（通信与信息系统专业论文）lte系统papr抑制技术的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 全球通信技术正在快速的发展，随时随地高速率地接入互联网是人们对未 来移动通信的要求，l t e 标准就是在这个大环境下应运而生。l t e 系统中下行链 路采用正交频分复用( o f d m ) 技术使其峰值数据速率达到1 0 0 m b p s 。o f d m 作为 l t e 系统的核心技术，有很多无法抗拒的优点。但是，较高的峰值平均功率比 ( p a p r ) 是o f d m 技术的一个无法回避的问题。 作为一种多载波调制系统，o f d m 的输出是所有子载波信号的叠加。当多 个信号的相位相同时，传输信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，从 而导致系统具有较大的p a p r 。 这种较大的p a p r 会对系统性能产生严重的影响，已经成为制约o f d m 技 术发展的重要因素。在l i e 系统发送端，当o f d m 信号功率超过功率放大器的 线性区域时，就会使信号的幅值产生畸变，从而导致信号的频谱改变以及破坏 信号间的正交性；在l t e 系统接收端，这样的信号会产生互调干扰，使得系统 无法正确的解调出原始信号。但是，使用性能优越设备昂贵的功率放大器来适 应o f d m 信号的峰值功率变化范围是并不可取的，因为在基站使用需要考虑硬 件设备的功率损耗，而在移动终端这样的功率放大器很难实现。因此，如何降 低系统的峰值平均功率比成为业界研究的热点。 本文介绍l t e 系统中降低峰值平均功率比的相关技术，主要从以下二个方 面来探讨： ( 1 ) 分析传统的限幅算法和传统改进型的限幅算法，并在这些研究的基础 上提出一种改进型的限幅方法，通过仿真分析得出该方法有更优的系统误码率 性能。 ( 2 ) 提出一种新型的降低p a p r 的方法，该方法利用改进型限幅方法和选 择映射方法的优点，经过仿真研究表明，该算法在很好地降低系统p a p r 的同时， 能改善系统误码率和计算复杂度的性能。 关键字：l t e ，正交频分复用，峰均功率比，限幅 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t g l o b a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e sa r ed e v e l o p i n gr a p i d l y r e q u i r e m e n t so f f u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o na l et h a tc a l la c c e s st h ei n t e r a c ta th i 曲d a t ar a t e s u n r e s t r i c t e d l y t h e s t a n d a r do fl t ei s p r o p o s e db yt h e3 g p po r g a n i z a t i o n o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i su s e di nl t ed b w n l i n k ，w h i c h e n a b l e ss y s t e mt or e a c ht h ep e a kr a t eo flo o m b p s i ti sw e l lk n o w n t h a tt h eo f d m t e c h n o l o g yi sp a r t i c u l a r l ys u i t a b l ef o rf r e q u e n c y - s e l e c t i v ec h a n n e l s h o w e v e r , o f d m a l s oh a sam a j o rd r a w b a c ko fh i g h e rp e a k t o - a v e r a g e p o w e rr a t i o ( p a p r ) a sam u l t i c a r t i e rm o d u l a t i o ns y s t e m ，o f d m ，t h eo u t p u ti ss u mo fs u b - c a r r i e r s i g n a l s w h e ns o m es i g n a l sh a v es a m ep h a s e ，s i g n 猷i n s t a n t a n e o u sp o w e rc a l lb e m u c hh i g h e rt h a ns i g n a la v e r a g ep o w e r , r e s u l t i n gi nal a r g e rp e a ka v e r a g ep o w e rr a