硕士论文-OFDM无线通信系统中降低峰均比技术的研究.doc

密级 密级 保密期限 保密期限 工程硕士专业学位论文工程硕士专业学位论文 题目 题目 OFDM 无线通信系统无线通信系统中中 降低峰均比技术的研究降低峰均比技术的研究 学学 号 号 姓姓 名 名 专业领域 专业领域 电子与通信工程电子与通信工程 导导 师 师 学学 院 院 信息光子学与光通信研究院信息光子学与光通信研究院 年年 月月 日日 独创性 或创新性 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中所罗列的内容以外 论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得北京邮电大学或 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 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 本人签名 日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学 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磁盘 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它复 制手段保存 汇编学位论文 本学位论文不属于保密范围 适用本授权书 本人签名 日期 导师签名 日期 OFDM 无线通信系统中降低峰均比技术的研究 摘 要 近几年来 随着移动通信系统的迅猛发展及用户业务交往的频繁 和综合化 对数据传输的要求也越来越高 尤其是有了第四代移动 通信系统之后 4G 能在很高的传输速率下提供高质量的影像多媒体 在内的各种数据和话音业务 较快地推进了社会发展和人民生活方 式的转变 同时 4G 系统也存在很多关键技术的挑战 例如系统的 频带资源是比较紧张的 但是业务量却与日俱增 这就要求系统有 更高的频带资源利用率 另外 无线信道复杂的传播环境往往会造 成信号的多种衰落和干扰 故要求系统有更理想的抗干扰 抗衰落 和调制解调技术 正交频分复用 OFDM 是在 20 世纪 60 年代针 对分散的并具有较明显衰落特性的信道提出的一种通信方式 随着 DSP 技术的快速发展 尤其是有了离散傅里叶变换的快速算法以后 正交频分复用技术便受到越来越多的关注 但同时也存在一些限制 OFDM 技术进行广泛实际应用的瓶颈问题 如高峰均比就是其中最 关键的问题之一 本文首先介绍了 OFDM 技术的基本原理和峰均比问题产生的原 因 在此基础上研究了 OFDM 系统中降低 PAPR 的三种技术 即信 号预畸变处理技术 编码类技术和概率类技术 对信号预畸变处理 技术中的限幅技术 C 变换和概率类技术中的 PTS 算法均提出了改 进方案 在次优迭代 PTS 算法基础上提出子序列数可调的 SASI PTS 算法 并将该算法分别和改进后的限幅技术 改进后的 C 变换 技术结合在一起产生了两种新的融合改进算法 通过对算法的 PAPR 性能和 BER 性能进行仿真 验证了改进算法的可行性 关键词 关键词 OFDM 峰均比 CCDF 限幅 PTS 算法 C 变换 THE RESEARCH OF WCDMA NETWORK OPTIMIZATION BASED ON SUBSCRIBER PERCEPTION ABSTRACT With the rapid development of mobile communications network the emergence of new technologies and new services and the popularity of intelligent terminals take a revolutionary change of subscriber perception in 3G network than in traditional GSM network In order to cope with the fierce competition of the domestic telecommunications market the mobile communication operators must effectively control the service quality of the network to enhance the subscriber s actual perception Network optimization is a key method of mobile communication network quality control it plays a very important role for the stability the robustness and the maturity of the network But the existing mobile communication network optimization methods are more from the point of view of network