New Algorithms for PAPR Reduction with Low Complexity in OFDM Communication System.pdf

1、近些年，計算機網(wǎng)絡通信在有線通信和無線通信系統(tǒng)中，扮演著越來越重要的角色。因為其主要的目的是傳送從模擬信號轉(zhuǎn)變成的數(shù)字信號，所以其中必然有轉(zhuǎn)變產(chǎn)生，一些損害因素，如噪聲，干擾，衰減等等。正交頻分復用技術(shù)(OFDM)這種通信技術(shù)，是把將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。
　　OFDM不同于其它調(diào)制，它是一種多載波調(diào)制。對于每個單獨的高頻載波，OFDM用子載波同時傳送大量的高

2、比特率信號。各個子信道是相互正交的，因為各個子信道的間距等于這些周期的倒數(shù)。OFDM對于未來的寬頻帶無線通信系統(tǒng)，是一項非常好的技術(shù)。目前對于這一技術(shù)的研究領域，主要集中在數(shù)字信號處理里的及時性。國際標準已經(jīng)采用這項技術(shù)用于高速無線通信，并且已經(jīng)用于例如ADSL設備，IEEE802.11，IEEE802.16，IEEE802.16e，IEEE802.20，歐洲通信標準協(xié)會(ETSI)，寬帶無線接入網(wǎng)絡(BRAN)，高性能無線局域網(wǎng)技術(shù)(

3、HIPERLAN)，數(shù)字視頻點播系統(tǒng)(DVB)，數(shù)字信號廣播(DAB)，無線異步傳輸(WATM)及很多工作在5Ghz帶寬的無線局域網(wǎng)絡。在無線通信應用領域，基于OFDM的系統(tǒng)非常的顯著優(yōu)勢，因為這項技術(shù)能提供更強的免疫力來應對衰減和脈沖噪聲。在硬件上可以采用傅里葉變換(FFT)技術(shù)來實現(xiàn)。OFDM同時也是下一代手機通信技術(shù)(4G)的備選技術(shù)之一，甚至是未來的LTE。
　　正交頻分復用技術(shù)(OFDM)在極高速率傳輸領域中，因為其高效

4、性從而變得越來越突出。在高傳輸速率下，信道扭曲對于數(shù)據(jù)傳輸有著很重要的影響，并且基本上通過簡單的接收器是無法復原該信號的。一種非常復雜的接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，用來正確的估算信道，從而這個估算能夠用于復原接到的原始信號。最基本的需要就是高傳輸速率，并且通過結(jié)合錯誤糾正代碼，時空代碼與多樣傳輸?shù)燃夹g(shù)，來保持穩(wěn)定的正確率。正交頻分復用技術(shù)具有許多顯著的優(yōu)點，例如:
　　多徑時延擴展性:OFDM對于無線通信中的多徑時延引起的內(nèi)部干擾具有很好的免疫

5、作用。因為符號轉(zhuǎn)變（通過轉(zhuǎn)換高速度的數(shù)據(jù)信號至N低速度信號），時延性也會降低。同時通過運用保護時間和循環(huán)擴展的概念，符號間干擾(ISI)和載波間干擾(ICI)也能從系統(tǒng)中完全的移除。
　　抗頻率衰減選擇信道:如果通道是用頻率衰減選擇，那么很多復雜的技術(shù)將被采用于接收端，為了單載波調(diào)制模式。但是在OFDM模式下有用的信道被分成了很多的相互正交的子載波。因此有用的通道帶寬被轉(zhuǎn)換成了許多衰減的子通道。從而可以推斷出子載波只會被衰減，雖然

6、通道的增益/相位隨著子載波會不同。很多子載波甚至會最終因為衰減而消失，發(fā)送器中的適當?shù)木幋a和交織可以復原用戶的數(shù)據(jù)。
　　高頻率利用率:OFDM可以通過允許子載波在頻域重疊來獲得高頻率利用率。同時對于子載波間的相互干擾，子載波被對于彼此相互正交。
　　高效調(diào)制與解調(diào):子載波的調(diào)制與解調(diào)是通過IFFT和FFT來完成的。為了實現(xiàn)在數(shù)字領域的調(diào)制與解調(diào)，對于高頻率的晶體振蕩器是不可避免的。
　　對于脈沖噪聲的穩(wěn)定性:OFDM

