ZP-CIOFDM：一种高功率效率的无线传输技术

基金项目：国家自然科学基金(61071102)

    正交频分复用(OFDM)是由多载波调制(MCM)技术发展而来，基本思想是采用频谱重叠但相互不影响的多个子频带来实现频分复用的数据传输。OFDM技术可以有效对抗符号间干扰(ISI)，具有频率利用率高以及适合于高速数据传输等优点，因此越来越受到人们的关注[1]。

    20世纪80年代，OFDM技术在通信领域开始商用，并于20世纪90年代首先在广播式的音频和视频领域得到广泛应用，包括在不对称数字用户线(ADSL)、甚高数据率数字用户线(VHDSL)、音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)等[2]。1999年，IEEE通过了5 GHz的无线局域网标准——IEEE 802.11a[3]，其物理层传输基于OFDM技术。随后，宽带无线接入系统IEEE 802.16[4]将OFDM技术作为物理层的基础技术。在3G的后续演进技术中，LTE的前向链路采用正交频分多址(OFDMA)技术，反向链路采用单载波-频分多址(SC-FDMA)技术[5]。短距离通信IEEE 802.15.3a超宽带(UWB)技术[6]也将OFDM作为备选方案之一。可见，OFDM已经成为宽带无线通信的主流传输技术。然而，OFDM也存在自身的技术缺陷：

    (1)与单载波系统相比，OFDM系统的输出是多个独立子载波信号的叠加，合成信号会产生很高的峰值平均功率比(PAPR)。高的峰值平均功率比对发射机射频功放的线性度提出了很高的要求，同时也导致了发射机的功率效率降低。

    (2)OFDM系统将频率选择性衰落信道转化为并行的平坦衰落子信道，因而能够在有效对抗符号间干扰(ISI)的同时，降低接收端均衡处理的复杂度。然而，OFDM也因此丧失了频率多径分集增益。因此，当子载波处于深衰落时，相应的子载波承载的数据符号的检测就变得异常困难，从而限制了OFDM系统的误码率(BER)性能，降低了OFDM系统的功率效率。

    针对传统的OFDM的功率效率问题，Wiegandt等将载波干涉(CI)码用于OFDM系统中，提出了称为CI/OFDM的改进的OFDM传输技术[7-8]。在CI/OFDM系统中，每个低速并行数据不再像OFDM那样仅通过各自的子载波传送，而是由正交的CI码扩展到所有子载波上同时传输。因此，CI/OFDM不降低系统的传输速率，也不需要额外带宽即可产生频率分集增益，提高系统的BER性能。另外，从时域角度看，CI码使每个数据调制的时域波形峰值均匀错开，不再像OFDM那样由许多随机正弦信号相加，从而完全消除了PAPR问题。

    传统的OFDM系统在添加保护间隔时采用循环前缀(CP)方式来消除符号间干扰。最近的研究表明，采用添零(ZP)方式来代替CP所形成的ZP-OFDM系统可以在信道深衰落的情况下保证传输符号的恢复，从而较传统基于CP的OFDM系统而言具有更好的误码率(BER)性能[9]。

1 系统模型
    ZP-CI/OFDM的系统模型如图1所示。在发射端，ZP-CI/OFDM系统利用傅里叶反变换(IDFT)来实现CI码扩展[10]，再利用N点IDFT将数据调制到各个子载波上，并在数据符号后添加Ng个零作为保护间隔以实现基于ZP-OFDM的发送。在接收端，ZP-CI/OFDM可以从频域或者时域的角度进行信号检测，以充分利用频率分集增益，提高系统的功率效率。

2 系统的接收机技术
    在ZP-CI/OFDM系统的中，为提高系统的功率效率，接收端的信号检测技术十分重要。基于ZP-CI/OFDM的3种接收信号模型，这里介绍频域最小均方误差(MMSE)检测、时域MMSE检测和非线性检测3种关键技术。

2.1 频域MMSE检测
    ZP-CI/OFDM系统的频域MMSE检测是针对频域接收信号模型并采用MMSE算法来进行检测。其基本实现步骤是：首先，接收机通过N+Ng点傅里叶变换(DFT)将所接收到的时域符号转换成频域符号。再通过频域信道估计，估计出(N+Ng)×(N+Ng)阶频域信道矩阵H。此时的信道矩阵H为对角型矩阵，即，H=diag(H0,H1,…,HN+Ng-1)。这里，H0,H1,…,HN+Ng-1=FN+Ng (h0,…,hL,0,…,0)(N+Ng)×1。其中，FN+Ng表示(N+Ng)阶DFT矩阵，(h0,…,hL)是衰落信道的信道冲击响应(CIR)向量。于是，可以利用频域信道矩阵H对频域接收信号进行MMSE检测。最后，利用DFT实现CI码解扩，恢复出原始发送信号。频域MMSE检测技术的实现框图如图2所示。

2.2 时域MMSE检测
    基于频域的ZP-CI/OFDM系统检测算法并不能充分利用系统的频率分集增益，为此，可以采用基于时域的MMSE检测。频域的ZP-CI/OFDM系统检测算法是针对时域接收信号模型并采用MMSE算法来进行检测。基本实现步骤是：首先，通过时域信道估计，估计出(N+Ng)×N阶时域信道矩阵h。h为截断的长方形Toepitz型矩阵；再利用时域信道矩阵h对时域接收信号进行MMSE检测，然后过DFT将信号从时域变换到频域；最后利用DFT进行CI码解扩恢复出原始发送信号。时域MMSE检测技术的实现框图如图3所示。

