摘??要： 介紹了802.16e協(xié)議中關(guān)于減低峰均功率比的要求,，提出了一種優(yōu)化的預(yù)留子載波算法，并基于此算法設(shè)計(jì)了適用于802.16e協(xié)議實(shí)現(xiàn)的降低PAPR方案。該設(shè)計(jì)較傳統(tǒng)的預(yù)留子載波法計(jì)算量小很多,，更加適合實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)仿真分析,，確定預(yù)留子載波數(shù)和迭代次數(shù),。該方法在基帶系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，通過(guò)時(shí)域?qū)Ρ葓D證明了其降低峰均比效果明顯,。
　　關(guān)鍵詞： 802.16e協(xié)議; 峰均功率比（PAPR）; 預(yù)留子載波

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　　寬帶無(wú)線接入技術(shù)作為下一代通信網(wǎng)絡(luò)中最具發(fā)展?jié)摿Φ慕尤爰夹g(shù)之一,，正受到業(yè)界越來(lái)越多的關(guān)注[1]。IEEE 802.16e協(xié)議是工作在2 GHz～6 GHz頻段支持移動(dòng)性的寬帶無(wú)線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn),。制訂IEEE 802.16e的目的是為了實(shí)現(xiàn)既能提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)又使用戶具有移動(dòng)性的寬帶無(wú)線接入解決方案^[1],。
　　IEEE 802.16e規(guī)定了OFDM和OFDMA兩種多載波技術(shù)。OFDMA技術(shù)可以最大限度地利用頻譜資源,，由于子載波之間的正交性,，允許子信道的頻譜相互重疊；正交調(diào)制和解調(diào)可以基于IDFT和DFT,；可以通過(guò)動(dòng)態(tài)子信道分配的方法充分利用信噪比較高的子信道,，克服頻率選擇性衰落。但是OFDMA技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)是具有較高的峰均功率比PAPR（Peak-to-Average Power Ratio),。這就要求功率放大器具有較大的線性動(dòng)態(tài)范圍,，以避免由非線性失真引起的傳輸信號(hào)的頻譜擴(kuò)散及帶內(nèi)失真引起的誤碼率的增加，這就增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度和成本^[2],。
　　本文結(jié)合協(xié)議中對(duì)降低系統(tǒng)PAPR的要求,，從具體實(shí)現(xiàn)成本、復(fù)雜程度,、靈活性方面考慮,，提出了一種優(yōu)化的預(yù)留子載波算法——受控修剪法。該方法不僅具有傳統(tǒng)方法在削峰過(guò)程中不增加誤碼率的優(yōu)點(diǎn),，而且計(jì)算量大大降低,，且降峰效果明顯，所以在實(shí)現(xiàn)上有資源利用少,、實(shí)現(xiàn)靈活等方面的優(yōu)勢(shì),。
1 802.16e協(xié)議中對(duì)降低PAPR的要求
　　OFDM信號(hào)的峰均功率比定義為信號(hào)的最大功率和平均功率之比：
　　
　　在發(fā)射端功放的線性范圍不足夠大時(shí)，高峰均比會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的非線性失真，破壞OFDM信號(hào)在子載波之間的正交性,，使系統(tǒng)性能惡化,，增加帶外干擾，同時(shí)造成功放的功率利用率下降,。
　　802.16協(xié)議專門為PAPR開辟了資源,，即預(yù)留了一部分載波專門用于降低峰均功率比， 同時(shí)需要滿足以下幾個(gè)要求^[3]：
　　(1)發(fā)射信號(hào)必須要有比較低的峰均比,。
　　(2)接收機(jī)必須能有效地從接收信號(hào)中分解出有用信息,，而且最好不要有性能上的降低。最理想的情況是接收機(jī)并不需要來(lái)自發(fā)射機(jī)的任何信息,。
　　(3)由于發(fā)射機(jī)需要計(jì)算每個(gè)發(fā)射符號(hào)的峰均比,，所以降低峰均比的算法必須要簡(jiǎn)單。
　　(4)預(yù)留的載波數(shù)不應(yīng)該使有用數(shù)據(jù)的傳輸速率下降很多,。
　　(5)該方法不能影響其他編碼技術(shù)的使用(如塊編碼,、卷積編碼、Turbo編碼等),。
　　(6)要求上行用戶共用預(yù)留的載波來(lái)降低峰均比,。
2 降低PAPR的方案設(shè)計(jì)
??? 根據(jù)協(xié)議對(duì)降低PAPR的要求，選用預(yù)留子載波法,。傳統(tǒng)的預(yù)留子載波法屬于概率類算法,，較直接修剪法有實(shí)現(xiàn)過(guò)程不增加誤比特率的優(yōu)勢(shì)，相比編碼類方法對(duì)數(shù)據(jù)傳輸率的損失也大大降低了,，但是其較大的計(jì)算量仍是其應(yīng)用過(guò)程中的瓶頸,。本方案提出了一種改進(jìn)算法——受控修剪法，使計(jì)算量從O(Nlog10N)降低到O(N),，而且增加的發(fā)射信號(hào)功率值也相對(duì)較小,，使其可以在實(shí)際系統(tǒng)中得以應(yīng)用。
2.1 方案算法描述
??? 定義g(xm)=xm.clip為被修剪后的時(shí)域信號(hào),，假設(shè)修剪閾值為A,，則：

