英文摘要:Low power efficiency is a problem affecting traditional Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) systems. To counter this problem, a new wireless transmission technology based on zero-padding interferometry OFDM (ZP-CI/OFDM) can be employed. ZP-CI/OFDM extends the launch symbol to all OFDM subcarriers via carrier interfermoetry codes, eliminating the average power ratio problem and making full use of multicarrier frequency diversity gain. Through zero-padding at the transmitter, ZP-CI/OFDM can use an advanced receiver to take further advantage of diversity gain and to improve power efficiency in the system.

英文關(guān)鍵字:power efficiency; carrier interferometry; orthogonal frequency division multiplex; zero-padding; frequency diversity gain

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61071102)

正交頻分復(fù)用(OFDM)是由多載波調(diào)制(MCM)技術(shù)發(fā)展而來(lái)，基本思想是采用頻譜重疊但相互不影響的多個(gè)子頻帶來(lái)實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用的數(shù)據(jù)傳輸。OFDM技術(shù)可以有效對(duì)抗符號(hào)間干擾(ISI)，具有頻率利用率高以及適合于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因此越來(lái)越受到人們的關(guān)注[1]。

20世紀(jì)80年代，OFDM技術(shù)在通信領(lǐng)域開(kāi)始商用，并于20世紀(jì)90年代首先在廣播式的音頻和視頻領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，包括在不對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶線(ADSL)、甚高數(shù)據(jù)率數(shù)字用戶線(VHDSL)、音頻廣播(DAB)、數(shù)字視頻廣播(DVB)等[2]。1999年，IEEE通過(guò)了5 GHz的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)——IEEE 802.11a[3]，其物理層傳輸基于OFDM技術(shù)。隨后，寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)IEEE 802.16[4]將OFDM技術(shù)作為物理層的基礎(chǔ)技術(shù)。在3G的后續(xù)演進(jìn)技術(shù)中，LTE的前向鏈路采用正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)，反向鏈路采用單載波-頻分多址(SC-FDMA)技術(shù)[5]。短距離通信IEEE 802.15.3a超寬帶(UWB)技術(shù)[6]也將OFDM作為備選方案之一。可見(jiàn)，OFDM已經(jīng)成為寬帶無(wú)線通信的主流傳輸技術(shù)。然而，OFDM也存在自身的技術(shù)缺陷：

(1)與單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)的輸出是多個(gè)獨(dú)立子載波信號(hào)的疊加，合成信號(hào)會(huì)產(chǎn)生很高的峰值平均功率比(PAPR)。高的峰值平均功率比對(duì)發(fā)射機(jī)射頻功放的線性度提出了很高的要求，同時(shí)也導(dǎo)致了發(fā)射機(jī)的功率效率降低。

(2)OFDM系統(tǒng)將頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)化為并行的平坦衰落子信道，因而能夠在有效對(duì)抗符號(hào)間干擾(ISI)的同時(shí)，降低接收端均衡處理的復(fù)雜度。然而，OFDM也因此喪失了頻率多徑分集增益。因此，當(dāng)子載波處于深衰落時(shí)，相應(yīng)的子載波承載的數(shù)據(jù)符號(hào)的檢測(cè)就變得異常困難，從而限制了OFDM系統(tǒng)的誤碼率(BER)性能，降低了OFDM系統(tǒng)的功率效率。

針對(duì)傳統(tǒng)的OFDM的功率效率問(wèn)題，Wiegandt等將載波干涉(CI)碼用于OFDM系統(tǒng)中，提出了稱(chēng)為CI/OFDM的改進(jìn)的OFDM傳輸技術(shù)[7-8]。在CI/OFDM系統(tǒng)中，每個(gè)低速并行數(shù)據(jù)不再像OFDM那樣僅通過(guò)各自的子載波傳送，而是由正交的CI碼擴(kuò)展到所有子載波上同時(shí)傳輸。因此，CI/OFDM不降低系統(tǒng)的傳輸速率，也不需要額外帶寬即可產(chǎn)生頻率分集增益，提高系統(tǒng)的BER性能。另外，從時(shí)域角度看，CI碼使每個(gè)數(shù)據(jù)調(diào)制的時(shí)域波形峰值均勻錯(cuò)開(kāi)，不再像OFDM那樣由許多隨機(jī)正弦信號(hào)相加，從而完全消除了PAPR問(wèn)題。

傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)在添加保護(hù)間隔時(shí)采用循環(huán)前綴(CP)方式來(lái)消除符號(hào)間干擾。最近的研究表明，采用添零(ZP)方式來(lái)代替CP所形成的ZP-OFDM系統(tǒng)可以在信道深衰落的情況下保證傳輸符號(hào)的恢復(fù)，從而較傳統(tǒng)基于CP的OFDM系統(tǒng)而言具有更好的誤碼率(BER)性能[9]。

1 系統(tǒng)模型

ZP-CI/OFDM的系統(tǒng)模型如圖1所示。在發(fā)射端，ZP-CI/OFDM系統(tǒng)利用傅里葉反變換(IDFT)來(lái)實(shí)現(xiàn)CI碼擴(kuò)展[10]，再利用N點(diǎn)IDFT將數(shù)據(jù)調(diào)制到各個(gè)子載波上，并在數(shù)據(jù)符號(hào)后添加Ng個(gè)零作為保護(hù)間隔以實(shí)現(xiàn)基于ZP-OFDM的發(fā)送。在接收端，ZP-CI/OFDM可以從頻域或者時(shí)域的角度進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，以充分利用頻率分集增益，提高系統(tǒng)的功率效率。

2 系統(tǒng)的接收機(jī)技術(shù)

在ZP-CI/OFDM系統(tǒng)的中，為提高系統(tǒng)的功率效率，接收端的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)十分重要?；赯P-CI/OFDM的3種接收信號(hào)模型，這里介紹頻域最小均方誤差(MMSE)檢測(cè)、時(shí)域MMSE檢測(cè)和非線性檢測(cè)3種關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 頻域MMSE檢測(cè)

ZP-CI/OFDM系統(tǒng)的頻域MMSE檢測(cè)是針對(duì)頻域接收信號(hào)模型并采用MMSE算法來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。其基本實(shí)現(xiàn)步驟是：首先，接收機(jī)通過(guò)N+Ng點(diǎn)傅里葉變換(DFT)將所接收到的時(shí)域符號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域符號(hào)。再通過(guò)頻域信道估計(jì)，估計(jì)出(N+Ng)×(N+Ng)階頻域信道矩陣H。此時(shí)的信道矩陣H為對(duì)角型矩陣，即，H=diag(H0,H1,…,HN+Ng-1)。這里，H0,H1,…,HN+Ng-1=FN+Ng (h0,…,hL,0,…,0)(N+Ng)×1。其中，F(xiàn)N+Ng表示(N+Ng)階DFT矩陣，(h0,…,hL)是衰落信道的信道沖擊響應(yīng)(CIR)向量。于是，可以利用頻域信道矩陣H對(duì)頻域接收信號(hào)進(jìn)行MMSE檢測(cè)。最后，利用DFT實(shí)現(xiàn)CI碼解擴(kuò)，恢復(fù)出原始發(fā)送信號(hào)。頻域MMSE檢測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

2.2 時(shí)域MMSE檢測(cè)

基于頻域的ZP-CI/OFDM系統(tǒng)檢測(cè)算法并不能充分利用系統(tǒng)的頻率分集增益，為此，可以采用基于時(shí)域的MMSE檢測(cè)。頻域的ZP-CI/OFDM系統(tǒng)檢測(cè)算法是針對(duì)時(shí)域接收信號(hào)模型并采用MMSE算法來(lái)進(jìn)行檢測(cè)?；緦?shí)現(xiàn)步驟是：首先，通過(guò)時(shí)域信道估計(jì)，估計(jì)出(N+Ng)×N階時(shí)域信道矩陣h。h為截?cái)嗟拈L(zhǎng)方形Toepitz型矩陣；再利用時(shí)域信道矩陣h對(duì)時(shí)域接收信號(hào)進(jìn)行MMSE檢測(cè)，然后過(guò)DFT將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域；最后利用DFT進(jìn)行CI碼解擴(kuò)恢復(fù)出原始發(fā)送信號(hào)。時(shí)域MMSE檢測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

2.3 非線性檢測(cè)

為了進(jìn)一步提高分級(jí)增益，獲得更好的功率效率，ZP-CI/OFDM系統(tǒng)可以采用復(fù)雜度更高的非線性檢測(cè)。ZP-CI/OFDM系統(tǒng)非線性檢測(cè)的基本原理是基于該系統(tǒng)的接收信號(hào)模型可等效成N×(N+Ng)階MIMO系統(tǒng)，從而可以采用一些非線性MIMO檢測(cè)算法來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，從而提高系統(tǒng)性能。

