電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文OFDM無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究摘要對(duì)于實(shí)現(xiàn)下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的目標(biāo)而言，正交頻分復(fù)用OFDM技術(shù)與碼分多址CDMA技術(shù)相比就顯出其優(yōu)越性。但是，OFDM不僅對(duì)于同步誤差和信道估計(jì)誤差非常敏感，而且還伴隨發(fā)射信號(hào)高峰平比PAPR的缺點(diǎn)。為此，針對(duì)下一代無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)的新目標(biāo)，如何有效地在接收機(jī)中實(shí)現(xiàn)同步、信道估計(jì)并降低PAPR則是有待解決的新問(wèn)題。釗一對(duì)這些問(wèn)題，本文重點(diǎn)研究了OFDM接收機(jī)中的同步、信道估計(jì)以及PAPR這三類關(guān)鍵技術(shù)。首先，論文提出了四種串行PN序列時(shí)間同步和頻率同步算法。前兩種同步算法使用了巴克碼與PN序列來(lái)提高同步性能。后兩種算法是通過(guò)不同方法在發(fā)射端頻域?qū)N序列進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而在接收端時(shí)域中產(chǎn)生比常規(guī)算法更多的可利用的關(guān)系以產(chǎn)生更佳的同步信號(hào)。分析和仿真表明對(duì)于AWGN信道和多徑衰落信道下的高速移動(dòng)環(huán)境，這四種算法同步性能均優(yōu)于常規(guī)算法。其次，論文提出了三種并行PN序列幀同步算法。這三種算法與常規(guī)算法最大的不同之處在于利用的在一個(gè)信息符號(hào)上疊加PN序列所分配的能量?jī)H占總能量的14，從而對(duì)信號(hào)和系統(tǒng)性能造成的影響均可忽略。第種幀同步算法直接利用了一個(gè)長(zhǎng)PN序列產(chǎn)生相關(guān)并融合保護(hù)間隔的冗余特性獲得同步信號(hào)。第二種幀同步算法采用一個(gè)長(zhǎng)PN序列在多徑信道下的二次相關(guān)并融合保護(hù)間隔特性獲得同步算法。第三種幀同步算法利用短復(fù)巴克碼的最佳自相關(guān)特性和最大似然估計(jì)原理推導(dǎo)出。仿真表明在高速移動(dòng)的DVBT系統(tǒng)中，這三種同步算法性能均優(yōu)良，尤其是第三種算法，不僅計(jì)算復(fù)雜度更低，而且同步性能更好。第三，提出了一種計(jì)算量較低的利用并行PN序列進(jìn)行信道估計(jì)的LMMSE算法。分析和仿真表明該算法不需要任何先驗(yàn)知識(shí)，不占用寶貴的帶寬資源，計(jì)算復(fù)雜度比LS算法還低，而在低信噪比下信道估計(jì)性能比LS算法還好。同時(shí)，提出了一種并行PN序列能量分配原則，該原則將拓寬并行PN序列在同步和信道估計(jì)技術(shù)中的應(yīng)用。最后，提出了一種降低】APR的壓縮擴(kuò)張算法，該算法是一種數(shù)值變換的預(yù)失真方法，通過(guò)理論推導(dǎo)獲得。分析和仿真表明該算法計(jì)算復(fù)雜度比其他所有降低PAPR的算法計(jì)算復(fù)雜度更低，而所獲得的壓擴(kuò)增益遠(yuǎn)比同類算法更大，且算法在低信噪比下對(duì)系統(tǒng)性能的影響可以忽略。總之，本文提出了涉及同步，信道估計(jì)、降低PAPR三個(gè)關(guān)鍵方向的九種算法和，個(gè)方案，這些算法可用于OFDM無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)下一代移動(dòng)通信的目標(biāo)。關(guān)鍵詞無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)正交頻分復(fù)用同步信道估計(jì)峰平比ABSTRACTFACINGTHEOBJECTOFTHENEXTGENERATIONMOBILECOMMUNICATIONSYSTEM,ORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEOFDMAGAINSTCODEDIVISIONMULTIPLEXACCESSCDMAHASITSDISTINCTSUPERIORITYHOWEVER,OFDMISSENSITIVETOSYNCHRONIZATIONERRORANDCHANNELESTIMATIONERRORANDITHASTHEWEAKNESSOFTHEHIGHPEAKTOAVERAGEPOWERRATIOPAPROFTHETRANSMITTEDSIGNALTOTHESEWEAKNESSES,SCHOLARSHAVEDONENUMEROUSRESEARCHESANDGAINEDGREATACHIEVEMENTSBUTASFARASTHENEWOBJECTABOUTTHENEXTGENERATIONMOBILECOMMUNICATIONSYSTEMISCONCERNED,THEQUESTIONABOUTHOWTOREALIZETHESYNCHRONIZATIONANDCHANNELESTIMATIONANDTOREDUCEPAPRINTHETRANSMITTERISUNDERTHEWAYAGAINSTTHESEPROBLEMS,THETHESISHASMAINLYDISCUSSEDTHETHREEKEYTECHNOLOGIESABOUTSYNCHRONIZATIONANDCHANNELESTIMATIONANDREDUCINGPAPRFORTHEOFDMSYSTEMSINTHERECEIVERFIRSTLY,THETHESISHASPROPOSEDFOURKINDSOFTIMINGSYNCHRONIZATIONANDFREQUENCYSYNCHRONIZATIONALGORITHMSUSINGSERIESWOUNDPSEUDONOISEPNSEQUENCETHEFIRSTTWOSYNCHRONIZATIONALGORITHMSEMPLOYINGBARKERCODEANDPNSEQUENCETHERESTTWOALGORITHMSEMPLOYINGPNSEQUENCEDEVISEDBYTHEDIFFERENTDESIGNMETHODSINTHEFREQUENCYDOMAINOFTHERECEIVERTHEN,THEALGORITHMSAGAINSTTHECONVENTIONALALGORITHMSGAINEDFURTHERADVANTAGERELATIONSINTHETIMEDOMAINOFTRANSMITTERTOACHIEVETHESYNCHRONIZATIONSIGNALANDTODEDUCETHESYNCHRONIZATIONALGORITHMS勿THEORIESITSPROVED勿SIMULATIONTHATTHESYNCHRONIZATIONPERFORMANCESOFTHEFOURALGORITHMSARESUPERIORTOTHOSEOFTHECONVENTIONALONESFORAWGNCHANNELANDMULTIPATHFADINGCHANNELUNDERTHEHIGHSPEEDMOBILEENVIRONMENTSECONDLY,THETHESISHASPROPOSEDTHETHREEFRAMESYNCHRONIZATIONALGORITHMSEMPLOYINGTHESUPERIMPOSINGPNSEQUENCETHEMAINDIFFERENCEOFTHREEALGORITHMSAGAINSTTHECONVENTIONALALGORITHMSISTHATTHEPROPOSEDSUPERIMPOSINGPNSEQUENCEISDISTRIBUTEDFARWEAKERPOWERTHANITDOESINTHECONVENTION,WHICHTHEINFLUENCEOVERTHESIGNALANDTHESYSTEMPERFORMANCECANBEIGNOREDTHEFIRSTKINDOFTHEFRAMESYNCHRONIZATIONALGORITHMEMPLOYSTHECORRELATIONOFTHELONGPNSEQUENCEANDTHEREDUNDANCYOFTHEGUARDINTERVALTOPRODUCETHESYNCHRONIZATIONSIGNALTHESECONDKINDOFTHEFRAMESYNCHRONIZATIONALGORITHMEMPLOYSTHERECORRELATIONOFTHELONGPNSEQUENCEANDTHEREDUNDANCYOFTHEGUARDINTERVALTOPRODUCETHESYNCHRONIZATIONSIGNALUNDERTHEMULTIPATHFADINGCHANNELTHETHREEKINDSOFTHEFRAMESYNCHRONIZATIONALGORITHMSHOWTHATTHEIRSYNCHRONIZATIONPERFORMANCESARESUPERIORESPECIALLYTHECOMPUTATIONCOMPLEXITYOFTHETHIRDISNOTONLYTHELOWEST,BUTITSNERFORMANCEISTHEHEMTHIRDLY,THETHESISHASPROPOSEDLMMSECHANNELESTIMATIONALGORITHMLESSCOMPUTATIONCOMPLEXITYITSPROVEDINFORMATIONANDDOESNTCOMPUTATIONCOMPLEXITYISOFTHEPROPOSEDALGORITHMOCCUPYTHETHELINEARMINIMUMMEANSQUAREERRORUSINGTHESUPERIMPOSINGPNSEQUENCEWITHTHATTHISALGORITHMDOESNTNEEDTHEAPRIORIPRECIOUSBANDWIDETHFURTHERMORE,ITSLOWERTHANTHATOFLEASTSQUARE匡SANDTHEPERFORMANCEISBETTERTHANTHATOFLSINTHELOWERSNRFURTHERMORE,THETHESISHASPROPOSEDTHEFE10認(rèn)RS地NALTONOISERATIOPOWERDISTRIBUTIONRULEOFTHESUPERIMPOSINGPNSEQUENCETHATWILLPLAYANANDCHANNELESTIMATIONTEEHNIMPORTANTROLEINTHESYNCHRONIZATIONEQUESEMLASTLY,THETHESISHASPROPOSEDTHETHESUPERIMPOSINGPNSEQUENCEALGORITHMISTHEORIESITSCOMPANDORALGORITHMTOREDUCEPAPRTHISAPREDISTORTIONMETHODOFNUMERICALVALUETRANSFERANDISPROVEDTHATTHECOMPUTATIONCOMPLEXITYOFTHEALGORITHMDEDUCEDBYTHETOREDUCEPAPP電子科技人學(xué)博士學(xué)位論文OFDM無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究ISFARSMALLERTHANOTHERS,BUTITSCOMPANDORGAINISLARGERTHANOTHERS,WHOSEEFFECTONTHESYSTEMPERFORMANCECANBEIGNOREDINLOWERSNRABOVEALL,THETHESISHASPROPOSEDNINEALGORITHMSABOUTTHETHREEKEYTECHNOLOGIESSYNCHRONIZATION,CHANNELESTIMATIONANDPAPRTHESEALGORITHMSWILLPLAYIMPORTANTROLESINREALIZINGTHEOBJECTSOFNEXTGENERATIONMOBILECOMMUNICATIONSYSTEMWITHOFDMKEYWORDSWIRELESSMOBILECOMMUNICATIONSYSTEM,ORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEOFDM，SYNCHRONIZATION，PEAKTOAVERAGEPOWERRATIOPAPRCHANNELESTIMATION，III電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文OFDM無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究主要符號(hào)表符號(hào)刀奮盯GMAX夕GB含義矩陣A的共驪矩陣A的轉(zhuǎn)置矩陣A的共扼轉(zhuǎn)置線性卷積圓周卷積隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望值方差子載波數(shù)有用子載波數(shù)求使GB最大時(shí)的值了萬(wàn)A月協(xié)夕戈叭KRONECKER沖激函數(shù)實(shí)部虛部概率密度函數(shù)信道沖激響應(yīng)函數(shù)徹RCIMP潤(rùn)縮略語(yǔ)及專用術(shù)語(yǔ)表縮略語(yǔ)GG飛月呀ADSLAWGNBERCDMACSIDABDVBTDFTDMTFDMAGSMISLLCILSLOSMAPMIMOMLEMMSEENONLOSOBSOFDMPAPR英語(yǔ)解釋THIRDGENERATIONFOURTHGENERATIONASYMMETRICALDIGITALSUBSCRIBERLINEADDITIVEWHITEGAUSSIANNOISEIN魄ERRORRATECODEDIVISIONMULTIPLEXINGACCESSCHANNELSTATUSINFORMATIONDIGITALAUDIOBROADCASTING“TERRESTRIALDIGITALVIDEOBROADCASTINGDISCRETEFOURIERTRANSFORMDISCRETEMULTITONEMULTITONEFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXINGACCESSGLOBALMOBILEPHONESERVICESINTERSYMBOLINTERFERENCEINTERCARRIERINTERFERENCELEASTSQUARELINEOFSIGHTMAXIMUMAPRIORPROBABILITYMULTIPLEINPUTMULTIPLEOUTPUTMAXIMUIMLIKELIHOODESTIMATORMINIMUMMEAN和UNREERRORESTIMATORMEAN匆UAREERRORNONLINEOFSIGHTOBSTRUCTIONORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEPEAKTOAVERAGEPOWERRATIO中文解釋第三代移動(dòng)通信第四代移動(dòng)通信非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)路加性白高斯噪聲誤碼率碼分復(fù)用信道狀態(tài)信息數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)地面數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)離散傅氏變換離散多音頻頻分復(fù)用全球移動(dòng)通信系統(tǒng)符號(hào)間干擾載波間干擾最小二乘法直視環(huán)境最大后驗(yàn)概率多輸入多輸出最大似然估計(jì)最小均方誤差估計(jì)均方誤差非視線環(huán)境障礙環(huán)境正交頻分復(fù)用峰平比電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文OFDM無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究PILOTSYMBOLASSISTEDMODULATIONPSEUDONOISEPARTIALTRANSMITSEQUENCEPARALLELTOSERIESCONVERTORSERIESTOPARALLELCONVERTORSIGNALFREQUENCYNETWORKSELECTIVEMAPPINGSYNCHRONIZTIONMULTICRRIERSCDMAMEPSAPNPTSP/S鐘SFN洲SMCSNRSIGNALANDNOISERATIOSVDSINGULARVALUEDECOMPOS川ONTIMEDIVISIONMULTIPLEXINGACCESSVDSLVERYHIGHSPEEDDIGITALSUBSCRIBERLINEWCDMAWIDEBANDCDMAWLANWIRELESSLOCALAREANETWORK基于導(dǎo)頻的調(diào)制方法偽噪聲部分傳輸序列步仁串轉(zhuǎn)換串并轉(zhuǎn)換單頻網(wǎng)選擇性映射同步多載波CDMA系統(tǒng)信噪比奇異值分解時(shí)分復(fù)用甚高速數(shù)字用戶環(huán)路寬帶碼分復(fù)用無(wú)線局域網(wǎng)電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文OFDM無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究第一章緒論11研究背景和意義當(dāng)MARCONI一個(gè)世紀(jì)前展示無(wú)線電報(bào)時(shí)就預(yù)示了工業(yè)的重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)產(chǎn)生。百多年來(lái)，無(wú)線傳輸技術(shù)允許人們可以不使用任何物理連接進(jìn)行通信。半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步讓許多在世界各地的公眾同時(shí)通話成為了現(xiàn)實(shí)。現(xiàn)在，移動(dòng)用戶的數(shù)量急劇增加，數(shù)據(jù)通信和多媒體業(yè)務(wù)也隨之增加。于是，下一代無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)新技術(shù)的需求更加迫切，實(shí)現(xiàn)無(wú)所不在的、高質(zhì)量的、高數(shù)據(jù)傳輸速率的、高移動(dòng)速率的、低功耗的無(wú)線移動(dòng)多媒體傳輸成了目標(biāo)。移動(dòng)通信系統(tǒng)按照所提供的業(yè)務(wù)可分為不同的發(fā)展階段。第一代采用頻分多址FDMA模擬調(diào)制方式，這種系統(tǒng)主要包括NMTNORDICMOBILETELEPHONESYSTEM和AMPSADVANCEDMOBILEPHONESERVICES，其主要缺點(diǎn)是頻譜利用率低，信令干擾話音業(yè)務(wù)。第二代蜂窩系統(tǒng)包括最先的采用時(shí)分多址TDMA的GSMGLOBALMOBILEPHONESERVICES,DAMPSDIGITALAMPS,PDCPACIFICDIGITALCELLULAR系統(tǒng)和采用碼分多址CDMA的IS95系統(tǒng)。第二代蜂窩系統(tǒng)主要是提供了語(yǔ)音通信，但是數(shù)據(jù)通信傳輸速率仍然非常低，而且不同的網(wǎng)絡(luò)之間也無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源共享。第三代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的三大主要候選方案分別是北美的CDMA2000系統(tǒng)、歐洲和日本的WCDMA系統(tǒng)以及中國(guó)的TDSDMA系統(tǒng)。這些以CDMA為標(biāo)志的第三代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)議已經(jīng)出臺(tái)，其主要特征是支持多媒體業(yè)務(wù)，其數(shù)據(jù)傳輸速率至少為384KBIT/S，可全球漫游，接口開(kāi)放，能與不同的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，終端多樣化以及能從第二代平穩(wěn)過(guò)渡等。然而，如果要求數(shù)據(jù)傳輸率再進(jìn)一步提高，3G中使用簡(jiǎn)單的CDMA技術(shù)己經(jīng)不能滿足要求。于是，以正交頻分復(fù)用OFDM調(diào)制技術(shù)為標(biāo)志的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)開(kāi)始走入人們視野，并成為目前的研究熱點(diǎn)。與CDMA相比，OFDM具有如下優(yōu)點(diǎn)L對(duì)于單蜂窩和多蜂窩環(huán)境，OFDM性能遠(yuǎn)優(yōu)于CDMAJI。在單蜂窩環(huán)境，OFDM可允許同時(shí)通話的用戶數(shù)為CDMA的210倍。對(duì)于多蜂窩環(huán)境，OFDM可允許同時(shí)通話的用戶數(shù)為CDMA的074倍。OFDM和CDMA在用戶容量上的差異主要在于是否使用了蜂窩分區(qū)CELLSECTORIZATION和語(yǔ)音激合檢測(cè)技術(shù)第一章緒論VOICEACTIVITYDETECTION。如用125MHZ的帶寬和195KBPS的用戶數(shù)據(jù)率時(shí)，CDMA在單蜂窩系統(tǒng)中性能較差，在每個(gè)蜂窩CELL中僅允許716個(gè)用戶同時(shí)通話，而對(duì)于OFDM系統(tǒng)則可達(dá)到128個(gè)用戶。這種CDMA的低蜂窩容量LOWCELLCAPACITY是由于在反向傳輸鏈接中使用非正交碼導(dǎo)致了較高的用戶間干擾造成的。OFDM可容忍較大的多徑時(shí)延擴(kuò)展。事實(shí)上，多徑信號(hào)在進(jìn)行RAKE接收機(jī)處理后將導(dǎo)致接收信號(hào)加強(qiáng)。對(duì)應(yīng)于30KM的多徑反射、低于100。的時(shí)延擴(kuò)展都是可以忍受的。OFDM信號(hào)峰值的截除CLIPPING不會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生較大影響。在錯(cuò)誤率較高時(shí)，信號(hào)的峰值功率可以被截除69DB。這將減少對(duì)OFDM發(fā)射端輸出階段的動(dòng)態(tài)范圍要求。所以，對(duì)于高容量、高移動(dòng)速度的無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)而言，OFDM是一個(gè)很好的調(diào)制技術(shù)，并且在今后的無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中將扮演越來(lái)越重要的角色。12OFDM研究歷史、應(yīng)用OFDM的研究經(jīng)歷了一百多年曲折的發(fā)展，現(xiàn)在己經(jīng)應(yīng)用到不同的領(lǐng)域中。然而，面對(duì)移動(dòng)用戶、移動(dòng)速度、傳輸數(shù)據(jù)量的急劇增加，在高速移動(dòng)環(huán)境下的OFDM無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)仍是人們關(guān)注的熱點(diǎn)和研究的難點(diǎn)。121OFDM研究歷史OFDM可以看成是一種特殊的頻分復(fù)用FREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXING,FDM形式。它的發(fā)展經(jīng)歷了五個(gè)階段第一階段極低頻譜效率的FDM技術(shù)階段。該技術(shù)在一個(gè)世紀(jì)前就開(kāi)始使用。許多不同載頻的低速信號(hào)在同一個(gè)寬帶信道中進(jìn)行并行傳輸，但是，為了在接收端分離出這些信號(hào)，傳統(tǒng)多載波系統(tǒng)中各載波頻率要分隔開(kāi)來(lái)，并在子信道之間利用保護(hù)頻帶使各載波信號(hào)互不干擾，所以它的系統(tǒng)頻譜效率很低。