（电路与系统专业论文）多载波技术中降低峰均功率比的研究及实现.pdf

本人声明所 成果。尽我所知 不包含其他人已 其他教育机构的 做的任何贡献均 申请学位论 本人签名： 学位论文作 研究生在校攻读 保留并向国家有 和借阅；学校可 或其它复制手段 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学 本人签名： 导师签名： ，适用本授权书。 r 期：递f 里复室因堕因 同期：2 芝 全经纠丝馥 r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no f p e a k - t o - - a v e r a g ep o w e r r a t i or e d u c t i o ni nm u l t i - - c a r r i e rs y s t e m s a d i s s e r t a t i o n s u b m i t t e dt ob e i j i n gu n i v e r s i t yo f p o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s i nc a n d i d a c yf o rt h ed e g r e e o f m a s t e r i n c i r c u i t sa n ds y s t e m s b y z o u y i n g b e i j i n g ，c h i n a ，er d e c e m b e r2 0 0 9 摘要 摘要 多载波技术因为很高的频谱效率、极强的多径抗扰和灵活的与其它技术结合 的能力而使其在无线通信领域有着广泛的应用。然而，因为多载波通信系统的技 术特点而不可避免产生的高峰均功率比很容易导致信号失真、频谱扩展以及系统 整体性能下降，从而严重的影响了多载波技术的发展。因此，本论文重点研究如 何有效优化多载波技术峰均功率比( p a p r ) 特性。 本论文研究了多载波技术的基本原理、调制和解调过程以及目前多载波技术 的各种基本实现方式，如离散多音、j 下交频分复用、多载波码分多址等技术。针 对多载波技术在很大程度上和o f d m 的内在关系，着重讨论了o f d m 系统的关 键技术、p a p r 的产生原因、计算方式和衡量机制。 论文研究了目前学术领域各种减小多载波系统p a p r 值的基础方法。该方法 大体分为三类：限幅类技术，编码类技术，概率类技术。限幅类技术中着重研究 了限幅滤波技术的原理、数学分析。编码类技术的研究主要是通过数学分析对互 补g o l a y 码在多载波系统的传输中所具有的特性进行了推导，此中阐述了g o l a y 码的属性，g o l a y 码如何在系统编码中使用，互补g o l a y 序列与二进制r e e d m u l l e r 码以及非二进制r e e d m u l l e r 码的关系以及通过r e e d m u l l e r 码生成互补g o l a y 码的过程。概率类技术是本论文的重点，特别是和s l m 技术有关的选择性映射 ( s l m ) 以及与s l m 相似的部分传输序列( it s ) 技术，此部分研究的是该技 术的机理、实现以及s l m 方法对系统p a p r 特性的贡献。 研究了文献 2 5 1 q 丁提到的多天线协同选择性映射( c s l m ) 方法和传统独立 的选择性映射( i s l m ) 方法。该方案的基本原理是为了减少传输时的辅助信息 而在每个发射天线上加入统一的相位信息以使每组天线用于接收端调制的边带 信息相同，这样就仅需多传送m 组天线的附加信息了，而相同输入特性系统的 i s l m 方案需要传送的边带信息是c s l m 的坼倍( 坼为发射端支路数) 。这部分 研究了i s l m 和c s l m 方法的机理，系统特性以及各自的优缺点。 在大量研究了各类相关的减小p a p r 值的系统的基础上，针对c s l m 技术的 特性，在吸收c s l m 技术优点的前提下提出了新的改进的方法反馈式多天线协 同选择性映射( f c s l m ) 。文中详细的阐述了设计构想、动机和目的，然后对 f c s l m 技术做了详细的原理分析、数学推导、性能分析和仿真分析。此方法在 一定程度上达到了优化系统p a p r 特性的目的。 虽然f c s l m 方法在一定程度上完善了c s l m 方法，并且也具有一定的研究 意义，但其前提是在不考虑系统本身可能遇到特殊情况而导致在发射端所提取的 相位序列属性变差的情况，否则该情况的出现将会影响下一组序列的调制性能， 北京邮电大学硕士学位论文 甚至引起恶性循环。自适应多天线协同选择性映射( a c s l m ) 能很好的解决这 个问题，它利用循环判决反馈机制系统，使调制用相位序列不断优化，以达到优 化系统p a p r 特性的目的。 