目次
OFDMマルチキャリアシステムは直交周波数分割チャネルを使用するため、複雑な等化技術なしで高速ワイヤレスデータ伝送をサポートでき、強力なフェージング防止および符号間干渉（ISI）機能を備えています。ただし、OFDMシステムの主な欠点は、ピーク対平均電力比（PAPR）が大きいことです。これは、システム全体の運用コストと効率に直接影響します。
ピーク対平均比の問題は、マルチキャリア変調（MCM）で一般的な問題です。ある時点で、同じ方向に複数のキャリアが蓄積されると、大きなピークが生成されるため、パワーアンプは大きな線形領域を持つ必要があります。そうでない場合、信号ピークが増幅器の非線形領域に入ると、信号が歪むため、キャリア間の相互変調干渉と帯域外放射が発生し、サブキャリア間の直交性が失われ、システムパフォーマンスが低下します。明らかに、この状況を回避するために、パワーアンプは高電力補償状態で動作する必要があります。ただし、これにより増幅効率が非常に低くなり、送信機のコストが非常に高くなります。一方、OFDMを移動体通信に適用すると、移動体端末のエネルギーが非常に制限されるため、高効率の電力増幅が必要になります。したがって、
信号のピーク対平均比を低減し、送信機のパワーアンプを効率的に動作させ、システムの全体的なパフォーマンスを向上させるために、特定の手法を採用する必要があります。
1.ピーク対平均比の定義
通常、信号s（t）のピーク値は、そのエンベロープ[s（t）|の最大値である必要があります。信号振幅の最大値の確率は非常に小さいため、max（s（t））を使用して信号振幅のピーク値を定義することはあまり実用的な意味がありません。より効果的なピーク定義方法は、確率法を使用することです。確率Pcでの信号s（t）の切り捨てられたピーク値は、次の条件が満たされている限り、Spです。
ランダムプロセスs（t）のピーク値は次のようになります。説明する確率密度関数（PDF）によって完全に決定されます。エルゴードランダムプロセスの場合、その確率密度の2つの数値は、時間領域全体で同じです。一般に、確率密度関数は通常、ドメイン全体で異なります。s（t）に対する演算が、s（t）の確率密度関数を変更すると、そのピーク対平均比も変更されます。
OFDMのピーク対平均比は次のように定義されます。
もう1つの一般的に使用されるパラメータは、OFDM信号の振幅クレストファクタ（CF、クレストファクタ）です。これは、OFDM信号のピーク振幅とrms振幅値の比として定義されます。つまり、
次の図は信号の振幅を示しています。 OFDMシンボルの。この図から、特定の瞬間にOFDM信号が非常に大きなピークを示すことがわかります。大きなピーク値は予測できないため、後続のデジタル-アナログコンバータドメインのアナログ-デジタルコンバータとパワーアンプは、広いダイナミックレンジを持つ必要があります。ほとんどの信号の振幅はダイナミックレンジよりもはるかに小さいため、利用効率は非常に低くなります。
2.ピーク対平均比の問題を解決する方法
制限技術、コーディング技術、確率技術の3つの主要な技術があります。
2.1制限技術
制限技術は、非線形プロセスを使用して、OFDM信号のピーク振幅またはその近くで非線形成分演算を直接使用することにより、信号のPAPR値を直接低減します。非線形プロセスの欠点は、信号の歪みが発生することです。このタイプのテクノロジーには、フィルタリングの制限、ピークウィンドウ処理、およびピークキャンセルが含まれます。
2.1.1制限フィルター
OFDM信号では、大きなピークの確率が非常に小さいため、制限は、ピーク対平均比を減らすための非常に直接的で効果的な手法です。ただし、制限は非線形プロセスであるため、深刻な帯域内干渉と帯域外ノイズが発生し、システム全体のビットエラーレートのパフォーマンスとスペクトル効率が低下します。クリッピング後のフィルタリングにより、帯域外スペクトル干渉を減らすことができますが、これはピーク再生につながります。
ただし、デジタル信号が直接制限されている場合、制限ノイズはすべて帯域内に収まり、
