联合正交变换与非正交的高效频分复用传输峰均比抑制方法与流程

本发明涉及无线通信技术领域的传输体制及技术，具体涉及一种应用于高效频分复用传输系统的降低峰均比方法。

背景技术：

随着无线通信的高速发展，移动设备的高宽带应用日益增多，频谱资源日益匮乏，提升有限的频谱资源利用率成了当下研究的热门。在多载波传输体制中，OFDM一向以其高频谱利用率以及收发设备简单被称为经典的传输方式，但是研究者们希望有一种拥有比OFDM更高的频谱利用率的传输体制。早在2003年I.Darwazeh等人就提出了一种高效率的频分复用技术——SEFDM(Spectrally Efficient Frequency Division Multiplexing)，这种通信系统是在OFDM系统的基础上建立的。OFDM系统通过压缩子载波间距使得相邻子载波达到正交的关系，载波之间有很大程度的交叠，已经在一定程度上节省了很多频谱资源，而高效频分复用系统通过在OFDM的载波结构基础上进一步压缩子载波之间的距离以提高频谱利用率。

高效频分复用作为一种的多载波传输体制，虽然通过压缩子载波间距使得频谱利用率非常高，但是由于收发装置在硬件方面实现的复杂度等问题，技术进展并没有OFDM更快。其面临的最大技术难题是接收端的判决问题。由于频带的进一步压缩，子载间的正交性被破坏，需要更复杂的判决方式在一定程度上克服载波间干扰来进行译码判决。一般的线性判决方式，如ZF以及MMSE，仅在系统子载波数目较少且信噪比环境优良的情况下才会有较好的性能。ML理论上来说是一个用来对抗ICI的较好的判决方式，但是随着调制等级以及系统子载波数量的增加，判决的复杂度是呈指数级增长的。SD是除ML外另一种可选的判决方式，在复杂度方面相比ML会减少很多，对于SD而言，一个主要的局限性就是其实现的复杂度和噪声水平的等级有关，由于噪声水平是随机的，所以它的复杂度也是随机的，这就给接收端具体的硬件设施实施带来了很大的挑战性。除此之外，又有很多研究者提出了很多新的以及结合的判决方式，如TSVD，FSD，ID-FSD等等。这些判决方式在一定程度上解决了判决方面的问题，使得高效频分复用传输系统的性能能够得以保障。

这种进一步压缩频带的思想应用于新一代的地面、空载及卫星通信中将会给在很大程度上解决未来频谱资源稀缺的问题，但是由于进一步地压缩了子载波间隔，发送端的峰均比比OFDM系统更大了，这无疑增加了发送端硬件设备的制作成本。

技术实现要素：

本发明是为了解决传统多载波无线通信系统的以下问题：

1、传统多载波无线通信系统频带利用率仍有待提升，需要更高效的传输技术；

2、带宽压缩的高效频分复用传输系统子载波间隔更近，峰均比更高，增加了传输系统的硬件制作成本；

从而提出一种联合正交变换与非正交的高效频分复用传输峰均比抑制方法。

联合正交变换与非正交的高效频分复用传输峰均比抑制方法，它包括以下步骤：

步骤A、符号映射，用于生成星座映射复符号，将发送信息的0,1二进制比特信息进行调制后，再将若干码元为一组映射成复符号；

步骤B、符号正交化，将映射后的复符号进一步做正交化处理，具体步骤为：

步骤B1、复符号生成后，进行串/并转换，将串行数据变成若干组并行数据，组成复符号矩阵，每行为一组并行数据；

步骤B2、将每组并行数据进行正交化处理，即：相位的规律化处理；设x_l,k为复符号矩阵的第l行上第k列的符号数据，s_l,n为处理后矩阵的第l行上第n列的符号数据，n为发送信息码元数目；则正交化处理过程为：

其中：N为矩阵的列数，正交化处理后的矩阵与处理前的矩阵行数列数一致；

步骤C、高频谱利用率的非正交处理：将每个正交化处理过的符号调制到一组非正交的子载波上生成高效频分复用符号，具体为：

步骤C1、高效频分复用信号是由若干组高效频分复用符号组成，每组高效频分复用符号携带N个复符号，以T为周期进行数据传输；每组N维复符号调制到一组相互交叠，非正交的子载波上，调制后的高效频分复用信号x(t)形式为：

