第29卷第4期 电子与信息学报 Vo1.29NO.4 2007年4月 Journal of Electronics&Information Technology Apr.2007 用部分传输序列方法降低实数OFDM信号峰均值比 卢光跃① 邵朝① 罗琳② f西安邮电学院通信工程系 西安710061) (东南大学无线电工程系 南京210096) 摘要:该文分析了部分传输序列方法(PTS) ̄J于降低实数OFDM信号峰均值LL(PAPR)时存在的问题,分别研究 并提出用于降低实数OFDM信号PAPR的相邻分割PTS(APTS) ̄交织分割PTS(IPTS)具体实现方法。仿真结果 表明,APTS和IPTS能够有效降低信号的PAPR;在相同待选传输序列情况下,APTS算法性能与IPTS算法基 本相当;APTS算法需要多次的IDFT运算,而IPTS仅需要一次IDFT运算。 关键词:OFDM;峰均值LL(PAPR);部分发送序列法(PTS) 中图分类号:TN919.72 文献标识码:A 文章编号:1009—5896(2007)04—0971—04 Peak・・to・・Average Power Ratio Reduction in Real-Valued OFDM Systems Using PTS Method Lu Guang-yue① Shao Chao①Luo Lin② ①(xi’an Institute of Posts and Telecommunications,Xi’an 710061,China) ②(Southeast University,Nanjing 210096,Chin0) Abstract:This paper firstly discusses the problem when using Partial Transmit Sequence(PTS)in the Peak—to—Average Power Ratio(PAPR)reduction of real—valued OFDM systems.Secondly,the Adjacent—partition PTS(APTS)and Interleaved—partition PTS(IPTS)are proposed for real—valued OFDM systems.The simulation results confirm the effectiveness of APTS and IPTS in PAPR reduction for real value OFDM systems. Key words:OFDM;Peak—to—Average Power Ratio(PAPR);Partial rTansmit Sequences(PTS) 1 引言 在发送端产生包含同一信息的多个序列,从中选择具有最小 多载波调制技术具有频带利用率高、抗多径衰落能力强 PAPR的序列来发送,这类方法属于无失真的方法;f41载波 等优点,近年来,越来越多地引起了人们的关注,并得到了 预留技术IlO],发送端预留一定的载波用于降低信号的 广泛的应用'lJf如DVB,DAB,基于离散多音频(DMT1的 PAPR。不同算法在PAPR降低性能、运算复杂度及系统传 ADSL及多频带MB—OFDM[ 等1。在DMT和MB—OFDM 输效率等方面是不同的。 中,系统生成的基带信号为实数,因此这样的系统通常称为 上述方法基本针对一般的多载波系统,因此大部分方法 实数OFDM系统 1。多载波信号是由多个不同频率、不同振 都适用于基带信号为复数及实数的多载波系统。但对于实数 幅的信号叠加而得到的,于是,具有大的峰均值LL(PAPR1, OFDM系统而言,由于多载波频域信号应满足共轭对称性, 对实数OFDM系统而言,大PAPR问题更为严重 J。这样, 因此当采用PTS和SLM方法时,也就要求SLM及PTS所 在系统实现时,必须采用具有大动态范围的线性高功率放大 采用的相位序列满足共轭对称性以保证传输信号为实数,这 器,以保证输出信号的线性放大,这就增加了系统的造价和 就给算法的实现(尤其是PTS方法)带来一定的难度。 实现难度。为此,很多学者从多方面进行了分析,提出了很 本文首先讨论PTS算法在实数OFDM系统中应用时遇 多有效的降低PAPR方法_l J,主要有:f1)信号失真技术_lJ, 到的问题,然后利用实数OFDM信号的傅里叶变换性质, 通过对峰值附近的信号进行非线性失真实现,例如剪切法和 分别研究相邻分割PTS(APTS)方法及交织分割PTS(IPTS1 压扩方法;(2)编码技术15J,通过信号编码可有效地降低 方法在实数OFDM信号PAPR降低的实现。