朱志成,，黃波,，劉南杰

　　(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 江蘇 南京 210003)

      摘要：針對(duì)非連續(xù)正交頻分復(fù)用調(diào)制信號(hào)高峰均比特點(diǎn),，提出了一種新的降峰均比方法,。首先，將符號(hào)序列進(jìn)行離散傅里葉變換,；接著,，將變換之后的數(shù)據(jù)按照當(dāng)前的頻譜空洞分布以及后續(xù)旁瓣抑制處理，劃分成一個(gè)或多個(gè)最小子載波數(shù)受限的數(shù)據(jù)載波塊,，并在數(shù)據(jù)載波塊之間插入合適的零數(shù)據(jù)塊予以擴(kuò)展,；最后，將擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)通過快速傅里葉逆變換實(shí)現(xiàn)調(diào)制,。以閉式表達(dá)式的形式給出了原始符號(hào)和經(jīng)過擴(kuò)展調(diào)制之后的信號(hào)之間的關(guān)系,，從理論推導(dǎo)和仿真分析驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性和可行性。

　　關(guān)鍵詞：非連續(xù)正交頻分復(fù)用,；峰值平均功率比,；數(shù)據(jù)載波塊；離散傅里葉變換擴(kuò)展

0引言

　　與連續(xù)正交頻分復(fù)用系統(tǒng)(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,，OFDM)相似,，非連續(xù)正交頻分復(fù)用(NonContinuous Orthogonal Frequency Division Multiplexing, NCOFDM)系統(tǒng)中同樣存在高峰均比(PeaktoAverage Power Ratio, PAPR)問題［1］?；谛盘?hào)畸變類降PAPR技術(shù)［2］會(huì)引起帶內(nèi)頻譜擴(kuò)展,；基于編碼類降PAPR技術(shù)［3］存在編碼效率低下問題，尤其是子載波數(shù)越大效率越低,。

　　在LTE上行鏈路中,，為了降低移動(dòng)臺(tái)處理復(fù)雜度，引入了單載波頻分復(fù)用技術(shù)(Singlecarrier FrequencyDivision Multiple Access, SCFDMA) ［4］,。它首先將要發(fā)送的符號(hào)做離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform,，DFT)，然后通過快速傅里葉迸變換(Inverse Fast Fourier Transform,，IFFT)完成調(diào)制,。與SCFDMA系統(tǒng)相類似的DFT擴(kuò)展降PAPR技術(shù)［5］通過將待發(fā)送的M個(gè)符號(hào)做M階的DFT后，按照一定的策略映射到N(N≥M)個(gè)子載波中,，再經(jīng)過N階IFFT完成調(diào)制,。

　　受SCFDMA及DFT擴(kuò)展降PAPR技術(shù)的啟發(fā)，同時(shí)考慮到NCOFDM系統(tǒng)旁瓣抑制技術(shù)［6］中廣泛采用的子載波加權(quán)結(jié)合預(yù)留保護(hù)帶方法［67］,，本文提出一種基于數(shù)據(jù)載波塊中最小子載波數(shù)受限的DFT擴(kuò)展（Discrete Fourier TransformData Carrier Block, DCBDFT）降PAPR技術(shù),。該技術(shù)能夠在降低NCOFDM系統(tǒng)PAPR的同時(shí),，兼顧后續(xù)旁瓣抑制處理。

1DFT-DCB降PAPR技術(shù)的原理

　　1.1DFT-DCB的實(shí)現(xiàn)方案

　　DFTDCB技術(shù)方案如圖1所示,。在發(fā)射端,，待發(fā)射數(shù)據(jù)流經(jīng)過符號(hào)映射并通過串并轉(zhuǎn)換后得到符號(hào)序列S=(s0,s1,…,sM－1),，S經(jīng)過DFT變換得到X=(x0,x1,…,xM－1),，X再按照一定的映射策略，實(shí)現(xiàn)DCB映射,，得到信n=1N∑K－1k=0 ∑lDCB,k－1ii=0 ∑M－1idx=0sidxe－j2π∑knum=0lDCB,num－1+iiMidx×ej2πnN∑knum=0(lZero,num+lDCB,num－1)+ii(6)號(hào)=(0,1,…,N－1),，其中N≥M。再通過一個(gè)N階的IFFT完成調(diào)制,。在接收端存在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的逆處理過程,，不再講述。

　　1.2DFT-DCB降PAPR技術(shù)的理論分析

　　如圖1所示,，DCB映射后,，信號(hào)經(jīng)過IFFT，得到時(shí)間域信號(hào)=(0,1,…,N－1),，這里：

　　從式（1）可以看出,，時(shí)間域信號(hào)的特性由DCB映射之后的m的分布決定，PAPR特性也不例外,。m的分布由DCB映射策略確定,，以DCB為單位，DCB映射過程如圖2所示,。

　　設(shè)第k個(gè)數(shù)據(jù)載波塊DCB［k］的長(zhǎng)度為lDCB,k,，其中0≤k≤K－1，并且對(duì)任意k,，要求lDCB,kLmin,，這里的Lmin即為了兼顧旁瓣抑制而對(duì)數(shù)據(jù)載波塊子載波數(shù)的最小要求。數(shù)據(jù)載波塊DCB［k］之間和數(shù)據(jù)載波塊序列的首尾插入長(zhǎng)度為lZero,k的零元素塊ZERO［k］={0,…,0},，一方面是考慮授權(quán)用戶使用頻段,，另一方面為了減少對(duì)授權(quán)用戶的干擾而預(yù)留的保護(hù)帶，其中0≤lZero,k,，0≤k≤K,。參照式(1)，擴(kuò)展之后的數(shù)據(jù)經(jīng)過IDFT,，得到調(diào)制之后的信號(hào)為：