??? 在理想情況下，核p應(yīng)該是離散脈沖,，即p=[1 0 … 0]^T=e₀，這樣,，每次迭代計(jì)算不僅能降低峰值處的信號(hào),，而且對(duì)旁邊的時(shí)域信號(hào)不會(huì)造成任何影響。但這只能是一種理想情況,，因?yàn)橹灰猵是離散脈沖信號(hào),，就必然導(dǎo)致在所有的預(yù)留子載波上的值都為非零，從而干擾頻域上的有用數(shù)據(jù)，因此核p的設(shè)計(jì)只能是盡可能地接近e₀,，并且滿足R<　　另外，根據(jù)核p的圓周移位性質(zhì)可知,，所有信號(hào)對(duì)應(yīng)的加權(quán)核都是根據(jù)該基本核p經(jīng)過(guò)若干次圓周移位得到的,，而且該基本核p依賴于預(yù)留子載波，即只有預(yù)留子載波改變了,，才需要重新計(jì)算基本核p,。
2.2 方案實(shí)現(xiàn)步驟
　　實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

　　具體步驟描述如下：
　　(1) 獲取預(yù)留子載波的載波位置a={a₁,a₂,a₃…a_n}(n　　(2) 通過(guò)預(yù)留子載波的位置,，產(chǎn)生預(yù)留子載波序列,。
　　(3) 將預(yù)留子載波序列b(i)作為實(shí)部，0為虛部,，進(jìn)行IFFT運(yùn)算,，得到消峰初始序列kernel(i)=ifft(b(i)),i∈[1,N]。該序列第一點(diǎn)數(shù)據(jù)的峰值最大,。
　　(4) 根據(jù)公式{power,pos}=module(data(i)),i∈[1,N],，計(jì)算待處理的OFDMA符號(hào)數(shù)據(jù)的功率峰值，并記錄下每個(gè)數(shù)據(jù)的功率峰值及其位置,。
　　(5) 在消峰之前,，對(duì)各OFDMA符號(hào)的每個(gè)點(diǎn)的PAPR 值進(jìn)行判斷。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的平均功率值和步驟(4)得出的功率峰值power,，計(jì)算出各點(diǎn)的峰均功率比,，即PAPR值。若PAPR值低于規(guī)定的門限值,，則不進(jìn)行降低峰均比的處理,，直接傳送給外圍設(shè)備；否則,，進(jìn)行削峰處理,。這樣只有PAPR值超過(guò)門限值的符號(hào)才會(huì)繼續(xù)降低峰均比，從而達(dá)到在降低整體峰均功率比的基礎(chǔ)上改善數(shù)據(jù)處理效果的目的,。
　　(6) 根據(jù)公式extra=(power-target)*e^j*θ,，計(jì)算削峰差值extra，這是整個(gè)設(shè)計(jì)中計(jì)算復(fù)雜度最高的一步,。其中power為功率峰值,，target為削峰后欲達(dá)到的目標(biāo)功率峰值,，是常數(shù)；θ為功率峰值power所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)data(i)的相位角,。公式中最關(guān)鍵的就是計(jì)算歸一化值e^j*θ=cosθ+jsinθ,。本方案利用CORDIC(COordinate Rotation Digital Computer) 算法計(jì)算此歸一化值。CORDIC算法就是利用移位,、加法和一個(gè)很小的查找表(Look-Up Table)將復(fù)雜的cosθ,、sinθ、arctgθ等計(jì)算轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的線性計(jì)算,，是一種非常有效且精度很高的計(jì)算方法,，同時(shí)也符合降低硬件資源成本的要求^[5]。
