ZP-CIOFDM一种高功率效率的无线传输技术.pdf

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1、ZP-CIOFDM 一种高功率效率的无线传输技术针对传统正交频分复用(OFDM)系统的功率效率问题，文章给出一种新的基于添零方式的载波干涉正交频分复用(ZP-CI/OFDM)无线传输技术。ZP-CI/OFDM 通过载波干涉码将发射符号扩展到所有 OFDM 子载波上，在有效消除传统OFDM 面临的峰值平均功率比问题的同时，充分利用多载波的频率分集增益；同时，ZP-CI/OFDM 通过在发射端添零，采用先进的接收机技术进一步利用频率分集增益，提高系统的功率效率。功率效率；载波干涉正交频分复用；添零；频率分集增益Low power efficiency is a problem affecting

2、traditionalOrthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM)systems.To counter this problem,a new wireless transmissiontechnology based on zero-padding interferometry OFDM(ZP-CI/OFDM)can be employed.ZP-CI/OFDM extends thelaunch symbol to all OFDM subcarriers via carrierinterfermoetry codes,eliminatin

3、g the average power ratioproblem and making full use of multicarrier frequency diversitygain.Through zero-padding at the transmitter,ZP-CI/OFDM canuse an advanced receiver to take further advantage of diversitygain and to improve power efficiency in the system.power efficiency;carrier interferometry

4、;orthogonalfrequency division multiplex;zero-padding;frequency diversitygain正交频分复用(OFDM)是由多载波调制(MCM)技术发展而来，基本思想是采用频谱重叠但相互不影响的多个子频带来实现频分复用的数据传输。OFDM 技术可以有效对抗符号间干扰(ISI)，具有频率利用率高以及适合于高速数据传输等优点，因此越来越受到人们的关注1。20 世纪 80 年代，OFDM 技术在通信领域开始商用，并于 20 世纪 90 年代首先在广播式的音频和视频领域得到广泛应用，包括在不对称数字用户线(ADSL)、甚高数据率数字用户线(VHD

5、SL)、音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)等2。1999年，IEEE通过了5 GHz的无线局域网标准IEEE 802.11a3，其物理层传输基于 OFDM 技术。随后，宽带无线接入系统 IEEE802.164将 OFDM 技术作为物理层的基础技术。在 3G 的后续演进技术中，LTE的前向链路采用正交频分多址(OFDMA)技术，反向链路采用单载波-频分多址(SC-FDMA)技术5。短距离通信IEEE 802.15.3a超宽带(UWB)技术6也将OFDM作为备选方案之一。可见，OFDM 已经成为宽带无线通信的主流传输技术。然而，OFDM 也存在自身的技术缺陷：(1)与单载波系统相比，OFD

6、M 系统的输出是多个独立子载波信号的叠加，合成信号会产生很高的峰值平均功率比(PAPR)。高的峰值平均功率比对发射机射频功放的线性度提出了很高的要求，同时也导致了发射机的功率效率降低。(2)OFDM 系统将频率选择性衰落信道转化为并行的平坦衰落子信道，因而能够在有效对抗符号间干扰(ISI)的同时，降低接收端均衡处理的复杂度。然而，OFDM 也因此丧失了频率多径分集增益。因此，当子载波处于深衰落时，相应的子载波承载的数据符号的检测就变得异常困难，从而限制了OFDM 系统的误码率(BER)性能，降低了 OFDM 系统的功率效率。针对传统的 OFDM 的功率效率问题，Wiegandt 等将载波干涉(

7、CI)码用于 OFDM 系统中，提出了称为 CI/OFDM 的改进的 OFDM 传输技术7-8。在 CI/OFDM 系统中，每个低速并行数据不再像 OFDM 那样仅通过各自的子载波传送，而是由正交的 CI 码扩展到所有子载波上同时传输。因此，CI/OFDM 不降低系统的传输速率，也不需要额外带宽即可产生频率分集增益，提高系统的 BER 性能。另外，从时域角度看，CI 码使每个数据调制的时域波形峰值均匀错开，不再像 OFDM 那样由许多随机正弦信号相加，从而完全消除了 PAPR问题。传统的 OFDM 系统在添加保护间隔时采用循环前缀(CP)方式来消除符号间干扰。最近的研究表明，采用添零(ZP)方

8、式来代替 CP 所形成的 ZP-OFDM 系统可以在信道深衰落的情况下保证传输符号的恢复，从而较传统基于 CP 的 OFDM 系统而言具有更好的误码率(BER)性能9。1 系统模型ZP-CI/OFDM 的系统模型如图 1 所示。在发射端，ZP-CI/OFDM 系统利用傅里叶反变换(IDFT)来实现 CI 码扩展10，再利用N 点 IDFT 将数据调制到各个子载波上，并在数据符号后添加 Ng 个零作为保护间隔以实现基于 ZP-OFDM 的发送。在接收端，ZP-CI/OFDM 可以从频域或者时域的角度进行信号检测，以充分利用频率分集增益，提高系统的功率效率。2 系统的接收机技术在 ZP-CI/OF

