СПОСОБ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПИК-ФАКТОРОМ СИГНАЛА Российский патент 2006 года по МПК H04B7/26 

Изобретение относится к области электросвязи, в частности к способам управления сигналом, и может использоваться, например, в сотовых системах связи.

Для обзора уровня техники и описания существа изобретения используются следующие специальные термины и сокращения:

- PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) - отношение пиковой мощности к средней;

- OFDM (Orthogonal Frequiency Division Multiplexing) - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением;

- DMT (Discrete MultiTone) - дискретная многотональная (передача);

- FFT (Fast Fourier Transformation) - быстрое преобразование Фурье;

- IFFT (Inverse Fast Fourier Transformation) - обратное быстрое преобразование Фурье;

- QAM (Quadrature Amplitude Modulation) - квадратурная амплитудная модуляция;

- QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) - 4-позиционная (квадратурная) фазовая манипуляция;

- BER (Bit Error Ratio) - побитовый коэффициент ошибки или вероятность ошибки на бит;

- SNR (Signal Noise Ratio) - отношение сигнал/шум.

- CCDF (Complementary Cumulativ Distribution Function) - выборочное вероятностное распределение;

- SPD (Spectrum Power Density) - спектральная плотность мощности;

- OBR (Out-Band Radiation) - область внеполосного излучения.

Известно, что одним из главных недостатков DMT и OFDM систем является высокий пик-фактор передаваемых сигналов. Он возникает из-за того, что OFDM/DMT сигнал состоит из большого числа независимо модулированных по амплитуде и фазе гармоник. При их когерентном (или квазикогерентном) сложении возникают "пики" огибающей, которые характеризуются величиной PAPR (Peak-to-Average Power Ratio), т.е. отношения пиковой мощности сигнала к его средней мощности. Данный эффект, если с ним не бороться, требует увеличения динамического диапазона устройств АЦП, ЦАП и выходного усилителя мощности. Это приводит к их неоправданному усложнению, а значит, увеличению стоимости аппаратуры в целом. Еще более важное соображение связано с тем, что PAPR является основным параметром, определяющим уровень межканальных помех. Для систем OFDM это самый уязвимый показатель. Поэтому эффективное решение проблемы уменьшения PAPR позволит значительно расширить область практического применения OFDM технологии в сотовых системах связи и облегчить их сосуществование с другими технологиями. При большом количестве поднесущих и случайном характере изменения фаз отдельных гармоник (что обычно встречается на практике) вероятность их квазикогерентного сложения, а значит, и вероятность возникновения значительных пиков огибающей, всегда отлична от нуля и равна примерно 10^-6-10^-5. Следовательно, большие значения PAPR в OFDM сигнале наблюдаются достаточно редко. На этом важном факте базируется большинство реализованных способов уменьшения PAPR.

Известен способ управления выходным сигналом, предусматривающий применение мягкого или жесткого клипирования (Clipping). Такой способ описан в статьях М.Pauli, H.Р.Kuchenbecker, "Minimization of the Intermodulation Distortion of a Nonlineary Amplified OFDM Signal". Wireless Personal Communications, Vol.4, No.1, pp.93-101, Jan. 1997 [1] и Richard van Nee and Ramjee Prasad, "OFDM Wireless Multimedia Communications". - (Artech House Universal Personal Communications Library, 1999) [2].

Суть такого известного способа заключается в нелинейном ограничении вещественного OFDM/DMT сигнала на некотором заданном уровне с помощью специального ограничителя или усилителя мощности с характеристикой насыщения. Однако при этом возникают следующие побочные эффекты:

- Нарушение ортогональности между сигналами поднесущих (взаимная интерференция каналов). Это приводит к энергетическим потерям порядка 0,25 dB (при снижении PAPR до 6 dB).

- Повышение уровня внеполосного излучения на 8...10 dB. В результате чего требуются дополнительные меры по фильтрации сигнала. Однако, если такую фильтрацию выполнить, то уровень PAPR резко возрастет, и потребуются дополнительные меры по клипированию. Последнее приведет к увеличению энергетических потерь до 1,25 и более dB (т.е. получим размен уровня внеполосного излучения на энергетическую эффективность).

Структурная схема, поясняющая способ клипирования, приведена на Фиг.1.