t i o o , a v r ) t h eh i 曲一p a p rc a l lb er e s u l ti nt h es e r i o u sp e r f o r m a n c eo fl t es y s t e m ，w h i c h h a sb e c o m ea ni m p o r t a n tf a c t o rc o n s t r a i n i n go f d mt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t i ft h e l i n e a ra r e ao fs y s t e mp o w e ra m p l i f i e rc a n n o ts a t i s f ys i g n a lp o w e rr a n g e ，i tm a yc a u s e s i g n a la m p l i t u d ed i s t o r t i o n s i g n a ls p e c t r u mm a yc h a n g e ，o r t h o g o n a l i t y o f s u b - c a r r i e r sa r ed e s t r o y e d t h e r e f o r e ，c o m m u n i c a t i o ns y s t e mp e r f o r m a n c ec a nb e w o r s e i ti sn o ta na d v i c et h a tu s i n gab e t t e rp o w e ra m p l i f i e r i fw eu s ei t ，t h e r eh a sa p r o b l e mo fp o w e rl o s si nb a s es t a t i o n t h ea m p l i f i e r , w h i c hh a sa b e t t e rp o w e r a m p l i f i e r , c a n n o tb eu s e di nm o b i l et e r m i n a l s t h e r e f o r e ，w em u s tr e s e a r c hp a p r r e d u c t i o nt e c h n i q u ec o m p r e h e n s i v e l y t h i sa r t i c l ed e s c r i b e sp a p rr e d u c t i o nt e c h n i q u e si nl t es y s t e m s ，m a i n l ya b o u t f o l l o w i n gt w oa s p e c t s ： ( 1 ) r e s e a r c ht r a d i t i o n a lc l i p p i n gm e t h o da n dt r a d i t i o n a li m p r o v e dc l i p p i n g m e t h o d ，a n da ni m p r o v e dt r a d i t i o n a ls i g n a lc l i p p i n gm e t h o di sp r o p o s e df o rb e t t e r s y s t e mb i t e r r o r - r a t i o ( b e r ) p e r f o r m a n c e ( 2 ) an e wm e t h o da b o u tp a p rr e d u c t i o ni sp r o p o s e d ，w h i c hu t i l i z e ss l m s c h e m ef o l l o w e db ys i g n a lc l i p p i n g c o m p a r e d 而mt h es l m o n l y - b a s e da p p r o a c h ， t h ep r o p o s e ds c h e m ec a l lo f f e rm o r ee f f i c i e n tp a p rr e d u c t i o nw i t hs m a l l e rc o s to n i f f tc o m p u t a t i o n i na d d i t i o n ，t h ep r o p o s e da p p r o a c hs h o w sl o w e rb i t e r r o r - r a t i o b e ri nc o n t r a s tw i t ht h et r a d i t i o n a lc l i p p i n gm e t h o d k e y w o r d s ：l t e ，o f d m ，p a p r , c l i p p i n g 武汉理工大学硕士学位论文 缩略术语 3 g p