performance optimized objects are limited to network element equipment lack of means to evaluate and optimize the subscriber perception directly In view of the situation combining with China Unicom s WCDMA network operation practice the paper analyzes and quantifies the subscriber perception from subscriber experience management and network performance monitoring by using the tests and KPI indices then establishes the subscriber perception evaluation model which covers coverage performance access performance maintaining performance and quality of service Subsequently the paper analyzes the factors that affect subscriber perception of mobile communication networks in detail sums up the subscriber perception optimization process In empirical research stage of the subscriber perception optimization the paper studies the optimization methods of coverage effect from the weak coverage the cross district coverage and the pilot pollution Then the paper selects the power resource and the channelization code resource which are closely related to the subscriber perception as the optimizing object studies the scheduling algorithms of improving the WCDMA system efficiency Finally it stuidies the methods of enhancing the typical service quality in WCDMA system through the voice MOS and packet service access delay optimization Through the practice of the optimization methods involved in this paper in current Shijiazhuang WCDMA service area it can realize the balance among WCDMA system coverage capacity and quality based on the subscriber needs improve the end to end service performance and thereby effectively enhance the real perception of the subscriber KEY WORDS WCDMA Subscriber Perception Network Optimization Coverage Effect System Capacity Service Quality I 目 录 第一章第一章 引言引言 1 1 1 课题研究背景 1 1 2 研究 PAPR 的意义及现状 2 1 3 论文内容安排 3 第二章第二章 OFDM 系统简介系统简介 4 2 1 OFDM 基本原理 4 2 1 1 子载波调制原理 4 2 1 2 保护间隔和循环前缀的引入 4 2 1 3 OFDM 系统结构及参数选择 4 2 2 OFDM 技术的优缺点 5 2 3 OFDM 关键技术挑战 10 2 4 本章小结 10 第三章第三章 OFDM 系统中的峰均比问题系统中的峰均比问题 15 3 1 OFDM 系统峰均比的概念 15 3 2 峰均比的分布特性 15 3 3 放大器对峰均比的影响 16 3 4 降低 PAPR 的方法 18 3 5 本章小结 18 第四章第四章 降低降低 OFDM 系统峰均比技术的研究及改进系统峰均比技术的研究及改进 26 4 1 信号预畸变处理技术 26 4 1 1 限幅类技术 26 4 1 2 压缩扩展类技术 26 4 2 编码类技术 27 4 3 扰码类技术 29 4 3 1 选择性映射法 SLM 29 4 3 2 部分传输序列法 