第二階段最早的、高頻譜效率的多載波通信系統(tǒng)階段。該系統(tǒng)是在1957電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文OFDM無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究年出現(xiàn)的COLLINSKINEPLEX系統(tǒng)2，該系統(tǒng)能在嚴(yán)重多徑衰落效應(yīng)的高頻無(wú)線信道中實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。為了提高頻譜利用率，可使用相互交錯(cuò)的正交幅度調(diào)制技術(shù)，在3DB處載波頻譜重疊，其復(fù)合譜是平坦的，子帶的正交性通過(guò)交錯(cuò)同相或正交子帶的數(shù)據(jù)得到即將數(shù)據(jù)偏移半個(gè)周期，此時(shí)頻譜利用率可以提高，但子載波總數(shù)有限。由于該系統(tǒng)仍使用傳統(tǒng)的多載波實(shí)現(xiàn)方式，各子信道兩邊的保護(hù)頻帶仍浪費(fèi)了寶貴的帶寬，降低了系統(tǒng)頻譜利用率。第三階段多載波理論發(fā)展階段。1966年，CHANG在他的文章中提出了傳輸信號(hào)通過(guò)一個(gè)帶寬受限的信道時(shí)無(wú)ISI和ICI的原理301967年，SALTZBERG經(jīng)過(guò)性能分析認(rèn)為設(shè)計(jì)一個(gè)有效的系統(tǒng)主要應(yīng)該集中考慮如何降低鄰信道間千擾，而不是僅考慮每個(gè)獨(dú)立的子信道情況，這是因?yàn)橐鹦盘?hào)失真的主要原因是信道間串?dāng)_4。這是一個(gè)很重要的結(jié)論。第四階段OFDM無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)理論形成階段。各個(gè)子載波之間有112的重疊，但保持相互正交，在接收端通過(guò)相關(guān)解調(diào)技術(shù)分離出來(lái)，避免使用濾波器組，同時(shí)使用頻譜效率提高近I倍。為了減少多載波系統(tǒng)的復(fù)雜度，1971年SBWEINSTEIN和PMEBERT提出了幾個(gè)思想51每個(gè)子載波的頻譜在沒(méi)有經(jīng)過(guò)濾波時(shí)，其頻譜形狀為SINE函數(shù)且為非帶限的2離散傅立葉變換DISCRETEFOURIERTRANSFORM,DFT可以完成多載波基帶的調(diào)制和解調(diào)。3各符號(hào)間可以采用空白時(shí)隙作為保護(hù)間隔以消除ISIO1980年APELED和ARUIZ將空自時(shí)隙改為了循環(huán)前綴以滿足色散信道時(shí)各載波的正交性【611985年，CIMINI將OFDM思想運(yùn)用到無(wú)線蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中7，從此奠定了OFDM無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。第五階段從理論到實(shí)用階段。近十年來(lái)，大規(guī)模集成電路技術(shù)高速發(fā)展，高速大點(diǎn)數(shù)FFT芯片的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)不難，從而促進(jìn)了OFDM理論的廣泛應(yīng)用。122OFDM應(yīng)用在有線環(huán)境中，OFDM又名離散多音頻DISCRETEMULTITONE,DMT調(diào)制。由于其對(duì)抗時(shí)間色散信道的能力和對(duì)脈沖噪聲、頻域噪聲的抑制作用，被用于非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)路ASYMMETRICALDIGITALSUBSCRIBERLINE,ADSL8和甚高速數(shù)字用戶環(huán)路VERYHIGHSPEEDDIGITALSUBSCRIBERLINE,VDSL系統(tǒng)910。作為調(diào)制技術(shù)，DMT比正交幅度調(diào)制QAM能提供更高的下行速率和更遠(yuǎn)的傳輸距離，因而被美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)ANSI選定為ADSL的傳輸使用標(biāo)準(zhǔn)。第一章緒論在無(wú)線環(huán)境中，OFDM應(yīng)用比有線環(huán)境更加廣泛。由于OFDM具有很好的抗多徑能力，在單頻網(wǎng)SINGLEFREQUENCYNETWORK,SFN的地面廣播系統(tǒng)中具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。1995年，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)ETSI采用OFDM制定了數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)D館ITALAUDIOBROADCASTING,DAB標(biāo)準(zhǔn)1L12，該標(biāo)準(zhǔn)可以提供與CD媲美的語(yǔ)音質(zhì)量、更新的數(shù)字業(yè)務(wù)以及更高的頻譜效率T1301997年，基于。FDM的地面數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)TERRESTRIALDIGITALVIDEOBROADCASTING,DVBT標(biāo)準(zhǔn)141也開(kāi)始使用。1998年7月，基于IEEE8021LA的無(wú)線局域網(wǎng)WIRELESSLOCALAREANETWORK,WLAN標(biāo)準(zhǔn)把OFDM作為其物理層傳輸方法，它是工作于24GHZISM頻段的第一個(gè)WLAN標(biāo)準(zhǔn)，用于5GHZ頻段內(nèi)支持6MBPS到54MBPS的高速無(wú)線傳輸。后來(lái)，HIGHPERFORMANCELANTYPE2HIPERLAN/2MULTIMEDIAMOBILEACCESSCOMMUNICATIONMMAC及MULTIMEDIAMOBILEACCESSCOMMUNICATIONMMAC也相續(xù)把OFDM作為其物理層傳輸方法1516170OFDM還被用于寬帶固定無(wú)線接入系統(tǒng)LMDS18LOCALMULTIPOINTDISTRIBUTIONSYSTEMS中，作為在非視線NONLINEOFSIGHT,NONLOS環(huán)境的傳輸方法。OFDM不僅可作為傳輸方法，而且在多用戶環(huán)境可以作為接入方式1920。尤其是OFDM可以解決高速移動(dòng)環(huán)境的ISI問(wèn)題，被作為第四代無(wú)線移動(dòng)通信的候選方案之一2122，用于實(shí)現(xiàn)超過(guò)2MBPS的移動(dòng)無(wú)線多媒體和數(shù)據(jù)通信。3OFDM研究現(xiàn)狀正因?yàn)镺FDM系統(tǒng)具有如此美好的前景和下一代移動(dòng)通信的要求，所以，研究OFDM系統(tǒng)中的同步、信道估計(jì)和峰平比PAPR等關(guān)鍵技術(shù)就顯得非常重要。圍繞OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者作了深入地研究。131OFDM系統(tǒng)中同步研究現(xiàn)狀在高速移動(dòng)環(huán)境中，由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩端振蕩器器件的不穩(wěn)定和多普電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文OFDM無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究勒效應(yīng)導(dǎo)致了載波頻率發(fā)生偏移同時(shí)由于多徑現(xiàn)象以及各種噪聲干擾等導(dǎo)致了定時(shí)偏移。