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1、密级： 保密期限： 工程硕士专业学位论文 题目：OFDM无线通信系统中 降低峰均比技术的研究学 号： 姓 名： 专业领域： 电子与通信工程 导 师： 学 院：信息光子学与光通信研究院年 月 日独创性（或创新性）声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：
2、日期： 关于论文使用授权的说明本人完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名： 日期： 导师签名： 日期： OFDM无线通信系统中降低峰均比技术的研究摘 要近几年来，随着移动通信系统的迅猛发展及用户业务交往的频繁和综合化，对数据传输的要求也越来越高，尤其是有了第四代移动通信系统之后，4G能在很高的传输
3、速率下提供高质量的影像多媒体在内的各种数据和话音业务，较快地推进了社会发展和人民生活方式的转变。同时，4G系统也存在很多关键技术的挑战，例如系统的频带资源是比较紧张的，但是业务量却与日俱增，这就要求系统有更高的频带资源利用率；另外，无线信道复杂的传播环境往往会造成信号的多种衰落和干扰，故要求系统有更理想的抗干扰、抗衰落和调制解调技术。正交频分复用（OFDM）是在20世纪60年代针对分散的并具有较明显衰落特性的信道提出的一种通信方式，随着DSP技术的快速发展，尤其是有了离散傅里叶变换的快速算法以后，正交频分复用技术便受到越来越多的关注。但同时也存在一些限制OFDM技术进行广泛实际应用的瓶颈问题，
4、如高峰均比就是其中最关键的问题之一。本文首先介绍了OFDM技术的基本原理和峰均比问题产生的原因，在此基础上研究了OFDM系统中降低PAPR的三种技术，即信号预畸变处理技术、编码类技术和概率类技术，对信号预畸变处理技术中的限幅技术、C变换和概率类技术中的PTS算法均提出了改进方案，在次优迭代PTS算法基础上提出子序列数可调的SASIPTS算法，并将该算法分别和改进后的限幅技术、改进后的C变换技术结合在一起产生了两种新的融合改进算法，通过对算法的PAPR性能和BER性能进行仿真，验证了改进算法的可行性。关键词：OFDM 峰均比 CCDF 限幅 PTS算法 C变换THE RESEARCH OF WC
5、DMA NETWORK OPTIMIZATION BASED ON SUBSCRIBER PERCEPTIONABSTRACT With the rapid development of mobile communications network, the emergence of new technologies and new services and the popularity of intelligent terminals take a revolutionary change of subscriber perception in 3G network than in tradi
6、tional GSM network. In order to cope with the fierce competition of the domestic telecommunications market, the mobile communication operators must effectively control the service quality of the network, to enhance the subscribers actual perception. Network optimization is a key method of mobile com
7、munication network quality control, it plays a very important role for the stability, the robustness and the maturity of the network. But the existing mobile communication network optimization methods are more from the point of view of network performance, optimized objects are limited to network el
8、ement equipment, lack of means to evaluate and optimize the subscriber perception directly. In view of the situation, combining with China Unicoms WCDMA network operation practice, the paper analyzes and quantifies the subscriber perception from subscriber experience management and network performan
