基于部分传输序列技术降OFDM系统PAPR的改进算法

［何维武 冯辉 谭淇文 徐闯］



基于部分传输序列技术降OFDM系统PAPR的改进算法

［何维武 冯辉 谭淇文 徐闯］

摘要

在研究PTS技术抑制OFDM系统峰均比的基础上，提出了倍增组值算法（Multiplication group value algorithm）和倍增组值改进算法（一）（multiplication group value of improved algorithm（a））。倍增组值法是通过穷尽搜索加权因子的方法，选取合适的门限值优化PTS技术，该方法在没有影响抑制峰均比（PAPR）效果和误码率（BER）的前提下，较大程度的减少了计算复杂度，提高了总体性能；为了减少计算复杂度，又提出了倍增组值改进算法（一），此算法结合了迭代思想，使计算量不再成指数变换而是成倍数变换，从而进一步优化了PTS技术。

关键词：部分传输序列 峰均比 误码率 倍增组值算法 倍增组值改进算法（一）

何维武

重庆金美通信有限责任公司，工程师，硕士，宽带无线通信技术。

冯辉

庆金美通信有限责任公司。

谭淇文

庆金美通信有限责任公司。

徐闯

庆金美通信有限责任公司。

1 引言

正交频分复用（OFDM）技术是一种通信调制技术，也是一种通信复用技术。它具备提高数据传输速率、对抗频率选择性衰落和码间干扰等优点，因此被广泛应用。由于峰均比（PAPR）的存在，会增加带内失真[1]和带外干扰。在OFDM系统中常常会采用一些方法和手段来抑制峰均比；传统的降峰均比方法有许多，其中部分传输序列（PTS）就是其中之一。

2 部分传输序列（PTS）

PTS是一种线性处理[2]技术，其原理是：OFDM信号中N个子载波数据按照一定的规则（如：交织分割法[3]）分割为V组互不重叠的子序列Xv(v =1,2,…,V)，其中每个子载波只能出现在一个组内，且V个组中所包含的子载波个数相等，然后将每个子块扩展成与原始OFDM信号序列X(k)等长的子块序列，对每一个子向量的每个子载波都乘一个相同的相位旋转因子bv：

其原理如框图1所示：

图 1 PTS原理图

PTS技术的主要目的就是搜索满足下式的旋转因子序列：

使得OFDM信号PAPR最小。

下列图的仿真参数为：子载波数N=64，过采样因子为2，调制方式为QAM，符号数为1000个，V=8，PTS的优化因子为｛1，－1｝。

图 2 原信号的功率和PTS处理

图2 是信号经过PTS方法处理后的功率与原信号功率的对比，由仿真图可知，经过PTS方法处理后的信号并没有改变原信号的功率和能量，这也论证了PTS是线性处理方法。

图3是PTS方法在不同的分组数时， OFDM信号降峰均比CCDF曲线图。其中仿真参数为：子载波数N1 =64，过采样因子为2，调制方式为QAM，符号数为103个，优化因子为｛1，－1｝，分组数为1、2、4、8。

图 3 有过采样的信号PTS处理的峰均比

在概率是10-3处，当分组数V是2、4、8，可以将峰均比分别降低0.4dB、0.9dB、2.4dB左右。由此可知，随着分组数越大，PTS方法抑制峰均比的效果会越好, 但却增加了系统的复杂度。

3 倍增组值法

图 4 倍增组值法原理图

采用相交织分割法[5]把子载波分成V组，规定优化因子为某一定值，然后采用穷尽搜索方法[6]对其进行优化；然后设置V＝1和门限值，所得峰均比小于门限值时，通过逻辑控制信号，使数据输出，并且读入下个信号；当峰均比大于门限值时，通过控制信号L，使该批次组扩大到2V组，然后计算2V组的峰均比值，并与门限值相比较，如果大于时，再扩大1倍，如果小于，则输出。

图5中PTS法的仿真参数为：V=8，子载波数N=64，过采样因子为2，调制方式为QAM，符号数为103个，优化因子为｛1，－1｝。倍增组值算法的仿真参数：V=1~8，门限值为7.8 dB，其它的参数和PTS法的一样。