pt h e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t 第三代合作伙伴 十六进制正交幅度调 1 6 q a m 16 一q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 制 k 鼬g ra d d i f i v e 腧i t eg a u s s i a nn o i s e加性高斯白噪声 b e rb i te r r o rr a t i o误码率 b p s k b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g 二相相移键控 c c d f c o m p l e m e n t a r yc u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n 互补累积分布函数 c p c y c l i cp r e f i x 循环前缀 c r c l i p p i n gr a t i o 限幅率 d f td i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m 离散傅立叶变换 f d m f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 频分复用 f f t f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m快速傅立叶变换 g ig u a r di n t e r v a l 保护间隔 m l o n gt e r me v o l u t i o n 长期演进 m b m sm u l t i m e d i ab r o a d c a s ta n dm u r i c a s ts e r v i c e 广播多播业务 m i m o m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 多输入多输出 o f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g正交频分复用 o f d m a o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 正交频分多址接入 p i a p r p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o 峰值平均功率比 q p s kq u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g 四相相移键控 s a e s y s t e ma r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n 核心网 s l ms e l e c t e dm a p p i n g 选择映射 s c f d m a s i n g l e - c a r r i e rf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s单载波频分多址接入 t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e 时分同步码分多址接 t d s c d m a a c c e s s入 蹦i n t e rm o d u l a t i o n 互调干扰 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：毒壤日期：蛩怛剑 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 研究生c 签鼽湖囊导师c 签名鹈日期驯峪“ 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 2 1 世纪的第一个十年，移动通信技术取得了骄人的成绩。回顾我国移动通 信的发展历程，从1 9 8 7 年到现在，其市场的发展速度和规模令世人瞩目，全国 通信终端的数量已经稳居世界前列。其中更值得关注的是，我国提出的 t d s c d m a 作为3 g 标准之一。移动通信技术正在向口化、高数据速率业务化 方向发展，长期演进技术l t e 已由3 g p p 组织正式提出【l 】。 3 g p p 组织的l t e 项目是作为3 g 的演进技术，该标准改进现有3 g 标准的 空中传输方案，采用o f d m 作为其物理层的核心技术，取消3 g 标准中广泛使 用的c d m a 技术。从物理层研究角度来看，l t e 链路需要解决的一个主要问题 是高峰值传输速率，因为这样适合非常多的无线业务的发展，能更好地满足人 们对无线通信服务的需求。具体的改进点有，在现有3 g 标准所使用的基带信号 编码调制技术q p s k 和1 6 q a m 基础上，l t e 系统增加6 4 q a m 高阶调制，使得 系统下行理论上能达到1 0 0 m b p s 的峰值速率。