【正文】 滿足人們?nèi)找嫣?升的消費(fèi)需求，就要求未來(lái)的移動(dòng)通信必須給人們提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù) ： 從高質(zhì)量的語(yǔ)音業(yè)務(wù)到高清晰的圖像業(yè)務(wù)，從蜂窩電話到寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)、無(wú)線局域網(wǎng)、智能交通系統(tǒng)，這都要求高速的傳輸速率。因此，如何保證在惡劣的無(wú)線信道中傳送高速率的數(shù)據(jù)流演變?yōu)橐苿?dòng)通信的首要問(wèn)題。 無(wú)線通信最重要的特點(diǎn)就是無(wú)線信道環(huán)境。無(wú)線信道是一個(gè)全開(kāi)放的環(huán)境，由于不同的通信系統(tǒng)之間存在干擾，因此頻譜成為一種 不可再生的資源。為了有效地利用有限的頻率資源，以滿足高速率，大容量的業(yè)務(wù)需求，必須采用專(zhuān)門(mén)的技術(shù)，以克服無(wú)線信道多徑衰落，降低對(duì)均衡器的依賴(lài)，降低噪燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 聲，從而達(dá)到改善系統(tǒng)性能的目的。在眾多技術(shù)中， 正交頻分復(fù)用 (OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)顯出了其優(yōu)越的性能。 OFDM 是一種多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)，其基本原理是把一個(gè)高速數(shù)據(jù)流分成若干個(gè)在正交的子信道上并行傳輸?shù)牡退贁?shù)據(jù)流，這樣，多徑衰落的時(shí)間彌散相對(duì)減少，頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)化成若干平坦衰落 子信道，大大減小了符號(hào)間的干擾 (ISI)。 OFDM 技術(shù)不同于一般的多載波傳輸技術(shù)，它利用信號(hào)的頻譜正交性，容許子信道頻譜互相重疊，因此與常規(guī)頻分復(fù)用系統(tǒng)相比， OFDM 系統(tǒng)可以最大限度地利用頻譜資源 OFDM 的研究現(xiàn)狀 OFDM 技術(shù)最早起源于 20 世紀(jì) 50 年代中期，當(dāng)時(shí)主要是美國(guó)國(guó)防部用于軍事上的無(wú)線通信系統(tǒng)。 OFDM 技術(shù)的雛形是頻分復(fù)用技術(shù) (FDM，F(xiàn)requency Division Multiplexing)，當(dāng)時(shí)許多低速率信號(hào)，就是用不同的載波頻率在同一個(gè)寬帶信道中進(jìn)行并行傳輸。但是，為了在接收 端能夠較容易地實(shí)現(xiàn)用簡(jiǎn)單的濾波器來(lái)分離這些信號(hào)，這樣各子載波就要相距足夠遠(yuǎn)，并采用保護(hù)頻帶來(lái)使各子載波的信號(hào)頻譜互不影響，因而其頻譜利用率非常低。當(dāng)然，各子載波除了傳輸來(lái)自不同信號(hào)源的信號(hào)外，也可以傳輸來(lái)自同一個(gè)信號(hào)源的信號(hào)，這樣就是用許多低速率的子載波來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)高速率的數(shù)據(jù)傳輸。受當(dāng)時(shí)硬件技術(shù)的限制，各子載波都需要有自己的模擬前端，再加上OFDM 系統(tǒng)的傳輸方式是非常復(fù)雜的，從而限制了其進(jìn)一步推廣。 最早實(shí)現(xiàn)頻譜高效率多載波通信的是 20世紀(jì) 50年代的 Collins Kineplex系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是在嚴(yán)重多 徑衰落效應(yīng)的高頻無(wú)線信道中實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。該系統(tǒng)雖然仍是沿用傳統(tǒng)的多載波系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式，但是它允許相鄰子載波的頻譜可相互重疊，只是要求相鄰子載波之間的間隔等于或近似等于各子載波上的符號(hào)率，這樣就在保證了各子載波之間的正交性的前提下，頻譜效率大幅度提高。隨后的多載波系統(tǒng)多是利用類(lèi)似的技術(shù)來(lái)提高頻譜的利用率。 1966 年， 博士首次闡明了 OFDM 的概念和技術(shù) [10]，提出把高速串行數(shù)據(jù)分割成多路并行低速數(shù)據(jù)，并分別調(diào)制到正交的子載波上，通過(guò)延長(zhǎng)并行數(shù)據(jù)的傳輸周期，達(dá)到消除碼間干擾的目的。 