4G技术中降低OFDM系统PAPR的研究

2023.05.24

袁丽娜+苟先彬

摘要：在4G技术中，针对正交频分复用（OFDM）系统的高峰均功率比值（PAPR）问题，对传统的部分传输序列（PTS）算法进行了改进，把传统只进行相位扰动改进为相位和幅度同时作用，改善了系统的PAPR性能。同时，对相位序列的取值范围进行了研究，验证了取值范围的变化对PAPR值的影响。仿真结果表明，改进的PTS算法和传统算法相比，PAPR性能有了1dB的下降。

关键词：4G；OFDM；PAPR；PTS

1引言

4G（The 4th Generation Mobile CommunicationTechnology，第四代移动通信技术）技术，其核心技术之一是正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交频分复用）技术，OFDM技术是一种无线环境下的高速传输技术，主要是在频域内将所给信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，且各个子载波并行传输。OFDM特别适合于存在多径传播和多普勒频移的无线移动信道中传输高速数据，能有效对抗多径效应，消除ISI，对抗频率选择性衰落，信道利用率高。OFDM可视为一种调变技术及一种多任务技术，为多载波（Multi-carrier，多载波）的传送方式。

2 OFDM的基本原理

OFDM系统最基本的原理是把高速率的数据流（带宽为W）分解为N个低速率的数据流，然后把这些数据流在不同的子载波上同时传输。当N足够大时，每个子载波的带宽（W/N）小于信道的相关带宽（Bc）。因此每个子载波经过平坦衰落，而平坦衰落可以通过简单的频域单抽头均衡器来弥补。每个子载波之间相互正交，由于正交性保护了在接收端每个子载波能够分离，因此子载波可以在频域上相互重叠。

OFDM是一种多载波调制技术。其核心是将信道分成若干个正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间相互干扰，同时又提高了频谱利用率，在各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用—对傅立叶变换（IFFT和FFT）实现，如图1所示。

3技术比较及优缺点

OFDM系统把高速数据流通过串/并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地减小无线信道的时间弥散所带来的ISI；由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源；各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用IDFT和DFT方法来实现；可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。

OFDM系统有一个很明显的缺点，由于信号的幅值动态范围过大，OFDM信号的平均信号功率和信号峰值功率之间相差太大，从而造成峰均比过大。多载波调制的本质就是各子载波之间相互独立，因此这些子载波的幅值范围很大，子载波的幅值叠加或者抵消，从而导致总信号的功率变化范围很大。信号功率变化范围太大就对发射机和接收机的设计带来很大的问题，因为发射机和接收机设计时要考虑到最小失真信号功率的范围。

4 PTS法降低PAPR并用MATLAB进行仿真

其中，argmin（·）表示函数取得最小值时所使用的依据条件。若将加权因子bv的取值个数用w来表示，对于V个子块来说，bv取值有WV种，然后，对于子载波数目为N的OFDM系统，每实施一次PTS算法，将计算V个N点IFFT变换；N·W·V次复乘运算和V·W·V次复加运算，随着V，w值的增加，PTS算法的计算量将呈指数上升。

PTS方法首先将进来的数据向量划分为M个互不重叠的子向量，每个子向量中的子载波都乘于相同的旋转因子，不同的子向量的旋转因子是统计独立的。这些旋转因子能够最大的抑制PAPR，图2为PTS原理。

4.2用matlab进行仿真

仿真结果如图3所示，蓝色线为最初的峰值平均功率比11dB左右，在CCDF=10-4时，红色线为用PTS法降低pPAPR后的，值为9.3dB左右，用PTS法很明显地降低了PAPR。

图4是在CCDF=10-1时，当V=4，8时PTS的仿真图。从图4中可以看出，当V 4时，PAPR降至8.5dB，图中红色线所示；当V 8时，PAPR降低至7.8dB，图中蓝色线所示，经过改进后，PAPR再一次降低。

5结语

文章主要论述了降低OFDM系统峰均比的方法部分传输序列（PTS）法，并用MATLAB对这种方法进行了仿真与分析，仿真结果表明在不增加系统负担的情况下适当选取参数可获得最佳降低峰均比的效果。