降低lte上行單載波頻分多址信號峰均比的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種降低LTE上行單載波頻分多址信號峰均比的方法，主要解決單載波頻分多址信號峰均比高的問題。本發(fā)明實現(xiàn)方法的步驟包括：(1)分析信號峰值特性；（2）為設(shè)計一組加權(quán)窗向量；（3）獲得加窗頻域備選符號塊；(4)獲得傳輸信號塊；（5）獲取頻域接收符號塊；（6）定義等效信道；(7)估計等效信道；(8)數(shù)據(jù)檢測。本發(fā)明具有很好的降峰均比性能，并通過設(shè)計的低復雜度實現(xiàn)方法，達到了很低的計算復雜度；同時，本發(fā)明不需要額外帶寬，也不會造成系統(tǒng)誤比特率性能的下降，可適用于長期演進LTE上行單載波頻分多址系統(tǒng)中獲得良好的系統(tǒng)性能。
【專利說明】降低LTE上行單載波頻分多址信號峰均比的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于通信【技術(shù)領(lǐng)域】,更進一步涉及長期演進(long term evolution, LTE)無線通信中的一種降低LTE上行單載波頻分多址(single-carrier frequency-divisionmultiplexing, SC-FDMA)信號峰均比的方法。本發(fā)明可用于無線通信系統(tǒng)的峰均比降低模塊中，實現(xiàn)峰均比的有效降低以及系統(tǒng)性能的大大提高。
【背景技術(shù)】
[0002]長期演進LTE標準的上行鏈路傳輸中采用了單載波頻分多址技術(shù)。在單載波頻分多址系統(tǒng)中，每個用戶端都采用了離散傅里葉變換矩陣作為預編碼矩陣來降低傳輸信號的峰均比。然而，長期演進LTE上行單載波頻分多址系統(tǒng)采用的集中式頻分多址(localizedfrequency-di vis ion multiple access, LFDMA)傳輸信號仍然具有較高的峰均比，尤其是在高階調(diào)制下。高的峰均比不但會降低功放的效率、提高功放成本，還會由于功放的非線性導致帶內(nèi)失真和帶外輻射。由于用戶端的低功耗與低成本需求，這一問題對于上行鏈路而言尤其嚴重，因此降低長期演進LTE上行單載波頻分多址信號的峰均比具有重大意義。
[0003]S.B.Slimane 在文章“Reducing the peak-to-average power ratio of OFDMsignals through precoding，，(IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2007)中提出了根升余弦窗與升余弦窗兩種加權(quán)窗向量的方法。該方法利用提出的加權(quán)窗向量對單載波頻分多址系統(tǒng)離散傅里葉變換矩陣預編碼的輸出頻域數(shù)據(jù)進行加權(quán)來降低其峰均比。該方法可有效降低單載波頻分多址信號的峰均比，且額外帶寬越大，降峰均比性能越好，大的額外帶寬可以實現(xiàn)很好的降峰均比性能。并且，其對低階調(diào)制(BPSK，QPSK)的降峰均比性能優(yōu)于高階調(diào)制(16-QAM，64-QAM)。但是，該方法仍然存在的不足之處是:由于引入額外帶寬而降低了系統(tǒng)的頻譜效率，降峰均比性能與引入的額外帶寬比例有關(guān)；當引入的額外帶寬比例小時，降峰均比性能迅速惡化，因此，降峰均比性能與系統(tǒng)頻譜效率之間有一個折中。同時，此方法存在由于采用的加權(quán)窗向量各元素的模值不相等而引入的噪聲增強效應，降低系統(tǒng)的誤比特率性能。