而在上行链路的方案设计和标准 确立的过程中，大会组织的成员曾经试图考虑使用o f d m a 的传输方案，在移 动终端方面使用多次限幅的技术来降低功率放大器的成本和功率消耗。但是经 过多次会议的讨论协商，3 g p p 组织最终决定上行链路传输方案使用单载波技术 s c f d m a 。因此，l t e 系统的传输方案确定为上行s c f d m a 和下行o f d m a l 2 。 随着移动通信的快速发展，频谱作为一种不可再生的资源变得越来越紧张。 现代移动通信的各项研究工作，均把频谱利用率的提高放在首位。而作为一种 多载波调制技术的o f d m 毫无疑问的成为l t e 的核心技术。早在1 9 6 0 年代就 孕育出有关o f d m 的思想，却一直没有作为一种传输技术应用在任何一个无线 通信标准中是因为模拟滤波器的使用造成系统的实现复杂度较高，即在接收端 用很多滤波器对每一个子载波进行模拟滤波，一直被视作理论研究方案。当 s 昱w e j n s t e j n 提出用离散傅立叶变换实现多载波调制，替换原来使用模拟滤波 器的设计方案，大大增加了系统实现的可能性，后来随着芯片处理速度的快速 增长，才使得o f d m 技术越来越广泛的应用在各个无线通信标准中【3 】。正交频 分复用是一种多载波调制技术，具体做法是将整个频带资源，即系统的带宽， 武汉理工大学硕士学位论文 按照一定的规则划分为相互正交的子频带，最终用这些子频带来并行的传输数 据信号。由于各个子载波之间存在正交性，并不是用普通的方法分割子载波， 因此子信道的频谱可以在一定范围内交互使用，这样就最大限度的节省了频谱 资源，理论研究表明，当子信道的个数很大时，o f d m 系统的频谱利用率会趋 向于2 b a n d 形h e l 4 1 。除些之外，o f d m 还有抗频率选择性衰落，抗符号间干扰等 优点。 但是o f d m 作为一种多载波调制技术，也有不可忽视的缺点：由于系统在 发送信号时，所有的子载波信号是相互重叠的，就要求这些相互重叠的信号间 能保持非常严格的正交性，因为只有这样才能保证在系统的接收端能够完整的 解调出发送端的信号。但是在传输过程中，因为无线信道的不可确定性，会造 成子载波的频率产生偏差，就会使信号的正交性恶化，影响接收机的性能。这 就说明o f d m 系统容易受到子载波频率变化的影响，对信号的时域同步和频率 变化有很高的要求。还有一个缺点就是本论文所要重点讲述的o f d m 系统存在 较高的峰值平均功率比的问题。由多载波系统的调制方案可以得同出，o f d m 系统的输出是传输信号的合并，在这其中当多个信号的相位一致时，时域上就 表现为这些信号的幅值以相同相位合并，使得整个o f d m 信号的瞬时功率远远 高于信号的平均功率，而当o f d m 系统发射机功率的线性区域不满足信号功率 的变化时，就会使信号幅值产生畸变。同时，在接收端不是严格相互正交的信 号就会产生互调干扰( i m ) ，无法解调出发送端的信号，最终使o f d m 系统性能 恶化【5 1 。 1 2 研究现状及存在的问题 关于l t e 上行传输方案，3 g p p 组织曾经提出过多种技术，由于o f d m 在 各方面的无可比拟的技术优点使得o f d m a 的方案被许多通信公司提出【6 】。但是 3 g p p 组织最终选定s c f d m a 作为上行的传输方案，就是考虑到在移动终端实 现低p a p r 的信号传输，因为较高的p a p r 会给在移动终端的实现带来诸多不便 因素。而在l t e 系统的下行还是选择o f d m a 技术，可见o f d m 有它适应于未 来通信发展要求的无可比拟的技术优点，也正因为如此，在o f d m 系统中如何 降低p a p r 就显得更有学术研究价值和市场需求。随着o f d m 技术的应用越来 越广泛，p a p r 抑制技术逐渐成为业界研究的热点。本文结合国内外近几年的研 究成果，对降低峰值功率比的相关技术总结如下： 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 限幅类技术 由p a p r 产生的原因可知，在系统中降低这个高的峰值是非常有必要的。限 幅原理示意图如图1 1 所示。由图可知，限幅是一个非线性的过程，具体做法就 是把高于门限值厶。的信号峰值限制在这个门限值上，低于门限值的信号幅值 不变【7 j 。因此，我们可以很明显地看出，使用限幅方法不得不改变某些信号的幅 值，在后面的分析可知，这样会影响系统的误码率和频谱效率，论文会从仿真 的角度定量分析这些性能的影响给系统带来的后果。如何在处理高的峰均比的 同时减少对系统误码率的影响是限幅方法研究的重点，在本论文的后面章节会 就此问题进行相关讨论，并提出了相关改进型的限幅算法。 y a m 驭 - a m 驭7 匕 0 - a r n 默 图1 1 限幅原理示意图 ( 2 ) 编码类技术 利用编码技术来降低系统的p a p r 不同于上面所述的限幅类技术，它是一个 线性的过程。具体的思想如下：根据系统比较高的峰值产生的原因：以1 6 q a m 调制技术为例，该调制技术中有四种信号的幅值高，可以不使用其中四种有高 幅值的编码，即在编码时选择峰值低于幅值门限值彳。