[论文解读] The Problem of Peak-to-Average Power Ratio in OFDM Systems

Martha Cecilia Paredes Paredes, M. Julia Fernández‐Getino García|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2015

PAPR reduction in OFDMEngineering参考文献 25被引用 22

一句话总结

本文对正交频 division multiplexing (OFDM) 系统中的峰均功率比 (PAPR) 抑制技术进行了全面的综述与数学分析。评估了削峰、编码、选择映射 (SLM)、正交导频序列 (OPS) 和幅度预失真方法，结果表明 SLM 和 OPS 在 10⁻³ CCDF 下可实现高达 1.5 dB 的 PAPR 抑制，而幅度预失真方法在 N=256 子载波下可实现高达 2.5 dB 的抑制。

ABSTRACT

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is widely used in many digital communication systems due to its advantages such us high bit rate, strong immunity to multipath and high spectral efficiency but it suffers a high Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) at the transmitted signal. It is very important to deal with PAPR reduction in OFDM systems to avoid signal degradation. Currently, the PAPR problem is an active area of research and in this paper we present several techniques and that mathematically analyzed. Moreover their advantages and disadvantages have been enumerated in order to provide the readers the actual situation of the PAPR problem.

研究动机与目标

• 分析 OFDM 系统中高 PAPR 的根本原因及其影响，特别是其因非线性高功率放大器 (HPA) 导致的性能退化。
• 评估并比较主要 PAPR 抑制技术（包括削峰、编码、SLM、OPS 和幅度预失真）的有效性。
• 为每种技术提供数学基础，并对其优缺点进行比较评估，尤其关注带内失真、带外辐射以及对附加信息的需求。
• 展示仿真结果，量化不同技术及系统参数（如子载波数 N）下的 PAPR 抑制性能。

提出的方法

• 使用逆离散傅里叶变换 (IDFT) 建模 OFDM 信号，时域信号 s[n] 通过 IDFT 运算从频域符号 S(k) 推导得出。
• 将 PAPR 定义为最大瞬时功率与平均功率的比值：χ = max(|s|²) / E[|s|²]，性能通过互补累积分布函数 (CCDF) 评估。
• 通过将信号幅度限制在阈值 A 实现削峰，保留削峰值的相位，但承认其导致的带内失真和带外辐射。
• 评估编码技术，即选择具有固有低 PAPR 的码字以在不引入信号失真的前提下降低峰值功率。
• 分析无失真技术：SLM（使用多组相位序列）、OPS（使用正交导频序列）和音调预留 (TR)，区分需要附加信息（如 PTS）与不需要附加信息（如 SLM、OPS）的技术。
• 提出幅度预失真 (SAP) 作为一种线性预处理技术，通过在传输前修改信号包络来降低 PAPR，且不引入失真。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 OFDM 系统中，高 PAPR 的主要成因及其后果是什么，特别是与 HPA 非线性之间的关系？
• RQ2 基于削峰的技术在误码率 (BER) 和邻道干扰方面如何影响系统性能？
• RQ3 在不同无失真技术中，PAPR 抑制增益、计算复杂度与附加信息需求之间的权衡是什么？
• RQ4 幅度预失真在不引入失真或带外辐射的前提下，能在多大程度上降低 PAPR？
• RQ5 子载波数 (N) 和序列数 (U 或 M) 如何影响 SLM 和 OPS 技术的 PAPR 抑制性能？

主要发现

• 对于 N=256 子载波，传统 OFDM 信号在 10⁻³ 概率下 PAPR 超过 10.5 dB，凸显了 PAPR 问题的严重性。
• 使用 U=2 个序列的 SLM 在 10⁻³ CCDF 下可实现约 1.5 dB 的 PAPR 抑制，且随着 U 增大，增益进一步提升。
• 使用 M=16 个序列的正交导频序列 (OPS) 在 N=256 子载波下于 10⁻³ CCDF 时也实现了约 1.5 dB 的 PAPR 抑制。
• 简单幅度预失真 (SAP) 在 α=1.55 且 L≥4 过采样条件下，在 10⁻³ CCDF 下可实现高达 2.5 dB 的 PAPR 抑制，优于 SLM 和 OPS。
• 过采样 (L≥4) 显著减少了基于削峰方法中的峰值功率再生，当与滤波结合时可显著提升有效性。
• SLM 和 OPS 等技术无需传输附加信息，而 PTS 和 TR 则需要，这会影响系统复杂度和频谱效率。