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(shí)際通信標(biāo)準(zhǔn)中，例如：第三代合作伙伴計(jì)劃長(zhǎng)期演進(jìn)(The Third Generation Partnership Project Long Term Evolution,3GPP-LTE)與IEEE802.11a/g無(wú)線局域網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)。但該技術(shù)的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是發(fā)射信號(hào)

2、的峰均比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)過(guò)大。為降低發(fā)射信號(hào)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(hào)比OFDM信號(hào)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(lái)無(wú)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(hào)的PAPR將會(huì)很大。具有大PAPR的傳輸信號(hào)在經(jīng)過(guò)功放等非線性器件時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的帶內(nèi)失真與帶外擴(kuò)展，嚴(yán)重影響無(wú)線通信系統(tǒng)的性能，并對(duì)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(hào)進(jìn)行功率回退，這大大降低了功放的功率效率。本文針對(duì)OFDM/SC-FDMA信號(hào)的PAPR問(wèn)題，綜合考慮降低PAPR性能、數(shù)據(jù)速率損失、運(yùn)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(shí)用、有效的降低PAPR技術(shù)，論文的主要研究?jī)?nèi)容和貢獻(xiàn)包括以下幾個(gè)方面：
　　1.針對(duì)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(hào)模型。在信號(hào)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(duì)OFDM/SC-FDMA系統(tǒng)中的PAPR問(wèn)題，從降低PAPR對(duì)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(lái)的性能提升。
　　2.在降低OFDM信號(hào)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(shí)際系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)，提出方法將一個(gè)或幾個(gè)OFDM符號(hào)看作一個(gè)符號(hào)塊，使得每個(gè)符號(hào)塊中都有一個(gè)OFDM符號(hào)具有導(dǎo)頻子載波。每個(gè)符號(hào)塊采用相同的相位旋轉(zhuǎn)矢量產(chǎn)生備選信號(hào)塊，然后從中選擇PAPR最低的備選信號(hào)塊作為發(fā)射信號(hào)塊。通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)相位旋轉(zhuǎn)矢量并利用與相位旋轉(zhuǎn)矢量對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣與

6、原信號(hào)塊的時(shí)域相乘運(yùn)算代替反傅里葉變換(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)運(yùn)算產(chǎn)生備選信號(hào)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(hào)估計(jì)出等效信道而實(shí)現(xiàn)了不需要邊信息的數(shù)據(jù)盲檢測(cè)。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(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了非常實(shí)用的框架。
　　3.在降低OFDM信號(hào)PAPR方面，研究了低收發(fā)復(fù)雜度的半盲SLM方法。針對(duì)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(jì)了特殊的相位旋轉(zhuǎn)矢量，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)送端備選信號(hào)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(cè)方案，從而在不傳輸邊信息的條件下檢測(cè)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(duì)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(hào)的生成方案，并給出了接收端利用接收數(shù)據(jù)進(jìn)行邊信息檢測(cè)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(cè)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(hào)PAPR方面，研究了低復(fù)雜度、不增加系統(tǒng)額外帶寬的簡(jiǎn)單易行的降PAPR方法。針對(duì)編碼SC-FDMA系統(tǒng)，在深入分析SC-FDMA信號(hào)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(jiǎn)單易行的降PAPR方法。通過(guò)引入極少量的誤比特將每個(gè)子幀中造成峰值大于給定門限值的外圍星座點(diǎn)替換為內(nèi)部星座點(diǎn)，從而降低了發(fā)射信號(hào)的PAPR。在

10、接收端，引入的極少量誤比特對(duì)系統(tǒng)BER造成的影響，可以通過(guò)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(hào)的PAPR。針對(duì)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(qiáng)影響，提出了隨機(jī)脈沖成形的降PAPR方法。在所提方法中，設(shè)計(jì)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(hào)的加權(quán)窗向量。將每個(gè)時(shí)隙的SC-FDMA符號(hào)當(dāng)作一個(gè)符號(hào)塊并利用設(shè)計(jì)的加權(quán)窗向量產(chǎn)生每個(gè)符號(hào)塊的備選信號(hào)塊