Ofdm通信系統中邊帶信息傳輸與幀同步方法及裝置的製作方法
2023-06-28 13:06:26 1
專利名稱：Ofdm通信系統中邊帶信息傳輸與幀同步方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於無線通信或有線通信技術領域，它特別涉及正交頻分復用OFDM系統降低峰值平均功率比PAPR的方法，以及最大似然方法實現符號定時同步的方法。具體是正交頻分復用中邊帶信息傳輸與幀同步方法及裝置。
背景技術：
OFDM的基本原理就是將整個信道分成多個相互重疊並保持正交的子信道，每個子信道通過各自的子載波調製信息符號。由於OFDM系統各個子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，可以幾乎節省50％頻譜資源。正是由於這些優點，近幾年OFDM技術得到廣泛的應用。但是OFDM技術也有其特定的缺陷。
由於OFDM符號是由多個獨立的經過調製的子載波信號相加而成的，這些隨機變量如頻域QAM符號合成的信號就會在時域產生了類似高斯分布的曲線即出現了較大的峰值功率，由此會帶來較大的峰值平均功率比，簡稱峰均功率比。峰均功率比可以被定義為PAPR=10log10(maxn(|xn|2)E(|xn|2))]]>其中xn表示經過快速付裡葉逆變換IFFT運算之後所得到的輸出信號。針對如何降低峰均功率比，國內外進行了大量的研究，也提出了一些方法，例如部分傳送序列(PTSPartial Transmit Sequences)、選擇性映射(SLMSelected Mapping)等。在已提出的降低PAPR方法中，有一類需要傳輸邊帶信息(SI，Side Information，以下簡稱SI信息)，它能使OFDM符號能夠被恢復成PAPR降低之前的OFDM符號。如PTS方法、SLM方法等，都需要傳輸SI信息。其中，SLM方法是PTS方法的一種特殊情況。
PTS方法的基本原理是利用向量來定義數據符號X＝[X1，X2，…，XN]；然後把向量X分成V組，每一組就是PTS的一個子塊，分別由{Xv，v＝1，2，…，V}來表示。其分割方法可以有多種，如相鄰分割法、交織分割法、隨機分割法等，假設每個分組中所包括的子載波數量是相同的，然後將這V個分組按如下方式組合起來X=v=1VbvXv.]]>其中{bv，v＝1，2，…，V}是旋轉因子，而且滿足bv＝exp(jv)以及v∈
，bv又被稱為邊帶信息然後對X′進行快速傅立葉反變換IFFT，得到x′＝IFFT{X′}。根據IFFT的線性，可以利用V個單獨的快速傅立葉逆變換IFFT，對各個分組進行計算得x=v=1VbvIFFT{Xv}=v=1VbvXv,]]>其中引入了V個部分發送序列PTS，Xv＝IFFT{Xv}。通過使用優化算法選擇輔助加權係數bv，使得峰值信號達到最佳化。PTS的原理框圖如圖1所示。很顯然接收機必須確切地知道發送機所使用的具體旋轉因子，該旋轉因子通常通過SI信息的形式來通知接收機。可見SI信息必須被小心保護、仔細傳輸，以確保PTS-OFDM系統的正常工作。
傳統的PTS邊帶信息傳輸方案主要有兩種1、利用預留子載波該方案是指在每個子塊內都預留適當數量的子載波，在進行PTS優化後將該塊的SI信息插入這些預留的子載波中進行傳輸。
2、利用預留子塊該方案則是指進行PTS優化時在OFDM符號內預留一個子塊，將該符號內的其它子塊的SI信息集中放於預留子塊中進行傳輸。
