方法为通过将DFT5输出的分量与频谱成形序列相乘进行频谱成形，参见文献2。如果该信号映射到比该DFT长度更大的一组子载波上，则经过DFT处理后的数据块在与所述频谱成形序列相乘前需要进行周期扩展。因此，该频谱成形通过以下等式描述A=U""0，1,…,C/-1，(3)其中&为频谱成形序列的分量，t/为占用的子载波数量。IDFT的输出为h=+!TW，"，1,…,7V—1(4)在现有技术中已提出的唯一的频谱成形序列S是从根升余弦(RRC)函数取样得到，也就是从RRC滤波器的传递函数中取样得到。RRC函数为1,|/|<厶(卜")助=<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(5)其中乂为符号率的一半，a为所谓的滚降系数。&由S")给出，其中A,yb=0,l，2，...,f/-l在S的总带宽中是等间隔的。从RRC函数的定义中清楚地看出，总带宽是该信号的符号率的(Ha)倍。在文献2中已指出PAPR随着滚降系数的增加而减小。但是，对于固定的总带宽，该符号率和可实现的谱效率会减小(1+a)倍。因此，PAPR的减小是以每个可用带宽的吞吐量，也就是可实现的谱效率的减小为代价的。在华为3GPPRl画050702"ImprovedSC-FDMAPAPRreductionbynonroot-raisedcosinespectrum-shapingfunctions(改进的利用非才艮升余弦步贞i普成形函数降低SC-FDMAPAPR)，，中，提出了使用除RRC以外的其它成形函数的可能性。但是，没有提出这种具体的函数。
发明内容本发明的一目的是提出一种对现有技术问题中的一个或多个问题的解决方案或减小这些问题。因此，主要目的为提出一种与具有RRC成形的SC-FDMA相比，可获得更低的PAPR的方事实上，本发明提出一种解决方案，其在特定情况下产生能够被证实为最小化的PAPR。根据本发明，以上目的通过一种具有权利要求1中所描述的特征的方法，一种具有权利要求9的特征的发射机，一种具有权利要求10的特征的接收机以及一种具有权利要求11的特征的无线通信系统来实现。根据本发明，利用频谱成形序列来在离散频域中对无线通信信号进行滤波。此序列被选择为具有在有限区间内能量最大化，也就是在该有限区间以外的能量最小化的频谱。本发明的频谱成形序列可以设计为具有可调参数，用其来折中所述功率峰均比和所需要的平均信噪比。此参数等于或对应于所述有限区间的宽度。本发明的频谱成形序列可以为离散长王求序列(prolatespheroidalsequence)或为离散长球序列和取样函数的乘积。本发明的频谱成形序列可以近似为离散长球序列。这种近似的序列为凯泽窗。该频i普成形序列也可以由凯泽窗和取样函数的乘积得到。本发明的方法可以在用于无线通信系统的发射机中完成。优选地，这种发射机可以与用于无线通信系统的对应的接收机通信，该接收机包括用于接收和处理由该发射机产生的信号的装置。两者一起可以形成一无线通信系统的一部分，该无线通信系统包括至少一个这种发射机和至少一个这种接收机。本发明另外的特征和优点将从以下的描述中显而易见。现在将参照附图描述本发明的示例性实施例，在附图中图1为根据现有技术的方法的方框图，图2为本发明的方法的方框图，和图3示出了使用本发明方法的无线通信系统。具体实施方式图2为本发明的方法的方框图。本发明包括选择长度为U的指数限(index-limited)频i普成形序列，其中U大于或等于M,其傅立叶频谱的能量在有限区间内最大化，也就是在该有限区间以外的能量最小化。子载波的数量可以设置为块中符号的数量，也就是U=M，这意味着没有频谱效率的损失。U也可以选择为大于M，从而允许即使在谱效率减小的情况下有较低的PAPR。所选择的该序列并不限于在匹配滤波后输出的时域脉冲为奈奎斯特脉冲，因此会产生符号间干扰。符号间干扰不会增加接收机的复杂性，这是因为接收机包含均衡器，但是对于给定吞吐量，可以增加所要求的平均信噪比(SNR)。由于符号间干扰，所要求的SNR随着频谱成形函数的傅立叶频谱的主瓣(main-lobe)宽度的增加而增加。另一方面，通过增加所述主瓣宽度，旁瓣中的能量能够被减少。如将在以下所示，所述PAPR随着频谱成形函^:的傅立叶频谱的旁瓣中能量的减少而减少。因此，在所要求的SNR和PAPR之间存在着折中。在下文中提出频语成形序列的选择标准。假定所述发射机的输出信号y为洲一2祈r-、/丄-上l(8)其中；c"为调制数据符号，s(^与所述频谱成形序列&的傅立叶级数展开(傅立叶频谱)成比例，^)^2^&^*。