因此，需要進(jìn)行時(shí)間同步和頻率同步，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的良好性能。常規(guī)的時(shí)間同步和頻率同步方法如下1保護(hù)間隔進(jìn)行同步用保護(hù)間隔的循環(huán)特性2324來(lái)進(jìn)行同步時(shí)，可以不需要訓(xùn)練序列，同時(shí)避免了導(dǎo)頻的使用，減少了計(jì)算復(fù)雜度。基于2324的改進(jìn)算法25通過(guò)多個(gè)保護(hù)間隔的信號(hào)進(jìn)行累計(jì)來(lái)獲得更優(yōu)的同步信號(hào)。23的改進(jìn)算法261是通過(guò)加權(quán)的方式來(lái)減小ISI的影響，這在一定程度上仍然不夠理想。271是通過(guò)減小對(duì)采樣時(shí)鐘頻率偏移的敏感性，用大的運(yùn)算量和運(yùn)算復(fù)雜性來(lái)?yè)Q取性能的提高。一種較簡(jiǎn)單且常用的保護(hù)間隔算法281能獲得精確的細(xì)頻偏估計(jì)。通過(guò)減少符號(hào)間千擾并利用保護(hù)間隔獲得同步信號(hào)的算法29可以獲得整數(shù)倍頻偏。30在時(shí)域引入保護(hù)間隔并應(yīng)用到清華大學(xué)提出的國(guó)家數(shù)字廣播電視候選方案之一的DMBT系統(tǒng)中進(jìn)行同步。24是采用保護(hù)間隔進(jìn)行同步的ML算法，31是241的改進(jìn)算法，它在24基礎(chǔ)上引入了自適應(yīng)權(quán)重和信噪比進(jìn)行加權(quán)，從而改善了算法性能。通過(guò)融合保護(hù)間隔的相關(guān)性和PN序列的相關(guān)性32可以改善時(shí)間同步性能，但是該算法所獲得的同步性能仍不理想?？傊ㄟ^(guò)保護(hù)間隔進(jìn)行同步的算法簡(jiǎn)單，運(yùn)算量小，在AWGN信道條件下性能較好，但是，在高速移動(dòng)多徑衰落信道中不易保證精確的時(shí)間同步。如果時(shí)間同步的時(shí)間誤差超過(guò)保護(hù)間隔，還會(huì)破壞子載波間的正交性。而頻率同步與時(shí)間同步同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)雖簡(jiǎn)單，但易受時(shí)間同步誤差的影響33A2導(dǎo)頻進(jìn)行同步傳統(tǒng)的采用導(dǎo)頻進(jìn)行同步的方法都遵循最大似然估計(jì)ML原理34，這類ML算法搜索的時(shí)間較長(zhǎng)，估計(jì)也不夠精確。在DVBT系統(tǒng)中，采用導(dǎo)頻進(jìn)行同步獲得了較好的效果3536。實(shí)質(zhì)上，算法的性能與導(dǎo)頻的設(shè)計(jì)有關(guān)。在DVBT系統(tǒng)中，導(dǎo)頻分布方式有兩種分布導(dǎo)頻和連續(xù)導(dǎo)頻12E但是這些導(dǎo)頻因?yàn)檎加昧藢氋F的系統(tǒng)帶寬資源而在使用中受到限制。而且，即使在DVBT系統(tǒng)中，采用導(dǎo)頻和保護(hù)間隔聯(lián)合進(jìn)行同步，其性能也不理想。一般在移動(dòng)速度超過(guò)100KM/H時(shí)，DVBT的同步就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。雖然歐洲也一直試圖改善DVBT系統(tǒng)的移動(dòng)接收性能，但是，至今仍沒(méi)有公開(kāi)的相關(guān)技術(shù)報(bào)第一章緒論道。所以，在高速移動(dòng)環(huán)境下如何改善DVBT系統(tǒng)的同步性能仍是學(xué)術(shù)界研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。3，訓(xùn)練序列進(jìn)行同步利用訓(xùn)練序列進(jìn)行同步，其理論依據(jù)是ML原理，采用的序列是具有優(yōu)良自相關(guān)屬性的PN序列。總體而言，采用訓(xùn)練序列進(jìn)行同步的技術(shù)可概括為以下兒類方法通常的采用PN序列進(jìn)行同步的方法371利用短PN序列重復(fù)構(gòu)造形成長(zhǎng)PN序列獲得同步信號(hào)的方法3839404142434445464748495051525354。該類方法的優(yōu)點(diǎn)在于將每個(gè)短PN序列的相關(guān)信號(hào)進(jìn)行多次累積，有效地提高了接收信號(hào)與本地PN序列時(shí)間零偏移處的相關(guān)峰值，同時(shí)可對(duì)其余有時(shí)間偏移位置時(shí)的相關(guān)信號(hào)作一定程度抵消。利用選擇的PN序列在頻域進(jìn)行特殊構(gòu)造，在經(jīng)過(guò)IFFT后，在時(shí)域獲得某些特殊性質(zhì)，由此產(chǎn)生同步信號(hào)5556該類方法優(yōu)點(diǎn)在于方法簡(jiǎn)單、計(jì)算量小。但同步性能不太理想。利用特殊構(gòu)造的具有較好的優(yōu)良自相關(guān)性的新序列進(jìn)行同步的方法【5753說(shuō)明在同步算法中，所選用的序列對(duì)于同步算法的性能有至關(guān)重要的作用。其實(shí)質(zhì)類似于對(duì)導(dǎo)頻進(jìn)行設(shè)計(jì)。在以上所有的利用PN序列來(lái)進(jìn)行同步的方法中，大部分方法所應(yīng)用的PN序列都是與信號(hào)串行排列的，只有【435051中的PN序列與信號(hào)是并行排列的。其中，性能較好的串行PN序列同步算法都存在一個(gè)較大的弱點(diǎn)，即同步信Q在零時(shí)間偏移處附近出現(xiàn)了平臺(tái)，而不是尖峰，即使43方法相對(duì)更優(yōu)，而5354方法還針對(duì)此問(wèn)題做了深入探討，但最終效果都不令人滿意。而且串行PN序列同步算法中PN序列占用了寶貴的帶寬資源，只在具有專用同步符號(hào)的4G,WLAN等系統(tǒng)中才能適用，而對(duì)于DVBT系統(tǒng)則沒(méi)法使用。對(duì)于并行PN序列同步算法，由于PN序列疊加在信號(hào)上造成了對(duì)信號(hào)的千擾，雖然50提出了種消除部分干擾的方法，但該方法隱含了一個(gè)條件即對(duì)接收機(jī)結(jié)構(gòu)的改變而43川采用在不同同步階段選用不同能量因子以調(diào)整疊加PN序列能量的方法確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)同步，但是造成了對(duì)系統(tǒng)性能的影響，尤其是在高速移動(dòng)環(huán)境下需要快速同步，這個(gè)方法更不適合。電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文OFDM無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究4盲同步盲估計(jì)方法中最簡(jiǎn)單的是直接判決，它利用解調(diào)后碼元速率數(shù)據(jù)檢測(cè)相位或頻率誤差，因此，估計(jì)的范圍不超過(guò)碼元速率的1/2。文獻(xiàn)58,59提出的載波頻偏的最大似然估計(jì)MLE方法，前者利用保護(hù)間隔進(jìn)行頻偏估計(jì)后者利用多載波信號(hào)原有的結(jié)構(gòu)，提出了頻率選擇性瑞利衰落信道中載波頻偏的MLE,可以達(dá)到更寬的估計(jì)范圍和更高的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)60提出了OFDM系統(tǒng)中下行鏈路基于參考碼元的時(shí)間和頻率聯(lián)合同步捕獲算法。