以上兩種方案無論哪種均是在PAPR優化後，將SI信息插入優化後的OFDM符號進行傳輸，因此至少會帶來以下幾個缺點1、除了OFDM符號本身的數據以外還插入了SI信息，會改變原有OFDM符號的結構；2、由於PAPR優化後，還須返回頻域將SI信息插入，然後重新進行IFFT變換，因此會帶來附加的硬體需求以及延時；3、均不可避免的引起峰值再生。由於一般的PTS方法優化的是不含SI信息的數據符號的PAPR，插入SI信息後不再繼續優化，也即用原來符號的優化係數應用於加入SI信息後的新符號，所以可能導致峰值再生，也即PAPR的惡化。
發明的內容本發明目的在於避免上述已有技術的不足，通過分析OFDM系統中的本質問題，提出了一種OFDM系統中邊帶信息傳輸與幀同步方法及裝置，採用邊帶信息傳輸與幀同步聯合解決方案，儘可能的減少系統峰值再生。
實現本發明目的的邊帶信息傳輸及幀同步方法的依據藉助了信號的相關性，將多個OFDM符號作為一個OFDM符號幀，分別對一幀中的每一個OFDM符號進行降低PAPR的PTS處理；然後提取逆PTS過程所需的信息，即PTS每一個子塊的旋轉因子，這些信息也稱為SI信息；最後將一幀OFDM符號的SI信息作為一個SI符號，多次複製作為幀頭，與其他OFDM符號組合併發送。利用相同的連續的多個SI符號之問的相關性，使用最大似然方法實現符號定時同步技術進行同步。本發明在系統中採用如下過程進行邊帶信息傳輸與幀同步，以解決OFDM系統中峰值再生及幀同步問題發送端(1)根據OFDM通信系統的參數，確定邊帶信息SI符號的長度；(2)對一幀中所有的OFDM符號進行部分傳送序列PTS處理，以降低PAPR；(3)將PTS單元的相位優化得到的相位旋轉信息作為SI信息，把一個OFDM符號幀的所有SI信息集合起來，作為一個獨立於其它OFDM符號，即SI符號進行傳輸，以降低峰值再生；(4)將完整的SI符號複製多次並插入該幀OFDM符號之前，然後直接發射出去；接收端(1)根據最大似然算法公式d^ML=argmax{|(d)|-(d)}]]>，計算出OFDM符號幀起始採樣點的位置，實現幀同步；(2)利用SI符號攜帶的SI信息將幀同步後的其它OFDM符號，按照PTS的逆過程恢復出PTS處理前的OFDM符號。
基於本發明方法的裝置的發送端主要包括PTS單元、SI信號提取單元、整合器；其中PTS單元，用於處理經過QAM或PSK調製後，lFFT變換之前的數據，降低這些數據的PAPR；並產生需要傳輸的SI信息；SI信號提取單元，用於提取PTS單二元產生的SI信息；組合器，用於將一幀OFDM符號所要傳輸的SI信息整合成一個完整的OFDM符號，以下稱SI符號；並複製多次並插入該幀OFDM符號之前，然後直接發射出去。
實現本發明方法的裝置的接收端主要包括幀同步單元、SI符號與OFDM符號分離單元、信號恢復器。其中幀同步單元，用於實現OFDM符號幀同步。
SI符號與OFDM符號分離單元，用於將接收到的信號通過兩路傳輸，即一路傳輸SI符號，另一路傳輸原始的OFDM符號。
信號恢復器，用於接收SI符號與原始OFDM符號分離單元的兩路信號，通過SI符號上的信息恢復出原始OFDM符號。
本發明的技術方案不僅可以把SI信息集中到一個特定的SI符號中傳輸，而且它的P個OFDM符號在進行PAPR優化後並不會像傳統方法那樣，由於通過預留子載波或預留子塊傳輸SI信息，在經過降PAPR處理後的OFDM符號插入SI信息，改變了降PAPR處理後的OFDM符號的結構而引起峰值再生。在接收端SI符號被接收並解調，這個SI符號攜帶的信息就是該OFDM符號幀P個OFDM數據符號的SI信息，這樣其它的m個數據就可以被恢復成PTS處理之前的OFDM符號。
本發明與利用預留子載波傳輸方案相比，具有以下優點1、避免峰值再生。在傳統的SI信息傳輸方案中，會在PAPR優化後向預留的子載波或子塊中插入SI信息，所以會引起峰值再生。但在改進的方案中，由於SI信息被集中到特定的SI符號中統一傳輸，那麼SI信息的傳輸並不會影響這些PAPR優化後的數據符號，所以不會引起峰值再生。
