一種基于差分進(jìn)化算法的ofdm系統(tǒng)峰均比抑制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于通信傳輸領(lǐng)域，具體涉及一種基于差分進(jìn)化算法的0FDM系統(tǒng)峰均比抑 制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 縮略語(yǔ)和關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)定義
[0003] 峰均比：Peak_t〇-average power ratio(PAPR)
[0004] 正交頻分復(fù)用：0rthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM)
[0005] 誤差向量幅度：Error vector magnitude(EVM)
[0006] 差分進(jìn)化算法〖Differential evolution(DE)
[0007] 誤碼率：Bit error rate(BER)
[0008] 優(yōu)化的迭代限幅和濾波〖Optimized clipping and filtering(OICF)
[0009] 正交幅度調(diào)制〖Quadrature amplitude modulation(QAM)
[0010] 正交相移鍵控：Quadrature phase-shift keying(QPSK)
[0011 ]互補(bǔ)累計(jì)分布函數(shù)：Complementary cumulative distribution function(CCDF) [0012] OFDM技術(shù)已被公認(rèn)將作為4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中的核心傳輸技術(shù)。OFDM技術(shù)采用多個(gè) 相互正交的子載波進(jìn)行業(yè)務(wù)的傳輸，在整個(gè)傳輸頻帶內(nèi)，各個(gè)子載波的頻譜相互重疊，這樣 不但能夠大大提高系統(tǒng)的頻譜利用效率，而且高速的數(shù)據(jù)流可以通過(guò)串并變換被分配到傳 輸速率相對(duì)較低的各個(gè)子載波上進(jìn)行傳輸，這樣傳輸數(shù)據(jù)在時(shí)域內(nèi)符號(hào)周期上的擴(kuò)展使得 0FDM技術(shù)能有效抵抗無(wú)線信道多徑時(shí)延的引起的衰落。實(shí)際上，現(xiàn)在0FDM技術(shù)已經(jīng)在地面 無(wú)線廣播系統(tǒng)中和無(wú)線寬帶接入系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，如D V B - T (陸地?cái)?shù)字視頻廣 播）、WLAN(無(wú)線本地局域網(wǎng)）、DTMB(地面數(shù)字電視多媒體廣播)等。
[0013] 0FDM屬于多載波通信技術(shù)，由于經(jīng)過(guò)0FDM調(diào)制輸出的時(shí)域信號(hào)是由多個(gè)子載波信 號(hào)相加而成的，這些子載波之間相互獨(dú)立，當(dāng)這些載波上的信號(hào)相位相同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)大于 信號(hào)平均功率的瞬時(shí)功率，這樣就會(huì)出現(xiàn)較大的峰值平均功率比。較高的峰均比會(huì)降低發(fā) 射機(jī)內(nèi)功率放大器的工作效率，增加 A/D和D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度;如果具有較大功率的 信號(hào)超過(guò)了放大器的動(dòng)態(tài)范圍，則經(jīng)過(guò)放大器后信號(hào)會(huì)產(chǎn)生畸變，破壞了子載波間的正交 性，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能下降。
