多載波通信系統(tǒng)中的峰值功率優(yōu)化方法.pdf

1、為了滿足未來(lái)無(wú)線通信的需要，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，多載波通信技術(shù)以其良好的抗多徑干擾能力和較高的頻譜利用率而受到關(guān)注。正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)作為多載波通信技術(shù)的代表，因其具有對(duì)抗頻率選擇性衰落能力和較高的數(shù)據(jù)傳輸速率而被廣泛地應(yīng)用到無(wú)線通信的很多領(lǐng)域，并已成為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。另外，OFDM技術(shù)還可以與其它技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能，

2、例如，多輸入多輸出OFDM(Multiple Input Multiple Output OFDM，MIMO-OFDM)系統(tǒng)便可以有效地提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率。
　　 雖然OFDM技術(shù)具有很多優(yōu)勢(shì)，但峰值功率問(wèn)題一直是該技術(shù)的主要缺陷之一，特別是當(dāng)子載波數(shù)量較大時(shí)，該問(wèn)題尤為嚴(yán)重。通常情況下，用峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)來(lái)描述系統(tǒng)的峰值功率問(wèn)題。過(guò)高的峰均功率比會(huì)導(dǎo)致OFDM

3、信號(hào)發(fā)生畸變，進(jìn)而惡化系統(tǒng)性能，這就要求發(fā)送端的高功率放大器(High Power Amplifier,HPA)必須具有足夠大的線性范圍，但是，這一要求在硬件方面的實(shí)現(xiàn)難度非常大，并且成本非常高。另一方面，由于MIMO-OFDM系統(tǒng)也屬于多載波結(jié)構(gòu)，因此其同樣存在著峰值功率問(wèn)題。
　　 本文首先介紹了多載波通信系統(tǒng)的基本原理及其存在的峰值功率問(wèn)題，在充分了解該問(wèn)題研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究OFDM系統(tǒng)和MIMO-OFDM系統(tǒng)的峰

4、值功率優(yōu)化方法，主要貢獻(xiàn)有:
　　 (1)部分傳輸序列(PartialTransmitSequence，PTS)是一種非常有效地降低OFDM系統(tǒng)峰均功率比的方法，但是，計(jì)算復(fù)雜度過(guò)大和需要傳輸附加信息是該方法的主要缺陷。針對(duì)傳統(tǒng)PTS方法計(jì)算復(fù)雜度過(guò)大的問(wèn)題，提出了兩種具有低計(jì)算復(fù)雜度的PTS方法:基于分組相位加權(quán)的PTS和基于遞歸相位加權(quán)的PTS。基于分組相位加權(quán)的PTS方法先將全部的子塊序列分為若干個(gè)組，然后對(duì)每一組中的子塊

5、序列獨(dú)立地實(shí)施相位加權(quán)過(guò)程并產(chǎn)生子候選信號(hào)，最后，利用排列組合原理，通過(guò)復(fù)數(shù)加法，將各個(gè)組中的子候選信號(hào)結(jié)合起來(lái)獲得全部的候選信號(hào)，并從中選擇PAPR值最小的信號(hào)進(jìn)行傳輸。基于遞歸相位加權(quán)的PTS方法利用相位加權(quán)序列之間的關(guān)系特點(diǎn)，在產(chǎn)生候選信號(hào)的過(guò)程中，通過(guò)尋找共有項(xiàng)，簡(jiǎn)化大部分候選信號(hào)的計(jì)算過(guò)程，以達(dá)到降低計(jì)算復(fù)雜度的目的，最后從所產(chǎn)生的全部候選信號(hào)中選擇PAPR值最小的信號(hào)進(jìn)行傳輸。與傳統(tǒng)PTS方法相比，上述兩種方法均可以大幅度地