PTS 29 4 3 3 预留子载波法 TR 29 4 4 改进的限幅技术 29 II 4 5 改进的 PTS 技术 29 4 5 1 次优迭代算法 29 4 5 2 基于次优迭代的改进 PTS 算法 SASI PTS 算法 29 4 6 改进限幅和改进 PTS 的融合算法 29 4 6 1 改进限幅和 SASI PTS 的融合顺序研究 29 4 6 2 改进限幅和 SASI PTS 的融合算法仿真 29 4 7 改进的 C 变换法 29 4 8 改进 PTS 和改进 C 变换的融合算法 29 4 9 本章小结 29 第五章第五章 结束语结束语 33 5 1 论文主要工作总结 33 5 2 存在的问题与展望 36 参考文参考文献献 57 附录附录 缩略语表缩略语表 59 致致 谢谢 62 攻读学位期间发表的学术论文及著作攻读学位期间发表的学术论文及著作 63 北京邮电大学工程硕士论文 1 第一章 引言 1 1 课题研究背景 3G 的快速发展只是暂时满足了用户对宽带化的需求 最高的比特率还是有 限的 为了进一步提高用户利用 MS 或者其它移动终端设备访问因特网时的比 特速率 人们开始进行基于 3G 的进一步演进的研究 也就是第四代蜂窝移动 通信系统 简称为 4G 4G 是一种宽带接入和分布式的系统 在室内或者静止 环境下可提供 20M 的传输速率 在车速环境下 提供高于 2M 的比特传输速率 还可以提供 20M 的下载速率 在这样的速率下 4G 所能提供的业务包括了高 质量的影像多媒体业务在内的各种数据业务和话音业务等 4G 的网络结构是一 个采用全 IP 的网络结构 也就是说它不仅核心网采用 IP 结构 整个的无线接 口也要采用 IP 技术 网络结构主要包括 CN 4GRAN 和 MN CN 的主要功能 是完成位置管理和控制呼叫控制及业务控制 4GRAN 主要完成无线传输 无线 资源控制和移动性管理 而 MN 相当于一个网关 为小型的网络提供接入 因 此 4G 的网络是一个无缝连接的网络 也就是说各种无线和有线网都能以 IP 协议为基础连接到 IP 核心网 4G 也属于蜂窝移动通信系统 它主要利用无线电波进行信息传输和交换的 而无线电波本身有很不理想的传播特性 所以移动通信信道的传播条件是非常 复杂 恶劣的 其中 多径效应是无线信道的一个主要特征 由于实际移动信 道中的散射体很多 所以移动台天线接收到的信号往往是多个电波合成的 有 的时候是同相合成 信号增强 但有的时候却是反向叠加 导致信号减弱 反 相叠加时信号会产生深度较大且快速的衰落即多径衰落 这种衰落会严重影响 信号的传输质量 造成脉冲信号的时延扩展 从而引发码间干扰 无线电波在 不同的环境中传播的时候 它的特性也不完全相同 当电波经过不同的地形地 物时 都会产生一定的慢衰落或者损耗 当传输的信号带宽大于信道相关带宽 时还会产生导致信号失真的频率选择性衰落 另外 运动中的移动台接收到的 信号往往有一定的附加频率即多普勒频移 这种频移也会对信号产生一定的干 扰 移动信道的诸多不理想特性对蜂窝系统的数字调制解调技术提出了更高的 要求 首先 要有较高的频谱利用率和极窄的功率谱 由于移动通信是一种多 波道系统 调制信号功率谱带外辐射如果较强 会产生严重的邻频干扰 为使 北京邮电大学工程硕士论文 2 干扰不影响系统的传输性能 保证数字信号的传输质量 一般要求信干功率比 不小于 20 分贝 考虑到移动台运动时的衰落深度可达 20dB 40dB 故要求已 调信号在邻道的总辐射干扰低于 20dB 40dB 其次 要有更理想的误码性能 移动通信环境最大的特点就是衰落 噪声和干扰 包括快衰落 频率选择性衰 落 多普勒频移和障碍物阻挡的联合影响 因此要选择抗衰落和抗干扰能力较 强的调制方式 另外要易于解调 由于移动通信系统接收信号的衰落和时变特 性 不易于实现快速的同步 相干解调性能可能明显变差 所以要选择适合移 动信道特点的易于解调的调制方案 正交频分复用 OFDM 是在 20 世纪 60 年代针对分散的并具有较明显衰 落特性的信道提出的一种模式 发展初期 主要被应用到了军事领域 但由于 当时的 OFDM 系统需要使用很多个 Modem 结构非常复杂 所以 OFDM 系统 发展的非常缓慢 实用性不强 但随着数字信号处理技术的快速发展 尤其是 有了离散傅氏变换 DFT 及 DFT 的快速算法 FFT 后 正交频分复用技术才真 正得到了快速的发展 逐步被广泛的应用到多种通信系统中 成为很受人们欢 迎的一种调制技术 1 2 研究 PAPR 的意义及现状 OFDM 将数据进行了串并变换 并行的数据信息承载于各个子载波中 每 个子载波中的符号周期加大 即使不引入均衡也可以大大减小码间干扰 在具 有多径衰落和频率选择性衰落特性的无线信道中也可以实现数据的高速传输 但是 OFDM 技术并不是完美无缺的 其中 高峰均比就是制约 OFDM 实际应 用的一个突出问题 在 OFDM 多载波调制系统中 相互正交的子载波在接收端输出的信号要进 行合成 如果输出的多个子信号的相位一致 则最终合成信号的瞬时功率会远 大于信号的平均功率 产生较大的峰均功率比 PAPR 较大的峰均功率比会 给系统带来很多弊端 峰均比高时可能会影响功率放大器的正常工作范围 并 造成子载波间较强的干扰和信号的失真 进而降低系统的工作性能 所以峰均 