最后,方法的 PAPR,同时具有编码增益,但编码需要发送大量的冗余信 性能通过计算机仿真来验证。 息,使信息速率下降;(3)通过选择映射法(sLM1I6.,部分发 2 PTS及SLM方法降低PAPR的原理 送序列法(PTS1Ir,8J和基于时域循环卷积的方法 这些方法 假定实数OFDM系统有Ⅳ个子载波,设发送的基带频 域数据为 ( :0,…,N一1),对于实数OFDM信号而言, 2005_06_20收到,2005—11—30改回 国家自然科学基金(60372036),国家重点实验室基金(51473020203 应满足共轭对称性,即X : 一 (其中 表示共轭)。相 QT6702)和陕西省自然科学基金(2002F24)资助课题 应地,其时域信号 =IDFT{X ),(n=0,…,N一1)为实 维普资讯 http://www.cqvip.com
972 数。于是,z 的PAPR可表示为 电子与信息学报 第29卷 要求式(3)和式(6)相位序列还要满足共轭对称性,即 = 一 PAPR )=101g (1) 。不过,可用下面的例子说明,此时待选传输序 列不能如式(5)那样通过部分传输序列的加权求和得到。假定 其中max(.)是取最大值,而E(.)是计算均值。 为降低z 的PAPR,可以考虑将 进行相位扰动,即 将 与 个相位序列 =[ , ,…, 一 ](k=0,…,N -1, =1,…, )相乘, = Xo, Xx,…, 一1 一1】, =1,…,M (2) 其中辅助信息 =exp(j ̄ ̄)(k=0,1,…,N一1), 在 f0,27r)之间均匀分布。于是,可得到 个待选传输序列为 =IDFT{X ̄},(%=0,…,N一1, =1,…, )。于是, 可以从 个待选序列中选择具有最小PAPR的序列进行传 输,相应的相位序列的编号要作为辅助信息传送给接收端。 根据相位序列的不同选取方法,可得到不同的方法: (1)若 个随机相位序列 是独立的,则上述方法即 为SLM方法 。当然,如果采用SLM方法降低实数OFDM 信号的PAPR时,还要求 个相位序列均为共轭对称的。 f21若相位序列具有如下结构: =【61,…,61,62,…,62,…, ,…, ] ■ 其中 为选取的整数(要求Ⅳ/ 也为整数),bl=1, ∈ {土J,土1)( =2,…,V o根据b 的取值范围,通过穷尽搜索 方法,可得到M=4 个不同的相位序列 ( =1,…,M)。 于是,若通过相邻分割[ 】将五分割成 个子段,分别 用{ ), =1,…,V}表示,则 = 。X =∑ , =1,…,M (4) 可见,对同一子段 采用相同的相位扰动因子b 于是, 待选传输序列可通过对式(4)进行IDFT运算得到 M =∑ ’, =1,…,M (5) 口=1 其中z =IDFT{X‘” )为 ‘ 的Ⅳ点IDFT,称为部分传 输序列。式(3)和式(5)表明,正是由于对同一子段 )各元 素采用相同的相位扰动b 所以 个待选传输序列z 才可 表示为式(5)所示的部分传输序列z ’加权求和的形式。可 见,按式(3)选取相位序列,即得到将 通过相邻分割方法 分成 个子数据块时的PTS(APTS)方法 f31若相位序列具有如下结构: =[D,— D,…,一D] (6) 其中D=[ ,62,…, ],V和b的取值同式(3)。根据b ( =2,…, )的取值范围,通过穷尽方法,可得到M=4 个 不同的相位序列。可以证明{ 9J,此时,上述方法即为将五通 过交织分割方法分成 个子数据块时的PTS(IPTS1方法。 然而,APTS及IPTS方法都是直接针对复数信号的多 载波系统,为将PTS用于降低实数0FDM信号的PAPR, N=16,考虑将实数OFDM信号 用相邻分割方法分成 =4段,若相位序列前(N/2+1)个值为 60,k=0 61,k=1,…,N/4—1 = 62,k=N/4,…,N/2—1 63,k=N/2 根据共轭对称性的要求,则完整的相位序列可表示为 =[60,61,61,61,62,62,62,62,b3, , , , , , , ] (7) 在相位序列中,共有4个相位(bo,61,62,ba)需要选择,为降低 运算量,可以选择bo=6l及 = 以保证P前Ⅳ/4元素及 (Ⅳ/2+1,…,3N/4)元素相同。但遗憾的是,第(3N/4 +1,…,Ⅳ)元素不可能都相同,因此相邻分割PTS无法通过 式f51实现,即待选传输序列不能简单地通过部分传输序列的 加权求和得到,这就为算法的实现带来一定的困难。 下面我们分别讨论如何采用APTS及IPTS方法来降低 实数0FDM信号PAPR。 