NC-OFDM系统基于DFT-DCB降PAPR研究*

朱志成，黄　波，刘南杰

(南京邮电大学 通信与信息工程学院， 江苏 南京 210003)



NC-OFDM系统基于DFT-DCB降PAPR研究*

朱志成，黄波，刘南杰

(南京邮电大学 通信与信息工程学院， 江苏 南京 210003)

摘要：针对非连续正交频分复用调制信号高峰均比特点，提出了一种新的降峰均比方法。首先，将符号序列进行离散傅里叶变换；接着，将变换之后的数据按照当前的频谱空洞分布以及后续旁瓣抑制处理，划分成一个或多个最小子载波数受限的数据载波块，并在数据载波块之间插入合适的零数据块予以扩展；最后，将扩展后的数据通过快速傅里叶逆变换实现调制。以闭式表达式的形式给出了原始符号和经过扩展调制之后的信号之间的关系，从理论推导和仿真分析验证了该技术的有效性和可行性。

关键词：非连续正交频分复用；峰值平均功率比；数据载波块；离散傅里叶变换扩展

引用格式：朱志成，黄波，刘南杰. NC-OFDM系统基于DFT-DCB降PAPR研究[J].微型机与应用，2016,35(12)：73-75.

0引言

与连续正交频分复用系统(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)相似，非连续正交频分复用(Non-Continuous Orthogonal Frequency Division Multiplexing, NC-OFDM)系统中同样存在高峰均比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)问题[1]。基于信号畸变类降PAPR技术[2]会引起带内频谱扩展；基于编码类降PAPR技术[3]存在编码效率低下问题，尤其是子载波数越大效率越低。

在LTE上行链路中，为了降低移动台处理复杂度，引入了单载波频分复用技术(Single-carrier Frequency-Division Multiple Access, SC-FDMA)[4]。它首先将要发送的符号做离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)，然后通过快速傅里叶迸变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)完成调制。与SC-FDMA系统相类似的DFT扩展降PAPR技术[5]通过将待发送的M个符号做M阶的DFT后，按照一定的策略映射到N(N≥M)个子载波中，再经过N阶IFFT完成调制。

受SC-FDMA及DFT扩展降PAPR技术的启发，同时考虑到NC-OFDM系统旁瓣抑制技术[6]中广泛采用的子载波加权结合预留保护带方法[6-7]，本文提出一种基于数据载波块中最小子载波数受限的DFT扩展(Discrete Fourier Transform-Data Carrier Block, DCB-DFT)降PAPR技术。该技术能够在降低NC-OFDM系统PAPR的同时，兼顾后续旁瓣抑制处理。

1DFT-DCB降PAPR技术的原理

1.1DFT-DCB的实现方案

图1　DFT-DCB技术发送端方案

(6)

1.2DFT-DCB降PAPR技术的理论分析

(1)

图2　DCB映射示意图

设第k个数据载波块DCB[k]的长度为lDCB,k，其中0≤k≤K-1，并且对任意k，要求lDCB,k≥Lmin，这里的Lmin即为了兼顾旁瓣抑制而对数据载波块子载波数的最小要求。数据载波块DCB[k]之间和数据载波块序列的首尾插入长度为lZero,k的零元素块ZERO[k]={0,…,0}，一方面是考虑授权用户使用频段，另一方面为了减少对授权用户的干扰而预留的保护带，其中0≤lZero,k，0≤k≤K。参照式(1)，扩展之后的数据经过IDFT，得到调制之后的信号为：

(2)

其中，DCB[k][ii]表示第k个数据载波块DCB中的第ii个元素，ii≥0，并且：

(3)

原始符号S经过DFT得到待发射信号向量X中的元素：

(4)

X被分隔成K个DCB块，可得DCB[k][ii]和X元素之间的对应关系：

(5)

将式(3)和式(5)代入式(2)可得到：

2仿真及结果分析

为了验证DFT-DCB技术的有效性和可行性，建立仿真结构如图3所示。

考虑实际应用情况，仿真中调制方式选择常用的QPSK和16QAM；总的数据子载波数M分别取32和256，以分别对应窄带应用场景和宽带应用场景；仿真中采用5 000组随机产生的符号序列，以统计到10-3概率下的PAPR特性，IFFT和FFT计算中子载波数取N=1 024。

图3　仿真结构示意图

现实中频谱空洞分布具有随机性，仿真中随机选择每个DCB中子载波的大小(不小于Lmin=8)，并且随机插入一定数目的零填充块，同时要注意保持扩展之后的数据长度N=1 024。因为无法一一列举，仿真中统计了104次的随机序列输入仿真结果，如图4和图5所示。

图4　载波数为32时仿真结果

图5　载波数为256时仿真结果

从图4和图5可以看出，QPSK和16QAM两种调制方式下，DFT-DCB技术对传统的OFDM传输系统的PAPR性能都有较好的改善效果。在10-3概率处，对于QPSK调制方式，总数据载波数为32和256时，能够获得最差大约1 dB的PAPR改善；而对于16QAM调制方式，总数据载波数为32时，能够获得的最差PAPR改善性能非常有限，总数据载波数为256时，能够获得最差大约1 dB的改善性能。这也说明DFT-DCB性能与调制方式以及具体的映射策略密切相关。

3结论

理论分析和仿真结果均表明，本文提出的DFT-DCB技术能够有效降低NC-OFDM系统的PAPR，降低的性能与调制方式、总数据载波数以及映射策略密切相关。同时，DFT-DCB通过限制DCB中子载波最小数目，为NC-OFDM系统后续的旁瓣抑制处理提供了便利。

参考文献

[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.

*基金项目：国家自然科学基金(61201162);江苏省产学研项目(BY2015011-1)

中图分类号：TN919.3

文献标识码：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.12.023

(收稿日期：2016-02-27)

作者简介：

朱志成(1992-)，通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：移动通信与无线技术。E-mail:1214012510@njupt.edu.cn。

黄波(1975-)，男，博士，讲师，主要研究方向：卫星通信与导航、信号处理、车联网。

刘南杰(1956-)，男，博士，教授，主要研究方向：车联网、移动通信技术、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