关键词： 多载波技术；峰均功率比；j 下交频分复用；选择性映射；空时分组码； 反馈式多天线协同选择性映射；自适应多天线协同选择性映射 , a l l a b s t r a c t 一 a b s t r a c t d u et ot h eh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y , s t r o n gm u l t i p a t hi m m u n i t ya n df l e x i b i l i t yo f c o m b i n go t h e rt e c h n o l o g i e st ob r i n gn e ws y s t e m s ，m u l t i c a r r i e rt e c h n o l o g yh a sw i d e a p p l i c a t i o n t ot h ef i e l do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s h o w e v e r , t h e r ei n e v i t a b l y p r o d u c eo ft h eh i g hp e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) b e c a u s eo ft h e t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fm u l i t i c a r r i e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a n d ，i tw i l le a s i l yl e a dt ot h e s i g n a ld i s t o r t i o n ，s p e c t r u me x p a n s i o na n do v e r a l ls y s t e mp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n ， t h u ss e r i o u s l ya f f e c t i n gt h ed e v e l o p m e n to fm u l t i c a r r i e rt e c h n o l o g y t h e r e f o r e ，t h i s p a p e rw i l lf o c u s e so nh o w t oe f f e c t i v e l yo p t i m i z et h ep a p rf e a t u r eo ft h em u l t i c a r r i e r t e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r ih a v es t u d i e dt h eb a s i ct h e o r y o fm u l t i c a r r i e rt e c h n o l o g y , m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o np r o c e s sa n dt h ec u r r e n tv a r i e t yo fb a s i ca c h i e v i n g a p p r o a c h e s o fm u l t i c a r r i e rt e c h n o l o g y , s u c ha s d i s c r e t em u l t i t o n e ，o r t h o g o n a l 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 ，m u l t i c a r r i e rc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s se r e f o r t h el a r g ei n t r i n s i cr e l a t i o n s h i po fo f d mt e c h n o l o g yt ot h em u l t i c a r r i e rt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rw i l lf o c u s i n go nk e yt e c h n o l o g i e so ft h eo f d ms y s t e m ，c a u s e so fp a p r ， m e t h o d so fc a l c u l a t i o n ，a l g o r i t h ma n dm e a s u r e m e n tm e c h a n i s m s s t u d i e st h ev a r i o u so fc u r r e n tr e d u c t i o no ft h ep a p rv a l u e s - b a s e da p p r o a c ho f m u l t i c a r r i e rs v s t e m a c c o r d i n gt ot h ed o c u m e n t 【4 1 ，t h o s em e t h o d sc a n b ed i v i d e d i n t ot h r e ec a t e g o r i e s ：t e c h n o l o g yb a s e do nc l i p p i n ga n df i l t e r i n g ( c f ) ，t e c h n o l o g y b a s e do nc o d i n g , t e c h n o l o g yb a s e do np r o b a b i l i t y f i r s tf o c u s e do nt h es t u d y i n go f t h e p r i n c i p l eo fc l i p p i n ga n df i l t e r i n gt e c h n i q u ea n dm a t h e m a t i c a la n a l y s i s a s t ot h