第一章 緒論 3 1971 年， 和 等人應(yīng)用離散傅里葉變換 (DFT，Discrete Fourier Transform)及離散傅里葉逆變換 (IDFT， Inverse Discrete Fourier Transform)來(lái)實(shí)現(xiàn)多載波系統(tǒng)基帶的調(diào)制和解調(diào) [8]，產(chǎn)生了第一個(gè)“ Modem”的“ OFDM”系統(tǒng)。這樣就可以用一個(gè)模擬前端來(lái)代替 N 個(gè)子載波各自所需的模擬前端，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度?，F(xiàn)在 OFDM 系統(tǒng)主要是利用快速傅里葉變換和快速傅里葉逆變換來(lái)對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)。 1998 年， ATamp。T LabsResearch 提出了一個(gè)稱(chēng)為高度蜂窩網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(ACIS， Advanced Cellular Inter Service)的概念 [11]，目的在于提供更高的數(shù)據(jù)速率和更加人性化的服務(wù)以滿足高質(zhì)量、高移動(dòng)性、高速率、大容量和低費(fèi)用的通信服務(wù)瓶頸。 ACIS 的主要思想是基于 OFDM 將動(dòng)態(tài)分組分配(DPA, Dynamic Packet Assignment)、分集 (Diversity)和信道編碼 (CC， Channel Coding)結(jié)合起來(lái)達(dá)到高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?ACIS 的性能評(píng)估表明，它比第 三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的傳輸速率 (2~5Mbps)還要高，可以減少有線無(wú)線通信系統(tǒng)間的傳輸速率和應(yīng)用的差距。 在無(wú)線局域網(wǎng)領(lǐng)域 于 1999 年通過(guò)了一個(gè) 5GHz 的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，選擇 OFDM 技術(shù)作為其物理層的接入方案，這是 OFDM 第一次被用于分組業(yè)務(wù)通信當(dāng)中。 2021 年 11 月， OFDM 論壇的固定無(wú)線接入工作組向 的無(wú)線城域網(wǎng)委員會(huì)建議采用 OFDM 技術(shù)作為城域網(wǎng)的物理層標(biāo)準(zhǔn)。 ETSI 的寬帶無(wú)線接入網(wǎng)項(xiàng)目 — 第二類(lèi)高性能局域網(wǎng)(HIPERLAN/2, HighPerformance LAN type 2)也把 OFDM定為它的調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)技術(shù) [12]。 2021 年 11 月， 3GPP 通過(guò)被稱(chēng)為 Long Term Evolution(LTE)即“ 3G長(zhǎng)期演進(jìn)”的立項(xiàng)工作。 3GPP 經(jīng)過(guò)激烈的討論和艱苦的融合，在 2021 年 12 月選定了 LTE 的基本傳輸技術(shù)，即下行 OFDM，上行 SCFDMA。 0FDM 由于技術(shù)的成熟性，被選用為下行標(biāo)準(zhǔn)很快就達(dá)成了共識(shí)。而上行技術(shù)的選擇上，由于 OFDM 的高峰均比 (PAPR)使得一些設(shè)備商認(rèn)為會(huì)增加終端的功放成本和功率消耗，限制終端的使用時(shí)間，一些則認(rèn)為可以通過(guò)濾波， 削峰等方法限制峰均比。不過(guò)，經(jīng)過(guò)討論后，最后上行還是采用了 SCFDMA 方式。我燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 3G 標(biāo)準(zhǔn) TDSCDMA 在 LTE 演進(jìn)計(jì)劃中也提出了TDCDMOFDM 的方案。 OFDM 技術(shù)勢(shì)必將在 3G/4G 中扮演重要的角色。 總的來(lái)說(shuō)，基于 OFDM 技術(shù)的無(wú)線通信系統(tǒng)具有許多其它技術(shù)所無(wú)法超越的優(yōu)越性 [8]，它具有抗衰落能力強(qiáng)、頻譜利用率高、傳輸速率高，抗符號(hào)間干擾 (ISI， Intersymbol interference)和載波間干擾 (ICI, InterCarrier interference)能 力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是 OFDM 技術(shù)也存在許多不足之處，其中最主要的缺點(diǎn)之一是信號(hào)呈現(xiàn)很大的峰值平均功率比 (PAPR， PeaktoAverage Power Ratio)。 OFDM 優(yōu)缺點(diǎn) 在現(xiàn)有的正在商用化的通信系統(tǒng)中， OFDM 技術(shù)扮演了重要的角色，也已經(jīng)越來(lái)越得到人們的關(guān)注?？