3 PTS方法降低实数OFDM信号PAPR 3.1相邻分割PTS(APTS)方法 考虑实数OFDM信号 的共轭对称性,即 Xk=XN ,于是,构造新序列: /2, k=0,N/2 = Xk, k=1,…,N/2—1 (8) 0, k=N/2+1,…,N一1 司以证明 Xn=2Re{ynJ (9) 其中 和Y 分别为Xk和 的Ⅳ点IDFT,Re{・)表示取实 部。式(9)表明实数OFDM时域信号Xn可通过 的Ⅳ点 IDFT得到。亦即实数OFDM信号PAPR的降低可通过 进行。 由于 仅有前Ⅳ/2+1个元素为非零值,因此对 进 行APTS时,不存在相位序列共轭对称的约束。于是,相位 序列可表示为(同样以N=16及V=4为例), =ibo,61, , bl 62,62,b2,62,63,0,0,0,0,0,0,0]。但对 进行相邻分割时,第 3子段仅有一个非零元素,为降低运算量,可考虑不搜索相 位63,而直接令b3:bo= 。因此当我们仍将 直接分割 成V=4子段,第1子段通过下面的方式确定: Y【l =[Yo, , , ,0,…,0, ,0,…,0] 对其他子段的选取,仍采用原来分割方法获得f通过这样分 段,后两段是全零序列,故有效子段数为2)。实际上,对某 些实数信号的多载波系统f如DMT ADSL及MB—OFDM), .v/ 通常为零值(即不用第N/2载波传输数据),即 / 也 维普资讯 http://www.cqvip.com
第4期 卢光跃等:用部分传输序列方法降低实数OFDM信号峰均值比 为零值,这时,第1子段和原来分割方法得到的子段完全相 同。 显然,此时,对同~子段l,( )各元素采用了相同的相位 扰动,因此,借助于式(8)和式(9),APTS方法降低%的 PAPR转化为原来意义下APTS方法。 至此,可将APTS方法降低实数OFDM信号PAPR的 方法f发送端1步骤归纳如下: (1)根据式(8)构造新序列 ; (2)对 用相邻分割方法进行分段(分 段)。第1子段 为 l,( ):『Yo, ,…, _110,…,0, ,0,…,0I (10) V=2,…,V/2子段 仍通过与常规相邻分割方法获得,而 V=V/2+1,…, 为全零序列(所以有效子段数目仅为 /2);通过 /2次Ⅳ点IDFT得到相应的部分传输序列; f31通过穷尽搜索,获得不同的相位序列,借助于部分 传输序列的加权求和获得待选传输序列,选择具有最小 PAPR的实数OFDM信号进行发送,相应的相位bl,52,… /2 作为辅助相位信息传输到接收端。 在接收端,系统接收到辅助相位信息(6l,52,… /2)后, 根据相位序列的共轭对称性,即可构造出相位序列,从而完 成对原始信号的恢复。 3.2交织分割PTS方法(IPTS1 采用交织分割时,需要构造出类似式(61的具有重复结构 的、共轭对称的相位序列,直接在频域形成这样的序列比较 困难。文献『9]利用重复结构相位序列IDFT的特点,可以在 时域直接生成待传输序列。具体来说,式(6)所示的相位序列 的IDFT可表示为 fd(n/ ),n=0,L,2L,・・ DFT{ ) l0, 为其它 =∑di6(n一 ),n:0,…,N一1 其中L=N/V,di=IDFT{[b ̄,52,…, ])。可见,选择M 个不同的实值序列掣(i:0,…,V一1, =1,…,M)就得到 满足式(6)的M个相位序列 。于是,待选序列可表示为 —l =IDFT{P[Xk}:%0 :∑掣【Xn①6(n一 z=0 l =∑ p((n—iL) )‰(n)) (12) i=O 其中@表示两序列的Ⅳ点循环卷积,((n)Ⅳ)表示n对Ⅳ取 余数。由式(12)可见,待选序列 :可通过对%循环移位序 列的加权求和得到,权系数为d 。由此可见,在时域内搜索 实数 ,即可得到具有重复结构的、共轭对称的相位序列, 从而借助于式(12)可生成IPTS方法中的待选传输序列。 在接收端,一旦接收端收到辅助相位信息di,就可以得 到DFT(4}以及长度为Ⅳ的相位序列 (如式(6)示),于是 利用 可以恢复出原始发送数据。 在IPTS方法具体实现时,为降低对加权系数搜索时的 运算量,从有限多个元素的实数集合中搜索di,取 di∈仕1,0)(若某个d =0,则对应的移位序列 (( — )).v ( )不参与式(12)的运算,从而能进一步降 低运算量1。同时,为了能够在接收端恢复出原始的发送信号, 就必须要求 中不能包含有零值元素。故算法的重点在于如 何得到M个加权系数序列掣( =0,…,V一1, =1,…,M)。 为此,在离线状态下,通过计算机穷尽搜索,来获得使 ,( DFT{di)无零值元素的加权序列掣的集合O(实际上,集合 一 【 O的元素个数很大,尤其是 较大时)。