7、的持續(xù)時間比單個帶有脈沖噪聲的載波系統(tǒng)要長的多，被傳送的字符任然可以很大程度上被復原，因為每個字符只會被噪聲影響到一小部分。所以可以得出，對于脈沖噪聲OFDM比單個載波系統(tǒng)有更強的穩(wěn)定性，由于單載波調(diào)制方案可以增加他們的數(shù)據(jù)率，縮短符號時間，從而增加了占有帶寬。所以OFDM可以通過將單個寬頻帶劃分成多個窄的頻帶，來解決單個載波系統(tǒng)遇到的問題
　　盡管如此，雖然正交頻分復用技術(shù)有眾多的優(yōu)點，OFDM通信傳輸系統(tǒng)中還是存在著一些問題，

8、原因是OFDM傳輸?shù)男盘柺怯性S多單獨的載波構(gòu)成的，從而這些信號的模值可能在數(shù)值上非常的高。所以，OFDM中的主要缺點，就是這個系統(tǒng)中，信號具有非常高的峰值平均功率比(PAPR)，這意味著有些傳輸?shù)男盘柨赡芊逯岛艽?。一個大的PAPR將會增加從模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換的復雜度，也會降低放大器的效率。當通過非線性來傳輸數(shù)據(jù)的時候，例如高功率放大器或者數(shù)模轉(zhuǎn)換器，一個高脈沖將產(chǎn)生帶外能量和帶內(nèi)失真，這將嚴重影響到系統(tǒng)的表現(xiàn)。所以如果高PAPR允許高功率放

9、大器會影響到適應的通道。在這種情況下，種種缺陷將出現(xiàn)在系統(tǒng)中，例如數(shù)據(jù)丟失，復雜度增加，誤比特率，功率增加內(nèi)存需求，還有高失真。導致產(chǎn)生PAPR問題的一些具體細節(jié)如下所示:
　　數(shù)據(jù)丟失:數(shù)據(jù)丟失的情況根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有所不同。由于如果要求傳輸中沒有錯誤，這將會比較苛刻，所以有時通道編碼將會被用于保護邊信息錯誤，如果不被保護那么這些信息最終導致數(shù)據(jù)丟失。
　　增加復雜度:一個大的PAPR會在快速傅里葉變換里，還有數(shù)模轉(zhuǎn)換里增加

10、很多的復雜度。也許最嚴重的是降低了高功率放大器(HPA)的效率，因為它會因為這些低概率的高幅脈沖。
　　誤碼率(BER)增加:另一個嚴重的因素是在接收端會有BER增大的影響。傳輸信號功率的增加，及接收端增大的誤碼率都會相關。誤碼率增加的原因可能是因為例如系統(tǒng)里的邊信息產(chǎn)生的錯誤。
　　傳輸信號功率增加:在眾多的各項技術(shù)當中，增加傳輸信號的功率是非常重要的一點。例如，在基調(diào)注射技術(shù)中，需要這些等效的點需要與原始的店作相比較。這

11、樣傳輸?shù)男盘柧涂梢酝ㄟ^這途徑而增加。
　　高PAPR可以讓任何放大器在非線性去，因為有非必要的帶外功率存在。為了阻止OFDM通信信號在子載波和帶外波中的非飽和增長，必須減少輸入信號的平均功率從而使放大器能夠工作在正常的線性區(qū)，這叫做輸入回退值(IBO)，從而能夠得到一個恰當?shù)妮敵龌赝酥?OBO)?？梢宰⒁獾?，高的補償會降低大功率放大器的電源效率，這對于一些例如手機等的應用設備的電池，會產(chǎn)生很大的影響。因此，PAPR的缺點能夠勝過正

12、交頻分復用通信技術(shù)潛在的優(yōu)勢。在過去的10年終，很多不多的技術(shù)都被用于支持高PAPR，從而獲得較好的PAPR削減結(jié)果，例如部分傳輸序列算法(PTS)，交叉存取，基調(diào)注入，阿達瑪變換，分組編碼，帶糾錯的分組編碼，波峰修整，定標，峰還原載體，選擇性映射，壓縮擴張，等等。每種技術(shù)都有其自有的優(yōu)點，同時也具有本文第二段提到的缺點。為了得到正交頻分復用技術(shù)的優(yōu)點，高峰值到平均峰值這個問題必須得解決。
　　因此這項探討的目的，是為了得到一種好

