多载波通信系统中的峰值功率优化方法

摘要

为了满足未来无线通信的需要，实现高速数据传输，多载波通信技术以其良好的抗多径干扰能力和较高的频谱利用率而受到关注。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)作为多载波通信技术的代表，因其具有对抗频率选择性衰落能力和较高的数据传输速率而被广泛地应用到无线通信的很多领域，并已成为第四代移动通信系统的核心技术之一。另外，OFDM技术还可以与其它技术相结合，进一步提升系统性能，例如，多输入多输出OFDM(Multiple Input Multiple Output OFDM，MIMO-OFDM)系统便可以有效地提高系统容量和频谱利用率。
　　 虽然OFDM技术具有很多优势，但峰值功率问题一直是该技术的主要缺陷之一，特别是当子载波数量较大时，该问题尤为严重。通常情况下，用峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)来描述系统的峰值功率问题。过高的峰均功率比会导致OFDM信号发生畸变，进而恶化系统性能，这就要求发送端的高功率放大器(High Power Amplifier,HPA)必须具有足够大的线性范围，但是，这一要求在硬件方面的实现难度非常大，并且成本非常高。另一方面，由于MIMO-OFDM系统也属于多载波结构，因此其同样存在着峰值功率问题。
　　 本文首先介绍了多载波通信系统的基本原理及其存在的峰值功率问题，在充分了解该问题研究现状的基础上，重点研究OFDM系统和MIMO-OFDM系统的峰值功率优化方法，主要贡献有:
　　 (1)部分传输序列(PartialTransmitSequence，PTS)是一种非常有效地降低OFDM系统峰均功率比的方法，但是，计算复杂度过大和需要传输附加信息是该方法的主要缺陷。针对传统PTS方法计算复杂度过大的问题，提出了两种具有低计算复杂度的PTS方法:基于分组相位加权的PTS和基于递归相位加权的PTS。基于分组相位加权的PTS方法先将全部的子块序列分为若干个组，然后对每一组中的子块序列独立地实施相位加权过程并产生子候选信号，最后，利用排列组合原理，通过复数加法，将各个组中的子候选信号结合起来获得全部的候选信号，并从中选择PAPR值最小的信号进行传输。基于递归相位加权的PTS方法利用相位加权序列之间的关系特点，在产生候选信号的过程中，通过寻找共有项，简化大部分候选信号的计算过程，以达到降低计算复杂度的目的，最后从所产生的全部候选信号中选择PAPR值最小的信号进行传输。与传统PTS方法相比，上述两种方法均可以大幅度地降低计算复杂度，同时不会对系统的PAPR性能造成任何损失。另外，为了进一步地降低计算复杂度，可以将上述两种方法结合起来，即先对全部的子块序列进行分组，然后利用递归相位加权获得各个组的子候选信号，最后通过复数加法，将各个组中的子候选信号叠加起来获得全部的候选信号。
　　 (2)对于采用相移键控(PhaseShiftKey,PSK)的OFDM系统，提出了两种降低系统峰均功率比的扰码方法:基于选择性映射的扰码方法和基于信息隐藏思想的扰码方法。基于选择性映射的扰码方法采用逻辑非运算对输入的二进制序列进行加扰，以代替传统选择性映射方法中需要大量复数乘法的相位加权过程，同时利用相同PSK调制方式的不同形状的信号星座图，通过映射的方式，将附加信息可靠地嵌入到传输信号中，从而实现无需传输明确的附加信息;与最优选择性映射方法相比，该方法可以获得相同的PAPR性能。基于信息隐藏思想的扰码方法将被隐藏的二进制序列作为扰码序列，通过修改后的映射过程，实现对输入二进制序列的加扰过程，明显地改善了系统的PAPR性能，重要的是，由于原始的OFDM解调过程依然被采用，所以不需要传输任何附加信息。
　　 (3)由于传统块交织方法是在单个信号内实施块交织，所产生的候选信号之间存在着很大的相关性，在一定程度上影响了系统PAPR性能的改善。针对传统块交织方法的这一缺点，提出了用于优化OFDM系统峰值功率的时频联合块交织方法及其次优化方法。该方法将块交织扩展到一个时间片内的多个OFDM信号，以达到增加产生候选信号的自由度和降低候选信号间相关性的目的，明显地改善了系统的PAPR性能。与传统块交织方法相比，在计算复杂度相同的情况下，该方法可以获得更优的PAPR性能。
　　 (4)对于MIMO-OFDM系统，虽然PTS方法可以很容易地被应用，即直接将PTS方法应用于系统的各个发射天线，则通常将此种情况下的PTS方法称为普通PTS（Ordinary PTS，oPTS）。但是，计算复杂度过大仍然是该方法的主要缺点。针对oPTS方法的这一缺点，提出了一种协作PTS(Cooperative PTS，co-PTS)方法用于降低MIMO-OFDM系统的峰均功率比。该方法在采用交替优化降低计算复杂度的基础上，利用空间子块序列循环重新排列间接地增加了候选信号的数量，等效地弥补了由于采用交替优化而带来的PAPR性能损失。与oPTS方法相比，该方法可以大幅度地降低计算复杂度，同时系统的PAPR性能也得到了进一步改善。
　　 最后，论文给出了文中有待于进一步研究的问题，并对未来的研究工作进行了展望。