e c o d i n gt e c h n o l o g y , r e s e a r c hm a i n l y b a s e do nt h em a t h e m a t i c a la n a l y s i so ft h e c o m p l e m e n t a r yg o l a yc o d et ot h em u l t i c a r r i e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，w h i c hd e s c r i b s t h ep r o p e r t yo fg o l a yc o d e ，a n dh o wt o u s et h ec o d ei nt h es y s t e m t h e c o m p l e m e n t a r yg o l a yc o d e s ，t h e b i n a r y r e e d m u l l e rc o d e s ，a n dn o n b i n a r y r e e d m u l l e rc o d e sh a v ei m p o r t e n tr e l a t i o n s h i p t h ec o m p l e m e n t a r yg o l a yc o d e s c a n b eg e n e r a t e df r o mr e e d m u l l e rc o d et h r o u g h ac e r t a i nw a y t h ep r o b a b i l i t y t e c h n o l o g yi st h ek e yf o c u so ft h i sp a p e r ，e s p e c i a l l yi n t h et e c h n i q u eo fs e l e c t i v e m a p p i n ga n dp a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e t h i sp a r to f t h es t u d yf o c u so nt h em e c h a n l s m o ft h et e c h n o l o g y , i m p l e m e n t a t i o na n dt h ep a p r c o n t r i b u t i o nt ot h es y s t e m s s t u d i e si nt h ed o c u m e n t 2 5 】o ft h em u l t i - a n t e n n ac o n c u r r e n ts e l e c t i v em a p p i n g ( c s l m ) m e t h o da n dt h et r a d i t i o n a li n d e p e n d e n c es e l e c t i v em a p p i n g ( i s l m ) m e t h o d t h ec s l m sb a s i cp r i n c i p l ei st or e d u c et h ea u x i l i a r yi n f o r m a t i o nb y a d d i n gau n i f i e d p h a s ei n f o r m a t i o nt oe a c ht r a n s m i t t i n ga n t e n n a al a r g en u m b e ro fs t u d i e sr e l a t e dt o r e d u c i n gt h ep a p rv a l u e so fv a r i o u s m e t h o d sb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t e c h n o l o g yf o rt h ec s l m a n di nt h e a b s o r p t i o no ft h ea d v a n t a g e so fc s l mt e c h n i q u ep r o p o s e d ，t h e r eb r i n g so u tan e w m e t h o dc a l l sf e e d b a c kc o n c u r r e n ts e l e c t i v em a p p i n g ( f c s l m ) t h e a r t i c l ed e s c r i b e s t h ed e s i g nc o n c e p t ，m o t i v a t i o na n dp u r p o s ei n d e t a i l ，s p e c i f i ct ot h ea n a l y s i so f p r i n c i p l e ，m a t h e m a t i c a ld e r i v a t i o n ，p e r f o r m a n c ea n ds i m u l a t i o no ff c s l m t h i s m e t h o dh a sr e a c h e dac e r t a i n p u r p o s ei no p t i m i z i n gt h es y s t e m sp a p rc h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：m u l t i c a r r i e r ；p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ；o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ；s e l e c t i v em a p p i n g ；s p a c e t i m eb l o c kc o d e ；f e e d b a c k c o n c u r r e n ts e l e c t i v em a p p i n g ；a d a p t i v ec o n c u r r e n ts e l e c t i v em a p p i n g 。