13、的OFDM通信中的PAPR降低的解決方案。在這篇論文中，我們分析了正交頻分復用技術(shù)中的PAPR問題，提供了一個PAPR減少的理論方案，研究正交頻分復用技術(shù)的高峰值到平均功率的通信系統(tǒng)，研究適用于通信系統(tǒng)中PAPR減少問題的技術(shù)，研究現(xiàn)有技術(shù)的表現(xiàn)情況，去提高PAPR降低技術(shù)，去仿真現(xiàn)有的PAPR減少技術(shù)，并且比較我們的PAPR減少技術(shù)與現(xiàn)有的技術(shù)的區(qū)別。
　　論文主要工作如下:
　　此文研究的目的，是提出3種解決途徑及1種算

14、法，用于OFDM通信中的PAPR減少問題，從而能夠獲得較好的結(jié)果。同時也不會影響到系統(tǒng)的其他部分算法及低復雜度問題。
　　第一個主要的思想，就是提出混合技術(shù)用于PAPR減小，具體就是同時采用預留子載波技術(shù)(TR)與選擇性映射技術(shù)(SLM)，運用Hanowa矩陣得到低復雜度的相位向量序列，這其中也會用到快速傅里葉變換(FFT/IFFT)。在這里會用到峰值預留子載波算法（TR)。這項技術(shù)的主要優(yōu)點有，它不需要傳送副信息，同時接收端也不

15、需要做額外的操作，低復雜度并且可以向下兼容。這項技術(shù)是基于增加一個數(shù)據(jù)塊和時間域信號。數(shù)據(jù)塊是依賴于時間域信號的，用于減小峰值，這個時間域信號可以由傳輸系統(tǒng)和接收端計算得出。峰值預留子載波算法對于降低資源利用率具有非常顯著的效果。正是基于這些原因，TR算法因該是具有非常廣的商業(yè)前景的。通過TR技術(shù)的PAPR減少技術(shù)，非常注重數(shù)量、位置還有載波的峰值。當今世界很多研究都是圍繞著提高TR技術(shù)的。每項技術(shù)都有其各自的優(yōu)點，而且可以運用與不同的

16、條件下，其中的有些會有很好的結(jié)果，但是回事系統(tǒng)變得復雜，或者有些能夠簡化系統(tǒng)但是不能取得較好的結(jié)果。不管怎樣，我們提出的算法中，我們可以選擇很多參數(shù)從而在系統(tǒng)的復雜度和效果間取得一個平衡點。在我們的TR技術(shù)中，一些未用到的子載波，叫做峰值降低載波，將被用于減少高PAPR并且被設計為與子載波正交，他們不會發(fā)生扭變（注意在峰值預留子載波算法中，有些載波為了PAPR減小而被保留，有些載波沒有用于傳輸，意味著數(shù)據(jù)中將有部分丟失。這種方法對數(shù)據(jù)向

17、量和峰值減少向量有一定嚴格的要求）?？偟膩碚f有2中方法用于減少TR技術(shù)里面的PAPR。這意味著首先得選擇峰值降低載波(PRC)，用于減少PAPR的TR里面，可以提升PAPR的結(jié)果。我們這項峰值預留子載波算法的關鍵，就是找到一個時間域P用來加到初試的時間域Y上面。這樣高PAPR將會因為Y和P被限制于不同的子空間而降低，數(shù)據(jù)也不會發(fā)生扭曲。但是峰值預留子載波算法主要的問題是尋找P銀子非常的復雜，因為通過TR技術(shù)的PAPR減少算法會同時影響到

18、平均搞好和信號峰值。在另一方面選擇性映射技術(shù)是為了減少PAPR的OFDM一項技術(shù)，數(shù)據(jù)符號是一組旋轉(zhuǎn)向量生成的，它伴隨著PAPR并且其中最低的PAPR將被用于發(fā)送。在一些選擇性映射技術(shù)中，額外的一些信息例如哪些數(shù)據(jù)將被應用，也將傳輸?shù)捷敵龆?。這將在編碼上造成一些潛在的問題，會產(chǎn)生一些噪聲，也會很明顯的導致輸出速率的降低。但是我們的選擇性映射技術(shù)中，我們改善了方法，這樣可以更好的減少PAPR，這意味著將不需要副信息（可以注意到通過選擇性映

