OFDM系统峰值功率控制及优化算法研究

论文摘要

多载波技术已经成为当代通信技术发展的重要一环,它在提高通信系统传输速率、改善频带利用效率和抗多径干扰能力等方面发挥了重要的作用。在多载波调制技术中,正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）更是因其优越的数字化技术、良好的抗频率选择性衰落性能以及高信息传输速率,成为未来移动通信的主流技术,并已经成功地应用于无线本地环路（Wireless Local Loop,WLL）、数字音频广播（Digital Audio Broadcasting, DAB）、无线局域网（Wireless Local Area Network, WLAN）等系统中。另外,OFDM技术还易于结合空时编码、分集、干扰抑制以及智能天线等技术,最大程度地提高物理层信息传输的可靠性。虽然OFDM技术有很多优点,但它的一个最主要的瓶颈问题就是其高峰均功率比（Peak-to-Average Power Ratio, PAPR）问题。由于PAPR较高,使得信号经过非线性信道后,会出现严重的信号畸变,导致系统性能的衰退。同时,由于高峰值功率的存在,使得发送端对高功率放大器的线性度要求也相应提高,不但增加系统成本,还会导致低的功放效率。因此,本论文意在研究OFDM系统的峰均功率比特性,并结合其特性重点研究高PAPR的抑制方法和优化算法,达到有效控制OFDM系统峰值功率的目的。本文首先介绍了正交频分复用调制的基本原理和峰均功率比的定义,并给出PAPR的统计特性和度量方法,研究了与PAPR值有关的参量,并提出通过利用、控制和改善这些参量,可以达到对峰值功率控制的目的。同时论文列举了几种常用的峰值功率控制算法及其优、缺点,并着重研究了克服这些算法不足之处的优化处理算法。论文研究内容包括：改进的相位加扰算法、基于信道编码的峰值功率控制算法和改进的预畸变算法等。相位加扰算法是通过破坏子载波相位的一致性,使OFDM信号出现高PAPR的概率显著降低。但由于相位加扰算法的巨大计算复杂度,使得这种算法的应用受到限制。本文提出一种相位控制编码算法（Phase Control Coding,PCC）,该算法可以明显降低传统相位加扰算法的计算复杂度。PCC算法是在传统部分传输序列（Partial Transmit Sequence, PTS）算法的基础上,通过将输入信号的数据部分进行2N→2l映射,再进行IFFT运算得到的。其余n-l个状态用来表示相位旋转因子索引,即相位控制码序列,经IFFT运算后再与数据符号相加。再在备选信号中选择PAPR最低的一路进行传输。另外,本文还提出了一种基于m序列映射的优化分割方案,通过理论证明,该种分割方法对功率峰值的改善性能仅次于随机分割方式,比交织分割和相邻分割方式性能优越。编码法是一种较新的无失真减小PAPR的方法,论文分析了Davis法构造Golay互补序列（Golay Complementary Sequences, GCS）的具体方法,及其能够有效抑制PAPR的理论依据。为提高Golay互补序列法的信息速率,本文研究了Golay码与编码调制相结合的改进GCS算法（Improved GCS, IGCS）原理和构造方法,并分析了结合编码调制时,OFDM系统的PAPR性能。虽然少量增加了系统的PAPR,但IGCS算法比GCS算法有更高的信息速率。当子载波数较大时,畸变法抑制PAPR是一种简单、易于实现的方法,但会产生限幅噪声和非线性失真。本文在Ochiai限幅滤波算法的基础上,提出一种基于MMSE准则的限幅失真重构迭代算法（Clipping Distortion Reconstruction Iteration, CDRI）。并利用LDPC信道编码技术、LLR-BP译码算法和MMSE迭代接收技术,实现对系统PAPR的有效抑制,同时有效减小系统的限幅噪声和非线性失真。最后,本文还研究了STFC-OFDM系统的载波干涉功率控制优化算法,通过理论分析和仿真证明,该算法在不同的分群方式下,具有不同的PAPR抑制能力,同时还会改善系统BER性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和目的
• 1.2 多载波技术的发展趋势及应用