フィルタリング操作ではこれらのノイズを低減できません。このエイリアシング現象を回避するために、入力データの後に0を入力し、より長いIFFTプロセスを使用して元のデータブロックをオーバーサンプリングすることができます。同様に、帯域外クリッピングノイズを除去するために、クリッピング後にフィルタリングが必要です。制限技術を使用して信号のPAPR値を下げる場合、信号の振幅が設定されたしきい値を超えると、フィルターで除外されます。
技術を制限するさまざまな方法もあります。逆フーリエ（IFFT）変換後、補間の前に信号に対して振幅制限処理を実行するものもあります。ただし、処理された信号は、デジタルからアナログへの変換の前に補間する必要があります。これにより、ピークが再生されます。このピーク再生を回避するために、補間された信号を制限することができます。
非線形フィルタリングによって引き起こされる帯域外干渉を排除するために、フィルタリング操作のためにフィルターを追加する必要があります。フィルタリングはピークの再生につながりますが、クリッピング前の信号のピークよりもはるかに小さいため、複数のフィルタリングプロセスを使用して、信号のピークをさらに減らすことができます。
クリッピングフィルタリングを繰り返すことでPAPRを大幅に低減でき、帯域外干渉の増加を引き起こさないため、主な問題は帯域内クリッピングノイズの蓄積ですが、ノイズは送信側でのみ生成され、システムエラー率への影響を減らす信号。
2.1.2ピークウィンドウ技術
信号のPAPR値を減らす最も簡単で直接的な方法は、信号のピークを直接制限することです。そのため、信号の振幅は目的の最大振幅Amaxに制限されます。しかし、制限は非線形プロセスであり、帯域内干渉と帯域外放射をもたらします。
制限は、OFDM信号に矩形関数を乗算するプロセスと見なすことができます。OFDM信号の振幅が所定のしきい値よりも小さい場合、矩形関数の値は1であり、OFDM信号の振幅がしきい値を指定すると、矩形関数を制限する必要があります。の値は1未満です。
クリッピング後のOFDM信号の周波数スペクトルは、クリッピング前のOFDM信号の周波数とウィンドウ関数のスペクトルの畳み込みです。帯域外周波数スペクトルの特性は、主に2つの周波数スペクトルの大きい方の周波数帯域、つまり長方形の窓関数の周波数スペクトルによって決定されます。周波数スペクトルのロールオフ係数は非常に遅く、周波数に反比例します。
直接制限によって引き起こされる帯域外干渉の問題を軽減するために、比較的大きな信号ピークに、ガウスウィンドウ関数などの適切な長方形ウィンドウ関数を掛けることができます。実際、より良いスペクトル特性が得られる限り、任意のウィンドウ関数を使用できます。帯域外干渉を減らすために、理想的なウィンドウの帯域幅はできるだけ狭くする必要があります。一方、時間領域のウィンドウの数は広すぎないようにする必要があります。時間領域のウィンドウが広いほど、影響を受ける信号サンプルが多くなり、システムのビットエラー率が高くなるためです。
より優れたウィンドウ関数は、コサイン、カイザー、ハミングウィンドウです。次の図は、ウィンドウ関数を使用してOFDMシステムの信号ピークを低減する例を示しています。
2.1.3ピークキャンセル
上記のテクノロジーはすべて、電力を直接削減することに重点を置いています。直接制限およびピークウィンドウ技術の場合、どちらもOFDM信号に対して直接非線形演算を実行して、信号のPAPR値を低減します。したがって、これらはすべて、かなりの帯域外干渉をもたらします。
線形ピークキャンセルテクノロジーを使用すると、この望ましくない帯域外干渉を回避できます。ピークキャンセル手法の基本的な考え方は、信号から特定の振幅の時間遅延参照関数を減算することです。これにより、減算された各参照関数は、信号の少なくとも1つのピークサンプルポイントを削減します。基準関数は、送信されるOFDMとほぼ同じ帯域幅を持つように適切に選択されているため、ピークキャンセル技術は基本的に帯域外干渉を引き起こしません。
値のキャンセルは、OFDM時間領域シンボルを直接処理できます。パワーピーク検出器とコンパレータが含まれており、検出された信号のパワーが設定されたしきい値を超えると、ピークの振幅とピーク周辺の信号サンプルが減少します。
