［何維武 馮輝 譚淇文 徐闖］

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基于部分傳輸序列技術(shù)降OFDM系統(tǒng)PAPR的改進(jìn)算法

［何維武 馮輝 譚淇文 徐闖］

摘要

在研究PTS技術(shù)抑制OFDM系統(tǒng)峰均比的基礎(chǔ)上，提出了倍增組值算法（Multiplication group value algorithm）和倍增組值改進(jìn)算法（一）（multiplication group value of improved algorithm（a））。倍增組值法是通過(guò)窮盡搜索加權(quán)因子的方法，選取合適的門限值優(yōu)化PTS技術(shù)，該方法在沒(méi)有影響抑制峰均比（PAPR）效果和誤碼率（BER）的前提下，較大程度的減少了計(jì)算復(fù)雜度，提高了總體性能；為了減少計(jì)算復(fù)雜度，又提出了倍增組值改進(jìn)算法（一），此算法結(jié)合了迭代思想，使計(jì)算量不再成指數(shù)變換而是成倍數(shù)變換，從而進(jìn)一步優(yōu)化了PTS技術(shù)。

關(guān)鍵詞：部分傳輸序列 峰均比 誤碼率 倍增組值算法 倍增組值改進(jìn)算法（一）

何維武

重慶金美通信有限責(zé)任公司，工程師，碩士，寬帶無(wú)線通信技術(shù)。

馮輝

慶金美通信有限責(zé)任公司。

譚淇文

慶金美通信有限責(zé)任公司。

徐闖

慶金美通信有限責(zé)任公司。

1 引言

正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)是一種通信調(diào)制技術(shù)，也是一種通信復(fù)用技術(shù)。它具備提高數(shù)據(jù)傳輸速率、對(duì)抗頻率選擇性衰落和碼間干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用。由于峰均比（PAPR）的存在，會(huì)增加帶內(nèi)失真[1]和帶外干擾。在OFDM系統(tǒng)中常常會(huì)采用一些方法和手段來(lái)抑制峰均比；傳統(tǒng)的降峰均比方法有許多，其中部分傳輸序列（PTS）就是其中之一。

2 部分傳輸序列（PTS）

PTS是一種線性處理[2]技術(shù)，其原理是：OFDM信號(hào)中N個(gè)子載波數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則（如：交織分割法[3]）分割為V組互不重疊的子序列Xv(v =1,2,…,V)，其中每個(gè)子載波只能出現(xiàn)在一個(gè)組內(nèi)，且V個(gè)組中所包含的子載波個(gè)數(shù)相等，然后將每個(gè)子塊擴(kuò)展成與原始OFDM信號(hào)序列X(k)等長(zhǎng)的子塊序列，對(duì)每一個(gè)子向量的每個(gè)子載波都乘一個(gè)相同的相位旋轉(zhuǎn)因子bv：

其原理如框圖1所示：

圖 1 PTS原理圖

PTS技術(shù)的主要目的就是搜索滿足下式的旋轉(zhuǎn)因子序列：

使得OFDM信號(hào)PAPR最小。

下列圖的仿真參數(shù)為：子載波數(shù)N=64，過(guò)采樣因子為2，調(diào)制方式為QAM，符號(hào)數(shù)為1000個(gè)，V=8，PTS的優(yōu)化因子為｛1，－1｝。

圖 2 原信號(hào)的功率和PTS處理

圖2 是信號(hào)經(jīng)過(guò)PTS方法處理后的功率與原信號(hào)功率的對(duì)比，由仿真圖可知，經(jīng)過(guò)PTS方法處理后的信號(hào)并沒(méi)有改變?cè)盘?hào)的功率和能量，這也論證了PTS是線性處理方法。

圖3是PTS方法在不同的分組數(shù)時(shí)， OFDM信號(hào)降峰均比CCDF曲線圖。其中仿真參數(shù)為：子載波數(shù)N1 =64，過(guò)采樣因子為2，調(diào)制方式為QAM，符號(hào)數(shù)為103個(gè)，優(yōu)化因子為｛1，－1｝，分組數(shù)為1、2、4、8。