9、ce monitoring by using the tests and KPI indices, then establishes the subscriber perception evaluation model which covers coverage performance, access performance, maintaining performance and quality of service. Subsequently, the paper analyzes the factors that affect subscriber perception of mobil
10、e communication networks in detail, sums up the subscriber perception optimization process. In empirical research stage of the subscriber perception optimization, the paper studies the optimization methods of coverage effect from the weak coverage, the cross-district coverage and the pilot pollution
11、. Then the paper selects the power resource and the channelization code resource which are closely related to the subscriber perception as the optimizing object, studies the scheduling algorithms of improving the WCDMA system efficiency. Finally, it stuidies the methods of enhancing the typical serv
12、ice quality in WCDMA system through the voice MOS and packet service access delay optimization. Through the practice of the optimization methods involved in this paper in current Shijiazhuang WCDMA service area, it can realize the balance among WCDMA system coverage, capacity and quality based on th
13、e subscriber needs, improve the end-to-end service performance, and thereby effectively enhance the real perception of the subscriber.KEY WORDS：WCDMA, Subscriber Perception, Network Optimization, Coverage Effect, System Capacity, Service Quality 目 录第一章 引言11.1 课题研究背景11.2 研究PAPR的意义及现状21.3 论文内容安排3第二章 O
14、FDM系统简介42.1 OFDM基本原理42.1.1 子载波调制原理42.1.2 保护间隔和循环前缀的引入42.1.3 OFDM系统结构及参数选择42.2 OFDM技术的优缺点52.3 OFDM关键技术挑战102.4 本章小结10第三章 OFDM系统中的峰均比问题153.1 OFDM系统峰均比的概念153.2 峰均比的分布特性153.3 放大器对峰均比的影响163.4 降低PAPR的方法 183.5 本章小结 18第四章 降低OFDM系统峰均比技术的研究及改进264.1 信号预畸变处理技术264.1.1 限幅类技术264.1.2 压缩扩展类技术264.2 编码类技术274.3 扰码类技术294
15、.3.1 选择性映射法（SLM）294.3.2 部分传输序列法（PTS）294.3.3 预留子载波法（TR）294.4 改进的限幅技术294.5 改进的PTS技术294.5.1 次优迭代算法294.5.2 基于次优迭代的改进PTS算法（SASIPTS算法）294.6 改进限幅和改进PTS的融合算法294.6.1 改进限幅和SASIPTS的融合顺序研究294.6.2 改进限幅和SASIPTS的融合算法仿真294.7 改进的C变换法294.8 改进PTS和改进C变换的融合算法294.9 本章小结29第五章 结束语335.1 论文主要工作总结335.2 存在的问题与展望36参考文献57附录 缩略语表