　　其中,，DCB［k］［ii］表示第k個(gè)數(shù)據(jù)載波塊DCB中的第ii個(gè)元素，ii≥0,，并且：

　　原始符號(hào)S經(jīng)過DFT得到待發(fā)射信號(hào)向量X中的元素：

　　X被分隔成K個(gè)DCB塊,，可得DCB［k］［ii］和X元素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

　　將式(3)和式(5)代入式(2)可得到：

　　式(6)表達(dá)了原始的符號(hào)序列S經(jīng)過DC-DFT擴(kuò)展,，再經(jīng)過IFFT之后的發(fā)射信號(hào)。顯然,，在S一定的情況下,，的PAPR特性由lDCB,k、lZero,k決定,，或者說(shuō)由DCB的映射策略決定,。從式(6)可以看出，很難從數(shù)學(xué)上對(duì)一般情況下的DCB-DFT性能進(jìn)行分析,，需要通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,。

2仿真及結(jié)果分析

　　為了驗(yàn)證DFTDCB技術(shù)的有效性和可行性，建立仿真結(jié)構(gòu)如圖3所示,。

　　考慮實(shí)際應(yīng)用情況,，仿真中調(diào)制方式選擇常用的QPSK和16QAM；總的數(shù)據(jù)子載波數(shù)M分別取32和256,，以分別對(duì)應(yīng)窄帶應(yīng)用場(chǎng)景和寬帶應(yīng)用場(chǎng)景,；仿真中采用5 000組隨機(jī)產(chǎn)生的符號(hào)序列，以統(tǒng)計(jì)到10－3概率下的PAPR特性,，IFFT和FFT計(jì)算中子載波數(shù)取N=1 024,。　

　　現(xiàn)實(shí)中頻譜空洞分布具有隨機(jī)性,，仿真中隨機(jī)選擇每個(gè)DCB中子載波的大?。ú恍∮贚min=8），并且隨機(jī)插入一定數(shù)目的零填充塊,，同時(shí)要注意保持?jǐn)U展之后的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N=1 024,。因?yàn)闊o(wú)法一一列舉，仿真中統(tǒng)計(jì)了104次的隨機(jī)序列輸入仿真結(jié)果,，如圖4和圖5所示,。　

　　從圖4和圖5可以看出,，QPSK和16QAM兩種調(diào)制方式下,，DFT-DCB技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的OFDM傳輸系統(tǒng)的PAPR性能都有較好的改善效果。在10－3概率處,，對(duì)于QPSK調(diào)制方式,，總數(shù)據(jù)載波數(shù)為32和256時(shí)，能夠獲得最差大約1 dB的PAPR改善,；而對(duì)于16QAM調(diào)制方式,，總數(shù)據(jù)載波數(shù)為32時(shí)，能夠獲得的最差PAPR改善性能非常有限，總數(shù)據(jù)載波數(shù)為256時(shí),，能夠獲得最差大約1 dB的改善性能,。這也說(shuō)明DF-DCB性能與調(diào)制方式以及具體的映射策略密切相關(guān)。

3結(jié)論

　　理論分析和仿真結(jié)果均表明,，本文提出的DFTDCB技術(shù)能夠有效降低NC-OFDM系統(tǒng)的PAPR,，降低的性能與調(diào)制方式、總數(shù)據(jù)載波數(shù)以及映射策略密切相關(guān),。同時(shí),，DFT-DCB通過限制DCB中子載波最小數(shù)目，為NC-OFDM系統(tǒng)后續(xù)的旁瓣抑制處理提供了便利,。

參考文獻(xiàn)

　?。?］ RAHMATALLAH Y,， MOHAN S. Peaktoaverage power ratio reduction in OFDM systems: a survey and taxonomy［J］. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2013, 15(4):15671592.

　?。?］ Wang Y C,Luo Z Q. Optimized iterative clipping and filtering for PAPR reduction of OFDM signals［J］. IEEE Transactions on Communications, 2011, 59(1):3337.

　　［3］ Qu Daiming, Li Li, Jiang Tao. Invertible subset LDPC code for PAPR reduction in OFDM systems with low complexity［J］. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2014, 13(4):22042213.

　?。?］ MYUNG H G, LIM J, GOODMAN D J. Single carrier FDMA for uplink wireless transmission［J］. IEEE Vehicular Technology Magazine, 2006, 1(3):3038.［5］ YONG S C,JAEKWON K, WON Y Y, et al. MIMOOFDM wireless communications with MATLAB［M］. Singapore: WileyIEEE Press, 2010.

　?。?］ KUMAR R,TYAGI A. Sidelobe suppression using differential coding in OFDM cognitive radios［C］. IEEE International Conference on Signal Processing, Computing and Control (ISPCC), 2013:16.

　　［7］ COSOVIC I, BRANDES S, SCHNELL M. Subcarrier weighting: a method for sidelobe suppression in OFDM systems［J］. IEEE Communications Letters, 2006, 10(6):444446.