着信データは最初にエンコードされ、シリアルからパラレルに変換されてOFDM周波数ドメインデータブロックが構築されます。各データブロックにはN個の複素信号サンプルが含まれています。データブロックごとに、IFFT操作が実行されてOFDM時間領域信号に変換されます。次に、サイクリックプレフィックスが追加され、信号シンボルがN + NG信号サンプルのシンボルに展開されます。パラレルからシリアルへの変換後、ピークキャンセルプロセスが実行され、信号のPAPR値が減少します。IFFTの後にサイクリックプレフィックスを追加する前に、ピークキャンセルプロセスを直接実行することもできます。ピークキャンセルモジュールを除いて、この送信機は標準のOFDM送信機と同じです。受信機は通常のOFDM受信機と同じであるため、任意の標準のOFDM受信機を使用できます。
図に示すように、ピーク値キャンセルプロセスはIFFTモジュールの直後に実行することもできます。この場合、ピークキャンセルプロセスはOFDMシンボルに基づいています。つまり、ピークキャンセルはシンボルごとに実行されます。キャンセル基準信号を生成する効果的な方法は、周波数領域でローパスフィルターを使用することです。これにより、基準関数を保存する必要がなくなります。OFDMシンボルごとに、設定されたしきい値を超える振幅を持つ信号サンプルを検出します。振幅が設定されたしきい値を超える信号ピークごとに、インパルス応答関数が生成されます。その位相は信号ピークのサンプルポイントと同じであり、振幅は信号ピークのサンプル振幅と設定された最大振幅しきい値の差です。 。これらのインパルス応答関数は、符号に基づいてローパスフィルター処理されます。ローパスフィルターは次のように取得できます。最初に、信号はFFTによって周波数領域に変換され、次にすべての帯域外信号サンプルがゼロに設定され、次に信号がIFFTによって時間領域に変換されます。 。これでローパスフィルタリングの機能が完了し、帯域外干渉は発生しません。
2.2コーディング技術
エンコーディング技術は、送信に使用できる信号コードワードのセットを制限し、振幅ピークがAmxよりも低いコードワードのみを送信用に選択できるため、信号ピークを完全に回避できます。このタイプのテクノロジーは線形プロセスであるため、制限テクノロジーのような制限ノイズはありません。分析によると、この目標は限られた情報の冗長性で達成できることが示されています。
元のコードワードとこれらのコードワードの特性に復元します。相補的なゴレイシーケンスを使用して、信号のPAPR値を低減する送信コードセットを構築できます。Golayシーケンスを選択する主な理由は2つあります。1つは、この技術を使用すると、入力データやサブキャリアの数に関係なく、信号のPAPR値を3dB以内に制限できることです。実際のシステムでは、パワーアンプのダイナミックレンジが事前にわかっているため、これは非常に重要です。 。「このコードにはエラーを修正する機能があり、システムのパフォーマンスをさらに向上させることができます。
2.3確率技術
このタイプのテクノロジーは、信号振幅の最大値を減らすことに焦点を当てていませんが、ピークの確率を減らすことに焦点を当てています。ただし、一般的な確率的手法は、特定の情報の冗長性をもたらします。
その中で、YnはIFFT前に入力されたN点データの最もY要素であり、Xnは元の周波数領域データベクトルXの要素です。このタイプの方法の目的は、N個の点ベクトルAおよびBを見つけることです。これにより、送信されるシンボルy = IFFT（Y）の確率ピーク値が低くなります。
このタイプのテクノロジーには、** SLM（Selected Mapping）、PTS（Partial Transnit Sequence）、PS（Pulse Shaping）、TI（Tone Injecion）、TR（Tone Rejection）**などが含まれます。その中で、SLMとPTSはどちらも適切なAベクトルを選択する必要があり、Bはゼロベクトルです。TIとTRの方法は、Bベクトルの最適化に重点を置いており、Aベクトルは単位ベクトルです。PSは、質問Aを行列に拡張し、各サブキャリアシンボルが特定の相関関係を持つようにして、信号のPAPR特性を改善します。各方法には、パフォーマンス、オーバーヘッド、および複雑さのトレードオフのレベルが異なります。
