4G技術中降低OFDM系統PAPR的研究

袁麗娜+茍先彬

摘要：在4G技術中，針對正交頻分復用（OFDM）系統的高峰均功率比值（PAPR）問題，對傳統的部分傳輸序列（PTS）算法進行了改進，把傳統只進行相位擾動改進為相位和幅度同時作用，改善了系統的PAPR性能。同時，對相位序列的取值范圍進行了研究，驗證了取值范圍的變化對PAPR值的影響。仿真結果表明，改進的PTS算法和傳統算法相比，PAPR性能有了1dB的下降。

關鍵詞：4G；OFDM；PAPR；PTS

1引言

4G（The 4th Generation Mobile CommunicationTechnology，第四代移動通信技術）技術，其核心技術之一是正交頻分復用OFDM（Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交頻分復用）技術，OFDM技術是一種無線環境下的高速傳輸技術，主要是在頻域內將所給信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，且各個子載波并行傳輸。OFDM特別適合于存在多徑傳播和多普勒頻移的無線移動信道中傳輸高速數據，能有效對抗多徑效應，消除ISI，對抗頻率選擇性衰落，信道利用率高。OFDM可視為一種調變技術及一種多任務技術，為多載波（Multi-carrier，多載波）的傳送方式。

2 OFDM的基本原理

OFDM系統最基本的原理是把高速率的數據流（帶寬為W）分解為N個低速率的數據流，然后把這些數據流在不同的子載波上同時傳輸。當N足夠大時，每個子載波的帶寬（W/N）小于信道的相關帶寬（Bc）。因此每個子載波經過平坦衰落，而平坦衰落可以通過簡單的頻域單抽頭均衡器來彌補。每個子載波之間相互正交，由于正交性保護了在接收端每個子載波能夠分離，因此子載波可以在頻域上相互重疊。

OFDM是一種多載波調制技術。其核心是將信道分成若干個正交子信道，在每個子信道上進行窄帶調制和傳輸，這樣減少了子信道之間的相互干擾。在OFDM系統中各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間相互干擾，同時又提高了頻譜利用率，在各個子信道中的這種正交調制和解調可以采用—對傅立葉變換（IFFT和FFT）實現，如圖1所示。

3技術比較及優缺點

OFDM系統把高速數據流通過串/并轉換，使得每個子載波上的數據符號持續長度相對增加，從而可以有效地減小無線信道的時間彌散所帶來的ISI；由于各個子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因此與常規的頻分復用系統相比，OFDM系統可以最大限度地利用頻譜資源；各個子信道中的這種正交調制和解調可以采用IDFT和DFT方法來實現；可以很容易地通過使用不同數量的子信道來實現上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。

OFDM系統有一個很明顯的缺點，由于信號的幅值動態范圍過大，OFDM信號的平均信號功率和信號峰值功率之間相差太大，從而造成峰均比過大。多載波調制的本質就是各子載波之間相互獨立，因此這些子載波的幅值范圍很大，子載波的幅值疊加或者抵消，從而導致總信號的功率變化范圍很大。信號功率變化范圍太大就對發射機和接收機的設計帶來很大的問題，因為發射機和接收機設計時要考慮到最小失真信號功率的范圍。

4 PTS法降低PAPR并用MATLAB進行仿真

其中，argmin（·）表示函數取得最小值時所使用的依據條件。若將加權因子bv的取值個數用w來表示，對于V個子塊來說，bv取值有WV種，然后，對于子載波數目為N的OFDM系統，每實施一次PTS算法，將計算V個N點IFFT變換；N·W·V次復乘運算和V·W·V次復加運算，隨著V，w值的增加，PTS算法的計算量將呈指數上升。

PTS方法首先將進來的數據向量劃分為M個互不重疊的子向量，每個子向量中的子載波都乘于相同的旋轉因子，不同的子向量的旋轉因子是統計獨立的。這些旋轉因子能夠最大的抑制PAPR，圖2為PTS原理。

4.2用matlab進行仿真

仿真結果如圖3所示，藍色線為最初的峰值平均功率比11dB左右，在CCDF=10-4時，紅色線為用PTS法降低pPAPR后的，值為9.3dB左右，用PTS法很明顯地降低了PAPR。

圖4是在CCDF=10-1時，當V=4，8時PTS的仿真圖。從圖4中可以看出，當V 4時，PAPR降至8.5dB，圖中紅色線所示；當V 8時，PAPR降低至7.8dB，圖中藍色線所示，經過改進后，PAPR再一次降低。

5結語

文章主要論述了降低OFDM系統峰均比的方法部分傳輸序列（PTS）法，并用MATLAB對這種方法進行了仿真與分析，仿真結果表明在不增加系統負擔的情況下適當選取參數可獲得最佳降低峰均比的效果。