4G技術(shù)中降低OFDM系統(tǒng)PAPR的研究

袁麗娜+茍先彬

摘要：在4G技術(shù)中，針對(duì)正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)的高峰均功率比值（PAPR）問(wèn)題，對(duì)傳統(tǒng)的部分傳輸序列（PTS）算法進(jìn)行了改進(jìn)，把傳統(tǒng)只進(jìn)行相位擾動(dòng)改進(jìn)為相位和幅度同時(shí)作用，改善了系統(tǒng)的PAPR性能。同時(shí)，對(duì)相位序列的取值范圍進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了取值范圍的變化對(duì)PAPR值的影響。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的PTS算法和傳統(tǒng)算法相比，PAPR性能有了1dB的下降。

關(guān)鍵詞：4G；OFDM；PAPR；PTS

1引言

4G（The 4th Generation Mobile CommunicationTechnology，第四代移動(dòng)通信技術(shù)）技術(shù)，其核心技術(shù)之一是正交頻分復(fù)用OFDM（Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交頻分復(fù)用）技術(shù)，OFDM技術(shù)是一種無(wú)線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，主要是在頻域內(nèi)將所給信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，且各個(gè)子載波并行傳輸。OFDM特別適合于存在多徑傳播和多普勒頻移的無(wú)線移動(dòng)信道中傳輸高速數(shù)據(jù)，能有效對(duì)抗多徑效應(yīng)，消除ISI，對(duì)抗頻率選擇性衰落，信道利用率高。OFDM可視為一種調(diào)變技術(shù)及一種多任務(wù)技術(shù)，為多載波（Multi-carrier，多載波）的傳送方式。

2 OFDM的基本原理

OFDM系統(tǒng)最基本的原理是把高速率的數(shù)據(jù)流（帶寬為W）分解為N個(gè)低速率的數(shù)據(jù)流，然后把這些數(shù)據(jù)流在不同的子載波上同時(shí)傳輸。當(dāng)N足夠大時(shí)，每個(gè)子載波的帶寬（W/N）小于信道的相關(guān)帶寬（Bc）。因此每個(gè)子載波經(jīng)過(guò)平坦衰落，而平坦衰落可以通過(guò)簡(jiǎn)單的頻域單抽頭均衡器來(lái)彌補(bǔ)。每個(gè)子載波之間相互正交，由于正交性保護(hù)了在接收端每個(gè)子載波能夠分離，因此子載波可以在頻域上相互重疊。

OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)。其核心是將信道分成若干個(gè)正交子信道，在每個(gè)子信道上進(jìn)行窄帶調(diào)制和傳輸，這樣減少了子信道之間的相互干擾。在OFDM系統(tǒng)中各個(gè)子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間相互干擾，同時(shí)又提高了頻譜利用率，在各個(gè)子信道中的這種正交調(diào)制和解調(diào)可以采用—對(duì)傅立葉變換（IFFT和FFT）實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

3技術(shù)比較及優(yōu)缺點(diǎn)

OFDM系統(tǒng)把高速數(shù)據(jù)流通過(guò)串/并轉(zhuǎn)換，使得每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)長(zhǎng)度相對(duì)增加，從而可以有效地減小無(wú)線信道的時(shí)間彌散所帶來(lái)的ISI；由于各個(gè)子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因此與常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)可以最大限度地利用頻譜資源；各個(gè)子信道中的這種正交調(diào)制和解調(diào)可以采用IDFT和DFT方法來(lái)實(shí)現(xiàn)；可以很容易地通過(guò)使用不同數(shù)量的子信道來(lái)實(shí)現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。

OFDM系統(tǒng)有一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)，由于信號(hào)的幅值動(dòng)態(tài)范圍過(guò)大，OFDM信號(hào)的平均信號(hào)功率和信號(hào)峰值功率之間相差太大，從而造成峰均比過(guò)大。多載波調(diào)制的本質(zhì)就是各子載波之間相互獨(dú)立，因此這些子載波的幅值范圍很大，子載波的幅值疊加或者抵消，從而導(dǎo)致總信號(hào)的功率變化范圍很大。信號(hào)功率變化范圍太大就對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的問(wèn)題，因?yàn)榘l(fā)射機(jī)和接收機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到最小失真信號(hào)功率的范圍。

4 PTS法降低PAPR并用MATLAB進(jìn)行仿真

其中，argmin（·）表示函數(shù)取得最小值時(shí)所使用的依據(jù)條件。若將加權(quán)因子bv的取值個(gè)數(shù)用w來(lái)表示，對(duì)于V個(gè)子塊來(lái)說(shuō)，bv取值有WV種，然后，對(duì)于子載波數(shù)目為N的OFDM系統(tǒng)，每實(shí)施一次PTS算法，將計(jì)算V個(gè)N點(diǎn)IFFT變換；N·W·V次復(fù)乘運(yùn)算和V·W·V次復(fù)加運(yùn)算，隨著V，w值的增加，PTS算法的計(jì)算量將呈指數(shù)上升。

PTS方法首先將進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)向量劃分為M個(gè)互不重疊的子向量，每個(gè)子向量中的子載波都乘于相同的旋轉(zhuǎn)因子，不同的子向量的旋轉(zhuǎn)因子是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。這些旋轉(zhuǎn)因子能夠最大的抑制PAPR，圖2為PTS原理。

4.2用matlab進(jìn)行仿真

仿真結(jié)果如圖3所示，藍(lán)色線為最初的峰值平均功率比11dB左右，在CCDF=10-4時(shí)，紅色線為用PTS法降低pPAPR后的，值為9.3dB左右，用PTS法很明顯地降低了PAPR。

圖4是在CCDF=10-1時(shí)，當(dāng)V=4，8時(shí)PTS的仿真圖。從圖4中可以看出，當(dāng)V 4時(shí)，PAPR降至8.5dB，圖中紅色線所示；當(dāng)V 8時(shí)，PAPR降低至7.8dB，圖中藍(lán)色線所示，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，PAPR再一次降低。

5結(jié)語(yǔ)

文章主要論述了降低OFDM系統(tǒng)峰均比的方法部分傳輸序列（PTS）法，并用MATLAB對(duì)這種方法進(jìn)行了仿真與分析，仿真結(jié)果表明在不增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)的情況下適當(dāng)選取參數(shù)可獲得最佳降低峰均比的效果。