比问题是 OFDM 系统发展的一个瓶颈 同时也是必须要解决的关键问题 因为高峰均比是限制 OFDM 技术进行广泛应用的关键问题 所以国内外许 多人进行了降低峰均比技术的有关研究 目前 常用的降低峰均比技术可以分 为三大类 分别是 信号预畸变处理技术 编码类技术和扰码类技术 信号预 畸变处理技术是所有降低 PAPR 技术中较为直接的一种 它是信号经过放大器 之前 首先利用非线性变换来降低信号最大值或者最大值附近的取值 即对信 号进行预畸变处理 编码类技术是对 OFDM 数据进行 PAPR 数值运算及统计 北京邮电大学工程硕士论文 3 根据统计结果 只选择输出峰均比较小的码序列 而抑制掉峰均比较大的码序 列的输出 扰码类技术是利用扰码序列对映射后的数据进行处理 通过线性变 换得到若干个候选序列 只选择传输峰均比较小的部分 即降低了高峰均比的 概率 本文在介绍这三大技术的基础上又进行了改进 并提出了一种改进的扰 码类算法 实现了改进扰码技术和信号预畸变处理技术的融合算法 1 3 论文内容安排 本文内容共分为四章 具体安排如下 第一章 引言 介绍课题的研究背景以及本文所讨论的降低 PAPR 的意义及 现状 第二章 OFDM 系统介绍 简要介绍 OFDM 的系统结构 参数选择和技术 优势 第三章 OFDM 系统峰均比问题的研究 介绍了峰均比的引入原因及分布 特性 重点研究了降低峰均比的实用技术 并在此基础上进行了改进 提出了 改进的扰码类算法 SASI PTS 实现了该算法和信号预畸变处理技术中的改进限 幅技术的融合算法 并利用仿真验证了该算法的可行性 第四章 结束语 对本文所讨论的降低峰均比的技术进行总结归纳 指出本 文算法的优势 不足及未来降低 PAPR 的发展方向 北京邮电大学工程硕士论文 4 第二章 OFDM 系统简介 OFDM 采用的是一种并行传输机制 它将典型的串行数据流变换为并行的 系统利用多个子载波 将频域内的信道划分为若干个正交的子信道 因各个子 载波之间存在正交性 故扩频调制后的频谱在频带上是可以互相交叠的 即正 交频分复用系统拥有很高的频带资源利用率 另外 OFDM 即使在传播环境非 常恶劣的无线系统中 也能够实现高速的数据传输 虽然无线信道有着很不理 想的传播特性 具有频率选择性衰落 但是每个子信道的特性是平坦的 传输 的信号带宽小于信道的相关带宽 大大降低了频率选择性衰落对信号的影响 消除了码间干扰 迎合了 3G 及 4G 系统对调制解调技术的要求 2 1 OFDM 基本原理 2 1 1 子载波调制原理 4G 有较高的传输速率要求 但无线信道的传播环境很复杂 信号在传输的 过程中有明显的时延扩展 这便造成了很强的符号间干扰 ISI OFDM 系统 为了克服这一缺点 采用了多个子载波的多载波传输技术 多载波传输技术是将原来高速传输的数据流通过串并变换变为低速传输的 数据 这样每个数据符号的时域长度变大 从而在一定程度上降低了由时延扩 展引入的符号间干扰 也就是说 原始数据被分为若干个子部分 每个子部分 的数据传输速率相对来说是比较低的 然后将这些数据进行子载波调制 为了提高频带资源的利用率 OFDM 系统中各子信道频谱是重叠的 即子 载波要求满足正交性 符号频谱满足奈奎斯特准则 也就是说 当某一个子信 道频谱取最大值的时候 其它子信道频谱取值刚好为零 为了保证子载波的这 种正交特性 各相邻的载波要差一个周期 OFDM 利用子载波调制解调的基本 模型框图如下图 2 1 所示 由图得 发送端首先对原始数据进行 S P 变换将数 据流变为并行的 然后各子信道的数据符号利用子载波进行调制 各子载波进 行调制时的方式可不同 即各子信道的传输 bit 可不同 系统的灵活性得到一定 程度的改善 然后子信道的输出再进行合并传输 到达接收端后经过和发送端 相反的操作即可恢复出原始数据 北京邮电大学工程硕士论文 5 图 2 1 OFDM 系统基本模型图 假设子载波的总个数用 N 表示 T 是符号周期 OFDM 符号的持续时间 S t 是 OFDM 符号 f1 f2 fN 1 表示 N 个子载波的频率 d1 d2 dN 1 表示每个子信道的数据符号 且假设 retc t 1 t Z 1 P PAPR Z 1 1 e Z N 3 3 上式中的 Z 是设定的阈值 而互补累积函数指的是峰均比高于阈值的概率 下图 3 2 是互补累积函数 CCDF 的仿真图形 图形给出了 N 32 64 128 256 时的概率取值 较为直观的统计出了峰均比的分布情 况 所以利用互补累积函数来研究 PAPR 是值得我们推崇的方法 北京邮电大学工程硕士论文 14 图 3 2 互补累积函数的仿真图形 3 3 放大器对峰均比的影响 若 OFDM 系统中多个子载波信号在时域上刚好同相合并时 输出信号会达 到一个峰值 出现高峰均比的情况 高峰均比的信号若未落在放大器的线性范 围内 那么从放大器输出的信号会产生失真 如果使 HPA 处于非线性状态 则 它的工作效率会较低 所以高峰均比的信号会提升对功率放大器等硬件的要求 峰值越大 功放的动态变化范围势必也要加大 本小节主要研究放大器对峰均 比及高峰均比对系统所产生的影响 无线通信系统中用的大多数放大器是无记忆的 常用的放大器主要有三种 分别是 SL 型 TWT 型和 SSPA 型 若输入到放大器的信号为 x sej 则从放 