假定x"的振幅恒定(对于相位偏移键控来说)并等于丄/为该信号的中心频率，且r为有用信号的持续时间，也就是IDFT的输出信号除以L得到。于是，y在时间f的能量为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(9)其中l.l表示绝对值。从(9)得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(10)如果第一总和的分量同相位就获得[y(,)l的最大值，这会在x的复自变数和s(f/T-w/M)的复自变数之间的差值对于所有的w都相同时发生。(10)的平方为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(11)+化丄因为s为带限的，(11)的右边的第一项与s(￡=_^(,)|2&)的能量五的近似值成比例。因此，峰值功率[y(X)f与s加上交叉项V厂r似的能量成比例,为了使该峰值功率最小化，需要最小化(ll)中的所有交叉项的和。现在再利用s(,)为&的傅立叶频谱来分析是有益的，这意味着s(,)，|,|<『为该频谱的主瓣，而||>『包含该频语的旁瓣，其中W次数为7/2M。因此，为了最小化(ll)中交叉项的和，需要最小化频谱成形序列的傅立叶频谱的旁瓣中的能量。因此，为了找到最小的PAPR,需要找到长度为U的指数限的频谱成开序列，该序列的傅立叶频语的能量在有限区间内最大化，也就是其在该有限区间以外的能量最小化。满足此条件的频谱成形序列为第0个离散长球序列，也标定为离散长球窗，参见2002年3月IEEE信号处理，vol.9，no.3，pp89-91，D.vandeVille等"OntheN-DimensionalExtensionoftheDiscreteProlateSpheroidalWindow(关于离散长球窗的N维展开)"(在以下称为文献3)。此指数限序列最大化了其傅立叶频谱在有限区间内的能量。该离散长球序列C/，W为满足以下等式的归一化特征向量<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>该离散长球窗为对应于最大特征向量//;的特征向量S";。『为可调参数，其可以用来调节所述频谱成形函数的傅立叶频谱中主瓣宽度。当增加[/并保持乘积f/『恒定时，该离散长球序列近似为(连续)长球波函数。对这些序列/函数的简单近似为凯泽(Kaiser)窗，其在文献3和1978年1月Proc.IEEE,Vol.66,pp.51-83，F.J.Harris,"OntheUseofWindowsforHarmonicAnalysiswiththeDiscreteFourierTransform(有关利用离散傅立叶变换的谐波分析中窗口的使用)"中有定义<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>其中，y=(c/-1)/2和/。(.)表示第一种零阶修正贝赛耳(Bessel)函数，其定义为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>与所述离散长球窗类似，Kaiser窗具有可调参数p，其可以用来调节所述频谱成形函数的傅立叶频谱中的主瓣宽度。如已提到的，主瓣宽度对所要求的SNR和PAPR有着不同的影响。在DFT展开的OFDM系统中，参数r和々的调节允许对于一定吞吐量在PAPR和所要求的平均信噪比(SNR)之间折中。该离散长球窗的另一近似可以通过Kaiser窗和其它一些函数的乘积获3曰付。在本发明中，以上提到的所有窗应用在频域中，尽管它们最初在时域中定义。在这种意义上讲，它们的应用进一步地增加了本发明的出人意料的效果。所述Kaiser窗频语成形序列已通过链路仿真进行了评估，且其性能已与QPSK调制下的RRC函数进行比较。所述Kaiser窗频谙成形序列在发射信号中引入了符号间干扰，其通常将所要求的平均SNR增加以达到一定吞吐量(频谱效率)。另一方面，与RRC频谱成形函数相比，PAPR被减小。为此，选择的性能指标为吞吐量，其中吞吐量是峰值发射功率(99.9个百分点)的函数，在平均信道损失和噪声功率恒定的条件下，该99%的峰值发送功率与平均接收SNR加上PAPR(99.9个百分点)成比例。恒定的噪声功率通过在所有的仿真中保持噪声带宽和噪声频镨密度恒定来确保。