降低OFDM-SC-FDMA系統(tǒng)峰均比技術(shù)研究.pdf

1、正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術(shù)具有高頻譜效率以及良好的抗多徑衰落特性，因而被廣泛應(yīng)用于實際通信標(biāo)準(zhǔn)中，例如：第三代合作伙伴計劃長期演進(The Third Generation Partnership Project Long Term Evolution,3GPP-LTE)與IEEE802.11a/g無線局域網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)。但該技術(shù)的一個主要缺點就是發(fā)射信號

2、的峰均比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)過大。為降低發(fā)射信號的PAPR，3GPP-LTE標(biāo)準(zhǔn)的上行采用了一種特殊的“線性預(yù)編碼”的OFDM技術(shù)，即單載波頻分多址(Single Carrier Frequency Division Multiple Access，SC-FDMA)傳輸技術(shù)。雖然SC-FDMA信號比OFDM信號的PAPR大大降低，但其PAPR隨著系統(tǒng)采用的調(diào)制星座圖PAPR的變大而增大。尤

3、其在未來無線通信系統(tǒng)普遍采用高階調(diào)制的情況下，SC-FDMA發(fā)送信號的PAPR將會很大。具有大PAPR的傳輸信號在經(jīng)過功放等非線性器件時會產(chǎn)生嚴(yán)重的帶內(nèi)失真與帶外擴展，嚴(yán)重影響無線通信系統(tǒng)的性能，并對鄰道工作的系統(tǒng)造成干擾。為降低系統(tǒng)的非線性失真，通常需要將發(fā)射信號進行功率回退，這大大降低了功放的功率效率。本文針對OFDM/SC-FDMA信號的PAPR問題，綜合考慮降低PAPR性能、數(shù)據(jù)速率損失、運算復(fù)雜度以及誤比特率性能之間的折衷，深

4、入分析與研究了OFDM/SC-FDMA系統(tǒng)中實用、有效的降低PAPR技術(shù)，論文的主要研究內(nèi)容和貢獻包括以下幾個方面：
　　1.針對OFDM與SC-FDMA系統(tǒng)，分別給出了OFDM與SC-FDMA的系統(tǒng)模型與信號模型。在信號模型基礎(chǔ)上，給出了PAPR的定義，分析了各自系統(tǒng)中大PAPR的成因以及PAPR的分布特性。針對OFDM/SC-FDMA系統(tǒng)中的PAPR問題，從降低PAPR對系統(tǒng)能量效率與頻譜效率的影響以及節(jié)省系統(tǒng)發(fā)射功率方面分析

5、了降低PAPR給系統(tǒng)帶來的性能提升。
　　2.在降低OFDM信號PAPR方面，提出了低復(fù)雜度的盲選擇映射(Selected Mapping，SLM)方法。利用實際系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)，提出方法將一個或幾個OFDM符號看作一個符號塊，使得每個符號塊中都有一個OFDM符號具有導(dǎo)頻子載波。每個符號塊采用相同的相位旋轉(zhuǎn)矢量產(chǎn)生備選信號塊，然后從中選擇PAPR最低的備選信號塊作為發(fā)射信號塊。通過巧妙設(shè)計相位旋轉(zhuǎn)矢量并利用與相位旋轉(zhuǎn)矢量對應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣與

6、原信號塊的時域相乘運算代替反傅里葉變換(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)運算產(chǎn)生備選信號塊，使得提出的SLM方法具有很低的復(fù)雜度并且可以在接收端利用接收到的導(dǎo)頻符號估計出等效信道而實現(xiàn)了不需要邊信息的數(shù)據(jù)盲檢測。提出方法具有很低的復(fù)雜度且不需要傳輸邊信息，為SLM方法在實際系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了非常實用的框架。
　　3.在降低OFDM信號PAPR方面，研究了低收發(fā)復(fù)雜度的半盲SLM方法。針對單天

7、線收發(fā)系統(tǒng)，提出了將邊信息嵌入導(dǎo)頻子載波的低收發(fā)復(fù)雜度的半盲SLM方法。在發(fā)送端設(shè)計了特殊的相位旋轉(zhuǎn)矢量，從而實現(xiàn)了發(fā)送端備選信號的低復(fù)雜度生成以及將邊信息嵌入導(dǎo)頻子載波。在接收端給出了導(dǎo)頻輔助的低復(fù)雜度邊信息檢測方案，從而在不傳輸邊信息的條件下檢測出發(fā)送數(shù)據(jù)。分析與仿真結(jié)果表明，其收發(fā)端復(fù)雜度比傳統(tǒng)半盲SLM方法大大降低并可以達(dá)到與具有理想邊信息的SLM方法基本一致的BER性能。針對兩天線Alamouti編碼的多輸入多輸出正交頻分復(fù)用

8、(Multiple-input Multiple-output Orthogonal Frequency Division Multiplexing，MIMO-OFDM)系統(tǒng)，提出了將邊信息嵌入數(shù)據(jù)子載波的低收發(fā)復(fù)雜度的半盲SLM方法。在提出方法中，研究了發(fā)送端將邊信息嵌入數(shù)據(jù)子載波的低復(fù)雜度備選信號的生成方案，并給出了接收端利用接收數(shù)據(jù)進行邊信息檢測的低復(fù)雜度算法。分析與仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)半盲SLM方法相比，所提方法可以達(dá)到更好的邊

9、信息檢測性能以及相近的降PAPR與BER性能，并且收發(fā)端的復(fù)雜度大大降低。
　　4.在降低SC-FDMA信號PAPR方面，研究了低復(fù)雜度、不增加系統(tǒng)額外帶寬的簡單易行的降PAPR方法。針對編碼SC-FDMA系統(tǒng)，在深入分析SC-FDMA信號大峰值形成原因的基礎(chǔ)上，提出了一種不需要額外帶寬的簡單易行的降PAPR方法。通過引入極少量的誤比特將每個子幀中造成峰值大于給定門限值的外圍星座點替換為內(nèi)部星座點，從而降低了發(fā)射信號的PAPR。在

10、接收端，引入的極少量誤比特對系統(tǒng)BER造成的影響，可以通過信道譯碼大大減輕。所提方法具有很低的復(fù)雜度，并且可以有效降低SC-FDMA信號的PAPR。針對常規(guī)SC-FDMA系統(tǒng)，為避免傳統(tǒng)脈沖成形方法引入的額外帶寬以及噪聲增強影響，提出了隨機脈沖成形的降PAPR方法。在所提方法中，設(shè)計了一組不引入額外帶寬并且能以很低復(fù)雜度產(chǎn)生備選信號的加權(quán)窗向量。將每個時隙的SC-FDMA符號當(dāng)作一個符號塊并利用設(shè)計的加權(quán)窗向量產(chǎn)生每個符號塊的備選信號塊