MSPETH61分析了符號(hào)幀、載波和采樣頻率時(shí)鐘偏差的影響，616263還進(jìn)一步給出了OFDM接收機(jī)中同步技術(shù)的設(shè)計(jì)。子空間方法的研究在文獻(xiàn)64616566中有描述，這些算法分別是MUSIC算法、ESPRIT算法，它們不需要浪費(fèi)帶寬，但要求時(shí)間同步性能要好?？傊?，盲同步方法性能比利用先驗(yàn)知識(shí)的序列進(jìn)行同步的性能要差。而就采用保護(hù)間隔、導(dǎo)頻和PN序列進(jìn)行同步的性能相比較，采用PN序列進(jìn)行同步性能更佳。所以，在實(shí)際工程中，一般選用同步性能較好的、算法性能較穩(wěn)定的、計(jì)算復(fù)雜度較低的快速PN序列同步方法。但是，要得到同時(shí)滿足這些條件的同步算法很不易。132OFDM系統(tǒng)中信道估計(jì)研究現(xiàn)狀調(diào)制分為連續(xù)調(diào)制和差分調(diào)制。采用差分調(diào)制時(shí)，無(wú)需進(jìn)行信道估計(jì)，因?yàn)樾诺佬畔⒁寻谙噜彿?hào)之差中。差分調(diào)制是通信系統(tǒng)常用的技術(shù)，因?yàn)樗恍枰诺拦烙?jì)器，從而簡(jiǎn)化了接收機(jī)的復(fù)雜度。但是，差分調(diào)制有兩個(gè)缺點(diǎn)它使噪聲有3DB的增強(qiáng)，它無(wú)法運(yùn)用頻帶利用率高的多電平調(diào)制技術(shù)，而連續(xù)調(diào)制則允許使用任何的星座。在無(wú)線移動(dòng)環(huán)境中，連續(xù)調(diào)制則因效率高而更受關(guān)注。當(dāng)采用連續(xù)調(diào)制時(shí)，就必須進(jìn)行信道估計(jì)。因此，OFDM系統(tǒng)中的信道估計(jì)算法的性能以及復(fù)雜度一直是研究的熱點(diǎn)。信道估計(jì)方法可分為三類基于導(dǎo)頻信號(hào)和PN序列的方法、基于判決反饋的方法和信道盲估計(jì)方法。1基于導(dǎo)頻信號(hào)和PN序列的方法PILOTSYMBOLASSISTEDMODULATION,PSAM在時(shí)域內(nèi)插入PN序列的時(shí)域相關(guān)6768信道估計(jì)方法、時(shí)域?qū)ьl時(shí)域互第一章緒論相關(guān)時(shí)變估計(jì)一算法【6869、在頻域插入PN序列70711的信道估計(jì)方法和頻域?qū)ьl頻域平均法【72，這些方法帶寬利用率極低。常用的是最小平方LS算法73，該法先通過(guò)接收信號(hào)得到導(dǎo)頻頻點(diǎn)的信道響應(yīng)，然后通過(guò)信道內(nèi)抽算法得到有用數(shù)據(jù)頻點(diǎn)處的信道響應(yīng)，并進(jìn)一步平滑實(shí)現(xiàn)信道均衡。利用頻域?qū)ьl符號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)的最大似然估計(jì)法【74MAXIMUMLIKEHOODESTIMATOR,MLE和最小均方誤差估計(jì)法MINIMUMMEANSQUAREERRORESTIMATOR,MMSEE75是兩種典型的信道估計(jì)方法。MLE法不需要信道的統(tǒng)計(jì)特性和信噪比，但需要將信道邊緣處的導(dǎo)頻間距適當(dāng)縮小，這在實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)時(shí)不易操作。MMSEE法需要知道信道的先驗(yàn)知識(shí)，算法比MLE法更復(fù)雜，性能更好?；趨?shù)信道模型的估計(jì)算法761，該算法能自適應(yīng)地跟蹤時(shí)變信道。二維插值維納濾波器算法777879808182計(jì)算復(fù)雜度非常高，而且7879必須事先設(shè)定信道相關(guān)矩陣以及信道SNR值，這在實(shí)際中只能通過(guò)估計(jì)，一旦與實(shí)際情況不匹配，則會(huì)降低信道估計(jì)的準(zhǔn)確性。在假設(shè)無(wú)線移動(dòng)信道為WSSUS83的條件下可將二維插值濾波器轉(zhuǎn)化為一維848586871，大大簡(jiǎn)化算法和接收機(jī)的復(fù)雜度88。維納濾波算法利用信道在時(shí)域和頻域的相關(guān)性，估計(jì)精度較高，而變換域?yàn)V波算法89和時(shí)域?yàn)V波算法90未利用信道的特性及相關(guān)性，因此計(jì)算結(jié)果的精度比維納濾波法低，但是這兩種算法實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，有較高實(shí)用價(jià)值。以上的導(dǎo)頻和PN序列都是串行插入的，都占用了寶貴的系統(tǒng)帶寬資源。利用并行疊加在OFDM系統(tǒng)信號(hào)上的導(dǎo)頻和PN序列進(jìn)行信道估計(jì)的方法9192939495969798則解決T浪費(fèi)帶寬資源的問(wèn)題，但是，由此也帶來(lái)了疊加序列對(duì)信號(hào)的干擾，導(dǎo)致了系統(tǒng)性能的下降。2基于判決反饋方法基于判決反饋方法主要有利用前一個(gè)OFDM碼字解碼后的數(shù)據(jù)來(lái)獲得信道估計(jì)方法98、利用低通濾波器濾波降噪的濾波器決策反饋FILTEREDDECISIONFEEDBACK,FDF信道估計(jì)方法991、利用最小均方誤差準(zhǔn)則的判決反饋信道估計(jì)方法101、采用奇異值分解SINGULARVALUEDECOMPOSITION,SVD的信道估計(jì)方法102、基于直接判決預(yù)測(cè)均衡的方法1031、利用傅里葉變換來(lái)降低算法復(fù)雜度的方法104105、提高頻6N的利用率采用一步抽頭反饋均衡器的信道估計(jì)方法1061電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文OFDM無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究所有這些判決反饋方法，由于傳輸數(shù)據(jù)中不需要導(dǎo)頻符號(hào)，因此可以有效地提高系統(tǒng)的傳輸效率。這種方法的主要缺點(diǎn)是當(dāng)信道出現(xiàn)突發(fā)錯(cuò)誤時(shí)，容易產(chǎn)生誤差擴(kuò)散，從而降低系統(tǒng)性能，甚至使系統(tǒng)癱瘓，只有等到新的訓(xùn)練數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)刁能重新工作。同時(shí)，山于存在反饋問(wèn)題，沒(méi)法做到快速實(shí)現(xiàn)。3信道盲估計(jì)方法由于決策反饋法易產(chǎn)生誤差擴(kuò)散且耗時(shí)，而使用串行訓(xùn)練序列或?qū)ьl符號(hào)必然占用一定的有效帶寬，從而使系統(tǒng)的傳輸效率降低。尤其是對(duì)于高速移動(dòng)環(huán)境或時(shí)變信道，訓(xùn)練序列必須不停地發(fā)送來(lái)更新信道的估計(jì)值。這樣，信道中數(shù)據(jù)的傳輸效率大大下降，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)傳輸速率。為了解決這些問(wèn)題，研究信道盲估計(jì)算法很富有吸引力。目前已有幾種OFDM系統(tǒng)信道盲估計(jì)算法基于自相關(guān)矩陣的子矩陣信道盲估計(jì)算法【107、基于子空間分解的信道盲估計(jì)算法108109、基于輸入數(shù)據(jù)循環(huán)平穩(wěn)性的信道盲估計(jì)算法110、改進(jìn)的CHOLESKY分解算法1川、基于輸入信號(hào)的高階統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行信道盲估計(jì)算法112E所有這些盲算法相對(duì)利用PN序列或?qū)ьl進(jìn)行信道估計(jì)的方法性能更差，而且，計(jì)算復(fù)雜度更高。