[论文解读] Performance Analysis of Error Control Coding Techniques for Peak-to-Average Power Ratio Reduction of Multicarrier Signals

Sanjay Singh, M. Sathish Kumar+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2012

PAPR reduction in OFDM参考文献 15被引用 3

一句话总结

本文研究了多种前向纠错编码技术——汉明码、循环码、卷积码、戈莱码和里德-默勒码——在BPSK调制的OFDM系统中对峰均功率比（PAPR）抑制的影响。结果表明，参数为r=1、m=4的里德-默勒码可实现最高达2.2362 dB的PAPR抑制，优于其他编码方式；而卷积码在PAPR抑制与硬件复杂度之间提供了良好的折中方案。

ABSTRACT

Increasing demands on high data rate mobile communications services will inevitably drive future broadband mobile communication systems toward achieving data transmission rates in excess of 100 Mbps. One of the promising technologies which can satisfy this demand on high data rate mobile communications services is the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) transmission technology which falls under the general category of multicarrier modulation systems. OFDM is a spectrally efficient modulation technique that can achieve high speed data transmission over multipath fading channels without the need for powerful equalization techniques. However the price paid for this high spectral efficiency and less intensive equalization is low power efficiency. OFDM signals are very sensitive to non-linear effects due to the high peak-to-average power ratio (PAPR), which leads to the power inefficiency in the RF section of the transmitter. This paper analyzes the relation between aperiodic autocorrelation of OFDM symbols and PAPR. The paper also gives a comparative study of PAPR reduction performance of various channel coding techniques for the OFDM signals. For our study we have considered Hamming codes, cyclic codes, convolution codes, Golay and Reed-Muller codes. The results show that each of the channel coding technique has a different PAPR reduction performance. Coding technique with the highest value of PAPR reduction has been identified along with an illustration on PAPR reduction performances with respect to each code.

研究动机与目标

• 为解决OFDM系统中高PAPR的问题，该问题限制了功率效率并增加了硬件成本。
• 研究OFDM符号的非周期自相关特性与PAPR之间的关系。
• 对多种信道编码技术在OFDM系统中的PAPR抑制性能进行对比分析。
• 在编码器/译码器复杂度的约束下，识别出最有效的PAPR抑制编码技术。
• 为将编码技术与其他PAPR抑制技术（如选择性映射SLM）结合提供基准参考。

提出的方法

• 使用N个子载波的基带复 envelope 表示法对OFDM信号进行建模。
• 将PAPR定义为符号持续时间内最大瞬时功率与平均功率的比值。
• 通过理论推导分析子载波序列的非周期自相关特性对PAPR的影响。
• 对OFDM符号应用多种线性分组码（汉明码、循环码、戈莱码、里德-默勒码）和卷积码，以改变其信号结构。
• 使用蒙特卡洛仿真生成CCDF（互补累积分布函数）曲线，用于比较不同编码方案的PAPR性能。
• 以PAPR抑制的dB值和码率作为性能指标进行评估，结果以表格形式呈现并可视化。

实验结果

研究问题

• RQ1 OFDM符号的非周期自相关特性如何影响其PAPR？
• RQ2 在BPSK调制的OFDM系统中，哪种信道编码技术能提供最高的PAPR抑制？
• RQ3 不同编码技术在PAPR抑制性能与硬件复杂度方面如何比较？
• RQ4 前向纠错编码能否与现有的PAPR抑制技术（如SLM）有效结合？
• RQ5 使用不同参数r和m的里德-默勒码可实现的最大PAPR抑制是多少？

主要发现

• 参数为r=1和m=4的里德-默勒码实现了最高的PAPR抑制，达到2.2362 dB，优于所有其他研究的编码方式。
• 码率为1/2、约束长度K=6的卷积码提供了第二好的PAPR抑制，达到2.0000 dB，表现出性能与复杂度之间的良好平衡。
• [23,12,7]戈莱码将PAPR降低了1.9677 dB，在所评估的编码中排名第三。
• m=6的汉明码和m=4的循环码分别仅实现1.4194 dB和1.5161 dB的PAPR抑制，效果较低。
• 码率为1/3、K=9的卷积码将PAPR降低了1.8710 dB，性能低于码率为1/2的对应方案。
• 所有编码的PAPR抑制性能均与它们抑制OFDM符号非周期自相关的能力直接相关，如公式(5)所推导。