[0004]D.Falconer 在文章 “Linear precoding of OFDMA signals to minimize theirinstantaneous power variance，，( IEEE Transactions on Communications, 2011)中提出了一種使用最優(yōu)加權(quán)窗向量對單載波頻分多址系統(tǒng)離散傅里葉變換矩陣預編碼的輸出頻域數(shù)據(jù)進行加權(quán)來降低單載波頻分多址信號峰均比的方法。該方法使用的最優(yōu)加權(quán)窗向量通過求解使單載波頻分多址信號功率方差最小的最優(yōu)化問題得到。此方法在不引入額外帶寬的條件下，可以降低單載波頻分多址信號的峰均比。但是，該方法存在的不足之處是:降低峰均比性能較差，并且該方法得到的最優(yōu)加權(quán)窗向量各元素的模值不相等，因此，此方法同樣存在由于加權(quán)窗向量各兀素的模值不相等而引入的噪聲增強效應，同樣會造成系統(tǒng)誤比特率性能的下降。此外，得到的最優(yōu)加權(quán)窗向量只是針對特定的系統(tǒng)參數(shù)，對不同的系統(tǒng)參數(shù)，需要重新求解復雜的最優(yōu)化問題。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對長期演進LTE標準中無線通信系統(tǒng)上行單載波頻分多址傳輸信號，提供一種有效降低其峰均比的方法，可實現(xiàn)上行單載波頻分多址信號峰均比的大大降低，有效提高通信系統(tǒng)的性能以及降低系統(tǒng)成本。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明方法的思路是:針對長期演進LTE上行集中式分配的單載波頻分多址信號的特點，提出了一種自適應的脈沖成形方法。該方法為單載波頻分多址符號離散傅里葉變換矩陣預編碼后的輸出頻域符號設(shè)計了一組加權(quán)窗向量；將每個時隙的單載波頻分多址符號當作一個處理塊，利用設(shè)計的加權(quán)窗向量對離散傅里葉變換矩陣預編碼后的處理塊中的每一個單載波頻分多址符號進行加權(quán)，得到頻域備選信號塊，通過對頻域備選信號塊進行快速反傅里葉變換產(chǎn)生時域備選單載波頻分多址信號塊；從時域備選單載波頻分多址信號塊中選擇峰均比最低的信號塊作為傳輸信號塊；接收端利用每個處理塊中的導頻單載波頻分多址符號對定義的等效信道進行頻域等效信道估計，并利用得到的等效信道估計值對處理塊中的每一個單載波頻分多址符號進行均衡，以實現(xiàn)不需要邊信息的數(shù)據(jù)檢測。
[0007]本發(fā)明實現(xiàn)的具體步驟包括如下:
[0008]( I)分析信號峰值特性:
[0009]對用戶端發(fā)送的單載波頻分多址信號，分析高階調(diào)制條件下的峰值特性；
[0010](2)設(shè)計一組加權(quán)窗向量；
[0011](3)獲得加窗頻域備選符號塊:
[0012]3a)將一個時隙的單載波頻分多址符號當作一個符號塊；
[0013]3b)用加權(quán)窗向量組中的每一個向量，對符號塊中的所有單載波頻分多址符號的離散傅里葉變換矩陣預編碼后的輸出數(shù)據(jù)分別進行加權(quán)，得到加權(quán)后的頻域備選單載波頻分多址符號塊；
[0014](4)獲得傳輸信號塊:
[0015]4a)利用時域備選信號的低復雜度產(chǎn)生模塊，獲得加窗時域備選單載波頻分多址信號塊；
[0016]4b)從加窗時域備選單載波頻分多址信號塊中，選擇峰均比最低的備選單載波頻分多址信號塊；
[0017]4c)將峰均比最低的時域備選單載波頻分多址信號塊，作為傳輸單載波頻分多址信號塊；
[0018](5)獲取頻域接收符號塊:
[0019]對接收的單載波頻分多址信號塊進行快速傅里葉變換，獲取頻域單載波頻分多址接收符號塊；
[0020](6)定義等效信道:
[0021]接收端利用實際信道響應和設(shè)計的加權(quán)窗向量定義等效信道，按照下式定義等效信道:
[0022]He (m, fk) =H (m, fk) pr (k)
[0023]其中，He(m，fk)表示一個時隙中第m個單載波頻分多址符號的第fk個子載波上的等效信道，m的取值范圍為:1 < m < Z，Z表示一個時隙中單載波頻分多址符號的總數(shù)，fk表示分配給單載波頻分多址符號的第k個子載波的序號，k=0，l，...，M-l，M表示每個單載波頻分多址符號傳輸?shù)恼{(diào)制符號的總數(shù)，H(m, fk)表示第fk個子載波上的實際信道頻率響應，Pr (k)表示使備選單載波頻分多址信號塊峰均比最小的加權(quán)窗向量的第k個元素，r表示使備選單載波頻分多址信號塊峰均比最小的加權(quán)窗向量的序號；