[0014] 近年來(lái)針對(duì)0FDM信號(hào)的高峰均比問(wèn)題已進(jìn)行了大量的研究，提出了許多抑制峰均 比的方法，包括限幅法、選擇性映射、部分傳輸序列、預(yù)編碼、星座圖擴(kuò)展方法等。但這些方 法往往十分繁瑣，特別是子載波數(shù)量很大時(shí)，很多方法都不實(shí)用。限幅濾波是最簡(jiǎn)單且實(shí)際 使用最廣泛的方法。然后直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行限幅濾波會(huì)導(dǎo)致帶內(nèi)信號(hào)衰減和帶外信號(hào)的輻 射，同時(shí)需要采用多次迭代濾波才能把系統(tǒng)的PAPR降低到指定的門限值以下。Wang，Y2011 年在IEEE transactions on communications上發(fā)表論文optimized iterative clipping and filtering for paper reduction of OFDM signals，提出采用凸優(yōu)化的方法優(yōu)化迭 代和濾波，從而減小迭代的次數(shù)。然而文中用內(nèi)點(diǎn)法去求解凸優(yōu)化問(wèn)題，使得問(wèn)題的計(jì)算復(fù) 雜度達(dá)到〇(N3)。如此高的計(jì)算復(fù)雜度，使得這個(gè)方法無(wú)法在實(shí)際的系統(tǒng)中真正推廣使用。
[0015] 現(xiàn)有技術(shù)一的技術(shù)方案
[0016] 一種基于自適應(yīng)EVM的信號(hào)峰均比降低方法?！旧暾?qǐng)?zhí)枴?00810045331.1。
[0017]方案簡(jiǎn)介（圖1):是一種基于自適應(yīng)EVM的信號(hào)峰均比降低方法，包括對(duì)計(jì)算符號(hào) 的PAPR值、計(jì)算符號(hào)的最大EVM值等步驟組成。本發(fā)明利用或針對(duì)EVM均值取得較大對(duì)峰均 比的抑制會(huì)更好，同時(shí)信號(hào)出現(xiàn)高峰均比的可能性較小，更多時(shí)候峰均比都較低的特點(diǎn)， 對(duì)峰均比較大的輸入信號(hào)采用較高EVM來(lái)處理;而對(duì)峰均比較小的輸入信號(hào)采用較小的EVM 來(lái)處理，從而保證了所有符號(hào)的平均EVM不超過(guò)系統(tǒng)要求的門限EVM的條件下，盡可能的抑 制出現(xiàn)高峰均比的那些符號(hào)。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的限幅和帶內(nèi)外噪聲限制； 對(duì)PAPR的抑制效果明顯;無(wú)需對(duì)接收機(jī)做任何改動(dòng);無(wú)需傳送任何副信息;適用范圍廣，能 用于對(duì)EVM和PAPR同時(shí)有要求的系統(tǒng)，如0FDM或CDMA等。
[0018]現(xiàn)有技術(shù)一的缺點(diǎn)
[0019] 1.需要在系統(tǒng)建立時(shí)通過(guò)大量的仿真數(shù)據(jù)建立EVM與最優(yōu)CR關(guān)系表。
[0020] 2.每次迭代過(guò)程，需要查詢事先通過(guò)仿真建立的EVM與最優(yōu)CR關(guān)系表，找到本次迭 代最優(yōu)的限幅率，進(jìn)行限幅。
[0021 ] 3.需要事先建立帶外噪聲限幅頻譜模板。
[0022] 4.需要采用多次迭代限幅和帶內(nèi)外噪聲限值的處理，才能達(dá)到降低峰值平均功率 比的目的。
[0023]現(xiàn)有技術(shù)二的技術(shù)方案（圖2)
[0024]傳統(tǒng)的迭代和限幅濾波方法會(huì)導(dǎo)致帶外信號(hào)頻譜重新增長(zhǎng)和帶內(nèi)衰減。信號(hào)帶內(nèi) 衰減會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率增加。本技術(shù)使用凸優(yōu)化方法設(shè)計(jì)取代每次迭代過(guò)程中頻域響應(yīng)矩 形濾波器。通過(guò)設(shè)計(jì)的優(yōu)化濾波器可以最小信號(hào)的EVM，同時(shí)保證信號(hào)的PAPR低于給定的 值。
[0025]現(xiàn)有技術(shù)二的缺點(diǎn) [0026] 1.仍然需要迭代的過(guò)程。
[0027] 2.該方案用內(nèi)點(diǎn)法來(lái)解決優(yōu)化濾波器設(shè)計(jì)的凸優(yōu)化問(wèn)題。凸優(yōu)化問(wèn)題是求得全局 最優(yōu)解，系統(tǒng)的時(shí)間復(fù)雜度過(guò)高，達(dá)到〇(N3)，無(wú)法在需要實(shí)時(shí)處理的實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0028]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于差分進(jìn)化算法的0FDM系統(tǒng)峰均比抑 制方法，用以解決系統(tǒng)的時(shí)間復(fù)雜度過(guò)高的問(wèn)題，具體如下：