• 1.3 基于OFDM技术的多载波调制的优势与不足
• 1.4 峰均功率比的抑制算法研究现状
• 1.5 论文结构及安排
• 第2章 OFDM调制及其峰均功率比理论特性
• 2.1 基于FFT的OFDM调制原理
• 2.1.1 多载波OFDM调制原理
• 2.1.2 保护间隔与循环前缀
• 2.1.3 OFDM信号的传输
• 2.1.4 离散OFDM系统模型
• 2.2 OFDM信号的功率谱
• 2.3 峰均功率比定义及其统计特性
• 2.3.1 峰均功率比的几种描述形式及定义
• 2.3.2 OFDM信号的统计特性及峰均功率比度量
• 2.3.3 与峰均功率比有关的参量
• 2.4 OFDM系统中常用峰均功率比抑制技术
• 2.5 本章小结
• 第3章 峰均功率比抑制的相位加扰算法及优化
• 3.1 相位加扰算法概述
• 3.2 PTS算法及相关理论
• 3.2.1 传统PTS算法描述
• 3.2.2 PTS算法中存在的问题
• 3.3 基于m序列的PTS-OFDM系统子载波分割方式
• 3.3.1 几种典型的分割方法
• 3.3.2 基于m序列映射的分割方式及性能
• 3.4 相位控制编码算法及其对PTS-PAPR系统的优化
• 3.4.1 相位控制编码优化算法简述
• 3.4.2 基于相位控制编码的PTS算法原理
• 3.4.3 PCC算法仿真与分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于信道编码的峰值功率控制算法
• 4.1 基于信道编码的峰值功率控制原理概述
• 4.2 抑制PAPR的典型的线性分组编码方法
• 4.3 多相序列的自相关函数与峰均功率比
• 4.4 Golay序列的性质及构成
• 4.4.1 Golay互补序列的性质
• 4.4.2 RM码（Reed Muller Code）
• 4.4.3 由RM码构造的Golay互补编码过程
• 4.4.4 Golay码的译码算法研究
• 4.4.5 Golay编码的OFDM系统误码率分析
• 4.5 基于Golay码的OFDM系统编码调制理论
• 4.5.1 MQAM调制的分解方式
• 4.5.2 Golay码的MQAM-OFDM系统PAPR性能分析
• 4.5.3 基于MQAM调制方式的GCP构造
• 4.5.4 改进的GCP序列16QAM-OFDM系统构造研究
• 4.6 本章小结
• 第5章 预畸变法PAPR抑制技术及性能优化
• 5.1 预畸变法减小PAPR算法综述
• 5.1.1 Ochiai限幅滤波系统描述
• 5.1.2 峰值加窗技术
• 5.1.3 压扩技术
• 5.2 非线性信道限幅OFDM系统性能估计
• 5.2.1 限幅OFDM系统的信噪比
• 5.2.2 限幅OFDM系统信道容量估计
• 5.3 限幅失真重构迭代（CDRI）算法原理与分析
• 5.3.1 限幅失真重构迭代（CDRI）算法原理
• 5.3.2 系统性能仿真与分析
• 5.4 基于LLR-BP译码的迭代MMSE接收算法
• 5.4.1 LDPC码的构造
• 5.4.2 迭代MMSE接收算法原理
• 5.4.3 LLR-BP译码算法
• 5.4.4 限幅索引码的辅助判决
• 5.4.5 系统性能仿真与分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 MIMO-OFDM系统峰值功率控制研究
• 6.1 MIMO-OFDM系统模型及发射分集技术
• 6.2 MIMO-OFDM系统峰均功率比定义
• 6.3 基于赋形——凸规划峰值功率抑制算法研究
• 6.3.1 赋形——凸规划算法原理
• 6.3.2 性能仿真与分析
• 6.4 MIMO-OFDM系统正交空时频分组编码设计
• 6.4.1 STBC编码原理
• 6.4.2 MIMO-OFDM系统的STFC编码设计
• 6.5 STFC-OFDM系统载波干涉功率控制算法
• 6.5.1 载波干涉法峰值功率控制原理
• 6.5.2 几种二次非线性相位序列构造方式
• 6.5.3 MIMO-OFDM系统载波干涉优化算法
• 6.5.4 性能仿真与分析
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