為了提高收斂速度，可以考慮采用半盲的信道估計(jì)方法，該法是在發(fā)送訓(xùn)練序列的信道估計(jì)方法和信道盲估計(jì)方法之間的折衷，也就是說(shuō)使用一定的訓(xùn)練序列并且使用盲估計(jì)的算法。這樣就可以在比較快的收斂速度下保證比較好的性能。信道盲估計(jì)和半盲估計(jì)是比較好的信道估計(jì)方法，它們對(duì)信道利用率的提高有比較顯著的效果，特別是在高速數(shù)字信道中效果就特別好。但是，它們需要比較多的運(yùn)算量，而且收斂速度也沒(méi)有傳統(tǒng)的采用先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行估計(jì)的方法J決，這些都需要不斷改進(jìn)。總之，MMSE信道估計(jì)方法性能較好，但復(fù)雜度高LS方法雖然簡(jiǎn)單，但估計(jì)性能不佳基于判決反饋的信道估計(jì)方法性能也不佳。導(dǎo)頻、PN序列輔助信道估計(jì)是比較常用的信道估計(jì)方法，其唯一缺點(diǎn)是在數(shù)據(jù)流中插入導(dǎo)頻信號(hào)或PN序列，降低了有效數(shù)據(jù)傳輸效率。而信道盲估計(jì)方法不需要利用訓(xùn)練序列，傳輸效率特別高，非常適合高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)但盲算法比較復(fù)雜，收斂速度較慢。MMSE,LS、基于判決反饋算法和信道盲/半盲估計(jì)算法在性能或者復(fù)雜度上都有缺點(diǎn)，不適宜直接應(yīng)用在實(shí)際系統(tǒng)中。PSAM估計(jì)方法是比較理想的信道估計(jì)方法，它在復(fù)雜度不高的情況下能達(dá)到很好的性能，是比較適合于OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)的方法之一。但是，由于移動(dòng)用戶急劇增加，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要第一章緒論求越來(lái)越高，帶寬資源越來(lái)越寶貴，所以，研究利用并行訓(xùn)練序列或?qū)ьl進(jìn)行信道估計(jì)是一個(gè)很有意義的研究力向。133OFDM系統(tǒng)中PAPR研究現(xiàn)狀由于FDM信號(hào)為多個(gè)正弦波的疊加，當(dāng)子載波個(gè)數(shù)達(dá)到一定程度時(shí)，根據(jù)中心極限定理，OFDM符號(hào)波形將是一個(gè)高斯隨機(jī)過(guò)程，它的包絡(luò)極不穩(wěn)定。當(dāng)IDFT輸入端的數(shù)據(jù)同相時(shí)，其輸出就會(huì)產(chǎn)生很大的峰值。OFDM信號(hào)峰平比的這種特性，導(dǎo)致對(duì)A/DD/A變換器及功率放大器HPA等要求很高，它要求HPA的線性動(dòng)態(tài)范圍很大，于是，必須采用昂貴的線性放大器。但由于峰值出現(xiàn)也是隨機(jī)的，就意味著線性放大器必定不能一直工作在最佳狀態(tài)最高效狀態(tài)，從而導(dǎo)致功率利用率不高。如果不采用線性放大器，就需要較大的回退量，這樣也會(huì)導(dǎo)致功率利用率降低，為OFDM在功率較小的終端上應(yīng)用帶來(lái)了很大的困難。在對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，如果放大器線性不好，那么除了產(chǎn)生交調(diào)干擾外，如果回退量不夠，還會(huì)產(chǎn)生帶內(nèi)非線性失真，并導(dǎo)致頻譜擴(kuò)展，產(chǎn)生很大的帶外功率，從而導(dǎo)致對(duì)相鄰信道的干擾。于是要求功率放大器的線性范圍大，但這樣功放的效率就較低。因此，降低PAPRPEAKTOAVERAGEPOWERRATIO技術(shù)對(duì)OFDM系統(tǒng)很重要。OFDM包絡(luò)的不穩(wěn)定性可以用PAPR來(lái)表示。PAPR越大，系統(tǒng)包絡(luò)的不穩(wěn)定性越大。因此要改善系統(tǒng)的性能，就要設(shè)法減少PAPR。設(shè)發(fā)送信號(hào)為ST佘藝DKE習(xí)IV,AUJZD李11其PAPR可定義為只4尸R一ISTIESTI2一2N一NA2MAX1一奮12其I,N一卜女RA,JD,D,A13電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文OFDM無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究可見(jiàn)，PAPR與傳輸序列的自相關(guān)函數(shù)有關(guān)。圍繞如何降低OFDM系統(tǒng)的PAPR問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者己作了大量研究工作，其主要算法可以歸納為以下幾類1，信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)的中心思想是在信號(hào)送到放大器之前，首先經(jīng)過(guò)非線性處理對(duì)有較大峰值功率的信號(hào)進(jìn)行預(yù)畸變，使其不會(huì)超出放大器的動(dòng)態(tài)變化范圍，從而避免較大PAPR的出現(xiàn)。該技術(shù)包括以下七種方法限幅法1131141該法中矩形窗的引入必會(huì)對(duì)原信號(hào)的頻譜產(chǎn)生影響，從而引起新的帶外噪聲，降低頻譜效率，并且剪切法是一種非線性變化，它會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的帶內(nèi)失真，從而降低誤碼率性能，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。為了克服由于剪切導(dǎo)致的誤碼性能的惡化，可以采用有效的信道編解碼技術(shù)。文獻(xiàn)115提出了限幅與差錯(cuò)編碼相結(jié)合的方法。加窗法【116117這種方法是采用其他的頻譜特性好于矩形窗的窗函數(shù)116。加窗法117需要在上采樣以后的較高速率下對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，因此實(shí)現(xiàn)較難，且會(huì)影響信號(hào)頻譜特性。部分傳輸序列法和選擇映射法雖然有效降低了PAPR，但是計(jì)算量太大，且需要發(fā)送邊信息。加校正函數(shù)法1118用校正函數(shù)處理OFDM信號(hào)來(lái)消除OFDM的幅度峰值，而由校正函數(shù)引起的頻帶外干擾為零或忽略不計(jì)。其中校正函數(shù)又分為乘性校正函數(shù)和加性校正函數(shù)兩種。加權(quán)多載波調(diào)制法119OFDM系統(tǒng)中的畸變技術(shù)是在傅立葉變換前用GAUSSIAN或者HAMMING窗函數(shù)加權(quán)輸入信號(hào)來(lái)降低PAPR載波抑制峰值法1201它的主要思想是當(dāng)OFDM信號(hào)的峰值功率出現(xiàn)時(shí)，將OFDM一些子載波不用來(lái)傳送數(shù)據(jù)，而用來(lái)傳送一些能抑制和抵消峰值的設(shè)計(jì)好的信號(hào)。通常建議使用不同的頻段作為這個(gè)載波的頻率。這個(gè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是它既不會(huì)降低系統(tǒng)的SNR性能，也不會(huì)引入帶外干擾，但它的缺點(diǎn)是降低了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。