2、不影響符號結構。在傳統的SI信息傳輸方案中，對接收機而言，接收到的每一個OFDM符號，都是數據和SI信息的混合體，這樣勢必影響了原始的符號結構，並且增加了接收機的複雜度。而新方案的SI信息和數據符號分別傳輸，所以不會影響符號結構。
3、便於SI信息的集中管理。由於SI信息對接收機正確解調OFDM符號至關重要，所以往往需要特別的編碼保護。這樣傳統的SI信息傳輸方案中數據和SI信息的混合傳輸，必然增加發送機的編碼複雜度，也即需要對數據和SI信息部分分別處理。而改進的方法中SI信息集中於SI符號統一傳輸，這樣也便於統一的編碼和管理。
4、實現了OFDM系統的幀同步。本發明提出的幀同步和降低PAPR的綜合方案，不僅降低峰值再生，而且可以實現OFDM系統的幀同步。由此提高可通信系統的性能，降低系統成本。
圖1是現有PTS方法原理2是本發明提出的邊帶信息傳輸與幀同步方法的SI符號的構成3是本發明提出的邊帶信息傳輸與幀同步方法的幀結構示意4是本發明提出的邊帶信息傳輸與幀同步方法實現流程5是本發明提出的邊帶信息傳輸與幀同步裝置結構框6是本發明提出的邊帶信息傳輸與幀同步方法與傳統邊帶信息傳輸方法的CCDF-PAPR對比7是本發明提出的邊帶信息傳輸與幀同步方法的幀同步效果圖具體實施方式
以下參照附圖對本發明作進一步詳細描述。
參照圖4，用於在OFDM系統中的本發明邊帶信息傳輸與幀同步方法，按如下過程進行第一步，根據OFDM通信系統的參數，確定SI符號的長度。與SI長度有關的參數為PTS子塊數V，旋轉因子的總個數Q，調製方式對應星座點個數M來設定一個OFDM符號幀包含的OFDM符號個數P。假設Si為任意OFDM符號SI信息所佔符號位，SI符號的長度(對應為星座圖上的點的個數)為S，則它們之間的關係如下S=i=1PSi]]> 其中， 表示上取整。假設參數V＝8，Q＝2，P＝16，M＝4。則需要傳輸的SI符號的長度為64個符號位(一個符號位即星座圖上一個點)或128比特。無論SI符號長度是否與OFDM符號長度相同，本發明都將把它看作一個獨立信號處理。這是因為參數V，Q，M，P是由整個PTS-OFDM通信系統決定，並且在PTS-OFDM通信系統完成之後不會改變，SI符號的長度也不會改變，即SI符號的長度不影響幀同步的設計。但是需要注意的是SI符號的長度如果超過OFDM符號長度，將會為SI符號的傳輸帶來困難。當SI符號的長度小於OFDM符號的長度時可在SI符號後插入隨機序列進行補充或使用其它手段使SI符號長度與OFDM符號長度相同。
在本發明的邊帶信息傳輸與幀同步中，如果OFDM符號的旋轉因子越多，PTS分割的子塊數越多，OFDM符號可能的旋轉因子組合就越多，表示SI信息所需的符號位也就越多，即SI符號所含符號位就越多。由於SI符號包含的符號位多，利用最大似然方法進行幀同步由於偶然因素得到高相關係數的概率就大大減少，幀同步效果會更好。然而另一方面，因為需要處理的邊帶信號太多，系統的時延自然就升高了。
第二步，在發送端中，對所有輸入的OFDM符號進行與傳統PTS-OFDM通信系統相同的PTS處理，以降低系統的PAPR。這裡假設任意一個OFDM符號在進行PTS處理時均被分割成v塊，則一幀中任意一個OFDM符號均可表示為Xn＝[Xn，1，xn，2，…，xn，V]。
第三步，參照圖1，利用SI信號提取單元從相位優化器中提取對一幀中所有OFDM符號進行相位旋轉的相位旋轉信息一個OFDM符號的SI信息，從第1塊到第V塊可以表示為b1，b2，…，bV。而一幀中包含多個OFDM符號，為了方便描述，將第n個OFDM符號的SI信息，從第1塊到第V塊分別表示為bn，1，bn，2，…，bn，V。
