一種采用SLM降低峰均比的裝置及方法

高 知，余建國

（武漢郵電科學研究院，湖北 武漢 430074）

0 引言

較高的峰均比（PAPR）一直是 OFDM技術的難點和關鍵問題所在，也是 OFDM 技術走向實用化的一道屏障，所以為了推廣 OFDM技術的應用，就必須優化其系統性能，這就需要去降低系統的PAPR。

選擇性映射[1]（SLM）是一種非畸變的方法來降低PAPR，其基本思想是用U個統計獨立的向量去代表相同數據,然后再讓這U個向量同時進行IFFT ,得到OFDM符號的在時域的離散采樣，分別計算這U個向量的 PAPR ,從這些序列中選出具有最小 PAPR的向量進行傳輸。選擇性映射法的優點就是不受調制方式和載波數量的限制，且不會發生信號畸變。

當使用SLM方案來抑制PAPR時，不可避免的要考慮以下兩個問題：首先，接收機必須要知道發射機所選擇的相位序列，以至于接收機能夠準確的恢復數據，因此需要在發射機加一個輔助信息發生器來產生輔助信息標志經過相位偏轉的數據塊。其次，輔助信息的傳輸應該準確高效，而且系統資源不能被占用，且不能影響系統性能。因此現設計出了一種解決上述兩個問題的發射和接收裝置，不但大大提高了系統傳輸效率，而且增強了系統抗干擾的能力，從而提高了OFDM系統的性能。

1 SLM算法原理及新裝置數據流程

采用SLM的OFDM系統發射機內的信號可以表示為[2]：

假設存在M個不同的，長度為N的隨機相位序列矢量：

ψi(u)在[0,2π]之內均勻分布?？梢岳眠@M個相位矢量分別與IFFT的輸入序列X進行點乘，則可以得到M個不同的輸出序列uX ，即：

其中 ·表示向量之間的點乘。

然后對得到的M個序列()uX 分別實施IFFT計算，相應得到 M個不同的輸出序列最后在給定PAPR門限值的條件下，從這M個時域信號序列內選擇PAPR性能最好的用于傳輸。

作者所設計的采用SLM的OFDM發射機的原理如圖1。

圖1 采用SLM的OFDM發射機

其數據流程及算法原理如下：

經過編碼、交織處理后的數據進入星座映射表，然后映射表根據預置調制方案將輸入數據映射到調制碼元（在LTE系統中映射輸出為順序的復數序列流），S/P轉換器將從映射表接收的串行數據流轉換成對應的并行數據流。分配器將并行數據復制成U個數據塊，每個數據塊包含N個數據符號：

相位序列和輔助信息發生器產生 U個統計獨立的相位序列 P1, P2,… ,PU，每一個相位序列的長度為N( p1, p2,… ,pN)，同時根據相位序列產生一一對應的U個長度為N的輔助信息 A1, A2,… ,AU，U個長度為N的輔助信息序列之間要求滿足共軛正交（對應位上的復數進行共軛相乘后的求和值為0），即[3]：