16、59致 谢62攻读学位期间发表的学术论文及著作63II北京邮电大学工程硕士论文第一章 引言 1.1 课题研究背景3G的快速发展只是暂时满足了用户对宽带化的需求，最高的比特率还是有限的。为了进一步提高用户利用MS或者其它移动终端设备访问因特网时的比特速率，人们开始进行基于3G的进一步演进的研究，也就是第四代蜂窝移动通信系统（简称为4G）。4G是一种宽带接入和分布式的系统，在室内或者静止环境下可提供20M的传输速率；在车速环境下，提供高于2M的比特传输速率；还可以提供20M的下载速率。在这样的速率下，4G所能提供的业务包括了高质量的影像多媒体业务在内的各种数据业务和话音业务等。4G的网络结构是一个
17、采用全IP的网络结构，也就是说它不仅核心网采用IP结构，整个的无线接口也要采用IP技术。网络结构主要包括CN、4GRAN和MN，CN的主要功能是完成位置管理和控制呼叫控制及业务控制；4GRAN主要完成无线传输、无线资源控制和移动性管理；而MN相当于一个网关，为小型的网络提供接入。因此，4G的网络是一个无缝连接的网络，也就是说各种无线和有线网都能以IP协议为基础连接到IP核心网。4G也属于蜂窝移动通信系统，它主要利用无线电波进行信息传输和交换的，而无线电波本身有很不理想的传播特性，所以移动通信信道的传播条件是非常复杂、恶劣的。其中，多径效应是无线信道的一个主要特征，由于实际移动信道中的散射体很多
18、，所以移动台天线接收到的信号往往是多个电波合成的，有的时候是同相合成，信号增强，但有的时候却是反向叠加，导致信号减弱，反相叠加时信号会产生深度较大且快速的衰落即多径衰落，这种衰落会严重影响信号的传输质量，造成脉冲信号的时延扩展，从而引发码间干扰。无线电波在不同的环境中传播的时候，它的特性也不完全相同。当电波经过不同的地形地物时，都会产生一定的慢衰落或者损耗。当传输的信号带宽大于信道相关带宽时还会产生导致信号失真的频率选择性衰落。另外，运动中的移动台接收到的信号往往有一定的附加频率即多普勒频移，这种频移也会对信号产生一定的干扰。移动信道的诸多不理想特性对蜂窝系统的数字调制解调技术提出了更高的要求
19、。首先，要有较高的频谱利用率和极窄的功率谱；由于移动通信是一种多波道系统，调制信号功率谱带外辐射如果较强，会产生严重的邻频干扰，为使干扰不影响系统的传输性能，保证数字信号的传输质量，一般要求信干功率比不小于20分贝，考虑到移动台运动时的衰落深度可达20dB40dB，故要求已调信号在邻道的总辐射干扰低于20dB40dB。其次，要有更理想的误码性能，移动通信环境最大的特点就是衰落、噪声和干扰，包括快衰落、频率选择性衰落、多普勒频移和障碍物阻挡的联合影响，因此要选择抗衰落和抗干扰能力较强的调制方式。另外要易于解调；由于移动通信系统接收信号的衰落和时变特性，不易于实现快速的同步，相干解调性能可能明显变
20、差，所以要选择适合移动信道特点的易于解调的调制方案。正交频分复用（OFDM）是在20世纪60年代针对分散的并具有较明显衰落特性的信道提出的一种模式。发展初期，主要被应用到了军事领域，但由于当时的OFDM系统需要使用很多个Modem，结构非常复杂，所以OFDM系统发展的非常缓慢，实用性不强。但随着数字信号处理技术的快速发展，尤其是有了离散傅氏变换（DFT）及DFT的快速算法FFT后，正交频分复用技术才真正得到了快速的发展，逐步被广泛的应用到多种通信系统中，成为很受人们欢迎的一种调制技术。1.2 研究PAPR的意义及现状OFDM将数据进行了串并变换，并行的数据信息承载于各个子载波中，每个子载波中的
21、符号周期加大，即使不引入均衡也可以大大减小码间干扰，在具有多径衰落和频率选择性衰落特性的无线信道中也可以实现数据的高速传输。但是OFDM技术并不是完美无缺的，其中，高峰均比就是制约OFDM实际应用的一个突出问题。在OFDM多载波调制系统中，相互正交的子载波在接收端输出的信号要进行合成，如果输出的多个子信号的相位一致，则最终合成信号的瞬时功率会远大于信号的平均功率，产生较大的峰均功率比（PAPR）。较大的峰均功率比会给系统带来很多弊端。峰均比高时可能会影响功率放大器的正常工作范围，并造成子载波间较强的干扰和信号的失真，进而降低系统的工作性能。所以峰均比问题是OFDM系统发展的一个瓶颈，同时也是必
