一种降低多载波通信信号PAPR的方法转让专利
申请号 : CN201210053588.8
文献号 : CN102624665B
文献日 : 2014-05-07
发明人 : 屈代明 , 李立 , 江涛
申请人 : 华中科技大学
摘要 :
一种降低多载波通信信号PAPR的方法，属于采用多载波信号的通信技术领域，尤其涉及无线多载波通信，它结合LDPC码来降低多载波通信信号峰均功率比。本发明首先提出了一种特殊结构的LDPC码：可反转子集LDPC(NS-LDPC)码；再提出了通过对NS-LDPC码的可反转子集进行反转操作，从而能够有效降低多载波信号峰均功率比的方法。本发明能够显著降低多载波通信信号峰均功率比，且几乎不对系统误码率性能和系统数据传输率造成影响。
权利要求 :
1.一种降低多载波通信信号PAPR的方法，其特征在于，该方法利用NS-LDPC码降低多载波通信信号PAPR，NS-LDPC码是一种具有至少一个可反转子集的LDPC码，且这些可反转子集之间没有交集；
所述可反转子集定义为LDPC码的一些编码比特的集合，该集合对应Tanner图上相应的变量节点的集合，满足每个校验节点都和每个可反转子集有偶数条边连接，包括0条边连接；并且，每个可反转子集的编码比特集合中有一个比特是相位比特，相位比特在编码时固定为0；
该方法具体包括下述步骤：
（1）NS-LDPC编码步骤：
根据预先设定的M值，构造具有M个可反转子集的NS-LDPC码对应的Tanner图，满足每个校验节点和每个可反转子集有偶数条边连接，依据构造得到的Tanner图，对输入信息
1 2 M
比特进行编码得到编码比特集合V，其中编码比特集合V包含M个可反转子集{V,V,…,V}0
和1个不可反转子集V，且每个可反转子集中的相位比特在编码时均固定为0，称此时的码字为原始码字；所述M为大于等于1，且小于等于码长的正整数；
（2）相位初始化步骤：
每个可反转子集是否反转称之为相位，相位为0表示不反转，相位为1表示反转；在相位初始化时，先产生M个相位均为0的相位组合，以此作为当前相位组合；
（3）反转操作步骤：
依据当前相位组合分别对NS-LDPC码中每个可反转子集独立地进行反转操作，称经过反转操作的码字为变化码字；
（4）多载波调制步骤：
依次对得到的当前的变化码字进行交织、符号映射、多载波调制，得到一个多载波信号；
（5）计算当前相位组合下多载波信号的PAPR值并记录；
M
（6）判断已经产生的相位组合的总数是否等于2，如果是，进入步骤（7），否则，任意改变当前相位组合中的一个或多个相位值，以形成一个与已经产生的所有相位组合均不相同的相位组合，作为新的当前相位组合，然后转至步骤（3）；
M
（7）比较所记录的2 种相位组合下多载波信号的PAPR值，选择使多载波信号PAPR最小的相位组合作为最优相位组合，并称最优相位组合下对应的变化码字为发送码字；发送码字经过交织、符号映射、多载波调制后最终经过天线发送出去。
说明书 :
一种降低多载波通信信号PAPR的方法
技术领域
[0001] 本发明属于通信技术领域，尤其涉及无线多载波通信，如无线正交频分复用(OFDM)通信，具体涉及一种降低多载波通信信号PAPR的方法，该方法通过使用可反转子集LDPC，即NS-LDPC码，实现其降低多载波通信信号PAPR的功能。
背景技术
[0002] 多载波通信技术，尤其是正交频分复用(OFDM)通信技术已经被广泛应用于无线通信中。多载波通信的一个显著缺点是多载波通信信号具有较高的峰值与平均值功率比，简称峰均功率比(PAPR)。较高的PAPR要求通信系统中功率放大器、数模转换器等模块具有较大的线性动态范围，否则会导致带内信号失真和带外频谱泄露，造成OFDM系统性能大幅下降。目前，降低多载波通信信号PAPR的方法主要包括：
