ZP-CI/OFDM:一種高功率效率的無線傳輸技術

針對傳統正交頻分復用(OFDM)系統的功率效率問題，文章給出一種新的基于添零方式的載波干涉正交頻分復用(ZP-CI/OFDM)無線傳輸技術。ZP-CI/OFDM通過載波干涉碼將發射符號擴展到所有OFDM子載波上，在有效消除傳統OFDM面臨的峰值平均功率比問題的同時，充分利用多載波的頻率分集增益；同時，ZP-CI/OFDM通過在發射端添零，采用先進的接收機技術進一步利用頻率分集增益，提高系統的功率效率。

功率效率；載波干涉正交頻分復用；添零；頻率分集增益

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.

power efficiency; carrier interferometry; orthogonal frequency division multiplex; zero-padding; frequency diversity gain

正交頻分復用(OFDM)是由多載波調制(MCM)技術發展而來，基本思想是采用頻譜重疊但相互不影響的多個子頻帶來實現頻分復用的數據傳輸。OFDM技術可以有效對抗符號間干擾(ISI)，具有頻率利用率高以及適合于高速數據傳輸等優點，因此越來越受到人們的關注[1]。

20世紀80年代，OFDM技術在通信領域開始商用，并于20世紀90年代首先在廣播式的音頻和視頻領域得到廣泛應用，包括在不對稱數字用戶線(ADSL)、甚高數據率數字用戶線(VHDSL)、音頻廣播(DAB)、數字視頻廣播(DVB)等[2]。1999年，IEEE通過了5 GHz的無線局域網標準——IEEE 802.11a[3]，其物理層傳輸基于OFDM技術。隨后，寬帶無線接入系統IEEE 802.16[4]將OFDM技術作為物理層的基礎技術。在3G的后續演進技術中，LTE的前向鏈路采用正交頻分多址(OFDMA)技術，反向鏈路采用單載波-頻分多址(SC-FDMA)技術[5]。短距離通信IEEE 802.15.3a超寬帶(UWB)技術[6]也將OFDM作為備選方案之一。可見，OFDM已經成為寬帶無線通信的主流傳輸技術。然而，OFDM也存在自身的技術缺陷：

(1)與單載波系統相比，OFDM系統的輸出是多個獨立子載波信號的疊加，合成信號會產生很高的峰值平均功率比(PAPR)。高的峰值平均功率比對發射機射頻功放的線性度提出了很高的要求，同時也導致了發射機的功率效率降低。

(2)OFDM系統將頻率選擇性衰落信道轉化為并行的平坦衰落子信道，因而能夠在有效對抗符號間干擾(ISI)的同時，降低接收端均衡處理的復雜度。然而，OFDM也因此喪失了頻率多徑分集增益。因此，當子載波處于深衰落時，相應的子載波承載的數據符號的檢測就變得異常困難，從而限制了OFDM系統的誤碼率(BER)性能，降低了OFDM系統的功率效率。

針對傳統的OFDM的功率效率問題，Wiegandt等將載波干涉(CI)碼用于OFDM系統中，提出了稱為CI/OFDM的改進的OFDM傳輸技術[7-8]。在CI/OFDM系統中，每個低速并行數據不再像OFDM那樣僅通過各自的子載波傳送，而是由正交的CI碼擴展到所有子載波上同時傳輸。因此，CI/OFDM不降低系統的傳輸速率，也不需要額外帶寬即可產生頻率分集增益，提高系統的BER性能。另外，從時域角度看，CI碼使每個數據調制的時域波形峰值均勻錯開，不再像OFDM那樣由許多隨機正弦信號相加，從而完全消除了PAPR問題。

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

1 系統模型

ZP-CI/OFDM的系統模型如圖1所示。在發射端，ZP-CI/OFDM系統利用傅里葉反變換(IDFT)來實現CI碼擴展[10]，再利用N點IDFT將數據調制到各個子載波上，并在數據符號后添加Ng個零作為保護間隔以實現基于ZP-OFDM的發送。在接收端，ZP-CI/OFDM可以從頻域或者時域的角度進行信號檢測，以充分利用頻率分集增益，提高系統的功率效率。

2 系統的接收機技術

在ZP-CI/OFDM系統的中，為提高系統的功率效率，接收端的信號檢測技術十分重要。基于ZP-CI/OFDM的3種接收信號模型，這里介紹頻域最小均方誤差(MMSE)檢測、時域MMSE檢測和非線性檢測3種關鍵技術。