[0029] l.(FDM系統(tǒng)中，一個(gè)多載波信號(hào)是多個(gè)獨(dú)立子載波信號(hào)的疊加。假設(shè)每個(gè)子載波 上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)符號(hào)為一個(gè)離散時(shí)間信號(hào)x(n)，通常可以被表示為：
[0030]
[0031] 其中X(k)是16-QAM調(diào)制信號(hào)，L是過(guò)采樣因子。通常認(rèn)為，過(guò)采樣因子L = 4可以取 得近似于連續(xù)時(shí)間信號(hào)的效果。
[0032]對(duì)于離散時(shí)間信號(hào)x(n)，PAPR值可以定義為：
[0033]
[]代表數(shù)學(xué)期望。
[0034] 2.迭代限幅和濾波
[0035]限幅法的基本思想是預(yù)定限幅門限，對(duì)0FDM信號(hào)包絡(luò)超過(guò)門限的部分進(jìn)行直接削 除。限幅法可以有效抑制信號(hào)峰均比，并且，由于其復(fù)雜度低，效果明顯而成為目前應(yīng)用最 為廣泛的峰均比抑制方案之一。
[0036]傳統(tǒng)的限幅算法就是輸入信號(hào)的峰值超過(guò)某一門限時(shí)，就把信號(hào)限制在設(shè)定門限 上，如果比該門限值低，則直接通過(guò)。
[0037]限幅后的信號(hào)可以表示為：
[0038]
[0039] 但是，由于限幅是一個(gè)非線性過(guò)程，同樣會(huì)導(dǎo)致帶內(nèi)失真和帶外輻射，從而降低整 個(gè)系統(tǒng)的誤碼率性能和頻譜效率。限幅后濾波可以降低帶外頻譜干擾，但這又將導(dǎo)致峰值 再生。為了避免這種情況，可采用圖3的方式處理。
[0040] 首先用更長(zhǎng)的IFFT把輸入數(shù)據(jù)向量從頻域過(guò)采樣轉(zhuǎn)換到時(shí)域。對(duì)于給定的過(guò)采樣 因子J，在頻域數(shù)據(jù)向量的之間添加 N(J-l)個(gè)0來(lái)擴(kuò)充原來(lái)的數(shù)據(jù)向量，在IFFT變換后實(shí)現(xiàn) 時(shí)域信號(hào)的內(nèi)插。接著對(duì)插值后的信號(hào)進(jìn)行限幅。由于限幅為非線性過(guò)程，故它會(huì)帶來(lái)帶內(nèi) 噪聲和帶外干擾。為了消除帶外干擾，必須對(duì)限幅后的信號(hào)進(jìn)行濾波。雖然濾波會(huì)導(dǎo)致峰值 再生，但比限幅前的信號(hào)峰值要小得多。為了盡可能可以通過(guò)多次的限幅濾波過(guò)程來(lái)進(jìn)一 步降低信號(hào)的峰值。
[0041] 在多次迭代限幅濾波過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)帶內(nèi)衰減和帶外的輻射，所以定義誤差 矢量幅度EVM來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行約束。
[0042] 對(duì)于一個(gè)0FDM符號(hào)，其EVM可以定義為：
[0043]
[0044]如果傳輸信號(hào)滿足EVM約束，則接收端可以正確恢復(fù)數(shù)據(jù)。
[0045] 3.將PAPR優(yōu)化問(wèn)題定義為一個(gè)約束優(yōu)化問(wèn)題。
[0046]在滿足EVM和PAPR約束的情況下，在局部范圍內(nèi)搜索到一個(gè)可行解，使得時(shí)間和硬 件的復(fù)雜度最小，從而能夠成功應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)。
[0047] 4.新問(wèn)題定義：
[0048] 問(wèn)題:硬件可行的PAPR優(yōu)化問(wèn)題
[0049] 輸入:原始的時(shí)域信號(hào)x(n)，PAPR設(shè)定的門限值PAmax，EVM設(shè)定的門限值Emax。
[0050] 輸出：優(yōu)化后準(zhǔn)備發(fā)