原则上讲,可以利 、』 用得到的所有加权序列来获得待选传输信号,但这一方面会 造成方法复杂度大,同时,随着所采用的加权序列数目的增 加,算法在PAPR降低方面的性能改善不大,因此只需从所 得到的集合O中选出M个加权序列(比如M=32或64)。不 过,集合O中大量可用的加权序列使我们有很大的灵活性来 选取M个序列,例如,在仿真实验中取V=8,选用序列本 身包含有3个0值元素的M(32或64)个加权序列,相应地, 此时参与式f12)计算的仅包含5个移位序列,从而大大降低 运算量。 至此,可将IPTS方法降低实数OFDM信号PAPR的 方法f发送端1步骤归纳如下: (1)确定分组数目Ⅵ比如取V=8),通过离线穷尽搜索 得到集合O,并从中选取M个加权序列掣(i=0,…, 一1, =1,…,M); (2)利用式(12)在时域计算M个待选的实数OFDM信 号 ( :1,2,…,M); (3)从 个信号 中选取具有最小PAPR的信号进行 发送,并将相应序列的编号作为辅助信息发送到接收端。 4 性能仿真 下面用计算机对APTS和IPTS方法在降低实数OFDM 信号PAPR的性能进行仿真分析。在APTS及IPTS仿真中, 采用穷尽搜索方法得到辅助相位;同时,采用随机方式生成 个独立的共轭对称相位序列以进行SLM算法仿真。每组 仿真结果都采用10 个独立的实数OFDM信号,不同方法的 性能采用互补累积分布函数(CCDF)进行描述。 图1显示的是APTS,IPTS及SLM方法的CCDF性 能。在该仿真中,假定子载波数为128,XN/, 0,SLM方 法中取 -4,APTS方法中取 8(有效子段数为4),IPTS 方法中取V=8。对V=8的IPTS方法而言,集合Q的元素 个数很大,从中选取64个,包含3个零值元素(Ⅳn:3,Ⅳn 表示零值元素的个数1的相位序列di用于IPTS的仿真计算。 于是,SLM,APTS及IPTS方法生成待选传输信号个数分 别为4个,43=64和64个,但此时SLM和APTS所需的IDFT 次数均为4次,而IPTS方法仅需要一次IDFT。由图1可 lJ 维普资讯 http://www.cqvip.com
974 电子与信息学报 第29卷 5 结束语 ——原始OFDM 一本文分别研究用相邻分割和交织分割PTS方法在降低 实数OFDM信号PAPR方面的存在的问题及相应的解决方 法。对于APTS方法,通过构造新的频域数据将实数OFDM 信号PAPR降低问题转换为常规的PTS方法;对IPTS方 法,借助相位序列DFT的特点,在时域生成待选的传输序 列。两种方法比较而言,APTS方法需要多次的IDFT运算, IPTS方法仅需要一次的IDFT运算,运算量较APTS方法 要小;在具有相同数目的待选传输序列情况下,APTS方法 —。 SLM( =4) e—IPTSf 8,M=64) 。—日一APTSr l,一8) 图1 APTS,IPTS及SLM方法性能比较(Ⅳ=128, Ⅳ/2≠0) 知,3种方法都能够降低实数OFDM信号的PAPR;采用相 同次数IDFT时,APTS方法的性能要优于SLM方法f如在 CCDF=10 时,APTS( 8)和SLM( =4)的性能分别 为9.1dB和10.9dB)。对比APTSf 8)和IPTSf V=8, M-641,在CCDF=10 时,APTS和IPTS的性能分别为 9.1dB和9.2dB,即在采用同样多的待选传输序列时,APTS 性能与IPTS性能基本相当。 图2显示的是采用MB一0FDM信号时3种方法的性能 比较,此时XN/,=0。对APTS和IPTS方法都分别取V=4 和8,其他参数和图1相同。对V=4的IPTS方法而言,通 过搜索得到的集合Q的元素个数仅为6个,所以选用所有6 个相位序列用于IPTS仿真,而APTSf 41方法中仅有4 个可用的相位序列。从图2可见,APTS和IPTS都能有效 降低MB—OFDM信号的PAPR;而且,随分组数目的增大, APTS和IPTS的性能随之显著提高。如在CCDF=10 时, APTS( =4)和APTS( =8)的性能分别为11.5dB和 9.1dB1。 由于在IPTS方法中,算法的性能与分组数及相位序列 的选择方式有关。图3给出在给定分组数目f V=8)时,IPTS 方法性能随相位序列选择方式的变化情况。在IPTS方法, PAPR()(dB1 PAPR(】(dB) ——原始OFDM ——原始OFDM —*一SLM(M =4) -IPTS(M-4, l=5) o-IPTSf l,一4) O—IPTSf^仁16,No=5) 号一IPTSf 1 8,M=64) 一。一IPTS(^ 4, l=4) -G—APTS(V=41 e—IPTS(No=4.