其中，α为带宽压缩因子，α＝△f×T，△f为子载波间隔，T为高效频分复用符号间隔，N为子载波数量，s_l,n为第l个高效频分复用符号中的第n个子载波上承载的复符号数据，对应步骤B2中的正交化处理结果s_l,n；

步骤C2、离散的高效频分复用信号由连续形式信号采样获得，以T/N间隔采样，采样后离散形式的高效频分复用信号表达式为：

其中，N表示子载波数量及采样点数，X_l[k]表示第l个符号上的第k个时间样本点，为归一化常数；

步骤C3、系统的矩阵形式为：

其中，为第l个高效频分复用符号对应的数据向量，为正交化输入符号对应的数据向量，为N×N的矩阵。

本发明具有以下特点和显著进步：

本发明通过进一步的频带压缩，在频谱利用率方面相比传统OFDM系统频带利用率更高；此外，本发明在发送端子载波非正交化处理前，对星座映射符号采用正交化处理，使得符号相位具有正交特性，经过正交化处理的符号数据生成的信号相比原有高效频分复用传输系统生成信号的峰均比低。从系统发送端功放设备来说，高峰均比意味着发送端的功率放大设备的线性放大范围需要很大，因此可以通过抑制峰均比来减小发射端的设备复杂度，降低设备制作成本。

附图说明

图1为本发明高效频分复用符号生成原理图；

图2为传统OFDM符号子载波频谱示意图；

图3为本发明生成的高效频分复用符号的频谱示意图；

图4为本发明联合正交变换与非正交高效频分复用传输的峰均比抑制方法的系统发送端流程图；

图5为本发明抑制峰均比的传输系统和未进行峰均比抑制的高效频分复用传输系统PAPR的CCDF曲线对比图；

具体实施方式

具体实施方式一、联合正交变换与非正交的高效频分复用传输峰均比抑制方法，该本发明的主要思想为：在发送端，通过符号映射，生成星座映射复符号，经过正交处理，将星座映射复符号正交化，使用频带压缩算法生成高效频分复用符号。

具体步骤为：

步骤A、符号映射。符号映射的目的是生成星座映射复符号，由发送信息的0,1二进制比特信息，经过不同的调制方式，将若干码元为一组映射成复符号，以四相位星座映射为例，该阶段具体步骤为：

步骤A1、设调制相位数目为m，发送信息码元数目为n，映射后复符号个数为e；

步骤A2、发送信息0,1码元分组，每组码元映射为一个复符号，每组的码元个数h和调制相位数目m以及映射后复符号个数e的关系为：

h＝log₂m

步骤A3、每组信息码元以一定的规则映射到复平面上不同的星座点，形成了若干不同相位的调制符号，根据星座点数设置的不同，每组映射的原象码元的个数的增加在一定程度上相当于传输效率的提高。四相位星座映射下，将符号能量归一化，代码中，信息码元到复平面上符号位置的映射关系为：

若为四相位映射，m＝4，h＝log₂m＝2，因此每组码元个数为2，复符号共有m＝4种形式，映射关系为：

步骤B、符号正交化。在该步骤中，将映射后的复符号进一步做正交化处理，该阶段具体步骤为：

步骤B1、复符号生成后，进行串并转换，将串行数据变成若干组并行数据，组成复符号矩阵，每行为一组并行数据；

步骤B2、将每组并行数据进行正交化处理，即相位的规律化处理。设x_l,k为复符号矩阵的第l行上第k列的符号数据，s_l,n为处理后矩阵的第l行上第n列的符号数据，则正交化处理过程为：

其中N为矩阵的列数，正交化处理后的矩阵与处理前的矩阵行数列数一致。

步骤C、高频谱利用率的非正交处理。将每个正交化处理过的符号调制到一组非正交的子载波上生成高效频分复用符号，该阶段具体步骤为：

步骤C1、高效频分复用信号是由若干组高效频分复用符号组成，每组高效频分复用符号携带N个复符号，以T为周期进行数据传输。每组N维复符号调制到一组相互交叠，非正交的子载波上，调制后的高效频分复用信号x(t)形式为：