来进行信号的传输，这 就使我们从源头避免了产生高峰均比的可能性，也就是说，这类技术在降低峰 均比的过程不会产生噪声。但这类方法存在的问题是：它是通过尽量不使用这 些具有高峰值的码字来达到降低高峰均比预期的目的，结果就会降低信息的传 输速率，实质上是通过减小信息传输速率来获得比较满意的峰均比。还有一个 3 武汉理工大学硕士学位论文 值得研究的地方就是，在实际的处理过程中，对于任何种编码方法，如q p s k 和1 6 q a m 等，去找到一组适合系统峰均要求的码字是比较困难的事。经常使用 o o l a y 序列来产生o f d m 信号，研究表明这种方法必须采用一定的保护频带，同 时要求有特定的o f d m 系统的子信道数量，即子载波数n 小于或等于编码的长 度并且是2 ，可见这种方法系统的实现复杂度很大博j 。 ( 3 ) 概率类技术 根据前文所述，限幅类技术是直接降低信号高的峰值至系统能承受的门限 值4 。，编码类技术则是挑选出适合系统传输要求的有比较小的信号峰值的码 字进行传输，共同的特点是处理比较高的峰值来达到降低高峰均比的目的。而 概率类技术是处理如何降低峰值出现的概率，这样就从另一个角度降低了系统 的峰均比，代表算法有有选择映射法( s l m ) 1 9 。但是这类技术也有一些不可消除 的缺点，都会在一定的程度上增加系统的实现复杂度。 正交频分复用有适于未来通信发展的诸多优点，所以o f d m 越来越广泛的 应用在无线通信的各个标准中，正因为如此，如何降低系统的p a p r 是非常有研 究价值的，同时也符合全球倡导“节能减排 、“低碳生活 的议题。 1 3 论文的主要工作 本论文是论述l t e 系统中如何降低高峰值平均功率比的问题。论文共分为 五章，结构安排如下： 第l 章：绪论。介绍降低p a p r 技术背景，以及本课题的研究现状和存在的 问题。 第2 章：阐述l t e 系统中与降低p a p r 相关的技术，o f d m 和p a p r 的基本 原理。 第3 章：l t e 系统中p a p r 抑制技术的研究。叙述p a p r 的相关技术理论，对 限幅类算法，传统改进型限幅类算法、选择映射法分别进行m a t l a b 建模仿真分析。 第4 章：论文的重点。具体研究是，对限幅类算法和选择映射算法分别作 出相关改进型研究，并给出改进原理图和仿真结果；最后提出一种新型的降低 系统p a p r 的方法，从系统误码率和计算复杂度两个方面综合考虑这种方法的优 点，同样给出m a t l a b 仿真比较结果。 第5 章：结束语。对全文进行概括性的总结，并展望本课题今后要做的研 究方向。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基本原理简介 l t e 作为3 g p p 组织关于未来通信的长期演进技术，改进了现有3 g 标准的 传输技术，采用o f d m 、m i m o 等先进技术作为其物理层的核心标准。l t e 标 准的几个基本技术指标如下：在系统带宽方面全面支持1 2 5 2 0 m h z ；在峰值 数据速率方面实现上行5 0 m b p s 和下行1 0 0 m b p s ；在多媒体业务方面支持增强型 的广播多播业务( m b m s ) ；在数据延迟方面用户面单向小于5 m s ，控制面小于 l o o m s 。接下来详细介绍l t e 系统中o f d m 技术的基本原理。 2 1o f d m 技术介绍 早在上个世纪6 0 年代，o f d m 技术的一些思想就被人们提出用来进行无线 通信的信号传输，但是因为这种技术需要在系统的接收端使用多个模拟滤波器 来分离各个子信道的信号来完成解调操作，这在当时的硬件条件下其系统实现 的复杂度高于实际制造能力。后来直到1 9 7 0 年代，s b ：w e i n s t e i n 才提出一个设 想即系统的多载波调制部份可以用离散傅立叶变换( d f t ) 来替换，这样才真正意 义上让o f d m 的实现成为可斛1 0 1 。接下来的8 0 年代，电子工业领域大规模集成 电路的发展让快速傅立叶变换( f f t ) 技术的实现变得不再困难，另外还有通信领 域一些其它难以实现的技术也得到解决。从此，o f d m 技术从理论研究转向工 业应用，在全球高速数字移动通信的领域发挥更大的作用。 o f d m 和传统的频分复用( f d m ) 技术的基本原理相类似，这从两者的名称中 可以看出。但是o f d m 和f d m 的区别在于，f d m 的每一个子信道在频域上相 互分开，子信道间采用一定长度的保护频带以保证子信道间的信号在接收端解 调时不会相互干扰，而o f d m 是在调制阶段使得每一个子信道相互正交，可以 在频域上让信号有一些相互重叠的部分，这样使得在使用相同子信道数目的情 况下，对比f d m 技术，o f d m 技术占用更少的频率资源，最终提高系统的频谱 利用率【1 1 1 。具体原理图如图2 1 所示。 