　　(7) 根據(jù)公式kernel′(i)=kernel(mod(i+1-pos,N)),i∈[1,N],，對(duì)削峰初始序列kernel(i)進(jìn)行循環(huán)移位,，得到kernel′(i)。經(jīng)過(guò)循環(huán)移位后,，該序列的最大峰值點(diǎn)（第一點(diǎn)數(shù)據(jù)）將對(duì)準(zhǔn)待處理數(shù)據(jù)的功率峰值的位置,，以此達(dá)到削峰的目的。
　　(8) 根據(jù)公式data′(i)=data(i)-extra(i)*kernel′(i),，i∈[1,N],進(jìn)行降低功率峰值的處理,，得到消峰處理的最終結(jié)果data′(i)。
　　以上步驟(1)～(3)為預(yù)留子載波算法中初始消峰序列的產(chǎn)生方法,，步驟(4)～(5)為對(duì)序列是否進(jìn)行消峰處理的判斷,，步驟(6)～(8)為一次消峰處理的過(guò)程。如果要得到較好的消峰效果,，可用步驟(8)之后的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行步驟(4)～(5)判斷,，進(jìn)行迭代消峰。當(dāng)?shù)逄幚硗瓿珊?，即完成一次消峰處理的全過(guò)程,。
3 仿真及實(shí)現(xiàn)論證
　　為了驗(yàn)證方案的可行性，并且選擇最佳的迭代次數(shù)及預(yù)留載波個(gè)數(shù)方式,，對(duì)不同情況進(jìn)行了仿真,，結(jié)果如下：
　　由圖2可知，迭代次數(shù)在10次以上時(shí),，效果改善的并不很明顯,，而迭代次數(shù)的多少和處理時(shí)間成正比，所以此算法在實(shí)際應(yīng)用中建議設(shè)計(jì)迭代次數(shù)為10次或以內(nèi),。

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　　根據(jù)802.16e協(xié)議規(guī)定,，1個(gè)子信道24個(gè)子載波，圖3中對(duì)比了預(yù)留1個(gè)和2個(gè)子信道的PAPR效果圖,?？梢娫贑CDF值為10^-4時(shí)（萬(wàn)分之一），預(yù)留48個(gè)子載波比24個(gè)子載波的PAPR值改善不到0.5 dB,，但是對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來(lái)講就要降低更多的系統(tǒng)傳輸速度,，所以建議采用預(yù)留一個(gè)子信道（24個(gè)子載波）來(lái)進(jìn)行降低峰均比處理。

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　　根據(jù)802.16e協(xié)議10 MHz帶寬參數(shù)配置（每個(gè)符號(hào)1024個(gè)子載波）,，圖4,、圖5給出本方案采用16 QAM調(diào)制方式預(yù)留24個(gè)子載波迭代10次的PAPR處理后的時(shí)域?qū)Ρ刃Ч麍D?？梢?，降低低峰均比效果明顯。

　　本文根據(jù)802.16e協(xié)議中對(duì)降低系統(tǒng)峰均功率比的要求,，提出了優(yōu)化的預(yù)留子載波法——以受控修剪法為基礎(chǔ)的降低PAPR的方案,，并通過(guò)仿真驗(yàn)證找到最佳預(yù)留子載波個(gè)數(shù)和迭代次數(shù)，以最小的資源利用和最低的傳輸速率損失來(lái)?yè)Q取較高的降低PAPR效果,，進(jìn)而提升系統(tǒng)性能,；最后給出基帶實(shí)現(xiàn)的效果對(duì)比圖，證明此方案降低峰均功率比效果明顯,。

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