9、DM 系统的中，为提高系统的功率效率，接收端的信号检测技术十分重要。基于 ZP-CI/OFDM 的 3 种接收信号模型，这里介绍频域最小均方误差(MMSE)检测、时域MMSE 检测和非线性检测 3 种关键技术。2.1 频域 MMSE 检测ZP-CI/OFDM 系统的频域 MMSE 检测是针对频域接收信号模型并采用 MMSE 算法来进行检测。其基本实现步骤是：首先，接收机通过 N+Ng 点傅里叶变换(DFT)将所接收到的时域符号转换成频域符号。再通过频域信道估计，估计出(N+Ng)(N+Ng)阶频域信道矩阵 H。此时的信道矩阵 H 为对角型矩阵，即，H=diag(H0,H1,HN+Ng-1)。这

10、里，H0,H1,HN+Ng-1=FN+Ng(h0,hL,0,0)(N+Ng)1。其中，FN+Ng 表示(N+Ng)阶 DFT 矩阵，(h0,hL)是衰落信道的信道冲击响应(CIR)向量。于是，可以利用频域信道矩阵H 对频域接收信号进行 MMSE 检测。最后，利用 DFT 实现 CI 码解扩，恢复出原始发送信号。频域 MMSE 检测技术的实现框图如图2 所示。2.2 时域 MMSE 检测基于频域的 ZP-CI/OFDM 系统检测算法并不能充分利用系统的频率分集增益，为此，可以采用基于时域的MMSE 检测。频域的 ZP-CI/OFDM 系统检测算法是针对时域接收信号模型并采用MMSE算法来进行检测

11、。基本实现步骤是：首先，通过时域信道估计，估计出(N+Ng)N 阶时域信道矩阵 h。h为截断的长方形 Toepitz型矩阵；再利用时域信道矩阵 h 对时域接收信号进行 MMSE 检测，然后过 DFT 将信号从时域变换到频域；最后利用 DFT 进行 CI 码解扩恢复出原始发送信号。时域 MMSE 检测技术的实现框图如图 3 所示。2.3 非线性检测为了进一步提高分级增益，获得更好的功率效率，ZP-CI/OFDM 系统可以采用复杂度更高的非线性检测。ZP-CI/OFDM 系统非线性检测的基本原理是基于该系统的接收信号模型可等效成 N(N+Ng)阶 MIMO 系统，从而可以采用一些非线性 MIMO

12、检测算法来进行检测，从而提高系统性能。非线性检测算法的基本实现步骤是：首先，通过时域信道估计，估计出(N+Ng)N 阶时域信道矩阵 h。然后通过对接收信号的分析，生成从数字调制后数据符号到接收信号间的(N+Ng)N 阶等效多输入多输出(MIMO)系统矩阵，即=hFN-1FN-1，其中 FN-1 为 N 阶 IDFT 矩阵。最后利用一些已有的非线性检测算法，如排序顺序干扰抵消(OSIC)算法11或球形译码(SD)算法12，对接收信号进行非线性检测，恢复出原始发送信号。非线性检测技术的实现框图如图 4 所示。3 应用示例为验证 ZP-CI/OFDM 系统的高功率效率特性，我们对ZP-CI/OFDM

13、 的 BER 和 PAPR性能进行了仿真，并将其与传统的 CI/OFDM 系统和 OFDM 系统进行比较。3.1 误码率性能仿真在仿真过程中，信道模型采用的是 COST207TUx613信道模型，调制方式采用的是 16 相正交幅度调制(16-QAM)。系统仿真参数是：带宽为 2.5 MHz，子载波个数为 128，保护间隔长度为 16，最大多普勒频移可达到 40 Hz。BER 性能仿真结果如图 5 所示。在图 5 中，FDMMSE、TDMMSE 和 OSMMSE 分别代表了 ZP-CI/OFDM 系统中的频域MMSE 检测、时域 MMSE 检测和基于采用 MMSE 准则的 OSIC非线性检测。由

14、图可见，无论采用哪种检测技术的 ZP-CI/OFDM 系统的 BER 性能都优于传统的 CI/OFDM 系统和 OFDM 系统，并且在高信噪比(SNR)下，BER 增益更加明显。由于可以更好地利用频率分集增益，ZP-CI/OFDM 系统相对于传统的 OFDM 和 CI/OFDM 系统具有更好的功效性能。3.2 峰值平均功率比性能仿真在 PAPR的性能仿真中，我们引入互补累积分布函数(CCDF)来描述信号的 PAPR。图 6 所示为在 16-QAM 调制下的ZP-CI/OFDM、CI/OFDM 和 OFDM 这 3 种信号的 PAPR性能仿真结果。由图 6 的仿真结果可以看出，CI-OFDM 系