[0003] (1) 剪 波 法 (Clipping and Filtering)， 见 L.Wang and C.Tellambura，“A simplified clipping and filtering technique for PAR reduction in OFDM systems，”IEEE Signal Processing Letters，vol.12，no.6，pp.453-456，Jun.2005，剪波法首先对OFDM信号中幅度超过预设门限值的峰值信号进行剪切，再通过滤波器滤除带外辐射。该方法可以直接有效的降低OFDM信号的PAPR，然而剪波法引起的带内失真则无法消除，这会导致系统误码率增加。
[0004] (2)部分传 输序列(Partial Transmit Sequence)，见 L.J.Cimini，Jr.and N.R.Sollenberger，“Peak-to-average power ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequences，”IEEE Communications Letters，vol.4，no.3，pp.86-88，Mar.2000，部分传输序列法的基本思想是将经过编码、映射后的数据块按照一定规则划分成若干个不相交的子数据块，然后对各子数据块乘以适当的相位旋转因子来降低PAPR。该方法降低PAPR效果显著，且不对信号产生畸变，然而接收端只有在已知相位信息时才能正确恢复数据，为了保证接收端能够得到正确的相位信息，需对相位信息增加额外的比特进行保护，然后再作为边带信息发送到接收端，这会导致系统数据传输率降低。
[0005] (3) 编 码 方 法 (Coding scheme)，见 M.Sabbaghian，Y.Kwak，B.Smida，and V.Tarokh，“Near Shannon limit and low peak to average power ratio turbo block coded OFDM，”IEEE Trans，Commun.，vol.59，no.8，pp.2042-2045，Aug.2011，该方法针对采用Turbo分组码(TBC)编码的OFDM系统，具体实现方式为Turbo分组码的频域分量码采用具有优异PAPR性能的Reed-Muller码，而时域分量码则采用具有优异纠错性能的低密奇偶校验码(LDPC)，该方法在降低PAPR的同时可以取得良好的纠错性能，然而随着码长的增加，PAPR降低效果变差，且误码率性能与同样条件下单独采用LDPC码进行纠错相比仍损失1dB以上。
[0006] 综上所述，当前降低多载波通信信号PAPR的方法的缺点包括：系统误码率增加或系统数据传输率下降，本发明就是为解决以上问题而提出。
发明内容
[0007] 针对多载波通信信号因为高的PAPR，从而导致通信系统中功率放大器线性动态范围要求较高或者发送信号失真，而现有的降低多载波通信信号PAPR的方法存在着系统误码率增加或系统数据传输率下降等缺点，本发明提出了一种降低多载波通信信号PAPR的方法，该方法可以在几乎不损失系统性能(包括系统误码率和系统数据传输率)的情况下，显著降低多载波信号PAPR。
[0008] 本发明提供的一种降低多载波通信信号PAPR的方法，其特征在于，该方法利用NS-LDPC码降低多载波通信信号PAPR，NS-LDPC码是一种具有至少一个可反转子集的LDPC码，且这些可反转子集之间没有交集；
[0009] 所述可反转子集定义为LDPC码的一些编码比特的集合，该集合对应Tanner图上相应的变量节点的集合，满足每个校验节点都和每个可反转子集有偶数条边连接，包括0条边连接；并且，每个可反转子集的编码比特集合中有一个比特是相位比特，相位比特在编码时固定为0。
[0010] 本发明提出的NS-LDPC码是一种具有特殊结构的LDPC码，其具有M(M≥1)个可反转子集，且对任意NS-LDPC码字，同时反转一个或多个可反转子集对应的所有比特，形成的新码字，仍然是该NS-LDPC码的一个合法码字。因而对于采用NS-LDPC码的多载波通信系统，发射端通过对可反转子集独立地进行反转操作，可以在2M种变化码字中选择具有最小PAPR的码字发送，这样能够有效降低多载波信号PAPR。一方面，NS-LDPC属于LDPC码的一种，其具有与一般LDPC码一致的纠错性能；另一方面，可反转子集中保留有1个比特作为相位比特来指示对应的可反转子集是否发生了反转，通过译码能够恢复该相位比特，进而恢复信息比特，因而不需要发送边带信息，不会因为发送边带信息而引起系统数据传输率下降。本发明提出的采用NS-LDPC码降低多载波通信信号PAPR的方法可以在几乎不损失系统性能的情况下可以显著降低多载波信号PAPR，可应用于采用多载波技术的各种通信系统。