壓縮擴(kuò)展法121122123124125傳統(tǒng)的擴(kuò)張方法的主要思想是提升信號(hào)中的低幅度值而保持其峰值幅度，以此來(lái)提升信號(hào)的平均功率，從而達(dá)到降低PAPR的目的。然而由此增加了系統(tǒng)的平均發(fā)射功率，使符號(hào)的功率值更加接近功率放大器的非線性變換區(qū)域，容易造成信號(hào)失真。因此文獻(xiàn)1211給出第一章緒論一種改進(jìn)的壓縮擴(kuò)展變換方法。在這種方法中，把大功率發(fā)射信號(hào)壓縮，而把小功率信號(hào)進(jìn)行放大，從而可以使發(fā)射信號(hào)的平均功率相對(duì)保持不變。這樣不但可以減小系統(tǒng)的PAPR，而且還可以使得小功率信號(hào)抗千擾的能力有所增強(qiáng)。由WANG提出的壓擴(kuò)法將小信號(hào)擴(kuò)大而大信號(hào)不變雖然計(jì)算復(fù)雜度低，但是放大器輸入信號(hào)的平均功率增加，從而對(duì)非線性失真更敏感124。由HUANG提出的壓擴(kuò)轉(zhuǎn)換法【122和最近由WANG提出的壓擴(kuò)法125這兩種壓擴(kuò)法的表達(dá)式均分別借鑒了語(yǔ)音信號(hào)信源編碼中非均勻量化方法的尸律和A律的壓擴(kuò)表達(dá)式，該法在發(fā)端能將大信號(hào)壓縮而將小信號(hào)擴(kuò)大，使PAPR降低，而在收端能作到幾乎不損傷信號(hào)的恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)的計(jì)算復(fù)雜度也較低。預(yù)畸變和畸變補(bǔ)償法【126預(yù)畸變是在發(fā)送端對(duì)未進(jìn)入放大器的信號(hào)進(jìn)行與放大器畸變特性相反的預(yù)畸變，以減少信號(hào)在通過(guò)放大器后的畸變?；冄a(bǔ)償技術(shù)是在OFDM系統(tǒng)的接收端加一個(gè)補(bǔ)償器用于補(bǔ)償和修正被畸變的信號(hào)。這兩種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中都會(huì)大大增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。2信號(hào)擾碼技術(shù)這類方法就是利用不同的加繞序列對(duì)OFDM符號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理，優(yōu)化子信道的載波相位，從而選擇PAPR較小的OFDM符號(hào)及相位組合來(lái)傳輸。這類方法實(shí)際_I幾是從概率的角度來(lái)減小PAPR，即減小大峰值功率信號(hào)出現(xiàn)的概率。根據(jù)這思想，具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)包括優(yōu)化相位組合、局部擾碼、選擇性映射SLECTIVEMAPPINGSLM和部分傳輸序列PARTIALTRANSMITSEQUENCEPTS等方法。其中SLM和PTS最常用。優(yōu)化相位組合法FRIESEL127,GIMLIN128和NEWMAN129等人已經(jīng)研究出各種優(yōu)化相位組合算法。目前最好的結(jié)果是無(wú)論子信道數(shù)N是多少，PAPR值始終是26DB。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中很多高功率放大器HPA就需要這么低的PAPR值。但是這一方法目前還處于理論研究階段，實(shí)際應(yīng)用中在不過(guò)份增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下是否能達(dá)到上述結(jié)果還有待于進(jìn)一步的研究。局部擾碼法這一技術(shù)通過(guò)采用特殊的選擇函數(shù)SELECTIONFUNCTION,SF來(lái)選出PAPR值最低的OFDM信號(hào)進(jìn)行發(fā)送。選擇性映射法130131SLECTIVEMAPPINGSLM該法通過(guò)引入小的冗余來(lái)提高PAPR的統(tǒng)計(jì)特性。在SLM法中，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生一系列不同候選信號(hào)的集合，這些信號(hào)表示相同信息，從中選擇最好PAPR最小的集合來(lái)發(fā)射。但是無(wú)論選擇哪個(gè)隨機(jī)向量都須發(fā)送邊帶信息，這樣收方根據(jù)收到的邊帶信息才電子科技人學(xué)博士學(xué)位論文OFDM無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究能進(jìn)行相應(yīng)的反變換還原原始數(shù)據(jù)。因此它同時(shí)犧牲了部分發(fā)送帶寬，增加了系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度以及系統(tǒng)硬件。但是這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以用于任意子載波數(shù)和調(diào)制方式，而且是非畸變地降低OFDM符號(hào)的PAPR部分傳輸序列法132PARTIALTRANSMITSEQUENCEPTS信號(hào)在發(fā)送端的傅立葉變換前被分割成M個(gè)獨(dú)立的子塊，每個(gè)子塊單獨(dú)進(jìn)行傅立葉變換，然后各子塊分別乘上一個(gè)相位旋轉(zhuǎn)因子進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化相位旋轉(zhuǎn)因子后，發(fā)送各子塊組合出的PAPR最低的OFDM信號(hào)，并選擇使得各子塊組合出的PAPR最低的OFDM信號(hào)的最優(yōu)的相位旋轉(zhuǎn)因子向量紛作為邊帶信息進(jìn)行發(fā)送。同SLM方法一樣，PTS也是可以用于任意子載波數(shù)和調(diào)制方式，而且是非畸變的降低OFDM符號(hào)的PAPR，但是卻以增加發(fā)送帶寬和系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度以及系統(tǒng)硬件為代價(jià)為了降低PTS的計(jì)算復(fù)雜度，可以采用交織方法對(duì)N個(gè)子載波進(jìn)行分割，構(gòu)成M個(gè)部分發(fā)送序列，該方法可用COOKEYTUKEYFFT算法來(lái)降低系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度134。文獻(xiàn)13習(xí)詳細(xì)比較了SLM與PTS的優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)SLM和PTS的缺點(diǎn)，文獻(xiàn)136提出了PTS和SLM混合算法來(lái)降低計(jì)算的復(fù)雜度。3編碼技術(shù)這類方法的基本原理是盡量避免使用那些會(huì)生成大峰值功率信號(hào)的編碼圖樣，例如采用循環(huán)編碼方法。顯然，這種方法所獲得的PAPR性能增益是在保持傳輸速率不變的情況下獲得的，通過(guò)增加系統(tǒng)帶寬以及在保持發(fā)射功率不變的條件下降低每發(fā)送比特的能量為代價(jià)。這類方法的缺陷在于，可供使用的編碼圖樣數(shù)量非常少，特別是當(dāng)子載波數(shù)量較大時(shí)，編碼效率會(huì)非常低，從而導(dǎo)致矛盾更加突出。鑒于以上的優(yōu)缺點(diǎn)，編碼法適合于子載波數(shù)量較少、頻帶較寬、需要有穩(wěn)定性能的系統(tǒng)預(yù)編碼方法137138使各子載波間的傳輸信息相互關(guān)聯(lián)，以達(dá)到降低PAPR的目的。這類方法有良好的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，運(yùn)算量小同時(shí)由于編碼具有