o f d m 作为一种特殊的多载波调制传输方案，在l t e 系统中的使用非常适 合人们对未来通信服务的要求，是因为o f d m 可以被看作是一种调制技术，也 可以被当成一种复用技术，有如下技术优点： 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 抗频率选择性衰落：频率选择性衰落具体是指信号在不同频段上衰落的 特性不一样。首先要提到一个相干带宽的概念，相干带宽是指无线信道维持技 术参数不变的最大频率间隔的范围，即信号在这段频率范围内产生的衰落一样。 假设无线信道的最大多径时延为瓦。，则该信道的相干带宽为b = 1 乙，如果 此时信号的带宽大于这个值时，该信号所经历的无线信道的性能会发生改变， 我们就说此时的接收信号经历频率选择性衰落【1 2 1 。而o f d m 系统是并行传输数 据信号的，因此每个子载波的带宽远小于信道的相干带宽，即o f d m 系统会将 频率选择性衰落信道等效成若干个并行的平坦衰落信道，也就是说，o f d m 能 有效的抗频率选择性衰落，这样能极大的简化信道均衡【l 列。 ， 频率( h z ) 一一2 i |保护频带 频分复用技术频谱利用率 i _ 瓦瓦瓦阶 节省频率资源 r1 ：”。 频率( h z ) 正交频分复用技术频谱利用率 图2 1 频谱利用率比较示意图 ( 2 ) 抗符号间干扰：在l t e 系统中，为了让系统抗符号间干扰的性能达到标 准中所要求的范围，通过使用保护间隔( g i ) 和循环前缀( c p ) 的方法【1 4 1 。根据无 线信道知识，无线空间信道是一个不确定的传输媒介，信号在其中传输中会经 历不同的路径分别到达系统的接收端，我们把这种现象称为多径效应，它会引 起系统符号间干扰【l5 1 。一般情况下，使用保护间隔可以抵抗这种符号间干扰， 但为了在接收端保证信号间的正交性，应该采取添加循环前缀的方法。如图2 2 所示，当o f d m 符号加入循环前缀后，符号周期r t = 五+ ( 2 - 1 ) 其中，五为o f d m 原始符号的时间周期，为每个o f d m 符号中加入循环前 6 武汉理工大学硕士学位论文 缀的长度，经过这样处理后的o f d m 符号就可以进入信道进行信号传输。在系 统的接收端，同理，需要进行和系统发送端相反的过程。首先进行除去循环前 缀的处理，即将接收到的信号按每个符号进行处理，从符号开始起的时间长度 为的信号从这个符号中除去，再将剩余的长度为瓦的符号进行o f d m 解调， 这样就在接收端正确解调出原始信号。 循环前缀 时间 图2 - 2o f d m 符号加入循环前缀 加入保护间隔之后会带来功率和信息速率的损失，其中功率损失为 = 1 0 l g ( t c e 五+ 1 ) 信息速率损失为 p 凹= 去。 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 从公式( 2 2 ) ，公式( 2 3 ) 中可以看到，当保护间隔的长度为o f d m 符号原始 时间周期的1 4 时，功率损失p 的值不到l d b ，但信道传输的信息速率损失p c e 达2 0 。从前面的分析可以明显看出，更长的循环前缀能得到更好的系统性能， 但是系统会有更大的信息速率损失。也就是说，插入循环前缀是通过降低信息 速率来提高系统的抗符号间干扰的能力。 ( 3 ) 抗多径时延扩展：o f d m 是一种多载波调制技术，同所有的多载波调制 技术一样，因为系统中信号的并行传输，能有效地减少由于无线信道传输带来 的多径时延扩展1 1 6 1 。 ( 4 ) 提高频谱利用率：根据图2 1 可知，o f d m 系统各个子载波间的信号相 7 武汉理工大学硕士学位论文 互正交，从频域角度看，允许信号的频谱的相互重叠，相对于传统的频分复用 技术需要增加保护频带来分隔各个信号，有效的提高了系统的频谱利用率。 ( 5 ) 易于多种技术结合：与m i m o 技术结合形成m i m o - o f d m 系统；与多 种接入方式结合形成o f d m a 系统等i l 。 在l t e 系统中，一串基带数据符号经过编码、交织、数字调制、插入导频 等处理后，再才经过o f d m 调制，调制过程原理图如图2 3 所示： 乌一 串 槛 爿丑咚母 并 并串 转 i e j 二刀1 转 i p j 2 # n l 换 换 m遗嘧 i 图2 3o f d m 原理框图 经过o f d m 调制后的信号j ( f ) 表示为 巾) = 古篓叩州2 ) 椰 ( 2 - 4 ) 其中，0 f t ，t 为o f d m 符号的周期，表示子载波的个数，是第疗个子 载波的载波频率，a 。= o ，l ，n 1 ) 表示发送端每个子载波上的数据符号。这 样一个o f d m 符号就进入无线信道进行发射。 在进行信道发射前，为了获得更好的传输性能，经过o f d m 调制后的信号 还要经过相关处理，如添加循环前缀等。o f d m 系统高的峰均比就显现在发射 时，由图2 3 可知，信号在进入信道前有一个合并的过程，这就是多载波系统的 数据并行传输过程。