大器输出的信号可以用 3 4 式描述 3 4 其中 A S 属于 AM 模值响应 部分 S 属于 PM 相位响应 部分 下面简要说明上述三种放大器对信号的影响 SL 型放大器基本上没有对信号的相位产生影响 它对信号的处理过程可看 为一个限幅操作 即首先设定一个阈值 A 当输入信号幅值小于此阈值时 信 号幅值按实际输出 当输入信号幅值大于此阈值时 信号的输出幅值为设定的 阈值 若 A 1 则 SL 型放大器的放大特性可用图 3 3 描述 当输入信号幅值小于 1 时 放大器处于理想的线性工作范围 模值按实际 北京邮电大学工程硕士论文 15 输出 若输入幅值大于 1 则按阈值输出 图 3 3 SL 的放大特性图 TWT 是行波管型放大器 它的使用频次较低 主要应用于高端的复杂通信 系统如卫星移动通信系统中 它对信号的模值响应和相位响应可用 3 5 式和 3 6 式描述 3 5 3 6 其中 A0是 TWT 的饱和阈值 若A0 1 则 TWT 的放大特性可用图 3 4 描述 由图 3 4 知 当输入信号幅值小于阈值A0时 TWT 工作在理想区域内 当信号 幅值等于 2 时 获得一个峰值输出 若输入信号幅值大于 2 则输出呈现一个 下滑的趋势 输入值为 2 是一种临界取值 为使 TWT 处于线性区域内 应保 北京邮电大学工程硕士论文 16 证信号输入小于阈值 图 3 4 TWT 的放大特性图 SSPA 是固态功率放大器 这种功率放大器的使用频次较高 被广泛应用 到蜂窝移动通信系统中 它对信号的作用原理可用 3 7 式表示 3 7 其中 A0是 SSPA 的饱和阈值 P 是一个参数 P 取值的大小决定着 SSPA 从理 想工作范围到饱和区域的转换速率 图 3 5 给出了 SSPA 型放大器中 P 取值不 同时的放大特性 由 SSPA 的放大特性图可得 放大器的理想线性工作范围大小 和参数 P 取值成正比 即 P 较大时 线性区域也较大 到饱和区域的转换较快 但是 P 的取值也不能太大 由 3 7 式知 当 P 的取值过大时 SSPA 型放大器就 变为 SL 型的了 在实际放大器应用中 一般 P 的取值范围为 2 P 3 通过上述的讨论知 在 OFDM 系统中 高峰均比的出现提高了对功率放大 器的要求 PAPR 越大 功率放大器的动态变化范围也就越大 那么功放的效 北京邮电大学工程硕士论文 17 率会变得更低 但是 OFDM 中多个子载波信号叠加时出现相位高度一致的概率 很小 一般不会超过 0 1 所以为了减小这种小概率出现的高峰均比而导致 功率放大器放效率降低的方法是不可取的 现在常用的降低 PAPR 技术的核心 思想并不是处理功率放大器 而是从信号本身着手 通过某些信号变换使其落 在功放的线性工作范围内 图 3 5 SSPA 的放大特性图 3 4 降低 PAPR 的方法 由于 PAPR 加大了功率放大器的线性要求及系统的复杂性 所以高 PAPR 是 OFDM 技术进行实际应用的一个瓶颈问题 目前 国内外很多人员研究了 OFDM 系统降低峰均比的方法 总的来说 可以分为三种技术 分别是 信号 预畸变处理技术 编码类技术和扰码类技术 后续章节会分别重点研究这三种 技术并在现有技术基础上进行改进以求获得更理想的 PAPR 性能 信号预畸变处理技术是三种技术中比较直观的一种 它对信号的处理过程 比较简单 效果明显 但是这种方法最大的缺点是存在信号的失真 产生附加 的带内外干扰 编码类技术考虑到 OFDM 系统中高峰均比的出现概率较小 所以可以通过 北京邮电大学工程硕士论文 18 对信号进行编码处理达到降低系统峰均比的目的 通过对信号进行编码操作 改变各子载波之间的相位关系 使得当某些子载波信号取最大值时 而另外的 信号会取得最小值 数据传输时 只选择满足峰均比要求的码字输出 由于引 入了编码 所以多了一些额外的比特开销 但是编码类技术对信号进行的是一 种线性处理 所以不会像信号预畸变处理技术那样引入明显的带内外干扰 扰码类技术也称为概率类技术 它的主要原理是减小高峰均比出现的概率 概率类技术对信号进行的也是一种线性变换 不会产生带外辐射 但由于它引 入了扰码序列对信号进行处理 所以也存在额外的比特开销 下一章会研究扰 码类技术中常用的三种方法 分别是选择性映射法 部分传输序列法和预留载 波法 上述这三种降低 OFDM 系统峰均比的技术各有其优缺点 选择哪种技术还 要根据系统的具体要求和各种技术的不同算法特性来综合考虑 3 5 本章小结 本章主要介绍了 OFDM 系统中峰均比的概念 给出了峰均比的数学定义式 并分析了峰均比的分布特性 总结出利用互补累积函数来研究 PAPR 是我们今 后常用的方法 然后重点介绍了功率放大器对信号峰均比的影响 最后简单介 绍了降低 PAPR 的可用方法 为下一章详细研究降低峰均比技术及技术改进打 好理论铺垫 北京邮电大学工程硕士论文 19 第四章第四章 降低降低 OFDM 系统峰均比技术的研究及改进系统峰均比技术的研究及改进 本文的第三章中指出了多个子载波叠加而产生的高峰均比是 OFDM 技术进 行实际应用的一个重要问题 PAPR 过大 有可能超出放大器的动态变化范围 即会使发射机的功放处于饱和状态 造成信号的严重畸变 打破子载波之间的 正交性 产生明显的互调干扰 最终导致 OFDM 系统性能的下降 故降低峰均 比是 OFDM 