6、降低計(jì)算復(fù)雜度，同時(shí)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的PAPR性能造成任何損失。另外，為了進(jìn)一步地降低計(jì)算復(fù)雜度，可以將上述兩種方法結(jié)合起來(lái)，即先對(duì)全部的子塊序列進(jìn)行分組，然后利用遞歸相位加權(quán)獲得各個(gè)組的子候選信號(hào)，最后通過(guò)復(fù)數(shù)加法，將各個(gè)組中的子候選信號(hào)疊加起來(lái)獲得全部的候選信號(hào)。
　　 (2)對(duì)于采用相移鍵控(PhaseShiftKey,PSK)的OFDM系統(tǒng)，提出了兩種降低系統(tǒng)峰均功率比的擾碼方法:基于選擇性映射的擾碼方法和基于信息隱藏思想的擾

7、碼方法。基于選擇性映射的擾碼方法采用邏輯非運(yùn)算對(duì)輸入的二進(jìn)制序列進(jìn)行加擾，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)選擇性映射方法中需要大量復(fù)數(shù)乘法的相位加權(quán)過(guò)程，同時(shí)利用相同PSK調(diào)制方式的不同形狀的信號(hào)星座圖，通過(guò)映射的方式，將附加信息可靠地嵌入到傳輸信號(hào)中，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)需傳輸明確的附加信息;與最優(yōu)選擇性映射方法相比，該方法可以獲得相同的PAPR性能。基于信息隱藏思想的擾碼方法將被隱藏的二進(jìn)制序列作為擾碼序列，通過(guò)修改后的映射過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入二進(jìn)制序列的加擾過(guò)程，明

8、顯地改善了系統(tǒng)的PAPR性能，重要的是，由于原始的OFDM解調(diào)過(guò)程依然被采用，所以不需要傳輸任何附加信息。
　　 (3)由于傳統(tǒng)塊交織方法是在單個(gè)信號(hào)內(nèi)實(shí)施塊交織，所產(chǎn)生的候選信號(hào)之間存在著很大的相關(guān)性，在一定程度上影響了系統(tǒng)PAPR性能的改善。針對(duì)傳統(tǒng)塊交織方法的這一缺點(diǎn)，提出了用于優(yōu)化OFDM系統(tǒng)峰值功率的時(shí)頻聯(lián)合塊交織方法及其次優(yōu)化方法。該方法將塊交織擴(kuò)展到一個(gè)時(shí)間片內(nèi)的多個(gè)OFDM信號(hào)，以達(dá)到增加產(chǎn)生候選信號(hào)的自由度和降

9、低候選信號(hào)間相關(guān)性的目的，明顯地改善了系統(tǒng)的PAPR性能。與傳統(tǒng)塊交織方法相比，在計(jì)算復(fù)雜度相同的情況下，該方法可以獲得更優(yōu)的PAPR性能。
　　 (4)對(duì)于MIMO-OFDM系統(tǒng)，雖然PTS方法可以很容易地被應(yīng)用，即直接將PTS方法應(yīng)用于系統(tǒng)的各個(gè)發(fā)射天線，則通常將此種情況下的PTS方法稱為普通PTS（Ordinary PTS，oPTS）。但是，計(jì)算復(fù)雜度過(guò)大仍然是該方法的主要缺點(diǎn)。針對(duì)oPTS方法的這一缺點(diǎn)，提出了一種協(xié)作P

10、TS(Cooperative PTS，co-PTS)方法用于降低MIMO-OFDM系統(tǒng)的峰均功率比。該方法在采用交替優(yōu)化降低計(jì)算復(fù)雜度的基礎(chǔ)上，利用空間子塊序列循環(huán)重新排列間接地增加了候選信號(hào)的數(shù)量，等效地彌補(bǔ)了由于采用交替優(yōu)化而帶來(lái)的PAPR性能損失。與oPTS方法相比，該方法可以大幅度地降低計(jì)算復(fù)雜度，同時(shí)系統(tǒng)的PAPR性能也得到了進(jìn)一步改善。
　　 最后，論文給出了文中有待于進(jìn)一步研究的問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)的研究工作進(jìn)行了展望。