_ - ，_ _ 一。 i v - 目录 目录 摘要i a b s t r a ( 了i i i 目j 豪、， 第1 章绪论1 1 1论文背景。1 1 2 多载波技术简介2 1 3 峰均功率比( p a p r ) 2 1 4 论文内容安排以及创新点。3 第2 章多载波技术4 2 1多载波系统4 2 1 1 多载波调制和解调4 2 1 2 多载波技术的实现。5 2 2 正交频分复明( 0 f d m ) 技术8 2 2 1 子载波调制8 2 2 2峰均功率比( p ：a p r ) 分析1 0 2 3 p a p r 衡量机制1 1 2 4 本章小结1 2 第3 章多载波技术中减小p a p r 方法的研究。1 3 3 1基于限幅类( 畸变类) 的技术1 3 3 1 1原理分析1 3 3 1 2 数学分析1 4 3 2 基于编码类的技术1 7 3 3 基于概率类的技术2 l 3 3 1选择性映射( s l m ) 2 2 3 3 2部分传输序列( p 1 隋) 2 3 3 4 各类技术优劣比较2 6 3 5 本章小结2 6 第4 章 m i m o o f d m 系统中s l m 技术的改进2 7 4 1 利用空时分组码( s t b c ) 技术的m i m o o f d m 系统2 7 4 1 1 s t b c 原理。2 7 4 1 2 m l m o o f d m 系统中的s t b c 技术2 8 4 1 3 s n 妃中p a p r 的统计特性。3 0 4 2多天线协同s l m 方案( c s u m ) 3 1 4 3 反馈式多天线协同s u m ( f c s 【m ) 。3 2 4 3 1 f c s l m 原理分析3 2 4 3 2 f c s l m 性能分析3 3 4 3 3 f c s l m 仿真分析。3 4 4 4 f ( ：s 【m 展望以及a c s l m 构想3 5 4 5 本章小结3 6 第5 章总结3 7 5 1研究工作。3 7 5 2技术展望3 8 北京邮电大学硕士学位论文 附录一符号及缩略语说明3 9 附录二参考文献4 1 附录三硕士期间发表论文4 4 附录四致谢4 5 ，一 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文背景 现在所说的无线通信在其发展史上应该追溯到1 9 世纪中叶，1 8 6 4 年，英国 物理学家麦克斯韦从理论上证明了电磁波的存在；1 8 7 6 年，德国物理学家赫兹 用实验证实了电磁波的存在；1 9 0 0 年，意大利电气工程师和发明家马可尼等人 利用电磁波进行远距离无线电通信取得了成功，1 9 0 1 年，马可尼又成功地将讯 号传送到了大西洋彼岸的美国，具有划时代意义的无线通信开始了1 1 1 。 1 9 2 8 年，美国珀杜大学( p u r d u eu n i v e r s i t y ) 发明了超外差式无线电接收系 统并投入使用，这是当时第一种成功应用于实际的无线通信系统。之后依次出现 了第一部调幅制式无线通信系统、第一部调频制式无线通信系统。4 0 年代后期， 军事无线通信技术逐渐在民用领域利用并逐渐发展，5 0 年代，美国和欧洲部分 国家相继成功研制了公用移动电话系统，在技术上实现了移动电话系统与公众电 话网络的互通并得到了广泛的使用，但这种系统仍然采用人工接入方式，系统容 量小。6 0 年代中期至7 0 年代，美国推出了改进型移动电话系统，采用大区制、 中小容量，实现了无线频道自动选择及自动接入公用电话网。7 0 年代中期，随 着民用移动通信用户数量的增加，业务范围的扩大，有限的频谱供给与可用频道 数要求递增之间的矛盾同益尖锐。为了更有效地利用有限的频谱资源，美国贝尔 实验室提出了蜂窝组网的理论，它为现代移动通信技术的发展奠定了理论的和现 实的基础。 移动通信从第一代模拟通信技术到第二代数字通信技术，再到目前的第三代 ( 3 g ) i m t - 2 0 0 0 ( w c d m a ，c d m a2 0 0 0 ，t d s c d m a 为主的三种主流制式) 。 2 0 0 9 年，中国3 g 元年，我国三大通信运营商的3 g 网络投入商用，中国移动通 信领域正式步入3 g 时代。在这之前的2 0 0 2 年3 月，我国正式宣布启动对b 3 g 通信系统的研究工作，并于2 0 0 4 年4 月正式启动b 3 g 移动通信技术的标准化进 程。b 3 g 关键技术中，频率的有效利用技术包括微波频带的开拓技术，频带共 用与频率共享技术，自适应动态信道分配技术，抗干扰与抗衰落技术，自适应阵 列天线及多入多出( m i m o ) 技术，自适应高效多电平调制技术，正交频分复用 ( o f d m ) 技术。 随着多媒体无线通信的发展，频谱数量的需求与供给的矛盾越来越尖锐。例 如，欧洲某些国家的通用移动通信系统( u m t s ) 频谱采用拍卖方式，费用达到每 5 m h z 频段( 上下行) 3 0 至0 4 0 亿美元，使用期限为2 0 年【2 1 。