第四步，參照圖2，將一幀信號中所有的OFDM符號的SI信息集中到一個特定的OFDM符號，即SI符號統一傳輸。具體地說，就是將一個OFDM符號分別為X1，X2，…，Xm；每一個OFDM符號在進行PTS時均被分割成v塊，則一幀中任意一個OFDM符號均可表示為Xn＝[xn，1，xn，2，…，xn，V]；並且第n個OFDM符號的SI信息，從第一塊到第V塊分別為bn，1，bn，2，…，bn，V的OFDM符號幀所有SI信息集中到SI符號傳輸。該幀SI符號SI＝[B1，B2，…，Bm]，其中Bn＝[bn、1，bn，2，…，bn，V]。
由於本發明的技術方案把SI信息集中到一個特定的SI符號中傳輸，它的P個OFDM符號在進行PAPR優化後不會像傳統方法那樣在經過降PAPR處理後的OFDM符號內通過預留子載波或預留子塊插入SI信息，改變了降PAPR處理後的OFDM符號的結構而引起峰值再生。
第五步，參照圖3，處理完一幀OFDM符號後，將完整的SI符號複製多次並插入該幀OFDM符號之前，然後直接發射出去。以SI符號複製1次為例，發射出去的OFDM符號幀Z＝[SI，SI，X1，X2，…，Xm]。
第六步，接收端利用相同的連續的多個SI符號之間的相關性，使用最大似然方法實現符號定時同步。也就是通過如下公式進行同步d^ML=argmax{|(d)|-(d)}]]>計算結果 就是使相關係數最大的採樣點，即OFDM符號幀起始的採樣點位置。
其中=|E{x(k)x*(k+S)}E{|x(k)|2}E{|x(k+S)|2}|=|s2s2+n2|=SNRSNR+1,]]>表示x(k)與x(k+L)之間相關係數的幅度。
而(m)=k=mm+S-1x(k)x*(k+S);(m)=12k=mm+S-1|x(k)|2+|x(k+S)|2.]]>其中，m表示任意採樣點；S表示SI符號的長度(以採樣點個數衡量)。
上述幀同步步驟將攜帶SI信息的SI符號複製多次並作為幀頭傳輸，從而可以保證該重要符號的準確傳輸，同時可以利用重複傳輸的OFMD符號之間的相關性，通過極大似然算法，到達獲取OFDM系統的幀同步的目的。
第七步，進行同步之後提取一個完整的SI信息。SI信息以及剩餘的信號將送到信號恢復器，恢復出經過PTS之前的符號形式。
實現本發明方法的裝置包括發送端和接收端。其中發送部分主要包括PTS單元、SI信號提取單元、組合器；接收部分包括同步單元、SI符號與OFDM符號分離單元、信號恢復器。整個OFDM通信系統的工作過程如下一、OFDM通信系統的發送端發送時，信源1產生的攜帶信息的數據符號流2送到調製器3，進行m-QAM或者BPSK或者QPSK調製。二進位數據流經過調製後，也就是將各個並行信道上二進位數據映射為信號星座圖上的點，即形成複數形式的數據序列。該數據經過串並變換4後成多路的數據5送到OFDM的發送端。由PTS處理器6對該並行複數序列進行第二次調製，即將每一組並行複數序列分組，每一組旋轉不同的相位，打破這一組並行複數序列在相位上的一致性，從而降低發射端的PAPR。為了恢復經過PTS處理的信號，SI信號提取單元7把PTS對每塊信號的相位旋轉信息8提取出來，通過組合器10將一幀OFDM符號所要傳輸的SI信息整合成一個完整的OFDM符號，以下稱SI符號。為了不改變經過PTS處理的符號的結構，本發明將所有SI信息集中起來，整合成一個獨立的SI符號。為了保持幀同步，把此獨立的SI符號複製多次，作為該幀幀頭傳輸，或者作為下一幀幀頭傳輸。圖3是以SI符號被複製1次作為幀頭的幀結構示意圖。多個相同的SI符號後加上經過PTS的OFDM符號輸入組合器10組合後，該複數數據通過並串變換11，將各通道的數據流合併為串行數據流12，即OFDM符號，經數模轉換13，低通濾波器15濾波後，被發射到信道17中。