附图说明
[0011] 图1是LDPC码的Tanner图；
[0012] 图2是应用NS-LDPC码降低多载波信号PAPR的发射机框图；
具体实施方式
[0013] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0014] 如图1所示，LDPC码可以用Tanner图来表示，图中上方的节点是变量节点，对应编码比特，包括信息比特和校验比特，下方的节点是校验节点，变量节点和校验节点之间的连接称为边。
[0015] NS-LDPC码是一种LDPC码，但具有如下独特的结构：
[0016] (1)NS-LDPC具有至少一个可反转子集，且这些可反转子集之间没有交集。所述可反转子集定义为LDPC码的一些编码比特的集合(对应Tanner图中相应变量节点的集合)，满足每个校验节点都和每个可反转子集有偶数条边连接(包括0条边连接)。
[0017] (2)每个可反转子集的编码比特集合中有一个比特是相位比特，相位比特在编码时固定为0。
[0018] 因为NS-LDPC码对应的Tanner图中每个校验节点和每个可反转子集有偶数条边连接，NS-LDPC码具有如下独特的性质：对任意码字，同时反转一个或多个可反转子集对应的所有比特，形成的新码字，仍然是该NS-LDPC码的一个合法码字。所述反转是指将比特0变为比特1，或者将比特1变为比特0。
[0019] 因为每个可反转子集中有一个比特是相位比特，且在编码时固定为0，所以相位比特可以用于指示NS-LDPC码中对应的可反转子集是否发生了反转。如果对NS-LDPC码中的某个可反转子集进行了反转操作，则其对应的相位比特变为1；如果没有对NS-LDPC码中的某个可反转子集进行反转操作，则对应的相位比特仍为0。在接收端可以利用解码得到的相位比特判断其对应的可反转子集是否发生了反转，从而正确恢复信息比特。
[0020] 如图2所示，本发明提出将NS-LDPC用于降低多载波通信系统PAPR的方法包括下述过程：
[0021] (1)NS-LDPC编码步骤：
[0022] 根据预先设定的M值，构造具有M个可反转子集的NS-LDPC码对应的Tanner图，满足每个校验节点和每个可反转子集有偶数条边连接，依据构造得到的Tanner图，对输1
入信息比特进行编码得到编码比特集合V，其中编码比特集合V包含M个可反转子集{V，
2 M 0
V，...，V}和1个不可反转子集V，且每个可反转子集中的相位比特在编码时均固定为0，称此时的码字为原始码字。所述M为大于等于1，且小于等于码长的正整数，M值越大降低PAPR的效果越好，但实现复杂度也会对应增加，可依据实际需求设定合适的M值。
入信息比特进行编码得到编码比特集合V，其中编码比特集合V包含M个可反转子集{V，
2 M 0
V，...，V}和1个不可反转子集V，且每个可反转子集中的相位比特在编码时均固定为0，称此时的码字为原始码字。所述M为大于等于1，且小于等于码长的正整数，M值越大降低PAPR的效果越好，但实现复杂度也会对应增加，可依据实际需求设定合适的M值。
[0023] (2)相位初始化步骤：
[0024] 每个可反转子集是否反转称之为相位，相位为0表示不反转，相位为1表示反转。由于NS-LDPC码中包含M个可反转子集，故需要M个相位。
[0025] 在相位初始化时，先产生M个相位均为0的相位组合，以此作为当前相位组合；
[0026] 通过改变相位组合中的一个或多个相位值，总共可以产生2M种不同的相位组合。
[0027] (3)反转操作步骤：
[0028] 依据当前相位组合分别对NS-LDPC码中每个可反转子集独立地进行反转操作，称经过反转操作的码字为变化码字。显然，对二进制LDPC码，反转操作等效于将可反转子集0