圖 3 有過(guò)采樣的信號(hào)PTS處理的峰均比

在概率是10-3處，當(dāng)分組數(shù)V是2、4、8，可以將峰均比分別降低0.4dB、0.9dB、2.4dB左右。由此可知，隨著分組數(shù)越大，PTS方法抑制峰均比的效果會(huì)越好, 但卻增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

3 倍增組值法

圖 4 倍增組值法原理圖

采用相交織分割法[5]把子載波分成V組，規(guī)定優(yōu)化因子為某一定值，然后采用窮盡搜索方法[6]對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化；然后設(shè)置V＝1和門限值，所得峰均比小于門限值時(shí)，通過(guò)邏輯控制信號(hào)，使數(shù)據(jù)輸出，并且讀入下個(gè)信號(hào)；當(dāng)峰均比大于門限值時(shí)，通過(guò)控制信號(hào)L，使該批次組擴(kuò)大到2V組，然后計(jì)算2V組的峰均比值，并與門限值相比較，如果大于時(shí)，再擴(kuò)大1倍，如果小于，則輸出。

圖5中PTS法的仿真參數(shù)為：V=8，子載波數(shù)N=64，過(guò)采樣因子為2，調(diào)制方式為QAM，符號(hào)數(shù)為103個(gè)，優(yōu)化因子為｛1，－1｝。倍增組值算法的仿真參數(shù)：V=1~8，門限值為7.8 dB，其它的參數(shù)和PTS法的一樣。

圖 5 倍增組值法和PTS處理后信號(hào)的PAPR

通過(guò)仿真可知：倍增組值法和PTS法的峰均比幾乎同時(shí)達(dá)到7.794dB；PTS法V=8和倍增組值法V=1～8的仿真計(jì)算時(shí)間分別為 t1=42.2369、t2=6.4111；由此說(shuō)明，在同等件下，倍增組值法比PTS法計(jì)算效率要高出許多，而且能達(dá)到相近的降峰均比效果。

4 倍增組值改進(jìn)算法（一）

為了進(jìn)一步提高OFDM系統(tǒng)降峰均比的計(jì)算效率，于是提出了在增組值算法的基礎(chǔ)上結(jié)合次優(yōu)迭代法[7]思想的一種新算法，這樣可以彌補(bǔ)彼此之間的不足，從而達(dá)到更優(yōu)，給該算法取名為倍增組值改進(jìn)算法（一）。

該算法的基本思想為：采用相鄰分割法[8]把子載波分成V組，且設(shè)定優(yōu)化因子為｛1，－1｝；然后設(shè)置V ＝1和門限值，開(kāi)始時(shí)使優(yōu)化因子全為1，然后從第一個(gè)因子開(kāi)始每次改變一個(gè)因子為－1，其余因子保持不變，分別求出其最大峰均比值，然后從中選出最小的峰值，如果該峰值小于門限值時(shí)，通過(guò)邏輯控制信號(hào)，使數(shù)據(jù)輸出，并且讀入下個(gè)信號(hào)；如果此峰值大于門限值時(shí)，使V擴(kuò)大一倍；計(jì)算擴(kuò)大后信號(hào)的峰均比值，再與門限值相比較；如果大于時(shí)，把該組值擴(kuò)大1倍計(jì)算峰值，再比較；反之，則輸出該峰值。

圖6是次優(yōu)迭代算法和倍增組值算法、倍增組值改進(jìn)算法（一）抑制峰均比的仿真圖。仿真參數(shù)為：子載波數(shù)N=64，過(guò)采樣因子為2，調(diào)制方式為QAM，符號(hào)數(shù)為103個(gè)，優(yōu)化因子都為｛1，－1｝，門限值為7.8 dB，分組數(shù)V1=8、V2=1~8、V3=1~8。