Известен также более эффективный способ уменьшения PARP, он основан на компенсации пиков огибающей за счет резервирования части поднесущих частот (Peak Reduction by Tone Reservation). Способ описан в опубликованных докладах Tellado, J., Cioffi, J.M., "PAR Reduction in Multicarrier Transmission Systems", Delayed Contribution ITU-T 4/15, D.150 (WP 1/15), Geneva, February 9-20, 1998 [3] и A. Gatherer and M. Polley, "Controlling clipping probability in DMT transmission," in the Proceedings of the 31st Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers (Pacic Grove, CA), Nov. 1997 [4]. Способ заключается в том, что OFDM сигнал с выхода блока IFTT подвергают специальной итеративной обработке. А именно, из сигнала в моменты, соответствующие большим значениям PARP, вычитают уменьшенные (промасштабированные) копии пиков, которые формируются из того же OFDM сигнала специальной фильтровой схемой. Компенсация производится до требуемого уровня PARP. Характерно, что при точной реализации этот способ не приводит к расширению спектра сигнала и нелинейным искажениям сигнала (нарушению ортогональности поднесущих). Это оказывается возможным благодаря тому, что компенсирующий сигнал формируют из той части ортогональных поднесущих, которые не участвуют в передаче информации. Их специально резервируют для управления пик-фактором.

Однако и у такого способа имеются свои недостатки:

- Если компенсацию выполнять по среднеквадратическому критерию, а номера резервируемых поднесущих фиксировать, то максимальное уменьшение PAPR оказывается небольшим. В частности, в [3] отмечается, что при резерве, равном 5%, и вероятности CCDF, равной 10^-5, можно уменьшить PAPR с 15 dB до 11,6 dB (т.е. абсолютный выигрыш составляет 3,4 dB).

- Если номера резервируемых поднесущих для каждого OFDM символа не фиксировать, а определять в процессе дополнительной оптимизации, то этот выигрыш можно увеличить до 6,2 dB [3]. Однако данная процедура усложняет алгоритм и имеет серьезные ограничения при ее практической реализации.

Действительно, в этом случае на приемной стороне надо или знать или очень точно оценивать номера всех резервируемых поднесущих. В условиях релеевского канала и QAM модуляции такая задача оценивания практически невыполнима. Если же предусмотреть передачу этих номеров поднесущих в каждом OFDM символе, то это приведет к дополнительному снижению спектральной и энергетической эффективности.

- Несмотря на отсутствие нелинейных искажений, способ компенсации пиков огибающей за счет резервирования части поднесущих частот (Peak Reduction by Tone Reservation), в наиболее его эффективном варианте (коэффициент компенсации - «PAPR Reduction Gain» -достигает 6 dB и более), приводит к снижению энергетической эффективности на 0,5-1,0 dB (см. [3], стр.5). Это без учета указанных выше трудностей практической реализации, которые приведут к еще большим потерям.

Таким образом, каждый из рассмотренных способов уменьшения PAPR обладает рядом недостатков, ограничивающих их практическое применение.

Наиболее близким к заявляемому способу является описанный в [3] (стр.7) алгоритм Peak Reduction by Tone Reservation для среднеквадратического критерия качества и фиксированного набора резервируемых поднесущих. Похожий алгоритм, основанный на компенсации пиков, используется и в проекте международного стандарта OFDMA PHY Proposal for the 802.16.3 PRY Layer, 2001/01/18 [5]. Структурная схема алгоритма такого типа приведена на Фиг.2.

Заявляемое изобретение решает задачу повышения эффективности управления сигналом по сравнению с известными техническими решениями, в частности, по таким параметрам, как

- уровень ограничения PAPR;

- уровень нелинейных искажений модулирующих символов;

- уровень внеполосного излучения.

Этот результат достигается за счет того, что, хотя заявляемый способ, как и прототип, использует идеи клипирования и оптимального управления пиковой мощностью через поднесущие, однако, вместо резервирования и управления отдельными поднесущими, как предусмотрено в [3], в заявляемом способе формируют и подают оптимальное управление на все информационные и внеполосные поднесущие, за счет чего достигается высокая степень эффективности управления по всем перечисленным выше показателям качества и одновременно появляется возможность учитывать негативное влияние интерполяции на пик-фактор выходного сигнала. Чтобы добиться желаемого результата, в каждый модулирующий символ сигнала аддитивно замешивают управление, которое минимизирует PAPR сигнала, но при этом приводит лишь к незначительному контролируемому искажению передаваемой информации. Оптимизация управления производится по смешанному среднеквадратичекому критерию, при котором одновременно минимизируются PAPR и величина вносимых искажений.

Управление сигналом по указанному критерию осуществляется в расширенной спектральной области [0, F₀], которая включает в себя базовую полосу частот OFDM сигнала [0, F_max) и область внеполосного излучения OBR [F_max, F₀], где F₀=k_intF_max. Коэффициент к_int=3...4 учитывает влияние интерполяции сигнала в ЦАП на увеличение PAPR. Такой способ управления имеет структуру оптимального регулятора, в котором в качестве опорных сигналов используются клипированные (в вещественной области) сигналы поднесущих. За счет оптимизации управления и фильтрации внеполосного излучения удается преодолеть недостатки обычной процедуры клипирования, о которых говорилось при анализе прототипа.

