LT-LTE系统的不足与改进方法

mecoolo

      上一期先容了LT-LTE中的数字调制技术的相关常识，并且提到了LT-LTE系统的不足之处。本期将讨论如何降低PARP。

===============================2012-11-16-PM

尽管TD-LTE的关键技术用OFDM技术，但其中也存在不足，归纳为三点：PARP较高、受频率偏差的影响、受时间偏差的影响。下面简单地先容一下OFDM系统降低PAPR 的技术。

    OFDM包络的不稳定性可以用PAPR 来表示。PAPR 越大, 系统包络的不稳定性越大。因此要改善系统的性能, 就要设法减少PAPR, 而PAPR 与传输序列的自相关函数有关。围绕如何降低OFDM系统的PAPR问题, 国内外学者已做了大量的研究工作, 其主要算法可以归纳为以下三类。

一、信号预畸变技术

    信号预畸变技术的中心思想是在信号送到放大器之前, 首先经过非线性处理对有较大峰值功率的信号进行预畸变, 使其不会超出放大器的动态变化范围, 从而避免较大PAPR 的出现。该技术包括以下7 种方法：

1、限幅法

    限幅法中矩形窗的引入会对原信号的频谱产生影响,从而引起新的带外噪声, 降低频谱效率。并且由于该法是一种非线性变化, 会产生严重的带内失真, 从而降低误码率性能, 导致系统性能下降。为了克服由于限幅导致的误码性能的恶化, 可以采用有效的信道编解码技术。

2、加窗法

    这种方法采用了频谱特性好于矩形窗的窗函数, 但需要在上采样后的较高速率下对信号进行处理, 因此实现较难, 且会影响信号频谱特性。

3、加校正函数法

    加校正函数法指用校正函数来处理OFDM信号, 以消除OFDM的幅度峰值, 而由校正函数引起的频带外干扰为零或忽略不计。其中校正函数又分为乘性校正函数和加性校正函数两种。

4、加权多载波调制法

    加权多载波调制法是指在FFT前用Gaussian或者Hamming 窗函数加权输入信号来降低PAPR。

5、载波抑制峰值法

    载波抑制峰值法的主要思想是当OFDM信号的峰值功率出现时, 将OFDM一些子载波不用来传送数据, 而是传送一些能抑制和抵消峰值的、设计好的信号。通常建议使用不同的频段作为这个载波的频率。这个技术的优点是既不会降低系统的SNR( 信噪比) , 也不会引入带外干扰, 缺点是降低了系统的数据速率, 增加了系统的复杂性。

6、压缩扩展法

    传统扩展法的主要思想是提升信号中的低幅度值而保持其峰值幅度, 以此来提升信号的平均功率, 从而达到降低PAPR 的目的。然而由此增加了系统的平均发射功率, 使符号的功率值更加接近功率放大器的非线性变换区域, 容易造成信号失真。因此提出了一种改进的压缩扩展变换方法, 这种方法中, 对大功率发射信号进行了压缩, 而把小功率信号进行了放大, 从而可以使发射信号的平均功率相对保持不变。这样不但可以减小系统的PAPR, 而且还可以使小功率信号抗干扰的能力有所增强。次方法虽然计算复杂度低, 但是放大器输入信号的平均功率却增加了, 从而对非线性失真更敏感。因此又有人提出了压扩转换法，提出的压缩扩展法均分别借鉴了语音信号信源编码中非均匀量化方法的μ律和A 律的压缩扩展表达式, 这些方法在发送端对信号进行压缩或扩大, 使PAPR 降低, 而在接收端能做到几乎不损伤信号的恢复, 实现的计算复杂度也较低。

7、预畸变和畸变补偿法

    预畸变是指在发送端对未进入放大器的信号进行与放大器畸变特性相反的预畸变, 以减少信号在通过放大器后的畸变。畸变补偿技术是指在OFDM系统的接收端加一个补偿器用于补偿和修正被畸变的信号。这两种技术在实际应用中都会增加系统的复杂性。

二、信号扰码技术

    这类方法就是利用不同的加扰序列对OFDM符号进行加权处理, 优化子信道的载波相位, 从而选择PAPR 较小的OFDM符号及相位组合来传输。这类方法实际上是从概率的角度来减小PAPR, 即减小大峰值功率信号出现的概率。根据这一思想, 具体的实现技术包括: 优化相位组合、局部扰码、选择性映射( selective mapping, SLM) 和部分传输序列( partial

transmit sequence,PTS) 等方法。其中SLM和PTS 最常用。

1、优化相位组合法

    目前最好的结果是无论子信道数是多少,PAPR 值始终是2.6 dB, 而在移动通信系统中很多HPA需要这么低的PAPR 值。但是这一方法目前还处于理论研究阶段, 实际应用中, 在不过分增加系统复杂度的情况下是否能达到上述结果还有待于进一步的研究。

2、局部扰码法

    这一技术通过采用特殊的选择函数( selection function,SF) 来选出PAPR值最低的OFDM信号进行发送。

3、选择性映射法

    SLM通过引入小的冗余来提高PAPR 的统计特性。在SLM法中, 发射机产生一系列不同候选信号的集合, 这些信号表示相同信息, 从中选择最好(PAPR 最小) 的集合来发射。但是无论选择哪个随机向量都需发送边带信息, 这样接收方根据收到的边带信息才能进行相应的反变换还原原始数据。因此它同时牺牲了部分发送带宽, 增加了系统的计算复杂度以及系统硬件。但是这种方法的优点是可以用于任意子载波数和调制方式的情况, 而且是非畸变地降低OFDM符号的PAPR。

4、部分传输序列法

    PTS 法指将信号在发送端的傅立叶变换前分割成M个独立的子块, 每个子块单独进行傅立叶变换, 然后各子块分别乘上一个相位旋转因子进行相位旋转, 经过优化相位旋转因子后, 发送各子块组合出的PAPR 最低的OFDM信号,并选择这个相应的最优相位旋转因子向量作为边带信息进行发送。同SLM方法一样, PTS 也是可以用于任意子载波数和调制方式的情况, 而且是非畸变地降低OFDM符号的PAPR, 但是却以增加发送带宽、系统的计算复杂度以及系统硬件为代价。为了降低PTS 的计算复杂度, 可以采用交织方法对N 个子载波进行分割, 构成M个部分发送序列, 并可用Cookey-Tukey FFT 算法来降低系统的计算复杂度。

三、编码技术

    这类方法的基本原理是尽量避免使用那些会生成大峰值功率信号的编码图样, 例如循环编码方法。显然, 这类方法所获得的PAPR 性能增益是在保持传输速率不变的情况下获得的, 通过增加系统带宽以及降低每发送比特的能量为代价。这类方法的缺陷在于, 可供使用的编码图样数目非常少, 当子载波数目较大时, 编码效率会非常低, 从而导致矛盾更加突出。鉴于以上的优缺点, 编码技术适合于子载波数量较少, 频带较宽, 需要有稳定性能的系统。预编码方法是编码技术中的一类, 它使各子载波间的传输信息相互关联, 以达到降低PAPR 的目的。这类方法有良好的数学结构, 实现简单, 运算量小; 同时由于编码具有纠错能力, 在减小PAPR 的同时又能实现前向纠错提高频谱利用率。基于互补序列的分组码就是其中的一种编码方案, 其PAPR 最大仅为3dB。

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补充内容 (2013-12-13 09:59):
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