系统中各项应用技术的一项重点 目前 国内外用于降低 OFDM 峰均比的技术可以归纳为三类 分别是 信号预畸变处理技术 编码类技术和 扰码类技术 每种技术都不是尽善尽美的 都有它的优势和弊端 我们应该根 据实际系统对峰均比 误码率等要求和每种算法的运算量等方面进行综合选择 本章在介绍信号预畸变处理技术 编码类技术和扰码类技术的基础上又对 某些算法进行了深层研究 并提出了改进方案以获得更理想的 PAPR 性能 最 终借助 Matlab 软件进行仿真和分析验证了改进方案的可实施性 4 1 信号预畸变处理技术 信号预畸变处理技术是所有降低 PAPR 技术中较为简单的一种 为了保证 输出信号不落入功率放大器的非线性工作区域 使信号经过放大器之前 首先 利用非线性变换来降低信号最大值或者最大值附近的取值 即对信号进行预畸 变处理 处理完的信号降低了峰均比值 会使放大器处于正常的线性工作范围 内 这种方法最大的弊端就是会造成信号的失真 但是它同时也具有处理简单 效果明显的优势 目前采用的信号预畸变处理技术主要可以分为两类 限幅类 和压缩扩展类技术 4 1 1 限幅类技术 1 直接限幅技术 直接限幅是限幅类技术中最简单的一种 也称硬限幅 它的操作方法是设 定一个阈值 A 当 OFDM 信号的取值小于 A 时 信号按照实际值输出 若信号 取值大于 A 则信号输出值为阈值 A 直接限幅技术可用 4 1 式进行表述 北京邮电大学工程硕士论文 20 4 1 原理如下图 4 1 所示 直接限幅技术可看做信号和一个矩形函数相乘的过程 由信号时域与频域的变换关系知 信号在时域的相乘运算势必会造成频域频谱 的卷积运算 故限幅后信号的频谱是原始信号频谱和矩形函数频谱进行卷积运 算的结果 而矩形函数频谱是抽样状的 有尾巴振荡 故信号频谱被展宽 降 低了频带资源利用率 也就是说 直接限幅中信号的非线性变换会带来信号的 失真及较明显的带外辐射问题 图 4 1 直接限幅原理图 为了应对直接限幅带来的上述问题 我们可以选择用 Gaussian Hamming Kaiser 以及 Cosine 等这些特性较好的函数来替代矩形函 数 因为它们有更窄的频带 会减小 OFDM 信号的失真程度及带外辐射 采用 了较为理想的窗函数后 可降低带外干扰和误码率 提高频带资源利用率 系 统的总体性能可得到一定程度的改善 2 过渡限幅技术 软限幅技术 过渡限幅是对直接限幅进行改进后的一种限幅技术 也称软限幅 由前面 所述可知 直接限幅技术中 当信号取值大于设定的阈值时 输出的信号值就 用一条水平直线来替代 即用窗函数直接将信号大于阈值的部分阻断 所以带 来了较为明显的信号失真 而过渡限幅技术在限幅部分利用有过渡的斜线替代 了直线 使变化过程缓和一些 过渡限幅的基本原理如下图 4 2 所示 其中 max 代表最大值 Bmax和 Amax是过渡限幅的起始和终止取值 由于软限幅技术在过渡范围内是呈斜线的变化规律 故和直接限幅技术相 比 它有较小的失真和带内干扰 可以在一定程度上改善系统的误码性能 降 北京邮电大学工程硕士论文 21 低误码率 但是这种方法还是不能避免较强的带外辐射 这也是需要改进的主 要方面 图 4 2 过渡限幅原理图 衡量限幅技术的一个重要指标是限幅率 CR 它的定义为 4 2 式 4 2 其中 Amax 表示限幅阈值 Pin 是原始信号功率的平均值 由上式可得 限幅 阈值越大 限幅率就越高 被限幅拦截的信号点数会越少 通过限幅降低 PAPR 的效果就越不理想 但是 CR 越大 由限幅引入的带外干扰会越小 所 以要根据降低 PAPR 效果的要求来设定合理的限幅率 限幅技术有操作直观简单的优势 但也存在明显的缺陷 1 当信号幅值较大时 对信号进行了非线性处理 产生了额外干扰 造 成信号失真 系统误码率提升 降低了系统可靠性 且门限阈值 A 越小 系统 的可靠性越不理想 2 由于限幅技术使 OFDM 信号和窗函数进行作用 而窗函数的旁瓣衰 减速率较低 频谱特性不太理想 故限幅处理后的信号频谱展宽 带外辐射加 大 导致 OFDM 频带资源利用率的下降 为了对上述问题进行改进 后续章节将对限幅技术进一步研究 对信号进 行限幅及滤波的重复操作 可以在一定程度上改善系统的可靠性和有效性 4 1 2 压缩扩展类技术 压缩扩展类技术是采用 PCM 编码理论中非均匀量化的压缩扩展变换而引 北京邮电大学工程硕士论文 22 入的 在 OFDM 系统的发送端 信号经过 IFFT 由频域映射到时域后 先经过 压缩变换 然后再上信道传输 到达接收端后 信号经过和发送端相反的处理 过程即扩展变换后再进行 FFT 操作 具体原理如图 4 3 所示 图 4 3 压扩法降低 OFDM 峰均比原理框图 传统的压扩方法把重点放在了小信号处 改善小信号输入的情况 提高小 信号功率值 而大信号功率值不变 经过这种变换后 信号功率的平均值势必 会增大 因此不易于改善系统的峰均比 现在采用的压扩方法是在传统方法基础上进行了改善 改善后的方法也叫 做 C 变换法 C 变换法的基本原理是不仅增大小信号功率 同时还降低大信号 功率 这样可以保证变换前和变化后信号功率的平均值基本不变 这种压扩方 法可以在一定程度上改善小信号的抗干扰性能 而且系统可获得较为理想的峰 均比输出 发送端对 IFFT 后的信号进行压缩处理时 可以采用 A 律或者 律 目前 