22、须要解决的关键问题。因为高峰均比是限制OFDM技术进行广泛应用的关键问题，所以国内外许多人进行了降低峰均比技术的有关研究。目前，常用的降低峰均比技术可以分为三大类，分别是：信号预畸变处理技术、编码类技术和扰码类技术。信号预畸变处理技术是所有降低PAPR技术中较为直接的一种。它是信号经过放大器之前，首先利用非线性变换来降低信号最大值或者最大值附近的取值，即对信号进行预畸变处理。编码类技术是对OFDM数据进行PAPR数值运算及统计，根据统计结果，只选择输出峰均比较小的码序列，而抑制掉峰均比较大的码序列的输出。扰码类技术是利用扰码序列对映射后的数据进行处理，通过线性变换得到若干个候选序列，只选择传输
23、峰均比较小的部分，即降低了高峰均比的概率。本文在介绍这三大技术的基础上又进行了改进，并提出了一种改进的扰码类算法，实现了改进扰码技术和信号预畸变处理技术的融合算法。1.3 论文内容安排本文内容共分为四章，具体安排如下：第一章 引言，介绍课题的研究背景以及本文所讨论的降低PAPR的意义及现状。第二章 OFDM系统介绍，简要介绍OFDM的系统结构、参数选择和技术优势。第三章 OFDM系统峰均比问题的研究，介绍了峰均比的引入原因及分布特性。重点研究了降低峰均比的实用技术，并在此基础上进行了改进，提出了改进的扰码类算法SASI-PTS，实现了该算法和信号预畸变处理技术中的改进限幅技术的融合算法，并利用
24、仿真验证了该算法的可行性。第四章 结束语，对本文所讨论的降低峰均比的技术进行总结归纳，指出本文算法的优势、不足及未来降低PAPR的发展方向。第二章 OFDM系统简介OFDM采用的是一种并行传输机制，它将典型的串行数据流变换为并行的。系统利用多个子载波，将频域内的信道划分为若干个正交的子信道，因各个子载波之间存在正交性，故扩频调制后的频谱在频带上是可以互相交叠的，即正交频分复用系统拥有很高的频带资源利用率。另外，OFDM即使在传播环境非常恶劣的无线系统中，也能够实现高速的数据传输。虽然无线信道有着很不理想的传播特性，具有频率选择性衰落，但是每个子信道的特性是平坦的，传输的信号带宽小于信道的相关带
25、宽，大大降低了频率选择性衰落对信号的影响，消除了码间干扰，迎合了3G及4G系统对调制解调技术的要求。2.1 OFDM基本原理2.1.1 子载波调制原理4G有较高的传输速率要求，但无线信道的传播环境很复杂，信号在传输的过程中有明显的时延扩展，这便造成了很强的符号间干扰（ISI），OFDM系统为了克服这一缺点，采用了多个子载波的多载波传输技术。多载波传输技术是将原来高速传输的数据流通过串并变换变为低速传输的数据，这样每个数据符号的时域长度变大，从而在一定程度上降低了由时延扩展引入的符号间干扰。也就是说，原始数据被分为若干个子部分，每个子部分的数据传输速率相对来说是比较低的，然后将这些数据进行子载波
26、调制。为了提高频带资源的利用率，OFDM系统中各子信道频谱是重叠的，即子载波要求满足正交性，符号频谱满足奈奎斯特准则，也就是说，当某一个子信道频谱取最大值的时候，其它子信道频谱取值刚好为零。为了保证子载波的这种正交特性，各相邻的载波要差一个周期。OFDM利用子载波调制解调的基本模型框图如下图2-1所示。由图得，发送端首先对原始数据进行S/P变换将数据流变为并行的，然后各子信道的数据符号利用子载波进行调制，各子载波进行调制时的方式可不同，即各子信道的传输bit可不同，系统的灵活性得到一定程度的改善，然后子信道的输出再进行合并传输，到达接收端后经过和发送端相反的操作即可恢复出原始数据。图2-1 O
27、FDM系统基本模型图假设子载波的总个数用N表示；T是符号周期（OFDM符号的持续时间）；S(t)是OFDM符号；（f1，f2，fN-1）表示N个子载波的频率；（d1，d2，dN-1）表示每个子信道的数据符号；且假设retc(t)=1,|t|Z)=1-P(PAPRZ)=1-（1-e-Z）N (3-3)上式中的Z是设定的阈值，而互补累积函数指的是峰均比高于阈值的概率。下图3-2是互补累积函数（CCDF）的仿真图形，图形给出了N=（32、64、128、256）时的概率取值，较为直观的统计出了峰均比的分布情况，所以利用互补累积函数来研究PAPR是值得我们推崇的方法。图3-2 互补累积函数的仿真图形3.
28、3 放大器对峰均比的影响若OFDM系统中多个子载波信号在时域上刚好同相合并时，输出信号会达到一个峰值，出现高峰均比的情况。高峰均比的信号若未落在放大器的线性范围内，那么从放大器输出的信号会产生失真；如果使HPA处于非线性状态，则它的工作效率会较低，所以高峰均比的信号会提升对功率放大器等硬件的要求，峰值越大，功放的动态变化范围势必也要加大。本小节主要研究放大器对峰均比及高峰均比对系统所产生的影响。无线通信系统中用的大多数放大器是无记忆的。常用的放大器主要有三种，分别是：SL型，TWT型和SSPA型。若输入到放大器的信号为x=sej，则从放大器输出的信号可以用3-4式描述。 （3-4）其中，A（S）属于AM（模值响应）部分；（S）属于PM（相位响应）部分。下面简要说明上述三种放大器对信号的影响。SL型放大器基本上没有对信号的相位产生影响。它对信号的处理过程可看为一个限幅操作。即首先设定一个阈