所述吞吐量为信息比特率和正确接收的发射块比率的乘积。调制和编码在仿真过程中固定，也就是没有链接适应。对于每个调制，两个信息比特率i/被仿真。编码的比特率ic选择为调制符号率等于所述RRC函数的3dB的带宽。对于不同RRC函数，所述Kaiser窗已为相同编码比特率进行了估计。所述频谱成形函数的总带宽选择为对于所有函数产生相似的带外发射，也就是在相同的频谱掩码中。帧格式为根据文献1的表9.1.1-2。其它仿真参数在表1中给出，而频谱成形函数的相关参数在表2中显示。表1仿真参数<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表2频i普成形函数的相关参数<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>由于PAPR的减小，仿真的结果为所述Kaiser窗优于具有相同编码比特率(也就是相同的可获得频语效率)的RRC函数，无论是=7.2Mbps还是Wc=6.12Mbps。性能增益在A尸2Mbps时为0,6-0.8dB，在W尸4Mbps时为0.5dB。现在参照图3，本发明也包含一种无线通信系统，举例来说，该通信系统可以包括蜂窝系统100的基站120和与所述基站通信的终端130。所述基站和/或终端可以包括至少一个发射机，该发射机具有用于实现本发明的方法的装置。所述基站和/或终端也可以包括至少一个接收机，该接收才几包括用于接收和处理由所述发射机产生的信号的装置。本发明的频谱成形也可以使用脉冲成形滤波器以单载波信号的时域处理来实现，其中滤波系数由频谱成形序列的反傅立叶变换产生。可以理解，本发明的描述只是用于说明，而且本发明能够在所附权利要求书的范围内以多种方式变化。权利要求1、一种用于减小无线通信信号的功率峰均比的方法，其特征在于，包括接收由调制符号构成的输入数据序列所组成的输入通信信号；对所述输入通信信号执行离散傅立叶变换，生成傅立叶频谱；将所述傅立叶频谱的分量与频谱成形序列相乘；将所述输入数据序列的傅立叶频谱与频谱成形序列的乘积，即经过频谱成形后的所述输入数据序列，映射到在预定带宽中的子载波上；对已映射的输入数据序列的傅立叶频谱与频谱成形序列的乘积执行反离散傅立叶变换，产生输出通信信号，其中在所述将所述傅立叶频谱的分量与频谱成形序列相乘的步骤中，选择具有在有限区间内能量最大化的傅立叶频谱的频谱成形序列。2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频谱成形序列具有可调参数来对所述功率峰均比和所需要的平均信噪比进行折中。3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所迷可调参数等于或对应于所述有限区间的宽度。4、根据权利要求l、2或3所述的方法，其特征在于，所述序列为离散长球序列。5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述序列为离散长球序列和耳又样函数的乘积。6、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述序列近似为离散长球序列。7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述序列为凯泽窗。8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述序列为凯泽窗和取样函数的乘积。9、一种用于无线通信系统的发射机，包括用于执行根据权利要求1-8中任一项所述方法的装置。10、一种用于无线通信系统的接收机，包括用于接收和处理由根据权利要求9的发射机所产生的信号的装置。11、一种无线通信系统，包括至少一个根据权利要求9的发射机和至少一个根据权利要求10的接收机。全文摘要本发明涉及一种用于减小无线通信信号的功率峰均比的方法。该方法的特征为将输入通信信号经过傅立叶变换后的分量与频谱成形序列相乘，该频谱成形序列被选择为具有在有限区间内能量最大化的傅立叶频谱。本发明也涉及一种无线通信系统中的发射机和接收机，以及这样一种无线通信系统。文档编号H04J11/00GK101218769SQ200580051006公开日2008年7月9日申请日期2005年10月28日优先权日2005年10月28日发明者奥斯卡·莫里兹,布兰尼斯拉夫·波波维奇申请人:华为技术有限公司