Для лучшего понимания заявляемого способа на Фиг.3 приводится структурная схема, поясняющая принцип работы предлагаемого способа в виде алгоритма снижения PAPR.

По сравнению с прототипом [3] схема содержит следующие новые функциональные блоки:

- Блок 10 управления дополнительным OFDM сигналом (Oversampled Controller). Данная процедура сводится добавлению оптимальных управлений (т.е. компонент вектора u_opt) ко всем компонентам дополнительного OFDM символа (за возможным исключением компонент пилот-сигнала).

- Блок 11 внеполосного цифрового фильтра (Out of Band Digital Filter), обеспечивающий ослабление спектральных компонент OFDM сигнала, лежащих вне основной полосы, в соответствии с заданной маской на каждом шаге управления. Причем на последнем шаге управления (т.е. перед подачей сигнала на вход ЦАП в момент t=K) предусматривается фильтрация с более мягкой маской.

- Блок 14 дополнительного быстрого обратного дискретного преобразования Фурье (Oversampled IFFT). В отличие от прототипа, оно выполняется над дополнительным OFDM символом, имеющим размерность N_car_=k_intN_car.

- Блок 8 минимизации пик-фактора и полосового искажения (PAPR & In-Band Distortion Minimization) на основе входного дополнительного OFDM сигнала формирует опорные клипированные сигналы и выполняет К-шаговое формирование оптимального вектора управления u_opt. Алгоритм управления строится по смешанному среднеквадратическому критерию, который одновременно минимизирует пик-фактор сигнала и искажения модулирующих символов. Математическое описание алгоритма имеет вид

где Р - матрица оптимального управления, - расширенный вектор состояния модели OFDM сигнала, включающий опорные клипированные сигналы и отвечающий (i-1)-му шагу управления. На данной схеме приведены лишь те блоки, которые непосредственно участвуют в процедуре уменьшения PAPR, остальные блоки, предшествующие этой процедуре и показанные на Фиг.2 (кодер, модулятор и т.д.), остаются без изменения.

При реализации заявляемого способа осуществляют следующую последовательность операций:

1. Передаваемую последовательность информационных символов (информационный сигнал) подвергают операциям кодирования, перемежения и модуляции, в результате чего формируют последовательность модулированных символов.

2. Последовательность модулированных символов разбивают на отдельные блоки длиной N_car, называемых OFDM символами.

3. Каждый OFDM символ дополняют (k_int-1...)N_car нулевыми символами, образуя, таким образом, расширенные OFDM символы, каждый из которых состоит из k_intN_car элементов.

4. К каждому элементу OFDM символа добавляют управляющие сигналы, вырабатываемые блоком компенсации пиков огибающей за счет резервирования части поднесущих частот в пределах и вне полосы ("Reduction by Tone In-Band & Out-Band"). В результате этого формируют скорректированный расширенный OFDM символ.

5. Данный скорректированный расширенный OFDM символ подвергают дополнительной фильтрации в блоке внеполосного цифрового фильтра (Out of Band Digital Filter) для уменьшения уровня внеполосного излучения.

6. Полученные после фильтрации последовательности расширенных OFDM символов подвергают операции быстрого преобразования Фурье и затем путем параллельно-последовательного преобразования, преобразуют в последовательность временных отсчетов.

7. Полученную последовательность временных отсчетов по цепи обратной связи направляют в блок "PAPR & In-Band Distortion Minimization", в котором вырабатываются и оптимальные управления, поступающие на блок "Reduction by Tone In-Band & Out-Band".

К дополнительным достоинствам заявляемого способа следует отнести то, что он

- ограничивает уровень внеполосного излучения,

- не уменьшает спектральную эффективность,

- учитывает эффект возрастания PAPR за счет интерполяции,

- не требует внесения каких либо изменений в обычную структуру демодуляции OFDM сигнала.

Для проверки практической работоспособности заявляемого способа было осуществлено статистическое моделирование, описание которого приводится ниже. Результаты статистического моделирования реализации способа показали, что, по сравнению с прототипом, заявляемый способ адаптивного управления позволяет дополнительно снизить уровень PAPR OFDM сигнала в среднем на 4,5 dB при средних энергетических потерях порядка 0,1-0,15 dB (по характеристикам BER на уровне 0,01) и уровне внеполосного излучения, не превышающем 35 dB.