由此图也可以看出o f d m 调制过程类似于一个频率调制， 必定存在一些有相同相位的信号，在合并过程中，这些同相位的信号在时域上 就会成为一个幅值很大的信号，再经过发射端的功率放大器时，这些信号可能 会处于该功率放大器的饱和区域，改变信号的原始值并影响信号间的正交性， 武汉理工大学硕士学位论文 在前面的章节我们叙述过，o f d m 系统要求有严格的正交性，因为正交性受影 响的信号在接收端是无法解调出原始信号的，因此这种高的峰均比会严重破坏 o f d m 系统的性能【l 引。正是因为这种高的峰值功率处于发射端功率放大器的非 线性区域才对系统的性能产生了严重的破坏，但是并不能直接地使用更好的功 率放大器来解决这个问题。原因如下，在发射端使用这类功率放大器，会考虑 基站的硬件成本、功率损耗还有系统的整体散热情况；而在系统接收端，也就 是常说的移动终端，从硬件大小来看就不适宜使用这类功率放大器。因此，只 能从如何降低系统的峰值平均功率比的角度去解决这个问题。 本章节着重介绍了l t e 系统中o f d m 的基本原理，对这些知识的理解有助 于研究l t e 系统的p a p r 抑制技术。 2 2 峰均比的概念 o f d m 作为l t e 系统中物理层的传输方案，有很多适合无线信道传输的优 点，但也有其不可忽视的劣势，其中一个就是o f d m 技术有高的p a p r ，正因 为o f d m 技术在无线传输方面有广泛的应用，因此对p a p r 抑制技术的研究也 是近年来业界的热点。当多个子载波的信号有相同的相位时，在合并传输时这 些信号从相位角度看就会形成一个信号，当然这个信号的峰值就会比较大，较 高峰值的传输就要求o f d m 发射机的功率放大器具有很大的线性区域。如果这 个线性区域并不能很好地满足信号的功率变化，在系统进行信号发射时，就会 产生畸变。在接收端这些发生畸变的信号就会产生子载波间的互调干扰，影响 子载波间信号的正交性，最终严重降低系统的性能。但是这种高的峰值又是以 一定的概率出现的，当发射端采用高的功率放大器，不仅使功率放大器的效率 很低，而且这种放大器的成本昂贵。同时，在移动终端方面，从功率损耗和终 端幅射等方面考虑，都不适合用这种高的功率放大器。因此，必须采用一定的 方法去降低这种高的峰值，降低系统的功率损耗，提高系统的性能。在无线通 信中，当信号的功率进入功率放大器的非线性区域，会引起信号幅值的畸变， 影响o f d m 系统的性能。峰均比作为一种比较常用的量度信号功率的方法，是 指信号的峰值功率与平均峰值的比值。 2 2 1 定义 根据o f d m 信号s ( r ) 公式( 2 _ 4 ) ，可知功率e ( t ) 为 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 n 一1 n 一1 尸( f ) = ) 1 2 = 寺口。口：口 埘 ( 2 - 5 ) j n = 0 用1 0 因o f d m 信号的峰均比定义为 剐咫= ，啪g 。仁拳眢) c 纺， q 固 其中，e p ( f ) 】为求信号功率p ( f ) 的数学期望1 9 1 。 当这些较高的峰值的信号有相同相位时，系统发送端在合并传输时，这些同 相位的信号形成一个幅值很大的整体，影响发送系统的性能，并且经过多次进 行下面的实验可以得出这种高的峰值的出现是不可预料的。图2 4 所示，为某个 o f d m 信号的幅值，其中子载波为2 5 6 ，基带信号使用1 6 q a m 调制。 3 2 5 2 蝈 粤1 5 p 逛 1 0 5 0 一l i - 小 1 心 一 f碑 _ i _ - 氕 b 9 i 槲 群 献o a 槲 卅 i i 划 ! i y i ”扩。- 1 j j _ 1 0 01 5 0 符号序列 图2 4o f d m 符号的信号幅度 根据图2 4 可以作如下分析：基带信号使用1 6 q a m 调制，则该信号的平均 功率为l o d 2 ，其中d 为1 6 q a m 中相邻星座点的距离口o 】。因此整个信号的平均幅 值应该为- d 。为了使信号发射功率“归一化”，取d = 1 而，则信号的平均 幅值为1 。该图中的幅值平均值也在这个数值处，但其峰值却达到了2 6 。因此， l o 武汉理工大学硕士学位论文 可以从图中看出，这种不可预料的大的信号峰值是远远高于信号的平均幅值的。 在发送端使用一个有较大范围的功率放大器，即能满足图中的幅值为2 6 的 信号时，我们又发现，这种大的峰值出现的个数要远远少于正常值，即信号中 的大多数幅值会小于这个范围，这样就使功率放大器的利用效率非常低。考虑 接收端的情况，如果提高终端的发射功率，使其适合信号高的峰值的动态变化 的范围，会增加终端的能耗和辐射，这样不利于移动终端的发展【2 。 由以上分析可知，o f d m 系统会出现较高的峰均比，并且由图2 - 4 可知，这 种高的信号峰值功率是远远高于此时信号的平均功率的，如果重复上面的仿真 实验还可以得到一个结论，信号的这种高的峰值功率不是确定出现的，而是有 一定的随机性，并且一些信号的相同相位也有其随机性【2 2 1 。这就给降低系统的 峰值平均功率比增加难度，在接下来的章节，我们分析它的分布。 2 2 2 分布 由以上分析可知，无论是发送端还是接收端，系统都不能保证o f d m 符号的 信号功率动态变化范围在功率放大器的正常的工作范围内。先来讨论信号功率 的变化范围，也即是信号功率的分布情况。