[0024](7)估計等效信道:
[0025]利用一個時隙中的導頻單載波頻分多址符號，估計等效信道；
[0026](8)數(shù)據(jù)檢測:
[0027]8a)利用導頻單載波頻分多址符號上估計得到的等效信道，對一個時隙中的每個單載波頻分多址符號進行頻域均衡；
[0028]Sb)對均衡后的每個單載波頻分多址符號進行反傅里葉變換，得到單載波頻分多址系統(tǒng)的接收數(shù)據(jù)。
[0029]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:
[0030]第一，本發(fā)明使用了一組簡單的加權(quán)窗向量來降低單載波頻分多址信號的峰均t匕，由于設(shè)計的加權(quán)窗向量適用于任意的系統(tǒng)參數(shù)，并且簡單易實現(xiàn)，克服了現(xiàn)有技術(shù)的最優(yōu)加權(quán)窗向量需要針對特定系統(tǒng)參數(shù)求解復雜最優(yōu)化問題的缺點，使得本發(fā)明可適用于無線通信環(huán)境下的LTE上行通信鏈路，并且具有簡單可行的優(yōu)點。
[0031]第二，由于本發(fā)明使用了一組加權(quán)窗向量來降低單載波頻分多址信號的峰均比，因而能提供降低峰均比的額外自由度，與現(xiàn)有技術(shù)的不占用額外帶寬的最優(yōu)加權(quán)窗向量相t匕，能夠達到更好的降峰均比性能，并且使用的一組加權(quán)窗向量不需要額外帶寬，與現(xiàn)有技術(shù)的通過引入額外帶寬來實現(xiàn)峰均比降低的加權(quán)窗向量相比，具有高的頻譜效率；由于本發(fā)明使用的各個加權(quán)窗向量的元素具有相同的幅度值，克服了現(xiàn)有技術(shù)因采用的加權(quán)窗向量幅度值不相同而造成噪聲增強效應的缺點。
[0032]第三，由于本發(fā)明為時域備選單載波頻分多址信號塊的產(chǎn)生設(shè)計了低復雜度的實現(xiàn)方案，使得本方案具有復雜度低的優(yōu)點，簡單可行。
[0033]第四，由于本發(fā)明將一個時隙的單載波頻分多址符號當作一個符號塊，并利用符號塊中的導頻單載波頻分多址符號進行等效信道的估計，實現(xiàn)了接收端數(shù)據(jù)簡單可行的檢測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0035]圖2為本發(fā)明的低復雜度時域備選單載波頻分多址信號的產(chǎn)生圖；
[0036]圖3為本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)在16-QAM調(diào)制下的性能比較曲線圖；
[0037]圖4為本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)在64-QAM調(diào)制下的性能比較曲線圖；
[0038]圖5為本發(fā)明采用不同加權(quán)窗向量數(shù)目時的性能比較曲線圖；
[0039]圖6為本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的誤比特率性能比較曲線圖。
【具體實施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的描述。
[0041]參照附圖1，本發(fā)明的具體步驟如下:[0042]步驟1，分析信號峰值特性。
[0043]對用戶端發(fā)送的單載波頻分多址信號，分析高階調(diào)制條件下的峰值特性。假設(shè)單載波頻分多址信號一個時隙有Z個單載波頻分多址符號，逆快速傅里葉變換長度為N，離散傅里葉變換長度為M。按照下式得到一個時隙第m (I SmSZ)個單載波頻分多址符號的復調(diào)制數(shù)據(jù)a(m) = [a(m，0),a(m, I),...，a(m，M_l)]T經(jīng)過離散傅里葉矩陣預編碼后的頻域符號為:
【權(quán)利要求】
