降低OFDMSC-FDMA系统峰均比技术研究

降低OFDM/SC-FDMA系统峰均比技术研究正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)技术具有高频谱效率以及良好的抗多径衰落特性,因而被广泛应用于实际通信标准中,例如:第三代合作伙伴计划长期演进(TheThirdGenerationPartnershipProjectLongTermEvolution,3GPP-LTE)与IEEE802.11a/g无线局域网等标准。但该技术的一个主要缺点就是发射信号的峰均比(Peak-to-AveragePowerRatio,PAPR)过大。为降低发射信号的PAPR,3GPP-LTE标准的上行采用了一种特殊的“线性预编码”的OFDM技术,即单载波频分多址(SingleCarrierFrequencyDivisionMultipleAccess,SC-FDMA)传输技术。虽然SC-FDMA信号比OFDM信号的PAPR大大降低,但其PAPR随着系统采用的调制星座图PAPR的变大而增大。尤其在未来无线通信系统普遍采用高阶调制的情况下,SC-FDMA发送信号的PAPR将会很大。具有大PAPR的传输信号在经过功放等非线性器件时会产生严重的带内失真与带外扩展,严重影响无线通信系统的性能,并对邻道工作的系统造成干扰。为降低系统的非线性失真,通常需要将发射信号进行功率回退,这大大降低了功放的功率效率。本文针对OFDM/SC-FDMA信号的PAPR问题,综合考虑降低PAPR性能、数据速率损失、运算复杂度以及误比特率性能之间的折衷,深入分析与研究了OFDM/SC-FDMA系统中实用、有效的降低PAPR技术,论文的主要研究内容和贡献包括以下几个方面:1.针对OFDM与SC-FDMA系统,分别给出了OFDM与SC-FDMA的系统模型与信号模型。在信号模型基础上,给出了PAPR的定义,分析了各自系统中大PAPR的成因以及PAPR的分布特性。针对OFDM/SC-FDMA系统中的PAPR问题,从降低PAPR对系统能量效率与频谱效率的影响以及节省系统发射功率方面分析了降低PAPR给系统带来的性能提升。2.在降低OFDM信号PAPR方面,提出了低复杂度的盲选择映射(SelectedMapping,SLM)方法。利用实际系统帧结构,提出方法将一个或几个OFDM符号看作一个符号块,使得每个符号块中都有一个OFDM符号具有导频子载波。每个符号块采用相同的相位旋转矢量产生备选信号块,然后从中选择PAPR最低的备选信号块作为发射信号块。通过巧妙设计相位旋转矢量并利用与相位旋转矢量对应的转换矩阵与原信号块的时域相乘运算代替反傅里叶变换(InverseFastFourierTransform,IFFT)运算产生备选信号块,使得提出的SLM方法具有很低的复杂度并且可以在接收端利用接收到的导频符号估计出等效信道而实现了不需要边信息的数据盲检测。提出方法具有很低的复杂度且不需要传输边信息,为SLM方法在实际系统中的应用提供了非常实用的框架。3.在降低OFDM信号PAPR方面,研究了低收发复杂度的半盲SLM方法。针对单天线收发系统,提出了将边信息嵌入导频子载波的低收发复杂度的半盲SLM方法。在发送端设计了特殊的相位旋转矢量,从而实现了发送端备选信号的低复杂度生成以及将边信息嵌入导频子载波。在接收端给出了导频辅助的低复杂度边信息检测方案,从而在不传输边信息的条件下检测出发送数据。分析与仿真结果表明,其收发端复杂度比传统半盲SLM方法大大降低并可以达到与具有理想边信息的SLM方法基本一致的BER性能。针对两天线Alamouti编码的多输入多输出正交频分复用(Multiple-inputMultiple-outputOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,MIMO-OFDM)系统,提出了将边信息嵌入数据子载波的低收发复杂度的半盲SLM方法。在提出方法中,研究了发送端将边信息嵌入数据子载波的低复杂度备选信号的生成方案,并给出了接收端利用接收数据进行边信息检测的低复杂度算法。分析与仿真结果表明,与传统半盲SLM方法相比,所提方法可以达到更好的边信息检测性能以及相近的降PAPR与BER性能,并且收发端的复杂度大大降低。4.在降低SC-FDMA信号PAPR方面,研究了低复杂度、不增加系统额外带宽的简单易行的降PAPR方法。针对编码SC-FDMA系统,在深入分析SC-FDMA信号大峰值形成原因的基础上,提出了一种不需要额外带宽的简单易行的降PAPR方法。通过引入极少量的误比特将每个子帧中造成峰值大于给定门限值的外围星座点替换为内部星座点,从而降低了发射信号的PAPR。在接收端,引入的极少量误比特对系统BER造成的影响,可以通过信道译码大大减轻。所提方法具有很低的复杂度,并且可以有效降低SC-FDMA信号的PAPR。针对常规SC-FDMA系统,为避免传统脉冲成形方法引入的额外带宽以及噪声增强影响,提出了随机脉冲成形的降PAPR方法。在所提方法中,设计了一组不引入额外带宽并且能以很低复杂度产生备选信号的加权窗向量。将每个时隙的SC-FDMA符号当作一