用的较多的是 律的压扩变换方法 设未经压缩的 OFDM 时域信号为 xk 则 经过 律变换后为 4 3 式 4 3 上式中 A 是 OFDM 信号幅值的平均取值 它也是对信号进行功率放大或者减 小的门限值 当 xk的模值大于 A 时 对信号进行减小 当 xk的模值小于 A 时 对信号进行放大 在接收端 要通过相反的逆操作来恢复原始信号 则 rk 经过反变换后为 4 4 式 4 4 北京邮电大学工程硕士论文 23 其中 A 表示 rk幅值的平均取值 若系统的子载波个数为 N 256 且调制解调方式为 QPSK 那么图 4 4 给 出了利用 C 变换法且 参数取值不同时的 CCDF 曲线图 由图可知 当 Pr 10 3时 未经压扩变换的 PAPR 值为 11 2dB 当 取值为 1 时 PAPR 值为 7 2dB 当 取值为 3 时 PAPR 值为 5 5dB 数值分别减小了 4dB 和 5 7dB 故采用 C 变换能有效改善峰均比性能 且 较大时效果更佳 图 4 4 压扩 C 变换法降低 PAPR 的 CCDF 曲线 但是压扩变换也是一种非线性变换 所以会造成信号的失真及带外干扰 导致系统误码性能的下降 图 4 5 是不同 取值时的误码率特性曲线仿真图 北京邮电大学工程硕士论文 24 图 4 5 压扩 C 变换法降低 PAPR 的误码性能 由图可得 为 3 时的误码性能明显比 取值为 1 和未经 C 变换时的性 能差 即 取值越大 误码性能越不理想 和改善峰均比的情况是相反的 故 压扩变换中的 值不宜过大 一般在 5 时可获得较好的降低峰均比的效果 4 2 编码类技术 由前面的研究可知 OFDM 系统中高峰均比的出现概率并不高 所以我们 可以通过对信号进行编码处理达到降低系统峰均比的目的 该方法的基本原理 是对 OFDM 数据进行 PAPR 数值运算及统计 根据统计结果 只选择输出峰均 比较小的码序列 而抑制掉峰均比较大的码序列的输出 通过对信号进行编码处理来降低系统峰均比的操作过程是对信号进行的线 性变换 故和信号预畸变处理技术相比 它不存在较明显的信号失真和带外干 扰 这也是它最大的优势所在 若 R 代表编码后速率 则 R 可以表示为 4 5 式 4 5 其中 C 表示码字子集 N 为子载波个数 Pr S 表示 S 的发生概率 q 表示星座图大小 编码类技术要使 C 满足 北京邮电大学工程硕士论文 25 PAPR C PAPR0 表示 PAPR 高于阈值 的概率 那么图 4 6 所示的 M 条支路输出的峰均比都高于阈值的概率为 Pr PAPR PAPR0 M 随着 M 值的增大 概率会变小 下图 4 7 是选择性映 射法的峰均比 CCDF 曲线 其中参数设置如下 扰码序列个数分别为 M 2 4 8 子载波个数为 128 随机序列是 1 1 104个 OFDM 数据符号 4 倍过采样并采用 QPSK 调制方式 由图知 通过选择性映射可明显改善高峰均 比问题 随着 M 取值的增大 效果会越来越理想 当 CCDF 为 10 3时 M 取值为 2 4 和 8 时分别大概改善了 1 1dB 2 1dB 和 2 8dB 在选择性映射中 M 个伪随机扰码序列的选择直接关乎着改善高峰均比的 程度 在蜂窝移动通信系统中 建议选用具有正交性的 Walsh 函数码 Walsh 北京邮电大学工程硕士论文 27 函数码是源于哈达玛矩阵的 如下图 4 8 所示 哈达玛矩阵中任意两行或者任 意两列对应位置的元素相乘并取和的结果一定为零 即满足正交性 选择这种 具有正交性的码序列来进行选择映射输出会更好的改善 PAPR 图 4 7 选择性映射法 CCDF 曲线 图 4 8 哈达玛矩阵 通过上面的研究可知 选择性映射法是一种不会引起信号畸变的降低峰均 比方法 但是它也存在一些缺点 由于引入了扰码运算 发端需要把扰码信息 传给收端 这便加入了冗余比特 提高了系统成本 另外 运算过程也比较复 杂 加大了运算量 所以 SLM 改善 OFDM 的 PAPR 是靠大运算量换得的 4 3 2 部分传输序列法 PTS 部分传输序列 PTS 也属于利用扰码技术来降低 OFDM 系统峰均比的一种 北京邮电大学工程硕士论文 28 方法 它的基本原理是 设未经调制的原始数据长度为 N 且表示为 X X0 X1 XN 1 把 X 分割为 V 个子数据块 每部分的长度为 N V 并可 表示为 XV 然后对每个数据块部分进行 IFFT 变换 即将频域数据映射到时域 时域符号为 xv v 1 2 V 每部分和不同的相位旋转因子相乘 最后再取和 即可以表示为 4 6 式 4 6 上式中的 bv表示相位旋转因子 我们选择合适的 bv可以获得较小的峰均比值 bv可以表示为 exp j v v在 0 2 内是分布均匀的 考虑到收端的译码 情况 v一般在 0 2 3 2 中取值 即 bv 1 j 1 j 用公式可以表示为 4 7 式 4 7 部分传输序列 PTS 对信号具体的处理过程可通过 4 9 图进行描述 图 4 9 部分传输序列的基本原理图 对原始数据进行分割可以采用三种方法 分别为 相邻式 交织式和随机 式分割 如下图 4 10 所示 相邻式是把临近的子载波分到信息码组中 交织式是把子载波等间隔 以 V 为间隔 的进行分配 而随机方式是进行随机的子载波分配 根据上述的分 配原则可知 相邻式分割的信息码组的相关性最大 