二、OFDM通信系統的接收端接收時，通過信道17的信號18需要經過低通濾波器19得到模擬信號，這個濾波器也被稱為匹配濾波器。該模擬信號通過模數轉換器20後變成數位訊號21。該數位訊號通過幀同步器22進行幀同步，幀同步後信號23進入SI符號與OFDM符號分離單元24，分成兩路數位訊號輸出，分別是SI符號25和OFDM符號26。兩路信號同時送入信號恢復器27作PTS逆變換，將利用SI符號攜帶的信息恢復出原始的OFDM符號。恢復的原始OFDM符號通過傳輸線28直接進入串並變換器29；然後由快速傅立葉變換FFT數位訊號處理器30對該數據流進行解調後得到信號31，該信號再經過並串變換32和解調器33後恢復出與原始信息2基本相同的接收信息34，以滿足信宿35的要求。
本發明的效果可以通過圖6、圖7進一步說明。
為了說明本發明可以儘量避免峰值再生這一優點，也為了研究採用邊帶信息傳輸與幀同步方法之後的系統性能。為此我們在4-QAM調製條件下仿真了本發明提出的邊帶信息傳輸與幀同步方法與傳統邊帶信息傳輸方法的CCDF-PAPR；以及最大似然函數的輸出。
一.用本發明的邊帶信息傳輸仿真表1邊帶信息傳輸與幀同步方法PAPR性能仿真條件
在表1中，按每32個OFDM符號作為一個幀進行傳輸，並且將這32個OFDM符號經過PTS處理產生的SI信息集中起來作為SI符號傳輸。每個OFDM符號被分成8個子塊，並且相位旋轉空間為{-1，1}，那麼表示相位旋轉需要2bit，16個OFDM符號共需128個符號位或256bits來表示這32個數據符號的SI信息。
圖6給出了在表1所列的仿真條件下的PAPR的互補累積分布函數曲線圖。圖6是用PAPR的互補累積分布函數CCDF來衡量OFDM系統的PAPR分布。即計算出PAPR超過某一門限值PAPR0的概率，得到的互補累積分布函數CCDF。用數學式子可表示為Prob{PAPR＞PAPR0}。從圖6中可以看到利用傳統邊帶信息傳輸方案進行邊帶信息傳輸後PAPR與理論上PTS處理得出的PAPR相比PAPR有很大的偏差，這就是所謂的峰值再生。這是由於傳統的PTS方法優化的是不含SI信息的OFDM符號的PAPR，插入SI信息後不再繼續優化。然而，插入SI信息後破壞了PTS處理後的OFDM符號的PAPR最優的符號結構，必然引起峰值再生。從圖6中可以清楚地看到利用本發明提出的邊帶信息傳輸與幀同步方法進行邊帶信息傳輸比利用傳統邊帶信息傳輸方案進行邊帶信息傳輸能更少的引起峰值再生，其仿真得出的CCDF-PAPR曲線與理論上PTS處理得出的CCDF-PAPR曲線基本重合。從圖6中可進一步清楚地看到當CCDF為10-3時，採用邊帶信息傳輸與幀同步方法後的PAPR為8.25dB，傳統邊帶信息傳輸後的PAPR為9.82dB前者的PAPR要比後者低1.57dB。
二.幀同步仿真表2幀同步效果仿真條件
圖7給出了一個OFDM幀在表2所列的仿真條件下的最大似然函數的輸出。圖7是用最大似然函數的輸出來衡量幀同步的有效性。從圖7中可以很明顯地看到在整個仿真的採樣範圍內，利用最大似然方法計算出的連續128個採樣點相隔128個採樣點的相關曲線圖中，只有在一個採樣點的位置上計算出最大相關係數。從圖7還可以進一步清楚地看到這個採樣點就是第151個採樣點。也就是仿真試驗中一個OFDM符號幀開始的第一個採樣點的位置。
由於本發明在不脫離其基本精神和本質特徵的情況下可以多種形式實施，因此應該理解到，如上所述的實施例不被前面描述的任何細節所限制，除非另作特別說明，在所附的權利要求書定義的發明精神和範圍之內，應該被廣義地解釋，因此所有的更改和修訂都應落在本權利要求書所定的範圍內，或者等同於本範圍的描述也應被在本發明附加的權利要求書所覆蓋。
