关键字 |
| 低密度奇偶校验(LDPC)、正交频分复用(OFDM)、空时分组码(STBC)、峰值平均功率比(PAPR)。 |
介绍 |
| 由于OFDM系统对窄带干扰的鲁棒性和严重的多径衰落，它已被用于高速数字通信，如数字音频广播、数字视频广播、数字高清电视和ADSL(非对称数字用户线路)。 |
| 然而，OFDM系统仍存在一些不足。其中一个主要问题是高峰值平均功率比。这种高PAPR迫使发射功率放大器有一个大的回退，以确保信号的线性放大，这大大降低了放大器的效率。 |
| 近年来，研究者们提出了多种降低PAPR的方法，包括压缩[1]、裁剪、非线性压缩变换[2,3]、选择映射(SLM)[4]、Hadamard变换[5]和DCT[6]。较大的PAPR对应于OFDM信号在通过发射机末端的功率放大器时被截断的高概率。裁剪降低了信号功率，但降低了误码率(BER)性能，并引起频谱扩展等非线性现象。频谱扩展会导致频谱效率的降低。 |
| 本文采用低密度奇偶校验码(LDPC)和卷积编码等线性编码技术研究了OFDM系统的性能。在这方面，我们提出了一个简单的LDPC编码器的设计，与新的基于编码的PAPR降低技术一起工作，以获得更好的系统性能。此外，还将该LDPC设计与拟循环LDPC编码器和卷积编码方案进行了比较。本文综述了几种降低PAPR的技术，如选择性映射(SLM)和部分传输序列(PTS)。一些基于冗余设计的方法，如编码[7]，[8]，带显式或隐式侧信息[9]，[10]的选择性映射，或音调保留[11]，[12]。使用冗余来降低PAPR的一个明显效果是降低了传输速率。PAPR的降低也可以通过使用扩展信号星座来实现，例如音调注入[11]或多幅度CPM。相关的缺点是增加了功能和实现的复杂性。通过对时域OFDM信号进行裁剪，可以实现一种简单的PAPR降低方法。 |
| 与传统的串行通信相比，OFDM具有几个显著的优势，例如能够支持广域覆盖的高数据速率，对多径衰落的鲁棒性以及更简化的信道均衡。由于这些优点，近年来OFDM在有线和无线应用中都得到了采用(Reimers 1998;Nee和Prasad 2000;萨尔茨伯格1998;Juntti et al. 2005)，包括无线网络(IEEE 802.11)。OFDM的主要缺点是其较高的PAPR，如果发射机中含有功率放大器等非线性元件，则会导致信号失真，并导致频谱扩展、互调和信号星座变化等缺陷(Nee和Prasad 2000;Wu and Zou 1995)。因此，平均信号功率必须保持较低，以防止发射机放大器和其他电路的限制。最小化PAPR允许在固定峰值功率下传输更高的平均功率，从而提高接收机的整体信噪比。文献中有许多解决OFDM信号中PAPR影响的方法，如:Golay序列、循环编码、裁剪滤波、选择性映射; and multiple signal representation techniques (Wunder 2004; Han and Lee 2005; Tarokh and Jafarkhani 2000; Tellado 1999; Krongold and Jones 2003; Jiang and Zhu 2004). |
| 本文组织如下。第二节给出了OFDM中PAPR问题的一些基础知识。第三节描述了减少PAPR的技术。结论载于第四节。 |
ofdm系统中的纸张 |
| 正交频分复用(OFDM)以其对频率选择性衰落信道的鲁棒性和频谱效率高等优点被广泛应用于高数据速率传输。它的成功是由于各种因素，特别是多个正交载波，然而，由于输出是多个载波的叠加，这大大增加了瞬时输出功率，即远远高于这些载波相位相同时的平均输出功率，俗称峰均功率比 |
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减纸技术 |
| 尽管LDPC码是半个世纪前开发的，但由于其出色的纠错性能以及高度并行化的解码算法，最近受到了通信行业的广泛关注。2003年，LDPC码击败6个备选turbo码，成为第二代数字电视卫星传输标准中的纠错码，并已被建议用于下一代数字地面电视标准。 |
| 在设计LDPC规范时，为了获得良好的规范性能，应注意以下设计特性:首先，代码应该足够长，因为性能会随着代码长度的增加而提高。其次，代码双部分图中的小周期很少，因为它们太多会严重降低纠错性能。最后，使用精心设计的具有不规则节点度分布的LDPC码被证明明显优于规则的LDPC码。众所周知，编码器/解码器设计的传统方法(首先构建一个专门针对纠错性能进行优化的代码，然后为该代码实现编码器和解码器)不适用于LDPC编码系统的实现。因此，联合编码设计已成为近年来研究的重点(Mansour and Shanbhag 2003;Mansour and Shanbhag2003;ChenandHocevar 2003;Zhang and Parhi 2004;Nikolic and Anantharam 2002)。然而，仍有两个挑战尚未解决:(1)LDPC编码器的复杂性降低和有效的VLSI架构设计仍未深入研究; (2) Given the desired node degree distribution, no systematic method has ever been proposed to construct the code for hardware implementation. In this paper, an LDPC code design is proposed to help in simplifying the hardware design. From the work by Urbanke and Richardson (Richardson and Urbanke 2001), it can be seen that the encoding complexity could be reduced significantly by using a criteria based on back-substitution once the parity check matrix has been changed into an upper matrix. On the other hand, despite the parity check matrix is approximate upper matrix the back-substitution operation is highly reused. This drawback mitigated in (Zhang and Parhi 2004) (where the back substitution operation is replaced by a few matrix-vector multiplications. |