Анализ работы алгоритма в составе имитатора прямой линии OFDM проводился по трем показателям: энергетической эффективности, эффективности подавления пиков огибающей и уровню внеполосного излучению. Помехоустойчивость оценивалась по характеристикам BER(SNR). Эффективность компенсации PAPR - по выборочным вероятностным распределениям CCDF (Complementary Cumulativ Distribution Function)

где m - число благоприятствующих исходов (превышений заданного порога - с), М - общее число испытаний. Уровень внеполосного излучения оценивался по «хвостам» спектральной плотности мощности (SPD) интерполированного OFDM сигнала. СПМ строилась по эмпирическим данным с привлечением авторегрессионного метода. Для снятия характеристик BER, CCDF и SPD была разработана программа имитатора прямой линии OFDM sim_AdapPAPR.m. Она позволяет сравнить три различных алгоритма PAPR reduction:

- Алгоритм жесткого клипирования OFDM сигнала, как на Фиг.1.

- Основной прототип - оптимальный вариант алгоритма Peak Reduction by Tone Reservation [3] для среднеквадратического критерия и фиксированного набора поднесущих. Его структурная схема приведена на Фиг.2.

- Adaptive PAPR-Control Algorithm, описанный выше, со структурной схемой, приведенной на Фиг.3.

Кроме того, программа позволяет сравнить все эти алгоритмы с классическим вариантом OFDM сигнала (без компенсации PAPR).

В программе имитатора использовалась шестилучевая модель радиолинии с медленными релеевскими замираниям и аддитивным белым гауссовским зашумлением. Основные параметры программы:

- Размерность OFDM символа N_car=64, число резервируемых управляющих символов N_rez=4.

- Коэффициент интерполяции OFDM сигнала K_int=4.

- Тип модуляции QPSK.

- Число рекурсивных итераций алгоритма управления К=2.

- Маска OBR с частотной характеристикой приподнятого косинуса.

- Индивидуальные параметры каждого алгоритма (пороги клипирования, максимальный уровень искажения информационных символов р, весовые коэффициенты q, р ∈ [0,1] ∈ критерия управления и др.) - выбирались из соображений наиболее эффективной работы.

Средняя мощность отсчетов OFDM сигнала в эксперименте поддерживалась равной единице. Величины PAPR и DSP нормировались по отношению к максимальному значению и определялись в децибелах.

По сравнению с принятым прототипом [3], предлагаемый адаптивный способ управления PAPR позволил достичь следующих результатов:

1. Пики PAPR с вероятностью появления удалось уменьшить на 4,5 dB.

При этом энергетические потери (по характеристикам BER на уровне 0,01) не превышают 0,15 dB.

2. Уровень внеполосного излучения почти такой же, как и у прототипа [3].

Отметим, что за счет эффекта интерполяции PAPR gain у прототипа [3] оказался почти на 2 dB меньше, чем это заявлялось в публикации.

Изобретение относится к электросвязи и используется в способе адаптивного управления пикфактором сигнала. Технический результат состоит в повышении степени эффективности управления. Для этого в каждый модулирующий символ сигнала аддитивно замешивают управление, которое минимизирует пики огибающей (PAPR), вырабатывают опорные сигналы и оптимально управляют пиковой мощностью через поднесущие, выполняют интерполяцию выходного OFDM символа за пределы базовой полосы, после чего оптимальные управления подают сразу на все информационные и внеполосные поднесущие, которые затем подвергают цифровой фильтрации в частотной области, преобразуют с помощью обратного дискретного преобразования Фурье во временные отсчеты, которые используют для выработки опорных сигналов и оптимальных управлений по смешанному среднеквадратическому критерию, минимизируя одновременно пик-фактор сигнала и искажения модулирующих символов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ адаптивного управления пик-фактором сигнала, заключающийся в том, что вырабатывают информационные символы в виде последовательности модулированных символов в базовой полосе частот [0, F_max], вырабатывают опорные клипированные сигналы, отличающийся тем, что последовательность модулированных символов разбивают на отдельные блоки длиной N_CAR, называемых OFDM символами, каждый OFDM символ дополняют (K_int-1) N_CAR, нулевыми символами, образуя расширенные OFDM символы, с расширенной полосой частот [0, F₀], осуществляют корректировку расширенных OFDM символов за счет подачи к каждому элементу OFDM символов дополнительных управляющих сигналов, скорректированные расширенные OFDM символы подвергают цифровой фильтрации в расширенной полосой частот [0, F₀], отфильтрованную последовательность расширенных OFDM символов преобразуют с помощью обратного дискретного преобразования Фурье в последовательность временных отсчетов, которую используют для выработки опорных клиппированных сигналов, предназначенных для оптимального управления при корректировке расширенных OFDM символов.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выполняют многошаговое оптимальное управление на основе зависимостей:

где P - матрица оптимального управления;

- расширенный вектор состояния модели OFDM сигнала, содержащий опорные сигналы и отвечающий (i-1)-у шагу управления;

К - общее число шагов управления.