權利要求
1.一種OFDM通信系統中邊帶信息傳輸與幀同步方法，採用如下過程進行邊帶信息傳輸與幀同步，以解決OFDM系統中峰值再生及幀同步問題發送端(1)根據OFDM通信系統的參數，確定邊帶信息SI符號的長度；(2)對一幀中所有的OFDM符號進行部分傳送序列PTS處理，以降低峰值平均功率比PAPR；(3)將PTS單元的相位優化得到的相位旋轉信息作為SI信息，把一個OFDM符號幀的所有SI信息集合起來，作為一個獨立於其它OFDM符號，即SI符號進行傳輸；(4)將完整的SI符號複製多次並插入該幀OFDM符號之前，然後直接發射出去；接收端(1)根據公式d^ML=argmax{|(d)|-(d)},]]>計算出OFDM符號幀起始採樣點的位置，實現幀同步；(2)利用SI符號攜帶的SI信息將幀同步後的其它OFDM符號，按照PTS的逆過程恢復出PTS處理前的OFDM符號。
2.實現權利要求1所述方法裝置，包括發送端和接收端，其特徵在於該發送端主要包括PTS單元、SI信號提取單元、組合器；該接收端主要包括幀同步單元、SI符號與OFDM符號分離單元、信號恢復器，其中PTS單元，用於處理在進行逆付裡葉變換IFFT之前，經過QAM或PSK調製後的數據，降低這些數據的PAPR；並產生需要傳輸的SI信息；SI信號提取單元，用於提取PTS單元產生的SI信息；組合器，用於將一幀OFDM符號所要傳輸的SI信息整合成一個完整的OFDM符號，即SI符號；將此SI符號複製多次並插入該幀OFDM符號之前，然後直接發射出去；幀同步單元，用於OFDM符號幀同步；SI符號與OFDM符號分離單元，用於將接收到信號通過兩路傳輸，即一路傳輸SI符號，另一路傳輸原始的OFDM符號；信號恢復器，用於接收SI符號與原始OFDM符號分離單元的兩路信號，通過SI符號上的信息恢復出原始OFDM符號。
3.根據權利要求1所述的OFDM通信系統中邊帶信息傳輸與幀同步方法，其特徵在於所述SI符號的長度由以下幾個參數決定PTS子塊數V，旋轉因子的總個數Q，調製方式對應星座點個數M以及一個OFDM符號幀所包含的OFDM符號個數P，Si為任意OFDM符號SI信息所佔符號位，SI符號的長度為S，則它們之間的關係如下S=i=1PSi]]>其中，
4.根據權利要求1所述的OFDM通信系統中邊帶信息傳輸與幀同步方法，其特徵在於所述幀同步的實現是通過將攜帶SI信息的SI符號複製多次並作為幀頭傳輸，從而保證SI符號的準確傳輸，同時利用重複傳輸的SI符號之間的相關性，通過最大似然算法，獲取OFDM系統的幀同步。
全文摘要
本發明公開一種OFDM通信系統中邊帶信息傳輸與幀同步方法及裝置，用於解決OFDM系統峰值再生及幀同步問題。其主要步驟為確定邊帶信息SI符號的長度；對一幀中所有OFDM符號作降低峰值的PTS處理；將PTS相位優化後的相位旋轉信息作為SI信息，把一個OFDM符號幀的所有SI信息集合，作為一個獨立於其它OFDM的SI符號；將完整的SI符號複製多次並插入該幀OFDM符號之前發送；用最大似然算法算出OFDM符號幀起始採樣點位置；利用SI符號攜帶的SI信息將幀同步後的其它OFDM符號，恢復成PTS處理前的OFDM符號。實現上述方法的裝置發送端主要包括PTS單元、SI信號提取單元、組合器；接收端主要包括幀同步單元、SI符號與OFDM符號分離單元、信號恢復器。本發明可有效解決峰值再生及實現幀同步。
文檔編號H04L27/26GK1812390SQ20051012456
公開日2006年8月2日 申請日期2005年12月16日 優先權日2005年12月16日
發明者楊剛, 黃思寧, 姜勇, 李玉山 申請人:西安電子科技大學