| LDPC编码技术对mimo-ofdm系统性能的改善 |
| 采用LDPC编码器来降低OFDM中的PAPR问题。本文提出的利用LDPC编码器降低PAPR的线性编码技术优于以往的滤波压缩裁剪等PAPR降低技术，并且LDPC码在OFDM符号扩展中的性能优于BCH和Turbo编码。 |
| 上图描述了基于mimo - ofdm的线性编码系统。如图1所示，输入数据将经过一个编码阶段，因此一个k位信息数据块被一个率为r = k/n的码所编码。之后，对n个编码位进行调制，形成调制符号。这里选择具有QAM星座的调制方案。因此，QAM调制符号被形成(n/log2)|Ω| QAM符号块，也用于PSK。然后，为了形成OFDM符号，使用n点IFFT级，即每个OFDM符号由Nsub载波构造。在IFFT阶段之后，每个OFDM符号将由所提出的技术以两种不同的扩展比1,2和3进行处理，最后阶段是MIMO块;在这里，经过处理的信号将通过发射天线传输。 |
| 减少PAPR需要经过几个阶段。每个符号都经过PAPR缩减方法，并设计过程，以便通过编码技术对该符号进行复制，并选择PAPR最小的块。降低PAPR的方法如下 |
| 阶段1:取每个OFDM符号并去除保护间隔。计算OFDM符号的PAPR，如果它低于特定阈值，则通过STBC编码器，否则将直接通过天线传输;它将通过还原技术。然后，OFDM符号通过编码技术，之后它就会传播。这是因为使用的编码技术是线性编码技术，它们增加了时域的符号周期。这个符号也可以被认为是根据传播速率传播的。因此，它使我们有更大的机会检查每个符号的最低PAPR值。 |
| 第二阶段:然后将传播符号划分为与天线数量相同数量的块。每个块将具有与原始符号相同的持续时间。计算每个符号的PAPR，并选择PAPR最低的块。保护间隔将被添加到所选的符号，并将与原始OFDM信号组合。因此，检查每个符号，得到的OFDM信号将由PAPR最小的所有符号组成。最终的OFDM信号将通过天线传输。 |
| MIMO-OFDM系统不是根据天线的数量使用多个IFFT，而是以这样一种方式实现，即只有一个IFFT，然后在PAPR减少方法中对每个OFDM符号进行划分，以便输出产生与天线数量相同数量的块。这降低了发送端的复杂性。方框图1显示了OFDM信号的每个符号的PAPR减少是如何发生的。传输发生时，OFDM信号的每个符号在被选为具有最低PAPR的块后，将通过其中一个天线传输，其余块将通过其他天线传输。这有助于恢复原始数据，以防通过任何天线的数据损坏 |
LDPC编码器的构造 |
| 对于有效的编码器-解码器实现，奇偶校验矩阵具有近似。并且必须是一个块结构矩阵。构造一个好的LDPC码有两个主要的约束条件:具有尽可能小的间隙矩阵g的近似上三角形形式和块结构矩阵特征。从处理这些约束的观察来看，对于不规则LDPC码，高程度的变量节点往往比低程度的变量节点收敛得更快。因此，在译码迭代次数有限的情况下，码二部图中的小环并非都是同样有害的。换句话说，那些通过更多低度变量节点的小循环比没有通过的小循环更严重地降低了性能。因此，直观地认为，小循环应该避免通过太多的低度变量节点。 |
| 每个块矩阵的大小为bxb，奇偶校验矩阵的大小为p1xp2，其中p1=mb, p2=nb(其中m和n定义了奇偶校验矩阵的大小)g=γb，其中γ为g子矩阵中的块总数。行权和列权分布为{wr1, wr2，....， wn}和{wc1, wc2，....， wcn}，其中wrand WCJ分别表示第i块行和第j列的权重。这个参数的输出将提供p1xp2奇偶校验矩阵h的分量。这个矩阵可以是单位矩阵的右循环移位，也可以是零矩阵。图显示了H矩阵的一般情况结构。I1和I2是大小相同的单位矩阵，Z是零矩阵。其他块最初设置为Null块。 |
| 根据矩阵列、行两组不同的权重分布分别生成: |
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| 当g=2且信息向量等于(1,0,0,0,0,0,0)时，则码字等于[S1,R1,R2] =[1,0,0,0,0,0,0,0,1,1,0,0,0] |
仿真结果 |
| 本节对编码技术实现后的仿真结果进行了分析。为了验证我们的解析推导技术，开发了MATLAB仿真。仿真环境包括:作为输入图像，编码速率为1 / 2，采用16QAM调制技术，IFFT大小为128。以下参数已用于MIMO-OFDM系统中PAPR降低的MATLAB仿真。 |
| 表1表明，与其他编码技术(如卷积编码、涡轮编码等)相比，应用LDPC技术可以实现20%至30%的PAPR降低。不同编码技术(如卷积、Turbo和LDPC)约简性能的CCDF图如图4所示。 |
| 从图4可以看出，不同编码技术对PAPR的降低，PAPR值从原始值显著下降，卷积编码为5db, turbo编码为3.2 dB, LDPC编码为2.2 dB。 |
结论 |
| 本文介绍了不同类型的PAPR降低技术。低密度奇偶校验(LDPC)编码器可以有效地降低OFDM中的PAPR问题。使用LDPC可使PAPR降低1.5 ~ 2db。 |
表格一览 |
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| 表1 |
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数字一览 |
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参考文献 |
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