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OFDM无线通信系统中峰均功率比的研究

江涛  
【摘要】:正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术在解决无线移动通信系统中显示了许多特点,如抗多路径衰落和频际间的干扰等。然而,OFDM系统中一个最主要的瓶颈在于OFDM信号的峰均功率比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)很大,因而容易导致OFDM信号的交调失真和系统性能的下降。为此,如何有效地解决OFDM系统中的峰均功率比是亟待解决的问题。针对上述问题,本文重点研究了如何有效降低OFDM信号峰均功率比问题的算法。 首先,论文在数值变换预失真技术的基础上,构造了一种新的非线性压缩扩张变换技术来降低OFDM信号的峰均功率比。传统压缩扩张变换技术的主要思想是保持大幅值信号的功率不变,仅仅扩张小幅值信号的功率,这样是以增大整个系统的平均功率为代价来达到降低OFDM信号的峰均功率比。新的非线性压缩扩张变换技术充分挖掘OFDM信号的统计特性,不仅增大小幅值信号的功率,而且也减弱大幅值信号的功率,使得小幅值信号与大幅值信号具有同等的抗噪声能力,并通过合理调节压缩扩张系数以保持系统的平均功率不变,经过这样处理后的OFDM信号波形幅值是呈现一种似均匀分布,因而可以获得更为高效的系统性能增益。理论分析和仿真结果都表明,新设计的非线性压缩扩张方法简单,易于实现,原理上适合于多种调制方式和任意子载波数的OFDM系统。 其次,论文提出了一种低复杂度的补码分组编码技术(Complement Block Coding,CBC)来实现降低OFDM信号的峰均功率比。补码分组编码技术主要是通过将合适数量的补码比特位合理地放到原码比特信息中以打破原信道中各子载波信号可能存在的相位一致性。仿真结果和分析表明,补码分组编码技术不仅可以克服以往分组编码技术中存在的码速不高和受限于子载波数的缺点,而且在充分利用补码比特位的信息时,补码分组编码技术还具有一定的检错和纠错的能力,使得系统的误比特率能够得到较大的改善,获得更为高效的系统性能。对于子载波数为N的OFDM系统,补码分组编码技术在获得一定系统性能增益的前提下,相比其它方法而言,CBC可以达到不大于(N-1)/N中的任意一种码率。在此基础上,将补码分组编码技术与子块分割概念相结合,提出了一种改进的补码分组编码技术和将补码分 WP=5 组编码技术与具有纠错能力的信道编码相结合的一种新构想。 最后,论文提出了几种相位优化组合法来降低OFDM系统中的峰均功率比。首先提出了一种低复杂度的相位递归优化法(Phase Recursive Optimizing Method ,PROM),PROM克服了传统的相位优化方法计算复杂且需要发送大量边带信息的缺点,它不仅计算简单,而且能在大大减少需要传送边带信息的情况下,能在一定程度上降低信道的随机噪声所带来的误比特率。其次,在PROM方法基础上,提出了一种降低连续时间域中OFDM信号峰均功率比的连续相位递归优化方法(Seriate Phase Recursive Optimizing Method,SPROM)的构想。PROM和传统的相位优化组合法一样,都是全局最优值中的一种近似解,而本文提出的基于模拟退火的相位优化组合法(Simulated Annealing Phase Optimization Calculating,SA_POC)却是用全局寻优的思想来求得整个解空间中的最优相位值。仿真结果表明,SA_POC不仅计算所得的结果比以往相位优化法的结果更加理想,而且计算复杂度很低。随后,针对具有Golay互补序列特性的RM码不适合于具有长子载波数的OFDM系统而提出了一种改进的相位优化组合方法。基于Golay互补序列的相位优化组合法,由于随着子载波数的逐渐增多,寻找最佳生成矩阵和相位旋转向量具有相当高的难度,因而改进的基于Golay互补序列的相位优化组合方法建议采用分组的方法以便采用子载波数较小的系统进行并行RM码的构建。仿真结果表明此方法在保持系统性能不变的情况下能大幅度地降低系统的复杂度。


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