19、射而PAPR降低的數(shù)量，取決于相位序列的數(shù)量及相位序列的設定方式）。在后面中我們會用到更少的預留子載波大概占帶寬的4％左右，通過在512個OFDM載波里犧牲20個左右來達到4％這個比例。也就是說，20個左右的子載波不用于傳輸數(shù)據(jù)，而是用于減少暫時的信號峰值，發(fā)送器也不會發(fā)送一些依賴于小的子載波的用于PAPR的數(shù)據(jù)。接著信號會通過Hanowa矩陣發(fā)生相位的反轉(zhuǎn)，這樣可以得到相位向量序列，會造成SLM中的一些復雜性。
　　為了評估我們

20、提出方法的表現(xiàn)情況，用MATLAB仿真工具，并且用互補累積分布函數(shù)(CCDF)，來驗證512個載波保留4％用作于預留載波。在這個的結(jié)果中，我們得到1.3dB的PAPR衰減值并且從Matlab圖示中可以看到復雜度很低，同時也可以注意到在SLM計算之前運用TR算法，PAPR比原始數(shù)據(jù)有2dB的衰減。
　　第二個是，一項尖端的PAPR衰減計算，叫做迭代剪裁和過濾計算(ICF)，并且運用DCT/IDCT轉(zhuǎn)換可以完成高效的OFDM傳輸系統(tǒng)的

21、傳輸，可以通過征集四相相移鍵控調(diào)制技術(shù)(QPSK)。削減濾波技術(shù)能夠提供一個高效的PAPR減小，但是同時會有一些數(shù)據(jù)的扭曲。在這里提出的相結(jié)合中，會用一個公式來去掉及時的信號峰值，并且硬限幅將會用來減少總體的峰值。一項新的離散余弦變換(DCT/IDCT)將會被用來代替快速傅里葉變換(FFT/IFFT)，這樣能提高時間域的OFDM信號的插值，因為快速傅里葉逆變換在一些復雜的情況下是通過傳輸同步和正交調(diào)節(jié)來完成的。但不管怎樣運用DCT/ID

22、CT算法，都可以完全的避開正交相位/同相不平衡的問題，利用DCT/IDCT系統(tǒng)而不是FFT/IFFT實現(xiàn)多載波調(diào)制方案，因為DCT系統(tǒng)的帶寬優(yōu)勢可言得到，而且利用DCT算法可以提供比FFT算法更少的計算步驟，原因是計算一塊DCT實際上不需要把圖像分成FFT算法那樣。另一個利用DCT轉(zhuǎn)換的思想就是減少自序列相關的符號，就不需要傳輸副信息到接收端了，這樣高PAPR就會減少復雜度了。在放大前剪裁和過濾剪輯OFDM信號的峰值，就可以限制PAPR

23、的問題，這樣也不需要另外一些赴西安西，因為剪裁技術(shù)是屬于信號畸變方法的。所以得出，剪裁信號后，多載波信號的頻率效率可以降低復雜度，并且為了達到減少誤碼率(BER)，可以通過濾掉不需要的頻率。所以說濾波技術(shù)可以提供更好的表現(xiàn)，因為它給信號帶入了更少的早上，更少的峰值而且不需要很復雜的計算。這背后我們主要的想法是我們利用DCT/IDCT來設計一個高效的迭代剪裁和過濾技術(shù)，用于高效的OFDM通信系統(tǒng)。在這個工作的第一次迭代中，新的OFDM字符

24、通過DCT/IDCT技術(shù)進入到ICF塊中。之后剪裁和過濾分別肚子的運行（運用DCT/IDCT的迭代剪裁和過濾技術(shù)已經(jīng)在上面闡述過）。在最后的一次迭代中，產(chǎn)生了輸出結(jié)果并且可以注意到，這個迭代技術(shù)反復多次計算以獲得理想的振幅從而限制了了帶輻射。
　　在Matlab環(huán)境下運用互補累積分布函數(shù)(CCDF)仿真，OFDM的128個子載波并且利用QPSK映射的結(jié)果比較好，第一次迭代后OFDM的PAPR減少了1.8db，接著的后面兩次為2.7