通過(guò)仿真得知：當(dāng)符號(hào)數(shù)為103個(gè)時(shí)，次優(yōu)迭代算法、倍增組值算法、倍增組值改進(jìn)算法（一）的仿真計(jì)算時(shí)間分別為t1=3.8036、t2=6.2581、t3=0.5379；通過(guò)仿真可知：當(dāng)CCDF＝10-3時(shí)，它們的PAPR值分別為8.372dB、7.865dB、8.121dB。于是我們可以得出：盡管倍增組值改進(jìn)算法（一）比倍增組值算法降峰均比效果稍有下降，但計(jì)算量有了顯著的減少，這樣效率有了較大提高；倍增組值改進(jìn)算法（一）和次優(yōu)迭代算法相比，在沒(méi)有損失降峰均比效果的前提下，在計(jì)算量上卻也有較大的減少。

圖 6 （符號(hào)數(shù)為103時(shí)）次優(yōu)迭代算法、倍增組值法、倍增組值改進(jìn)算法（一）處理后信號(hào)峰均比

圖7是在104個(gè)符號(hào)數(shù)條件下時(shí)的抑制峰均比仿真效果圖：

圖 7 （符號(hào)數(shù)為104時(shí)）次優(yōu)迭代算法、倍增組值法、倍增組值改進(jìn)算法（一）處理后信號(hào)峰均比

通過(guò)仿真得知：當(dāng)符號(hào)數(shù)為104個(gè)時(shí)，次優(yōu)迭代算法、倍增組值算法、倍增組值改進(jìn)算法（一）的仿真計(jì)算時(shí)間分別為t1= 157.8537、t2= 281.5835、t3= 3.8171；此時(shí)，PAPR值的差值跟符號(hào)數(shù)為103個(gè)時(shí)的差值比較，變化很小。

由此可以得出，隨著符號(hào)個(gè)數(shù)的增加，對(duì)降峰均比效果影響較小，倍增組值改進(jìn)算法（一）的計(jì)算效率卻有很大的提高。

5 小結(jié)

PTS算法、倍增組值算法、倍增組值改進(jìn)算法（一）都屬于線性處理方法，因此產(chǎn)生的誤碼率會(huì)很小；倍增組值算法和PTS算法抑制PAPR的效果很相近，但在計(jì)算效率方面比PTS算法更優(yōu)越；為了進(jìn)一步減少計(jì)算量，提出了倍增組值改進(jìn)算法（一），該方法可以較大程度上減少計(jì)算量，尤其在符號(hào)數(shù)越多的情況下，更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)

1校紅信，梁猛，鞏稼民，張帥，一種降低CO-OFDM系統(tǒng)PAPR的PTS方法，光通信技術(shù)，2013, 37(5)

2林志陽(yáng)，王兆暉，任佳，丁潔，春元，減小OFDM 系統(tǒng)PAPR 的QEA-PTS聯(lián)合方法，現(xiàn)代電子技術(shù)，2015年5月4日

3劉薇，楊維，降低OFDMA系統(tǒng)峰均功率比的編碼-PTS方法，新能源進(jìn)展，2013, 18(2)

4賈瑩瑩 楊霖 王田 胡武君，用部分相關(guān)-PTS方法降低OFDM系統(tǒng)的PAPR，光通信研究，2014, (2)

5Li, L.；Qu, D. Joint Decoding of LDPC Code and Phase Factors for OFDM Systems With PTS PAPR Reduction，IEEE Transactions on Vehicular TechnologyEISCI，2013, 62(1)

6Tong Jun，Li Ping,Zhang ghong-hao，etaL Iterative soft compensation for OFDM system swith clipping and superposition Coded modulation [J] IEEE Transactions on Communications，2010，58(10)：2861—2870

7Hou Jtm，Ge Jian-hua，and Li Jing .Peak-to-average power ratio reduction of OFDM signals using PTS scheme with low computational complexity[J]. IEEE Transactions on Broadcasting，2011，57（一）：143-148

8Han S H, Lee J H.PAPR Reduction of OFDM signals using a reduced complexity PTS technique [J]. IEEE Signal Processing Letters, 2004, 11(11): 887-890

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.02.017 10.3969/j.issn.1006-6403.2016.02.010

收稿日期：（2016-01-06）