^仁16) —-日一APTSf1 81 图2 APTS及IPTS方法 图3 IPTS算法性能随相位 性能随分组数的变化 序列选择方式的变化 (Ⅳ 128,XN/2=O) (Ⅳ一128,xN/ ̄-O) 我们可以选择相位序列的个数 以及每序列中所包含的0 值元素的个数Ⅳn。图3分别表示出取4及l6个包括No=4 和5时IPTS的性能。可见,算法性能随Ⅳn的变化不明显(No =5时性能稍好于NO=4);算法性能随 的变化而提高f =16时性能好于M=4);而采用NO:5,算法的运算量要小。 因此在V=8时选用IPTS算法,可以采用NO=5, =16。 与IPTS方法性能基本相当。与SLM方法相比,在相同次数 的IDFT时,APTS方法要好于SLM方法。 参考文献 [1]Hart Seung Hee and Lee Jac Hong.An overview of peak-to-average power ratio reduction techniques for multicarrier transmission.IEEE Wireless Communication, 2005,12(2):56—65. [2] Batra A,et以.Multi—band OFDM physical layer proposal ofr IEEE 802.15 Task Group 3a.Sep.14.2004.www. multibandofdm.org/papers/MultiBand—OFDM—Physical— LayerProposalforIEEE802.15.3aSept04.pdf ———一—一[3] Yu Hua,Chen Min,and Wei Gang.Distribution of PAR in DMT systems.Electronics Letters,2003,39(10):799-801. [4] Mcstdagh D J G and Spruyt P M P.A method to reducethe probability of clipping in DMT—based transceivers.IEEE Trans.on Communications,1996,44(10):1234-1238. [5]Davis J A and Jedwab J.Peak-to-mean power control and error correction for OFDM transmission using Golay sequences and Reed—Muller codes.Electronics Letters,1997, 33f4):267-268. [6] Marco B,Stefan H M W,and Johannes B H.SLM peak-power reduction without explicit side information. IEEE Communications Letters,2001,5(6):239—241. [7] Muller S H and Huber J B.OFDM with reduced peak to average power ratio by optimum combination of partial transmit sequences.Electronics Letters,1997,33(5):368—369. [8] Kim Kang S G and Joo E K.A novel subblock partition scheme for partial transmit sequence OFDM.IEEE Trans.on Broadcasting,1999,45(3):333—338. 『91 卢光跃,邵朝,周诠.OFDM系统新的无损峰均值比降低方案 通信学报,2005,26(8):51—56. [10]Gatherer A and Polley M.Controlling clipping probability in DMT transmission.Proc.Asilomar Conf.on Signals,Systems, and Computer,Paciifc Grove,Calif.,USA,Nov 1997,Vo1.1: 578 584. 卢光跃: 男,1971年生,博士,副教授,主要研究方向为雷达成 像技术、OFDM及CDMA关键技术. 邵朝: 男,1955年生,博士,教授,主要研究方向为CDMA、 OFDM及阵列信号处理. 罗琳: 女,1969年生,博士,副教授,主要研究方向为通信中 信号处理技术、图像与视频信号处理.
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