25、db和3.6db，這其中也用到了ICF技術(shù)和DCT/IDCT技術(shù)。
　　最后一個是，PAPR的新的混合算法減少了基于DCT變換和矩陣相結(jié)合的低復雜度提出了選擇映射。這個提出的方案的主要想法是設計兩個合適的方法之間的結(jié)合技術(shù)。一個是DCT矩陣變換算法，另一個是我們已經(jīng)提出的使用空間矩陣來產(chǎn)生這個相位矢量序列，用于SLM技術(shù)塊的復雜度的花費。SLM是一種相位旋轉(zhuǎn)的方法。這些數(shù)據(jù)是相位旋轉(zhuǎn)的。在已選定的映射器產(chǎn)生的一套充足的不同的候選的

26、數(shù)據(jù)塊中，都代表和原始數(shù)據(jù)塊相同的信息，其次關于最低PAPR的最有名的信號被用來作為傳輸。SLM方案是減少峰值出現(xiàn)的那么頻繁的高PAPR的初始概率方法之一。這個工作中，數(shù)據(jù)流被轉(zhuǎn)換成N*N階的DCT矩陣。然后已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)用SLM單元進行處理，每一個數(shù)據(jù)塊，通過不同數(shù)量的庠序矢量和像Hanowa,Riemann and Hilbert那樣，作為相位矢量序列來相乘，目的是避免可能的快速搜索最優(yōu)值的系統(tǒng)的隨機性，實現(xiàn)低復雜度的執(zhí)行系統(tǒng)的矩陣的

27、每一行成倍增加。如果數(shù)據(jù)在IFFT之前通過DCT矩陣實現(xiàn)了，傳輸線的輸入序列的自相關系數(shù)就會減小，那么OFDM信號的PAPR就會以低復雜度減小，然后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù);來通過對空間激增矩陣來選擇映射塊。因此高PAPR可以在沒有邊緣信息被要求的情況下再次被縮減，因為這個矩陣可以在接收機恢復原始數(shù)據(jù)傳播與最低PAPR的情況下產(chǎn)生。最后的工作是，我們應該表示出這個建議的算法的步驟:
　　在仿真的復雜基帶，長度為1027的帶有BPSK調(diào)制，通過互補

28、累積分布函數(shù)特征明顯的OFDM符號顯示的輔助波，和使用其他的相位序列的矩陣的SLM方案比起來，證明Hanowa矩陣方法提供了最好的PAPR減少量，減少了大約8.2dB，少于低復雜度的原始信號，使用Riemann減少了PAPR大約4.7dB，通過DCT算法，使用Hilbert矩陣法減少了約2.5dB。這個方法也避免了相位序列選擇中的隨機性，使得接收器在解碼時更簡單。額外的好處是，這個矩陣可以在接受者方產(chǎn)生，以獲取數(shù)據(jù)信號結(jié)束，因此，它不被

29、要切發(fā)送邊緣信號。
　　因此根據(jù)仿真結(jié)果，在Matlab中的評估，我們早期提出的每一個技術(shù)表明，這對于接近算法是有效的證明了減少PAPR和帶有提供改善位錯誤率低復雜度，非常適合用于OFDM通信信號中的不同情況中。
　　這個論文的最后，我們的總結(jié)是提供了一個可能的未來的工作，它可以得到改善，如下:我們提出的技術(shù)可以通過應用多種未來的最優(yōu)化PAPR規(guī)范的矩陣程序被擴展，也可以以更高的調(diào)制和更高的輔助波數(shù)字來擴展，應用到其它的無線

30、通信系統(tǒng)中。
　　這個論文中，用于低復雜度的PAPR的成熟的方法可以和諸如迭代法剪裁，使用DCT/IDCT過濾技術(shù)可以被添加作為最后的階段碼的其它的技術(shù)，有一個商界的部分傳輸序列信號碼，這種方法也可以和編碼技術(shù)相結(jié)合，來進一步改善位錯誤率的執(zhí)行。帶有部分傳送序列的已選擇的映射進一步減少了系統(tǒng)的復雜度，峰點功率也可以被檢測到?；谥袉寻【仃嚭徒徊婕夹g(shù)的已選擇的映射可以連接在一起，來促進重要的縮減復雜度和PAPR縮減的一個更好的方法。