其中，α为带宽压缩因子，α＝△f×T，△f为子载波间隔，T为高效频分复用符号间隔，N为子载波数量，s_l,n为第l个高效频分复用符号中的第n个子载波上承载的复符号数据，对应步骤B2中的正交化处理结果s_l,n。

步骤C2、离散的高效频分复用信号由连续形式信号采样获得，以T/N间隔采样，采样后离散形式的高效频分复用信号表达式为：

其中，不使用过采样，N表示子载波数量及表示采样点数，X_l[k]表示第l个符号上的第k个时间样本点，为归一化常数。

步骤C3、系统的矩阵形式为：

其中，为第l个高效频分复用符号对应的数据向量，为正交化输入符号对应的数据向量，为N×N的矩阵，其形式为：

即其中元素为

图1为本发明高效频分复用符号生成原理图。该部分解释了如何利用傅里叶反变换生成子载波不正交的高效频分复用符号。以8载波、α＝0.5为例，图中实心图形代表8点高效频分复用符号频率样本点，实心图形加空心图形代表16点IDFT操作的频率样本点。如图可以看出，生成8载波高效频分复用符号等效于末端有8个无效数据0的16点数据符号的IDFT。同等子载波个数情况下，α＝0.5的高效频分复用符号上每个子载波的频率样本点相比OFDM都压缩了一半，8载波OFDM符号的频率样本点为图中菱形所表示的点。

图2和图3为本发明生成的高效频分复用与传统OFDM频谱结构对比图。结合图1的参数，带宽压缩因子α＝0.5，理论上每个子载波间隔压缩至OFDM符号子载波间隔的一半，故整个符号所占用的频带也是同等子载波个数下OFDM符号占用频带的二分之一。

图4为本发明联合正交变换与非正交高效频分复用传输的峰均比抑制方法的系统发送端流程图。考虑单个高效频分复用符号的生成：原始信号经过采样、信源编码以及星座映射变成由若干QAM符号组成的数字信源信号，数字信源信号经过串并转换变为并行数据，设串并转换后的并行数据为N点，带宽压缩因子为α。为了降低系统发送端峰均比以减少硬件开销，改进的方法不像传统方式一样直接生成高效频分复用符号，而是进一步对并行数据进行正交化处理，经过正交化处理的符号末端补个零，接下来做长度为的IDFT。经过点的IDFT处理后得到点数据，除去数据末端的点数据，得到的N点数据即为降低峰均比的高效频分复用符号。

图5为本发明抑制峰均比的传输系统和未进行峰均比抑制的高效频分复用传输系统PAPR的CCDF曲线对比图。如图所示为多次实验情况下，α＝0.6时本发明方案与传统方案分别生成的高效频分复用符号PAPR的互补累积分布函数图的对比。由该图中两种方案发送端PAPR的CCDF曲线可以看出，在峰均比方面，使用本发明所提出的传输方式比传统方案性能更好，在一定的区间范围内，本发明系统所产生的峰均比比传统方案下产生的峰均比平均低2到3个dB。高峰均比会使得系统发送端硬件开销增加，本发明在一定程度上抑制了系统发送端峰均比，也就在一定程度上减小了系统的硬件开销，具有一定的实际意义。

该发明的优点为：本发明所设计的系统通过进一步的频带压缩，在频谱利用率方面相比传统OFDM系统频带利用率更高，此外，本发明在发送端子载波非正交化处理前，对星座映射符号采用正交化处理，使得符号相位具有正交特性，经过正交化处理的符号数据生成的信号相比原有高效频分复用传输系统生成信号的峰均比低。从系统发送端功放设备来说，高峰均比意味着发送端的功率放大设备的线性放大范围需要很大，因此可以通过抑制峰均比来减小发射端的设备复杂度，降低设备制作成本。

本发明具有以下特点和显著进步：

本发明所设计的系统通过进一步的频带压缩，在频谱利用率方面相比传统OFDM系统频带利用率更高，此外，本发明在发送端子载波非正交化处理前，对星座映射后的符号采用正交化处理，使得符号相位具有正交特性，经过正交化处理的符号数据生成的信号相比原有高效频分复用传输系统生成信号的峰均比低。从系统发送端功放设备来说，高峰均比意味着发送端的功率放大设备的线性放大范围需要很大，因此可以通过抑制峰均比来减小发射端的设备复杂度，降低设备研制成本。