如此高的频谱使用费 用，使得运营商不得不选择更高频谱效率的无线通信技术，这也是为什么蜂窝移 动通信系统( c m c s ) 从模拟通信走向数字通信，从频分多址( f d m a ) 、时分 北京邮电大学硕士学位论文 多址( t d m a ) 走向码分多址( c d m a ) 的主要原因。也是同样的原因，正交频 分复用( o f d m ) 技术以其优越的性能越来越受到人们的亲睐i 引。 1 2 多载波技术简介 数据业务的快速发展，要求无线通信技术支持越来越高速的数据速率，而随 着数据速率的不断提高，高速数据通信系统的性能不仅仅受到噪声限制，更重要 的是因为多径效应的影响而产生的时延扩展，也因此使码元波形发生交叠，从而 引起符号间干扰( i s i ) ，系统性能变差。一般来说，只要时延扩展远远小于发送 符号的周期，则符号间干扰造成的影响几乎可以忽略，也就是说，系统的通信能 一 力实际上受制于信道的传播特性。对于高速数据业务，发送符号的周期可以与时 延扩展相比，甚至小于时延扩展，此时将引入严重的码间干扰，导致系统性能的 急剧下降。为了实现高速数据业务，必须采取措施对抗码间干扰，信道均衡是经 典的抗码间干扰技术，而如果数据速率非常高，并且采用单载波传输数据的话， 这将需要几十甚至上百的均衡器，这个硬件复杂度就可想而知了。 为此，多载波技术应运而生了。多载波技术是把宽带信道分成一定数量的窄 带信道，使数据分别以较低的速率在这些子信道上传输1 5 1 。 多载波技术可以用多种方式来实现，如离散多音( d m t ) 调制、正交频分 复用( o f d m ) 和多载波码分多址( m c c d m a ) 1 3 l 。 1 3 峰均功率比( p a p r ) o f d m 信号在时域上表现为n 个正交子载波信号的叠加，当这个信号一 致性较大时，可能在某一时刻叠加成很大的幅值。在恶劣的情况下，个信号的 子载波同时达到最大值，这时峰值功率是平均功率的倍。大的峰值功率使系 统中的功率放大器达到饱和状态，会引起子载波间的干扰和带外功率辐射。要想 不失真地传输这些高峰均功率比( p a p r ) 的o f d m 信号，发送端要求高功率放 大器( h p a ) 和d a 转换器有很大的动态范围；同时接收端对前端放大器以及 a d 转换器的线性要求也很高。而反过来，这些器件的非线性也会对动态范围较 大的信号产生非线性失真，所产生的谐波会造成子信道间的干扰，从而严重地影 响o f d m 系统的性能。 因此，如何减小信号的p a p r 值是当前利用多载波技术的关键。一直以来， - 很多学者对这方面做了大量的研究，综合各种文献，可以将这些技术大致分成三 种：限幅类技术、编码类技术和概率类技术。 限幅类技术大体上包括限幅滤波1 7 1 、峰值加窗和峰值抵消。它是采用非线性 过程，直接在o f d m 信号幅度峰值或附近采用非线性过程来减小信号的峰均功 第1 章绪论 率比( p a p r ) 。这种技术是对o f d m 信号中幅度超过门限值的部分限幅，这样 就会使o f d m 信号产生失真，频谱的带外辐射增大，引起信号畸变。 编码类技术的原理是只选择可用于传输的信号码字集合，这些码字的幅度低 于某一既定门限峰值，从而避开了信号峰值，由于编码类技术为线性过程，它不 会使信号产生畸变，因此也没有限幅类技术的缺点，但是此方法增加了频谱开销， 大大降低了信息速率，而且当子载波数多的时候，编码效率将非常低。编码技术 包括两类算法：一类是在调制前进行编码处理，使得输出信号具有较低的p a p r 值1 9 1 1 1 0 j ；一类是将输入信息映射到p a p r 较低的固定序列传输【1 1 】【1 2 】。 概率类技术的主要思想是降低高于门限值峰值出现的概率，这种方法虽然并 不能保证所有传输信号的幅度值都小于既定的门限值，但是却大大降低了峰值出 现的概率，从而也就减小了大p a p r 值的概率。此类技术主要包括选择性映射 ( s l m ) 技术、部分传输序列( 盯s ) 技术、多音内插( t 1 ) 技术、多音预留( t r ) 技术、冲激整形( p s ) 技术和星座扩展图( a c e ) 技术。 1 4 论文内容安排以及创新点 第一章绪论，阐述了论文的技术和环境背景、多载波技术的基本特点和研 究动向以及p a p r 的产生机理和目前已有的解决方法，最后介绍了论文的行文结 构和该论文在此技术领域的创新点。 第二章多载波技术的基本原理、调制和解调过程以及目前多载波技术的各 种基本实现方式。o f d m 系统的调制方式和关键技术，p a p r 的产生、计算方式 和衡量机制。 第三章目前多载波调制中各种主要的减小p a p r 值的技术的分析、比较和 仿真。 第四章介绍利用空时分组码的m i m o o f d m 系统原理，p a p r 统计特性， 多天线协同s l m ( c s l m ) 技术，然后提出自己的创新点，即反馈式多天线协同 选择性映射( f e e d b a c kc o n c u r r e n ts e l e c t i v em a p p i n g ，f c s l m ) 技术，这是针对 c s l m 技术的改进。 第五章总结论文研究的内容，指出论文不足和有待进一步的研究以及改进 的方向。 若信道的相干带宽( 展) 小于通带带宽( 曰) ，就会发生频率选择性衰落，而 多载波技术的作用就是将这种宽带系统分成个并行的子系统，各子信道的带 宽为啪，数据速率鼬一r ，当n 大到一定程度时，可以认为巩= b n = 层， 也就是说，各子信道的衰落就是平坦衰落了。时域上，子信道的码元周期t n 与 子信道带宽的倒数1 脚成正比，就是说风= 风可以推导出t n 一1 b n 1