其次是交织式分割的 相 北京邮电大学工程硕士论文 29 关性最小的是随机式分割 但是随机式分割时所需要的子载波的额外比特开销 较大 而交织式分割时的额外比特开销相对小一些 具体选择哪一种分割方式 还要根据系统特性 比特开销 相关性和峰均比等方面的要求综合考虑 图 4 10 PTS 中的数据分割方式 接下来对三种方式进行具体的比较 参数为 选取 105个 OFDM 数据符号 256 个子载波 原始频域数据分为 4 个子块 V 4 两个相位旋转因子 调制 方式为 QPSK 4 倍过采样 下图 4 11 是相邻式 交织式和随机式分割时的性能 比较曲线 图 4 11 PTS 中三种不同分割方式的峰均比性能比较 如上图所示 当 Pr PAPR PAPR0 10 3时 未采用 PTS 分割时 峰均比输出大 概为 11 3dB 采用随机分割 相邻分割和交织分割后的峰均比输出分别为 7 3 北京邮电大学工程硕士论文 30 dB 7 8 dB 和 8 dB 峰均比依次改善了 4 dB 3 5 dB 和 3 3 dB 在部分传输序列法中 随着 V 分割子块个数 取值的不同 改善峰均比 的效果也不相同 下面进行 V 取值不同时的 PAPR 性能比较 参数为 选取 105 个 OFDM 数据符号 256 个子载波 将数据进行交织式分割 两个相位旋转因子 调制方式为 QPSK 4 倍过采样 下图 4 12 分别表示了分割子块个数为 4 和 8 的 系统峰均比性能曲线 图 4 12 PTS 中 V 不同时的峰均比性能比较 由上图可知 当 Pr PAPR PAPR0 10 3时 没有采用部分传输序列 PTS 分割 的峰均比输出大概是 11 3dB 当数据进行交织分割且分割子块数为 4 V 4 时 的峰均比输出是 9 6dB 而当 V 8 时的峰均比输出是 8 0dB PAPR 分别改善了 1 7dB 和 3 3dB 所以 V 值越大 系统改善峰均比输出的效果就越理想 另外 利用部分传输序列法 PTS 降低系统峰均比的过程还和相位旋转因 子个数有关 我们习惯用 W 表示相位旋转因子个数 下面对当 W 取值不同时获 得的 PAPR 进行比较 参数为 选取 105个 OFDM 数据符号 256 个子载波 将数 据进行交织式分割 子块数 V 4 调制方式为 QPSK 4 倍过采样 图 4 13 是 W 分别取值为 2 和 4 时的 PAPR 性能比较 由图得 当 Pr PAPR PAPR0 10 3时 没有采用部分传输序列 PTS 分割的峰均比输出大 概是 11 3dB 当数据进行交织分割且相位旋转因子个数为 2 时的峰均比输出大 概是 9 6dB 而当 W 4 时的 PAPR 是 8 7dB 峰均比依次改善了 1 7dB 和 北京邮电大学工程硕士论文 31 2 6dB 故随着 W 的增大 PAPR 值会变小 当子载波个数不同时 峰均比值也是不同的 下面对不同子载波个数时的 峰均比性能进行分析 参数为 选取 105个 OFDM 数据符号 将数据进行交织式 分割 子块数 V 4 调制方式为 QPSK 4 倍过采样 相位旋转因子个数为 2 W 2 子载波个数用 N 表示 当 N 32 64 和 256 时的峰均比性能如下图 4 14 所示 图 4 13 PTS 中相位个数不同时的性能比较 图 4 14 PTS 中子载波个数不同时的性能比较 北京邮电大学工程硕士论文 32 由图知 当 Pr PAPR PAPR0 10 4时 若子载波个数为 32 原始 PAPR 为 11 0 dB 应用部分传输序列后输出的峰均比为 9 0 dB 峰均比改善了 2 0 dB 当子载波个数为 64 时 原始 PAPR 为 11 3 dB 应用部分传输序列后输出 的峰均比为 9 5 dB 峰均比改善了 1 8 dB 若子载波个数为 256 原始 PAPR 为 12 dB 应用部分传输序列后输出的峰均比为 10 1 dB 峰均比改善了 1 9 dB 由此可得 无论子载波个数取值如何 部分传输序列法 PTS 都可以在一 定程度上降低 OFDM 系统的峰均比 以上便是部分传输序列 PTS 的基本原理及三种不同的数据分割方式的介 绍 总的来说 PTS 是通过将随机扰码加入到分割的子数据块中 最终改变码 序列之间的相位关系 降低各部分同相时的高峰均比概率 但这种方法也存在 和 SLM 类似的问题 即发端要将相位旋转因子的信息和有效信息都传送到收端 这便产生了额外的比特开销 造成了信道资源的浪费 同时也加大了系统的复 杂度 4 3 3 预留子载波法 TR 预留子载波法也称作子载波预留法 该方法的基本思路是 若 OFDM 系统中 包含 N 个子载波 我们可以利用这 N 个子载波中的多数载波来传输有用数据 而剩余的载波可以用于其他地方 例可用它来传输一些冗余比特 即把冗余信 息加到频域数据中 然后对频域数据进行快速傅里叶反变换映射到时域 在时 域抑制掉峰值 那么这些子载波便是用于产生较小峰均比的信号的 预留子载 波的比率 TTR 一般在 5 15 比如现有某一个 LTE 系统 包含的子载波总 数 N 2048 那么可以选用其中的 1200 个子载波传输有用信息 另外的 848 个 会处于 Idle 状态 处于 Idle 状态的某些子载波可以用于产生降低 OFDM 系统 PAPR 的信号 在进行预留子载波选择时