偟膩?lái)說(shuō)，基于 OFDM 技術(shù)的無(wú)線通信系統(tǒng)具有許多其它技術(shù)所無(wú)法超越的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn) [6]： 抗衰落能力強(qiáng)， 可以有效地對(duì)抗信號(hào)波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸，因?yàn)楫?dāng)信道中因多徑傳輸而出現(xiàn)頻率選擇 性衰落時(shí)只有落在頻帶凹陷處的子載波及其攜帶的信息受到影響，而其它子載波不會(huì)受到干擾，因此系統(tǒng)總的誤碼率性能要好得多；另外，還可以通過(guò)各子載波的信源信道聯(lián)合編碼使得系統(tǒng)性能得到進(jìn)一步提高；對(duì)于多用戶系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一個(gè)用戶不適用的子信道對(duì)其他用戶來(lái)說(shuō)可能是性能比較好的子信道，因此除非一個(gè)子信道對(duì)所有用戶來(lái)說(shuō)都不適用，該子信道才會(huì)被關(guān)閉，但發(fā)生這種情況的概率非常小。 頻譜利用率高， 傳統(tǒng)的頻分多路傳輸方法中，將頻帶分為若干個(gè)不相交的子頻帶來(lái)傳輸并行的數(shù)據(jù)流，在接收端用一組濾波器來(lái)分離各個(gè)子信道，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、直 接、缺點(diǎn)是頻譜的利用率低，子信道之間要留有足夠的保護(hù)頻帶，而且多個(gè)濾波器的實(shí)現(xiàn)也有不少困難，而 OFDM 技術(shù)基本思路就是利用多個(gè)子載波的頻譜相互重疊的頻分復(fù)用子信道并行地傳輸數(shù)據(jù)，由于各個(gè)子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因此與常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比， OFDM 系統(tǒng)可以最大限度地利用頻譜資源。 高速數(shù)據(jù)流通過(guò)串并轉(zhuǎn)換，使得每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)長(zhǎng)度相對(duì)第一章 緒論 5 增加，從而可以有效地減小無(wú)線信道的時(shí)間彌散帶來(lái)的 ISI，這樣就減小了接收機(jī)內(nèi)均衡的復(fù)雜度，有時(shí)甚至可以不采用均衡器，僅通過(guò)采用插入循環(huán)前綴的方法 來(lái)消除 ISI 的不利影響。 OFDM 系統(tǒng)可以很容易與其他多種接入方法相結(jié)合使用，構(gòu)成 OFDMA系統(tǒng)，其中包括多載波碼分多址 MCCDMA、跳頻 OFDM以及 OFDMTDMA等等，使得多個(gè)用戶可以同時(shí)利用 OFDM 技術(shù)進(jìn)行通信的傳輸。因?yàn)檎瓗Ц蓴_只能影響一小部分的子載波，因此 OFDM 系統(tǒng)可以在某種程度上抵抗這種窄帶干擾。 任何事物都存在兩面性， OFDM 技術(shù)也存在著許多不足之處， OFDM系統(tǒng) 內(nèi)由于存在多個(gè)正交子載波，而且其輸出信號(hào)是多個(gè)子信道 的疊加，與單載波系統(tǒng)相比，存在如下主要缺點(diǎn) 。 對(duì)相位噪聲、定時(shí)和頻率漂移特 別敏感。精確定時(shí)，除去噪聲和減少頻偏對(duì) OFDM 尤為重要，如果做不到這點(diǎn)，就無(wú)法保證 OFDM 各子載波之間的正交性，就會(huì)不可避免的引起各子載波之間的 ICI 和 ISI；針對(duì)這些不足之處，衍生了許多關(guān)鍵性的技術(shù)研究，主要包括 OFDM 系統(tǒng)的同步研究 (包括時(shí)間同步、頻域同步和載波同步 )，信道估計(jì) (包括信道檢測(cè)技術(shù) )。 存在高的峰值平均功率比 (PeaktoAverage Power Ratio， PAPR), 高PAPR 問(wèn)題一直是 OFDM 技術(shù)的難點(diǎn)和關(guān)鍵問(wèn)題所在，也是 OFDM 技術(shù)走向?qū)嵱没闹饕系K。因?yàn)?OFDM 信號(hào)是非 恒定的包絡(luò)，任何非線性的 RF放大都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生互調(diào)成分，從而影響鄰近帶寬的信號(hào)和系統(tǒng)的性能。為了提高傳輸效率和系統(tǒng)性能，在發(fā)送端必須考慮到信號(hào)的峰值和均值。若將功放輸入信號(hào)的最大幅度控制在功放的線性范圍內(nèi)，則對(duì)于輸入信號(hào)的平均幅度，功放級(jí)就不能輸出較高功率，這對(duì)傳輸是非常不利的。 