2.3 非线性检测
    为了进一步提高分级增益，获得更好的功率效率，ZP-CI/OFDM系统可以采用复杂度更高的非线性检测。ZP-CI/OFDM系统非线性检测的基本原理是基于该系统的接收信号模型可等效成N×(N+Ng)阶MIMO系统，从而可以采用一些非线性MIMO检测算法来进行检测，从而提高系统性能。

    非线性检测算法的基本实现步骤是：首先，通过时域信道估计，估计出(N+Ng)×N阶时域信道矩阵h。然后通过对接收信号的分析，生成从数字调制后数据符号到接收信号间的(N+Ng)×N阶等效多输入多输出(MIMO)系统矩阵Ω，即Ω=hFN-1FN-1，其中FN-1为N阶IDFT矩阵。最后利用一些已有的非线性检测算法，如排序顺序干扰抵消(OSIC)算法[11]或球形译码(SD)算法[12]，对接收信号进行非线性检测，恢复出原始发送信号。非线性检测技术的实现框图如图4所示。

3 应用示例
    为验证ZP-CI/OFDM系统的高功率效率特性，我们对ZP-CI/OFDM的BER和PAPR性能进行了仿真，并将其与传统的CI/OFDM系统和OFDM系统进行比较。

3.1 误码率性能仿真
    在仿真过程中，信道模型采用的是COST207TUx6[13]信道模型，调制方式采用的是16相正交幅度调制(16-QAM)。系统仿真参数是：带宽为2.5 MHz，子载波个数为128，保护间隔长度为16，最大多普勒频移可达到40 Hz。

    BER性能仿真结果如图5所示。在图5中，FDMMSE、TDMMSE和OSMMSE分别代表了ZP-CI/OFDM系统中的频域MMSE检测、时域MMSE检测和基于采用MMSE准则的OSIC非线性检测。

    由图可见，无论采用哪种检测技术的ZP-CI/OFDM系统的BER性能都优于传统的CI/OFDM系统和OFDM系统，并且在高信噪比(SNR)下，BER增益更加明显。

    由于可以更好地利用频率分集增益，ZP-CI/OFDM系统相对于传统的OFDM和CI/OFDM系统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，我们引入互补累积分布函数(CCDF)来描述信号的PAPR。图6所示为在16-QAM调制下的ZP-CI/OFDM、CI/OFDM和OFDM这3种信号的PAPR性能仿真结果。由图6的仿真结果可以看出，CI-OFDM系统由于CI码的引入从而具有很低的PAPR，ZP-CI/OFDM系统由于以添零的方式作为保护间隔使得PAPR略有提高，但也明显低于传统的OFDM系统。因此，ZP-CI/OFDM系统以较小的PAPR提高为代价，换取了更大的BER增益。

4 结束语 
    本文分析了OFDM技术作为宽带无线通信的主流传输技术所存在优缺点。由于OFDM技术存在功率效率问题，从而制约了以OFDM为核心的无线传输技术的发展。针对这一问题，本文给出了一种新的ZP-CI/OFDM无线传输技术。ZP-CI/OFDM技术通过载波干涉码将发射符号扩展到所有OFDM子载波上，在有效消除传统OFDM的PAPR的同时，充分利用多载波的频率分集增益；同时，通过在发射端添零，利用先进的接收机技术进一步利用频率分集增益，提高系统的功率效率。

5 参考文献
[1] 佟学俭, 罗涛. OFDM移动通信技术原理与应用 [M]. 北京: 人民邮电出版社, 2003.
[2] ROHLING H, MAY T, BRUNINGHAUS K, et al. Broad-band OFDM Radio Transmission for Multimedia Applications [J]. Proceedings of the IEEE, 1999,87(10):1778-1789.
[3] IEEE P802.11a/D6.0. Draft Supplement to Standard for Telecommunications and Information Exchange between Systems - LAN/MSN Specific Requirements - Part 11: Wireless MAC and PHY Specifications: High Speed Physical Layer in the 5 GHz band [S]. 1999.
[4] IEEE 802.16e. Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems [S]. 2006.
[5] 3GPP RP-040461. Proposed Study Item on Evolved UTRA and UTRAN [S]. 2004.
[6] IEEE P802.15-03/141r3-TG3a. TI Physical Layer Proposal: Time-Frequency Interleaved OFDM [S]. 2003.
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[11] DEBBAH M, MUQUET B, de Courville M, et al. A MMSE Successive Interference Cancellation Scheme for A New Adjustable Hybrid Spread OFDM System [C]//Proceedings of the 51th Vehicular Technology Conference (VTC-Spring'00), Vol 2, May 15-18,2000, Tokyo, Japan. Piscataway, NJ,USA:IEEE, 2000:745-749.
[12] AGRELL E, ERIKSSON T, VARDY A, et al. Closet Point Search in Lattices [J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2002, 48(8): 2201-2214.
[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

[摘要] 针对传统正交频分复用(OFDM)系统的功率效率问题，文章给出一种新的基于添零方式的载波干涉正交频分复用(ZP-CI/OFDM)无线传输技术。ZP-CI/OFDM通过载波干涉码将发射符号扩展到所有OFDM子载波上，在有效消除传统OFDM面临的峰值平均功率比问题的同时，充分利用多载波的频率分集增益；同时，ZP-CI/OFDM通过在发射端添零，采用先进的接收机技术进一步利用频率分集增益，提高系统的功率效率。

[关键词] 功率效率；载波干涉正交频分复用；添零；频率分集增益

[Abstract] 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.

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