ZP-CI/OFDM：一种高功率效率的无线传输技术

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。

关键字:功率效率；载波干涉正交频分复用；添零；频率分集增益

英文摘要: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.

英文关键字:power efficiency; carrier interferometry; orthogonal frequency division multiplex; zero-padding; frequency diversity gain

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。

作者：高培　陈肖虎　王军   来源：中兴通讯技术——2010年 第6期