2.3.1マッピングの選択（SLM）
SLM法の基本的な考え方は、統計的に独立したD個のベクトルYgを使用して同じ情報を表し、時間領域記号ydが送信用のPAPR値が最小のベクトルを選択することです。
SLMとそのすべての変形方法では、受信機は送信機とは逆の操作を実行する必要があります。つまり、送信された元の情報を復元するには、受信機は送信機が送信用に選択した信号を認識している必要があります。最も簡単な解決策は、選択したブランチ番号dをサイドバンド情報として受信側に送信することです。この種の側波帯情報は、受信側が送信された元の情報を正しく復元するために不可欠であるため、チャネルコーディングは、信頼性の高い送信を保証するために一般的に使用されます。一般に、DチャネルSLM送信機の場合、log2（D-1）ビット側波帯乗算器を送信する必要があります。送信データがチャネルコーディング技術を使用している場合、追加の側波帯情報を送信する必要はありません。この場合、受信側は可能なすべてのブランチを1回チェックし、最も可能性の高いブランチは送信側によって送信されたブランチと見なされます。
2.3.2部分送信シーケンス（PTS）
PTSもSLMの同じ概念に基づいていますが、その変換ベクトルの構造は異なります。PTS法は、最初に入力データベクトルをV個の重複しないサブベクトルXyに分割し、各サブベクトルの長さはN / Vになります。これらは互いにオーバーラップしないため、次
のような点があります。この方法の利点は、IFFT操作の完了後にd個の時間領域ベクトルydを作成できるため、反復ごとに追加のIFFT操作が不要になることです。
送信側では、PAPR値が最小の信号yaが送信されます。送信側から送信された信号を復元するには、受信側が送信信号に使用されている回転ベクトルを知る必要があります。したがって、サイドバンド情報の追加の（V-1）log2（W）ビットを送信する必要があります。各サブベクトルのデータが異なる変調モードを採用している場合、側波帯情報を送信する必要がないため、受信側が対応する逆演算を実行する必要がなく、受信機の構造が簡素化されます。
2.3.3インパルスシェーピング（PTS）
PSは、OFDM信号のピーク対平均電力比を低減するための非常に効果的な手法です。OFDM変調で各サブキャリアの時間領域インパルス波形を適切に選択することにより、追加のIFFTプロセスの使用を回避します。したがって、その動作効率は他の方法よりも優れています。
PS法は、一般的なマルチキャリアシステム信号のPAPR分布を非常に効果的に変更できることがわかります。さらに、この方法は非常に柔軟性があり、任意の数のサブキャリアと任意の変調モードを備えたマルチキャリアシステムに適しています。同時に、このメソッドの実装の複雑さも他のメソッドと比較して非常に低くなっています。受信側でのデコードも非常に簡単で、受信したデータに送信側のPの
逆行列を掛けて、元のデータを復元するだけです。
2.3.4 TI
TIは、補正ベクトルを使用して信号のPAPR値を減らします。つまり、Bベクトルを最適化します。基本的な考え方は、同じデータがコンスタレーション上の複数のポイントに対応するようにQAMコンステレーションを拡張し、データを表すテール応答ポイントを適切に選択して、信号のPAPR値を大幅に削減できるようにすることです。
この方法の別の戦略は、信号のピークが指定されたしきい値を超えた場合にのみ信号のコンスタレーションポイントを移動し、信号のPAPR値が指定されたしきい値Fに減少し、信号のすべてのコンスタレーションポイントが指定された範囲内。
2.3.5 TR
TR法の基本的な考え方は、ノイズスペクトルを特定の方法で変更して、ノイズが比較的低い信号対ノイズ比（SNR）で高周波領域に集中するようにすることです。データ割り当てアルゴリズムを使用して、信号対雑音比が良好なサブキャリアにデータを割り当てるため、通常、信号対雑音比が不十分でデータを伝送しないサブキャリアがいくつかあります。制限ノイズ分布は、これらの
未使用のサブキャリアにのみ表示されるように、シェーピングテクノロジーによって変更されます。役に立たないサブキャリアがある限り、この手法はさまざまなタイプのマルチキャリア変調システムで使用できます。