1.降低LTE上行單載波頻分多址信號峰均比的方法，包括如下步驟: (1)分析信號峰值特性: 對用戶端發(fā)送的單載波頻分多址信號，分析高階調(diào)制條件下的峰值特性； (2)設(shè)計一組加權(quán)窗向量； (3)獲得加窗頻域備選符號塊: 3a)將一個時隙的單載波頻分多址符號當作一個符號塊； 3b)用加權(quán)窗向量組中的每一個向量，對符號塊中的所有單載波頻分多址符號的離散傅里葉變換矩陣預編碼后的輸出數(shù)據(jù)分別進行加權(quán)，得到加權(quán)后的頻域備選單載波頻分多址符號塊； (4)獲得傳輸信號塊: 4a)利用時域備選信號的低復雜度產(chǎn)生模塊，獲得加窗時域備選單載波頻分多址信號塊； 4b)從加窗時域備選單載波頻分多址信號塊中，選擇峰均比最低的備選單載波頻分多址信號塊； 4c)將峰均比最低的時域備選單載波頻分多址信號塊，作為傳輸單載波頻分多址信號塊； (5)獲取頻域接收符號塊:` 對接收的單載波頻分多址信號塊進行快速傅里葉變換，獲取頻域單載波頻分多址接收符號塊； (6)定義等效信道: 接收端利用實際信道響應和設(shè)計的加權(quán)窗向量定義等效信道，按照下式定義等效信道:
He (m, fk) =H (m, fk) pr (k) 其中，He(m，fk)表示一個時隙中第m個單載波頻分多址符號的第fk個子載波上的等效信道，m的取值范圍為:1Z，Z表示一個時隙中單載波頻分多址符號的總數(shù)，fk表示分配給單載波頻分多址符號的第k個子載波的序號，k=0，l，...，M-l，M表示每個單載波頻分多址符號傳輸?shù)恼{(diào)制符號的總數(shù)，H(m, fk)表示第fk個子載波上的實際信道頻率響應，Pr (k)表示使備選單載波頻分多址信號塊峰均比最小的加權(quán)窗向量的第k個元素，r表示使備選單載波頻分多址信號塊峰均比最小的加權(quán)窗向量的序號； (7)估計等效信道: 利用一個時隙中的導頻單載波頻分多址符號，估計等效信道； (8)數(shù)據(jù)檢測: 8a)利用導頻單載波頻分多址符號上估計得到的等效信道，對一個時隙中的每個單載波頻分多址符號進行頻域均衡； 8b)對均衡后的每個單載波頻分多址符號進行反傅里葉變換，得到單載波頻分多址系統(tǒng)的接收數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低LTE上行單載波頻分多址信號峰均比的方法，其特征在于，步驟(1)所述高階調(diào)制條件下的峰值特性分析，按照下式進行:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低LTE上行單載波頻分多址信號峰均比的方法，其特征在于，步驟(2)所述設(shè)計加權(quán)窗向量方法的步驟如下: 第I步，將加權(quán)窗向量的集合P分為三個子集:
P= {P(0)，P(1)，P(2)} 其中，P表示加權(quán)窗向量的集合，Pto)表示僅包含一個M長的全I向量Ptl=Iil, 1,...,1]T的子集，M表示每個單載波頻分多址符號傳輸?shù)恼{(diào)制符號的總數(shù)，其值與Ptl長度相同，P(1)和P(2)分別表示設(shè)計的兩個子集； 第2步，按照下式，設(shè)計子集Pa)中的加權(quán)窗向量Pi:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低LTE上行單載波頻分多址信號峰均比的方法，其特征在于，步驟(7)所述的利用一個時隙中的導頻單載波頻分多址符號估計等效信道方法的步驟如下: 第I步，假設(shè)信道在單載波頻分多址信號的一個時隙內(nèi)保持不變； 第2步，利用導頻符號，按照下式得到第m個單載波頻分多址符號的第fk個子載波上的等效信道估計:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低LTE上行單載波頻分多址信號峰均比的方法，其特征在于，步驟8a)所述的頻域均衡按照下式進行:
【文檔編號】H04L27/26GK103595679SQ201310514238
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月27日
【發(fā)明者】任光亮, 紀金偉, 張會寧, 夏玉杰 申請人:西安電子科技大學