图 5 倍增组值法和PTS处理后信号的PAPR

通过仿真可知：倍增组值法和PTS法的峰均比几乎同时达到7.794dB；PTS法V=8和倍增组值法V=1～8的仿真计算时间分别为 t1=42.2369、t2=6.4111；由此说明，在同等件下，倍增组值法比PTS法计算效率要高出许多，而且能达到相近的降峰均比效果。

4 倍增组值改进算法（一）

为了进一步提高OFDM系统降峰均比的计算效率，于是提出了在增组值算法的基础上结合次优迭代法[7]思想的一种新算法，这样可以弥补彼此之间的不足，从而达到更优，给该算法取名为倍增组值改进算法（一）。

该算法的基本思想为：采用相邻分割法[8]把子载波分成V组，且设定优化因子为｛1，－1｝；然后设置V ＝1和门限值，开始时使优化因子全为1，然后从第一个因子开始每次改变一个因子为－1，其余因子保持不变，分别求出其最大峰均比值，然后从中选出最小的峰值，如果该峰值小于门限值时，通过逻辑控制信号，使数据输出，并且读入下个信号；如果此峰值大于门限值时，使V扩大一倍；计算扩大后信号的峰均比值，再与门限值相比较；如果大于时，把该组值扩大1倍计算峰值，再比较；反之，则输出该峰值。

图6是次优迭代算法和倍增组值算法、倍增组值改进算法（一）抑制峰均比的仿真图。仿真参数为：子载波数N=64，过采样因子为2，调制方式为QAM，符号数为103个，优化因子都为｛1，－1｝，门限值为7.8 dB，分组数V1=8、V2=1~8、V3=1~8。

通过仿真得知：当符号数为103个时，次优迭代算法、倍增组值算法、倍增组值改进算法（一）的仿真计算时间分别为t1=3.8036、t2=6.2581、t3=0.5379；通过仿真可知：当CCDF＝10-3时，它们的PAPR值分别为8.372dB、7.865dB、8.121dB。于是我们可以得出：尽管倍增组值改进算法（一）比倍增组值算法降峰均比效果稍有下降，但计算量有了显著的减少，这样效率有了较大提高；倍增组值改进算法（一）和次优迭代算法相比，在没有损失降峰均比效果的前提下，在计算量上却也有较大的减少。

图 6 （符号数为103时）次优迭代算法、倍增组值法、倍增组值改进算法（一）处理后信号峰均比

图7是在104个符号数条件下时的抑制峰均比仿真效果图：

图 7 （符号数为104时）次优迭代算法、倍增组值法、倍增组值改进算法（一）处理后信号峰均比

通过仿真得知：当符号数为104个时，次优迭代算法、倍增组值算法、倍增组值改进算法（一）的仿真计算时间分别为t1= 157.8537、t2= 281.5835、t3= 3.8171；此时，PAPR值的差值跟符号数为103个时的差值比较，变化很小。

由此可以得出，随着符号个数的增加，对降峰均比效果影响较小，倍增组值改进算法（一）的计算效率却有很大的提高。

5 小结

PTS算法、倍增组值算法、倍增组值改进算法（一）都属于线性处理方法，因此产生的误码率会很小；倍增组值算法和PTS算法抑制PAPR的效果很相近，但在计算效率方面比PTS算法更优越；为了进一步减少计算量，提出了倍增组值改进算法（一），该方法可以较大程度上减少计算量，尤其在符号数越多的情况下，更能体现其优越性。

参考文献

1校红信，梁猛，巩稼民，张帅，一种降低CO-OFDM系统PAPR的PTS方法，光通信技术，2013, 37(5)

2林志阳，王兆晖，任佳，丁洁，春元，减小OFDM 系统PAPR 的QEA-PTS联合方法，现代电子技术，2015年5月4日

3刘薇，杨维，降低OFDMA系统峰均功率比的编码-PTS方法，新能源进展，2013, 18(2)

4贾莹莹 杨霖 王田 胡武君，用部分相关-PTS方法降低OFDM系统的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）