非線性檢測(cè)算法的基本實(shí)現(xiàn)步驟是：首先，通過(guò)時(shí)域信道估計(jì)，估計(jì)出(N+Ng)×N階時(shí)域信道矩陣h。然后通過(guò)對(duì)接收信號(hào)的分析，生成從數(shù)字調(diào)制后數(shù)據(jù)符號(hào)到接收信號(hào)間的(N+Ng)×N階等效多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)矩陣Ω，即Ω=hFN-1FN-1，其中FN-1為N階IDFT矩陣。最后利用一些已有的非線性檢測(cè)算法，如排序順序干擾抵消(OSIC)算法[11]或球形譯碼(SD)算法[12]，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行非線性檢測(cè)，恢復(fù)出原始發(fā)送信號(hào)。非線性檢測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。

3 應(yīng)用示例

為驗(yàn)證ZP-CI/OFDM系統(tǒng)的高功率效率特性，我們對(duì)ZP-CI/OFDM的BER和PAPR性能進(jìn)行了仿真，并將其與傳統(tǒng)的CI/OFDM系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)進(jìn)行比較。

3.1 誤碼率性能仿真

在仿真過(guò)程中，信道模型采用的是COST207TUx6[13]信道模型，調(diào)制方式采用的是16相正交幅度調(diào)制(16-QAM)。系統(tǒng)仿真參數(shù)是：帶寬為2.5 MHz，子載波個(gè)數(shù)為128，保護(hù)間隔長(zhǎng)度為16，最大多普勒頻移可達(dá)到40 Hz。

BER性能仿真結(jié)果如圖5所示。在圖5中，F(xiàn)DMMSE、TDMMSE和OSMMSE分別代表了ZP-CI/OFDM系統(tǒng)中的頻域MMSE檢測(cè)、時(shí)域MMSE檢測(cè)和基于采用MMSE準(zhǔn)則的OSIC非線性檢測(cè)。

由圖可見(jiàn)，無(wú)論采用哪種檢測(cè)技術(shù)的ZP-CI/OFDM系統(tǒng)的BER性能都優(yōu)于傳統(tǒng)的CI/OFDM系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)，并且在高信噪比(SNR)下，BER增益更加明顯。

由于可以更好地利用頻率分集增益，ZP-CI/OFDM系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的OFDM和CI/OFDM系統(tǒng)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，我們引入互補(bǔ)累積分布函數(shù)(CCDF)來(lái)描述信號(hào)的PAPR。圖6所示為在16-QAM調(diào)制下的ZP-CI/OFDM、CI/OFDM和OFDM這3種信號(hào)的PAPR性能仿真結(jié)果。由圖6的仿真結(jié)果可以看出，CI-OFDM系統(tǒng)由于CI碼的引入從而具有很低的PAPR，ZP-CI/OFDM系統(tǒng)由于以添零的方式作為保護(hù)間隔使得PAPR略有提高，但也明顯低于傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)。因此，ZP-CI/OFDM系統(tǒng)以較小的PAPR提高為代價(jià)，換取了更大的BER增益。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了OFDM技術(shù)作為寬帶無(wú)線通信的主流傳輸技術(shù)所存在優(yōu)缺點(diǎn)。由于OFDM技術(shù)存在功率效率問(wèn)題，從而制約了以O(shè)FDM為核心的無(wú)線傳輸技術(shù)的發(fā)展。針對(duì)這一問(wèn)題，本文給出了一種新的ZP-CI/OFDM無(wú)線傳輸技術(shù)。ZP-CI/OFDM技術(shù)通過(guò)載波干涉碼將發(fā)射符號(hào)擴(kuò)展到所有OFDM子載波上，在有效消除傳統(tǒng)OFDM的PAPR的同時(shí)，充分利用多載波的頻率分集增益；同時(shí)，通過(guò)在發(fā)射端添零，利用先進(jìn)的接收機(jī)技術(shù)進(jìn)一步利用頻率分集增益，提高系統(tǒng)的功率效率。

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高培，電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在讀碩士研究生；主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)線通信中的信號(hào)處理技術(shù)；已參與3項(xiàng)基金項(xiàng)目，發(fā)表EI檢索論文2篇，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利1項(xiàng)。

陳肖虎，電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在讀碩士研究生；主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)線通信中的信號(hào)處理技術(shù)和波形設(shè)計(jì)；已參與3項(xiàng)基金項(xiàng)目。

王軍，電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授、博士；主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)線通信中的信號(hào)處理技術(shù)；已主持和參與8項(xiàng)基金項(xiàng)目，發(fā)表SCI/EI檢索論文60篇，獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利8項(xiàng)。