15、统由于 CI码的引入从而具有很低的 PAPR，ZP-CI/OFDM 系统由于以添零的方式作为保护间隔使得 PAPR略有提高，但也明显低于传统的 OFDM 系统。因此，ZP-CI/OFDM 系统以较小的 PAPR提高为代价，换取了更大的 BER 增益。4 结束语本文分析了 OFDM技术作为宽带无线通信的主流传输技术所存在优缺点。由于 OFDM 技术存在功率效率问题，从而制约了以 OFDM 为核心的无线传输技术的发展。针对这一问题，本文给出了一种新的 ZP-CI/OFDM 无线传输技术。ZP-CI/OFDM 技术通过载波干涉码将发射符号扩展到所有OFDM 子载波上，在有效消除传统 OFDM 的 P

16、APR的同时，充分利用多载波的频率分集增益；同时，通过在发射端添零，利用先进的接收机技术进一步利用频率分集增益，提高系统的功率效率。5 参考文献1 佟学俭,罗涛.OFDM 移动通信技术原理与应用 M.北京:人民邮电出版社,2003.2 ROHLING H,MAY T,BRUNINGHAUS K,et al.Broad-bandOFDM Radio Transmission for Multimedia Applications J.Proceedings of the IEEE,1999,87(10):1778-1789.3 IEEE P802.11a/D6.0.Draft Supplemen

17、t to Standard forTelecommunications and Information Exchange betweenSystems-LAN/MSN Specific Requirements-Part 11:WirelessMAC and PHY Specifications:High Speed Physical Layer in the 5GHz band S.1999.4 IEEE 802.16e.Air Interface for Fixed and MobileBroadband Wireless Access Systems S.2006.5 3GPP RP-0

18、40461.Proposed Study Item on EvolvedUTRA and UTRAN S.2004.6 IEEE P802.15-03/141r3-TG3a.TI Physical Layer Proposal:Time-Frequency Interleaved OFDM S.2003.7 WIEGANDT D A,NASSAR C R,WU Zhiqiang.High-Throughput,High-Performance OFDM ViaPseudo-Orthogonal Carrier Interferometry Spreading Codes J.IEEE Tran

19、sactions on Communications,2003,51(7):1123-1134.8 WU Zhiqiang,WU Zhijin,Wiegandt D A,et al.High-Performance 64-QAM OFDM Via Carrier InterferometrySpreading Codes C/Proceedings of the 58th VehicularTechnology Conference(VTC-Fall03):Vol 4,Oct 6-9,2003,Orlando,FL,USA.Piscataway,NJ,USA:IEEE,2003:557-561

20、.9 MUQUET B,WANG Zhengdao,GIANNAKIS G B,et al.Cyclic Prefixing or Zero Padding for Wireless MulticarrierTransmissions?J.IEEE Transactions on Communications,2002,50(12):2136-2148.10 XU Fang,XU Ru,SUN Haixin.Implementation ofCarrier Interferometry OFDM by Using Pulse Shaping Techniquein Frequency Doma

21、in C/Proceedings of the 2007 IEEEInternational Workshop on Anti-counterfeiting,Security,Identification,Apr 16-18,2007,Xiamen,China.Piscataway,NJ,USA:IEEE,2007:319-323.11 DEBBAH M,MUQUET B,de Courville M,et al.A MMSESuccessive Interference Cancellation Scheme for A NewAdjustable Hybrid Spread OFDM Sy

22、stem C/Proceedings of the51th Vehicular Technology Conference(VTC-Spring00),Vol 2,May 15-18,2000,Tokyo,Japan.Piscataway,NJ,USA:IEEE,2000:745-749.12 AGRELL E,ERIKSSON T,VARDY A,et al.Closet PointSearch in Lattices J.IEEE Transactions on Information Theory,2002,48(8):2201-2214.13 COST 207:Digital Land

23、 Mobile Radio CommunicationsR.Luxembourg:Office for Official Publications of the EuropeanCommunities,1989.收稿日期：2010-09-06高培，电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室在读硕士研究生；主要研究领域为无线通信中的信号处理技术；已参与3 项基金项目，发表EI 检索论文 2 篇，申请发明专利 1 项。陈肖虎，电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室在读硕士研究生；主要研究领域为无线通信中的信号处理技术和波形设计；已参与 3 项基金项目。王军，电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室副教授、博士；主要研究领域为无线通信中的信号处理技术；已主持和参与 8 项基金项目，发表 SCI/EI 检索论文 60 篇，获授权发明专利 8 项。