[论文解读] Detection of Nonlinearly Distorted OFDM Signals via Generalized Approximate Message Passing

Sergey Zhidkov|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2017

PAPR reduction in OFDM参考文献 8被引用 9

一句话总结

本文提出了一种基于广义近似消息传递（GAMP）的接收器，用于抑制由强无记忆非线性（如削波）引起的正交频 division multiplexing（OFDM）系统，实现了实时、低复杂度的信号检测。即使削波后峰均功率比（crest factor）仅降低1.9 dB，该方法在误比特率（BER）为$10^{-4}$至$10^{-6}$时，仍比理想线性OFDM系统性能提升超过2 dB。

ABSTRACT

In this paper, we propose a practical receiver for multicarrier signals subjected to a strong memoryless nonlinearity. The receiver design is based on a generalized approximate message passing (GAMP) framework, and this allows real-time algorithm implementation in software or hardware with moderate complexity. We demonstrate that the proposed receiver can provide more than a 2dB gain compared with an ideal uncoded linear OFDM transmission at a BER range $10^{-4}\div10^{-6}$ in the AWGN channel, when the OFDM signal is subjected to clipping nonlinearity and the crest-factor of the clipped waveform is only 1.9dB. Simulation results also demonstrate that the proposed receiver provides significant performance gain in frequency-selective multipath channels

研究动机与目标

• 解决高峰均功率比导致的OFDM系统性能下降问题，以及后续削波非线性引起的性能损伤。
• 克服传统接收器将非线性失真视为噪声所带来的误比特率（BER）性能下降问题。
• 开发一种实用的、低复杂度的接收器，能够有效抑制强非线性失真，且避免误码传播问题。
• 使未编码的削波OFDM系统在频谱效率和功率效率方面超越传统线性OFDM系统。
• 拓展非线性OFDM在实际场景中的适用性，特别是在功率放大器回退受限等硬件约束条件下。

提出的方法

• 采用广义近似消息传递（GAMP）框架，从非线性失真接收信号中迭代估计发射信号。
• 将OFDM信号建模为通过实数逆DFT（IDFT）的线性变换，随后经过阈值为$T$的无记忆削波非线性$f(z_n)$。
• 在GAMP框架内采用贝叶斯推理方法，计算输入符号的后验均值估计，以考虑非线性影响。
• 结合信道状态信息（CSI），执行迭代信号检测，最大迭代次数为30次，以监控收敛性。
• 在频率选择性衰落信道中引入预处理步骤，以提升均衡性能，采用次优的信道均衡方法。
• 利用IDFT矩阵的结构特性以及失真分量的稀疏性，将每轮迭代的计算复杂度降低至$O(4tN\log_2 N)$。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在强无记忆非线性（如削波）的情况下，实用的、低复杂度的接收器是否能够优于传统线性OFDM接收器？
• RQ2 基于GAMP的接收器在峰均功率比极低（例如1.9 dB）的削波OFDM系统中，性能恢复能力如何？
• RQ3 在频率选择性多径衰落信道中，非线性失真与符号间干扰共存时，所提出的接收器是否仍能保持性能增益？
• RQ4 非线性失真强度（削波阈值$T$）与接收器收敛性之间的权衡关系如何，特别是在低误比特率下？
• RQ5 在实际场景中，采用所提接收器的未编码削波OFDM系统是否能够实现与编码OFDM系统相当的性能？

主要发现

• 在AWGN信道中，即使削波后峰均功率比降低至1.9 dB，基于GAMP的接收器在误比特率$10^{-4}$至$10^{-6}$范围内，相比理想未编码线性OFDM系统仍实现超过2 dB的性能增益。
• 对于4-QAM调制，当削波阈值设为$T=0.65$（对应1.9 dB峰均功率比）时，在$10^{-6}$ BER下实现2.3 dB增益。
• 当$T=0.7$时，系统在$10^{-4}$至$10^{-6}$ BER范围内提供2–2.3 dB增益，表明即使在强非线性条件下仍具有显著性能提升。
• 对于16-QAM，GAMP接收器在$10^{-5}$至$10^{-6}$ BER范围内仍提供超过1 dB的显著增益，但当$T \leq 1$时出现收敛问题。
• 在频率选择性多径衰落信道中，即使采用次优信道均衡，所提接收器相比线性OFDM仍实现3–4 dB增益。
• 在误比特率低于$10^{-4}$时，收敛所需的平均迭代次数通常少于5次，表明收敛速度快，具备实际可行性。