假设基带信号为1 6 q a m 调制，根据 中心极限定理，当o f d m 符号的子载波n 足够大时，信号s o ) 的实部和虚部均 服从高斯分布幽】，假设向量x 为该信号的实部或者虚部，则该表达式为 i x 一刀pi 。l i ，r a 。尸 苛y 2 ( y ) ( 2 - 7 ) 由概率论的相关知识可以得出，如果一个随机二维向量的两个分量分别呈 独立的、并且有着相同的方差的高斯分布时，那么这个向量的模值就呈瑞利分 布【2 4 】，则信号s ( f ) 的概率密度函数为 一上 厂( z ) = p2 r ， z 0 ( 2 8 ) 仃 继续讨论，如果一个信号s ( f ) 的幅值是服从瑞利分布的，那么它的功率则服从有 两个自由度的有中心的z 2 分布【2 5 1 ，其累积分布函数( c d f ) 为 武汉理工大学硕士学位论文 p r o b p z - 耳( z ) = k 一善出= l p 一2 ( 2 - 9 ) 6 其中，p r o b p z 为信号峰值功率p 不大于门限值z 的概率。在研究p a p r 抑制 技术时，我们经常用互补累积分布函数( c c d f ) 来表示o f d m 符号的信号功率分 布情况【2 6 1 ，假定子载波数为，则其对应的分布为 p r o b p z ) = 1 一 耳( z ) 】= 1 一( 1 一e - z ) ( 2 - 1 0 ) 其中，p r o b p z ) 为信号峰值功率p 大于门限值z 的概率。公式( 2 一l o ) 反应是 o f d m 符号中个子载波信号的功率大于门限值的概率和，即可以从这个函数 曲线中看出信号功率的分布情况。如图2 5 所示为不同子载波数的c c d f 曲线 图。 奄1 0 1 o ：； 芝笺。 | l 。志：，5 i 弋i 弋l i i ：采掣2 i = = 入x 一? 。： 、 冬 、黄 、x 、 、l 弋 、 5 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 号的幅值向同一个方向叠加，结果使得出现比较高的峰值功率的概率增加 2 7 1 。 在接下来研究p a p r 的抑制技术时，都是用c c d f 曲线图来作为首要衡量标 准。当给定相同的门限值时，在图中取相同的门限值，得到的概率值越低，则 降低p a p r 的性能越好。 在后面的章节中，论文会讨论几种传统的降低系统p a p r 的方法，在对比这 些方法时，首要考虑系统的c c d f 曲线图，即根据这个曲线图来分析该方法降低 系统p a p r 的效果。但是，在随后的分析中，论文还会讨论另外一个问题，即在 降低系统p a p r 的同时，还会对系统其它性能产生的影响，比如系统的误码率性 能、系统的复杂度性能等。通过这些讨论，使我们认识到，研究系统p a p r 的抑 制技术，不应该仅仅考虑c c d f 曲线图，最后本论文会分析每一种方法对系统整 体性能的综合影响。 2 3 本章小结 本章节是作为研究p a p r 抑制技术的预备知识，通过对这些知识的理解，可 以更深刻的研究降低系统p a p r 的技术。刚开始阐述了o f d m 的相关知识，包 括该技术的背景知识，在无线通信标准中的应用情况以及作为无线信道传输的 优点。在本章的第二节论文讲解系统峰值平均功率比的基本原理，首先分析 p a p r 产生的原因，接着重点说明它的分布情况，并引出一个概念c c d f 曲线图， 并使用该曲线图来衡量系统p a p r 抑制的效果。在本章节的最后，论文对下面章 节的研究内容作出相关的说明。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章p a p r 抑制技术的传统算法 随着o f d m 技术在无线通信领域中的广泛应用，如何处理高的峰均比成为 业界研究的热点。由前面的叙述了解到，处理系统中高的峰均比不能简单依靠 使用设备更精良的高功率放大器。到目前为止，人们已经提出了许多降低峰均 比的方法，把这些技术进行归类分析，大致有3 大类技术：峰值限幅类、信号编 码类和峰值概率类【2 引，这三类技术分别从不同的角度处理系统中高的p a p r 的问 题。接下来将对这3 大类技术进行分析讨论，并说明每类方法的优缺点。 3 1 限幅类技术 o f d m 系统的高峰均比是由o f d m 信号中高的峰值功率引起的，因此降低 信号中高的峰值功率是最直接的方法，限幅类技术就是这种方法的代表。限幅 技术是直接有效的降低系统p a p r 的方法，其原理简单说明就是，用一个平均的 门限值截取掉系统中高的峰值 2 9 1 。由此可以看出，对于这个直接截取的过程使 得限幅类技术成为一个非线性的方法，因此会引起这些高峰值信号点的幅值畸 变，带来严重的限幅噪声，影响系统发射机和接收机的性能，最终严重影响系 统的误码率性能。在接下来的章节，论文会详细讨论限幅过程是如何影响系统 其它的性能。 ( 1 ) 基本原理和方法 限幅类技术的具体操作是对高于门限值的信号进行直接限幅。假设信号的 限幅门限为4 呱，则限幅后的信号j ( f ) 为 j - ，= 三：p ，引，仨0 j 1 量三二 c 3 - ， 其中，9 = a