中的比特与该子集对应的相位进行异或。不可反转子集V 中的比特则不参与反转操作。
中的比特与该子集对应的相位进行异或。不可反转子集V 中的比特则不参与反转操作。
[0029] (4)多载波调制步骤：
[0030] 依次对得到的当前的变化码字进行交织、符号映射、多载波调制，这样得到了一个多载波信号；
[0031] (5)计算当前相位组合下多载波信号的PAPR值并记录。
[0032] (6)判断已经产生的相位组合的总数是否等于2M，如果是，进入步骤(7)，否则，任意改变当前相位组合中的一个或多个相位值，以形成一个与已经产生的所有相位组合均不相同的相位组合，作为新的当前相位组合，然后转至步骤(3)；
[0033] (7)比较所记录的2M种相位组合下多载波信号的PAPR值，选择使多载波信号PAPR最小的相位组合作为最优相位组合，并称最优相位组合下对应的变化码字为发送码字。发送码字经过交织、符号映射、多载波调制后最终经过天线发送出去。
[0034] 实例：
[0035] 实施例是一个有1024个子载波的多载波系统，其中符号映射方式采用BPSK映射方式，即将比特0映射为符号+1，将比特1映射为符号-1。这个系统每个多载波符号可传输1024个编码比特。每个多载波符号的时域信号由这个1024个子载波上的BPSK信号叠加得到，具有很高的PAPR。
[0036] 实施例中发射端采用一个码长为1024的NS-LDPC码，显然发送一个该码码字需要1 2 3
1024个BPSK符号。该码包含M＝3个可反转子集：V，V 和V，它们对应的相位比特节点
1 2 3
记为b，b 和b。每个可反转子集包含256个编码比特。可反转子集之外还有256个比特，即不可反转子集，这些比特是不参与反转操作的。
1024个BPSK符号。该码包含M＝3个可反转子集：V，V 和V，它们对应的相位比特节点
1 2 3
记为b，b 和b。每个可反转子集包含256个编码比特。可反转子集之外还有256个比特，即不可反转子集，这些比特是不参与反转操作的。
[0037] (1)构造具有3个可反转子集的NS-LDPC码对应的Tanner图，依据构造得到的Tanner图，对输入信息比特进行编码得到编码比特集合V，码长为1024，其包含3个可反转1 2 3 0
子集：V，V，V，和1个不可反转子集V。相位初始化步骤：
子集：V，V，V，和1个不可反转子集V。相位初始化步骤：
[0038] (2)每个可反转子集是否反转称之为相位，相位为0表示不反转，相位为1表示反转。由于实施例中NS-LDPC码中包含3个可反转子集，故需要3个相位。
[0039] 在相位初始化时，先产生3个相位均为0的相位组合，以此作为当前相位组合；
[0040] 通过改变相位组合中的一个或多个相位值，总共可以产生23＝8种不同的相位组合。
[0041] (3)依据当前相位组合分别对NS-LDPC码中可反转子集V1，V2和V3独立地进行反转操作，称经过反转操作的码字为变化码字。显然，对二进制LDPC码，反转操作等效于将可0
反转子集中的比特与该子集对应的相位进行异或。不可反转子集V 中的比特则不参与反转操作。
反转子集中的比特与该子集对应的相位进行异或。不可反转子集V 中的比特则不参与反转操作。
[0042] (4)依次对得到的当前的变化码字进行交织、符号映射、多载波调制，这样得到了一个多载波信号；
[0043] (5)计算当前相位组合下多载波信号的PAPR值并记录。
[0044] (6)判断已经产生的相位组合的总数是否等于8，如果是，进入步骤(7)，否则，任意改变当前相位组合中的一个或多个相位值，以形成一个与已经产生的所有相位组合均不相同的相位组合，作为新的当前相位组合，然后转至步骤(3)；
[0045] (7)比较所记录的8种相位组合下多载波信号的PAPR值，选择使多载波信号PAPR最小的相位组合作为最优相位组合，并称最优相位组合下对应的变化码字为发送码字。发送码字经过交织、符号映射、多载波调制后最终经过天线发送出去。
[0046] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。