2.1 頻域MMSE檢測

ZP-CI/OFDM系統的頻域MMSE檢測是針對頻域接收信號模型并采用MMSE算法來進行檢測。其基本實現步驟是：首先，接收機通過N+Ng點傅里葉變換(DFT)將所接收到的時域符號轉換成頻域符號。再通過頻域信道估計，估計出(N+Ng)×(N+Ng)階頻域信道矩陣H。此時的信道矩陣H為對角型矩陣，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，FN+Ng表示(N+Ng)階DFT矩陣，(h0，…，hL)是衰落信道的信道沖擊響應(CIR)向量。于是，可以利用頻域信道矩陣H對頻域接收信號進行MMSE檢測。最后，利用DFT實現CI碼解擴，恢復出原始發送信號。頻域MMSE檢測技術的實現框圖如圖2所示。

2.2 時域MMSE檢測

基于頻域的ZP-CI/OFDM系統檢測算法并不能充分利用系統的頻率分集增益，為此，可以采用基于時域的MMSE檢測。頻域的ZP-CI/OFDM系統檢測算法是針對時域接收信號模型并采用MMSE算法來進行檢測。基本實現步驟是：首先，通過時域信道估計，估計出(N+Ng)×N階時域信道矩陣h。h為截斷的長方形Toepitz型矩陣；再利用時域信道矩陣h對時域接收信號進行MMSE檢測，然后過DFT將信號從時域變換到頻域；最后利用DFT進行CI碼解擴恢復出原始發送信號。時域MMSE檢測技術的實現框圖如圖3所示。

2.3 非線性檢測

為了進一步提高分級增益，獲得更好的功率效率，ZP-CI/OFDM系統可以采用復雜度更高的非線性檢測。ZP-CI/OFDM系統非線性檢測的基本原理是基于該系統的接收信號模型可等效成N×(N+Ng)階MIMO系統，從而可以采用一些非線性MIMO檢測算法來進行檢測，從而提高系統性能。

非線性檢測算法的基本實現步驟是：首先，通過時域信道估計，估計出(N+Ng)×N階時域信道矩陣h。然后通過對接收信號的分析，生成從數字調制后數據符號到接收信號間的(N+Ng)×N階等效多輸入多輸出(MIMO)系統矩陣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]，對接收信號進行非線性檢測，恢復出原始發送信號。非線性檢測技術的實現框圖如圖4所示。

3 應用示例

為驗證ZP-CI/OFDM系統的高功率效率特性，我們對ZP-CI/OFDM的BER和PAPR性能進行了仿真，并將其與傳統的CI/OFDM系統和OFDM系統進行比較。

3.1 誤碼率性能仿真

在仿真過程中，信道模型采用的是COST207TUx6[13]信道模型，調制方式采用的是16相正交幅度調制(16-QAM)。系統仿真參數是：帶寬為2.5 MHz，子載波個數為128，保護間隔長度為16，最大多普勒頻移可達到40 Hz。

BER性能仿真結果如圖5所示。在圖5中，FDMMSE、TDMMSE和OSMMSE分別代表了ZP-CI/OFDM系統中的頻域MMSE檢測、時域MMSE檢測和基于采用MMSE準則的OSIC非線性檢測。

由圖可見，無論采用哪種檢測技術的ZP-CI/OFDM系統的BER性能都優于傳統的CI/OFDM系統和OFDM系統，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系統相對于傳統的OFDM和CI/OFDM系統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，我們引入互補累積分布函數(CCDF)來描述信號的PAPR。圖6所示為在16-QAM調制下的ZP-CI/OFDM、CI/OFDM和OFDM這3種信號的PAPR性能仿真結果。由圖6的仿真結果可以看出，CI-OFDM系統由于CI碼的引入從而具有很低的PAPR，ZP-CI/OFDM系統由于以添零的方式作為保護間隔使得PAPR略有提高，但也明顯低于傳統的OFDM系統。因此，ZP-CI/OFDM系統以較小的PAPR提高為代價，換取了更大的BER增益。

4 結束語

本文分析了OFDM技術作為寬帶無線通信的主流傳輸技術所存在優缺點。由于OFDM技術存在功率效率問題，從而制約了以OFDM為核心的無線傳輸技術的發展。針對這一問題，本文給出了一種新的ZP-CI/OFDM無線傳輸技術。ZP-CI/OFDM技術通過載波干涉碼將發射符號擴展到所有OFDM子載波上，在有效消除傳統OFDM的PAPR的同時，充分利用多載波的頻率分集增益；同時，通過在發射端添零，利用先進的接收機技術進一步利用頻率分集增益，提高系統的功率效率。

5 參考文獻

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[13] COST 207: Digital Land Mobile Radio Communications [R]. Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities， 1989.

收稿日期：2010-09-06

高培，電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室在讀碩士研究生；主要研究領域為無線通信中的信號處理技術；已參與3項基金項目，發表EI檢索論文2篇，申請發明專利1項。

陳肖虎，電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室在讀碩士研究生；主要研究領域為無線通信中的信號處理技術和波形設計；已參與3項基金項目。

王軍，電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室副教授、博士；主要研究領域為無線通信中的信號處理技術；已主持和參與8項基金項目，發表SCI/EI檢索論文60篇，獲授權發明專利8項。