然后，分配器出來的U個數據塊分別與U個統計獨立的相位序列相乘，產生U個不同相位偏轉的數據序列[4]：

U個經不同相位偏轉后的數據序列分別加上與該相位序列對應的輔助信息序列，得到U個不同的數據序列流：

為了有效利用發射功率，增大系統覆蓋面積，可以將輔助信息功率和數據功率按照一定的比例取值x進行相加合成[5]（x取值為1/10～1），從而提高系統有效發射功率。

U個數據塊然后分別進行N點的IFFT變換，得到U個時域信號數據塊：

選擇器對這U個輸出的時域數據塊分別進行計算，比較選擇其中峰均比PAPR最小的數據塊進行放大，調制到射頻后發送出去。

接收機的原理如圖2。

圖2 采用SLM的OFDM接收機

該接收機的數據處理流程為：

首先接收到的信號經過模數變換、去除循環前綴、同步校準、頻偏校正等處理流程后的輸入數據進入串并轉換器，將串行數據變為并行數據（同步、頻偏等數據處理流程也可能在FFT變換之后進行）；并行數據經過N點FFT變換后輸出頻域的復數序列流；并行數據再經過并串轉換器變成串行復數數據流，由SLM發射機的數據處理流程，知道該復數數據流包含了輔助復數序列值以及經過相位偏轉的原始數據值；串行數據流以及輔助信息發生器產生的輔助信息流進入相關器（相關器的長度為N）進行共軛相關，通過比較U種已知的發送輔助信息復數流進行相關后的峰值，從而可以得知發射器選擇傳輸的輔助信息復數序列值；將FFT變換后接收到的串行數據流減去輔助信息復數序列值，便可以得到經過相位偏轉以后的原始數據；由于輔助信息數據流和相位發生器的相位序列具有一一對應的關系，通過輔助信息復數序列值的確認，同時便得知了發射器所選擇的的隨機相位序列偏轉值，相位序列發生器產生一個與發射器選擇的相位序列的反相序列值，乘以對應的接收數據，于是便可以獲得未加相位偏轉的原始數據；將原始數據經過星座去映射，便可以獲得數據比特流，從而繼續完成接收數據的下續處理流程。

2 能量仿真研究

由 SLM 發射機的數據處理流程知道接收數據流為包含了相位偏轉與輔助信息的原始數據流疊加了信道噪聲后的接收信號，而輔助信息發生器產生與發射機相同的U種輔助信息序列，將接收信號與這 U種輔助信息序列分別進行相關，通過比較相關器的輸出能量峰值，可以找到發射機所選擇的確定輔助信息序列。由于接收信號中包含了輔助信息序列值，所以當且僅當進入相關器的輔助信息序列與接收信號中的輔助信息序列完全相同的時候，相關器輸出的能量取得最大峰值；對于其他進入相關器的輔助信息序列，由于與接收信號中包含的輔助信息序列完全正交，其相關器輸出能量表現為隨機噪聲，其值遠遠低于能量峰值。對于疊加在信號中的噪聲與發生了相位偏轉的原始數據來說，其與輔助信息序列的相關性很差，其相關輸出能量仍然表現為噪聲能量，其值遠遠低于相關器能量峰值。如圖 3，其為包含了某中輔助信息的接收數據與200個完全正交的輔助信息進行相關后輸出的仿真能量圖（N取值為512），從該仿真圖中可以正確獲得OFDM系統SLM發射機所選擇的輔助信息序列。

圖3 相關器能量輸出仿真圖（N=512）

3 結語

發明了一種在多載波的OFDM通信系統中采用SLM方案時輔助信息的發送和處理的裝置及方法，其創新點在于利用N點相關器進行輔助信息的探察，通過該相關器進行共軛相乘求和后，可以正確判斷對應的相位偏轉值也不影響對輔助信息發送序列的判斷，而且隨著 IFFT點數的增加，不會使得整個系統降低PAPR的性能下降。相反，隨著IFFT點數的增加，輔助信息復數序列值的長度增加，相關器的長度增大，使得相關器的輸出峰值更加尖銳，從而大大增強了系統對抗干擾的能力，提高了正確接收和判斷輔助信息的能力，從而增加了系統的性能。?

[1] 李萬臣,李佑虎.基于SLM的減小OFDM系統PAPR的改進技術[J].通信技術,2008(12)：122-124.

[2] 胡澤鑫,許柯,朱曉明,等.一種基于混沌序列降低OFDM系統PAPR方法的研究[J].通信技術,2007,40(12)：63-65,71.

[3] 吳法文,胡茂凱,陳西宏,等.優化OFDM系統峰均比的PTS改進算法研究[J].通信技術,2009,42(11)：13-15.

[4] BREILING H, MULLER W S H, HUBER J B.SLM Peak-Power Reduction without Explicit Side Information[J]. IEEE Commun. Lett.,2001,5(06)：239-241.

[5] JAYALATH A D S, TELLAMBURA C.Side Information in PAR Reduced SLM-OFDM Signals[C]USA：IEEE,2003：226-230.