PAPR 抑制技術(shù)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 高峰均比 (PAPR)問(wèn)題一直是 OFDM 技術(shù)的難點(diǎn)和關(guān)鍵問(wèn)題所在 [3]，也是 OFDM 技術(shù)走向?qū)嵱没闹饕系K。因?yàn)?OFDM 信號(hào)是非恒定的包絡(luò)，任何非線性的 RF 放大都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生互調(diào)成分，從而影響鄰 近帶寬的信號(hào)和系統(tǒng)的性能。為了提高傳輸效率和系統(tǒng)性能，在發(fā)送端必須考慮到信號(hào)的峰燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 值和均值因子。若將功放輸入信號(hào)的最大幅度控制在功放的線性范圍內(nèi)，則對(duì)輸入信號(hào)的平均幅度，功放級(jí)就不能輸出較高功率，這對(duì)傳輸是非常不利的。 峰均比較高是 0FDM系統(tǒng)的固有問(wèn)題之一，也一直是學(xué)術(shù)界研究 OFDM技術(shù)的熱點(diǎn)問(wèn)題。移動(dòng)通信業(yè)務(wù)和 OFDM 技術(shù)的發(fā)展令 PAPR 的研究熱潮也隨之興起，近年來(lái)，有大量的學(xué)者針對(duì)這一問(wèn)題提出了各種各樣的解決方案與相關(guān)算法，其中比較有代表性的有三類(lèi)算法，分別是信號(hào)預(yù)畸變類(lèi)技術(shù)、編碼類(lèi)技術(shù)和概率類(lèi)技術(shù) [37]。 信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)直接對(duì)信號(hào)的峰值進(jìn)行非線性操作，優(yōu)點(diǎn)是直接、簡(jiǎn)單，但會(huì)帶來(lái)帶內(nèi)噪聲和帶外干擾，降低系統(tǒng)的誤比特率性能和頻譜效率，該類(lèi)技術(shù)包括限幅法和壓縮擴(kuò)展法。 限幅法是 1997 年 Cimini 等人提出的 [9]，它是最簡(jiǎn)單直接的信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)。限幅法中心思想是：在信號(hào)被送到放大器之前，先經(jīng)過(guò)非線性處理，對(duì)有較大峰值功率的信號(hào)進(jìn)行限幅處理，將其限制在放大器的動(dòng)態(tài)變化范圍之內(nèi)，從而避免高 PAPR 的出現(xiàn)。盡管這種方法比較簡(jiǎn)單，但是它也會(huì)為OFDM 系統(tǒng)帶來(lái)相關(guān)的問(wèn)題。限幅法是一種簡(jiǎn)單有效的方法，但是會(huì)不可避免 地產(chǎn)生信號(hào)畸變，引入一種自干擾，從而必然降低系統(tǒng)的誤比特率性能。其次，由于信號(hào)的非線性畸變性，導(dǎo)致頻譜泄露 (帶外輻射功率的增大 )。 2021年， ARMSTRONG .，在離散的頻域點(diǎn)上進(jìn)行濾波，所以不會(huì)造成帶內(nèi)信號(hào)的畸變，因此不會(huì)造成 ISI(符號(hào)間干擾 )。隨后， Tellambura 提出一種重復(fù)濾波限幅法的改進(jìn)算法，以改善重復(fù)濾波限幅法存在的計(jì)算復(fù)雜度。壓縮擴(kuò)展是新加坡國(guó)立大學(xué) Wang Xianbin 博士于1999 年提出的。它是一種通過(guò)非均勻量化來(lái)抑制 PAPR 的方法，即，在發(fā)射端對(duì) 小幅值信號(hào)的功率進(jìn)行放大，而保持大幅值信號(hào)的功率不變，以增大整個(gè)系統(tǒng)的平均功率為代價(jià)達(dá)到抑制 PAPR 的目的。壓縮擴(kuò)展法的實(shí)現(xiàn)也非常簡(jiǎn)單，計(jì)算復(fù)雜度也不會(huì)隨著子載波數(shù)的增加而增加，其弊端在于：一方面要增大系統(tǒng)的平均發(fā)射功率；另一方面使得符號(hào)的功率值更加接近高功率放大器的非線性變化區(qū)域，造成了信號(hào)的失真。 編碼類(lèi)技術(shù)主要是利用不同編碼所產(chǎn)生不同的碼組而選擇 PAPR 較小第一章 緒論 7 的碼組作為 OFDM 符號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸，從而避免了信號(hào)峰值，該技術(shù)為線性過(guò)程，不會(huì)使信號(hào)發(fā)生畸變，但其計(jì)算復(fù)雜度非常高，編解碼都比較復(fù)雜，而且信 息速率降低很快，只適用于子載波數(shù)比較少的情況。其主要方法有：分組編碼法 (Block Coding)、格雷補(bǔ)碼序列（ Golay Complementary Sequences, GCS）和雷德米勒 (ReedMuller)碼等。 概率類(lèi)技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)不在于如何降低信號(hào)幅度的最大值，而在于降低峰值出現(xiàn)的概率。 OFDM 系統(tǒng)中出現(xiàn)大峰值功率信號(hào)的原因在于多個(gè)子載波信號(hào)相互