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)

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NC-OFDM系統(tǒng)基于DFT-DCB降PAPR研究*

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：針對非連續(xù)正交頻分復(fù)用調(diào)制信號高峰均比特點(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和經(jīng)過擴(kuò)展調(diào)制之后的信號之間的關(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

引用格式：朱志成，黃波，劉南杰. NC-OFDM系統(tǒng)基于DFT-DCB降PAPR研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(12)：73-75.

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]?；谛盘柣冾惤礟APR技術(shù)[2]會引起帶內(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，為了降低移動臺處理復(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

圖1　DFT-DCB技術(shù)發(fā)送端方案

(6)

1.2DFT-DCB降PAPR技術(shù)的理論分析

(1)

圖2　DCB映射示意圖

設(shè)第k個(gè)數(shù)據(jù)載波塊DCB[k]的長度為lDCB,k，其中0≤k≤K-1，并且對任意k，要求lDCB,k≥Lmin，這里的Lmin即為了兼顧旁瓣抑制而對數(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)制之后的信號為：

(2)

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：

(3)

原始符號S經(jīng)過DFT得到待發(fā)射信號向量X中的元素：

(4)

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

(5)

將式(3)和式(5)代入式(2)可得到：

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，以分別對應(yīng)窄帶應(yīng)用場景和寬帶應(yīng)用場景；仿真中采用5 000組隨機(jī)產(chǎn)生的符號序列，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。

圖3　仿真結(jié)構(gòu)示意圖

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中子載波的大小(不小于Lmin=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)長度N=1 024。因?yàn)闊o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。

圖4　載波數(shù)為32時(shí)仿真結(jié)果

圖5　載波數(shù)為256時(shí)仿真結(jié)果

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。這也說明DFT-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)

[1] 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.

[2] 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.

[4] 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.

[6] 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.

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(61201162);江蘇省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(BY2015011-1)

中圖分類號：TN919.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.12.023

(收稿日期：2016-02-27)

作者簡介：

朱志成(1992-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：移動通信與無線技術(shù)。E-mail:1214012510@njupt.edu.cn。

黃波(1975-)，男，博士，講師，主要研究方向：衛(wèi)星通信與導(dǎo)航、信號處理、車聯(lián)網(wǎng)。

劉南杰(1956-)，男，博士，教授，主要研究方向：車聯(lián)網(wǎng)、移動通信技術(shù)、智能交通。

Research of PAPR reduction based on DFT-DCB for NC-OFDM system

Zhu Zhicheng, Huang Bo, Liu Nanjie

(College of Telecommunications and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003,China )

Abstract:A novel technique is proposed to reduce the high peak-to-average power ratio (PAPR) of the non-continuous orthogonal frequency-division multiplexing(NC-OFDM) signals. Firstly, the symbols are transformed into frequency domain through discrete Fourier transform(DFT). Then, the frequency domain signals are divided into one or more data carrier blocks(DCB) in accordance with the spectral distribution of current white space. The size of the DCB is not less than a certain number for the subsequent processes of the sidelobe suppression. Some zero data blocks are inserted into adjacent DCBs to get the expanded data. Finally, the expanded data are modulated by the inverse fast Fourier transform(IFFT). The closed-form expressions are presented to show the relationship between the original symbols and the modulated data. Theoretical analysis and experiment study show the effectiveness and feasibility of this technique.

Key words:non-continuous orthogonal frequency division multiplexing; peak-to-average power ratio; data carrier block; discrete Fourier transform spreading