邸成良，紀(jì)金偉，殷娣娣

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司信息通信分公司，河北 石家莊 050021)

降低峰均比對(duì)通信系統(tǒng)性能收益研究

邸成良1，紀(jì)金偉1，殷娣娣2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司信息通信分公司，河北 石家莊 050021)

頻譜效率和功率效率的大幅提升是新型通信系統(tǒng)得以持續(xù)發(fā)展和進(jìn)步的核心驅(qū)動(dòng)力。降低通信系統(tǒng)功耗最直接的途徑是提高射頻前端功放的功率效率，降低發(fā)射信號(hào)的峰均比可以有效降低信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，從而降低功率放大器的非線(xiàn)性失真，進(jìn)而帶來(lái)通信系統(tǒng)能量效率、頻譜效率和功率效率性能的綜合提升。通過(guò)公式推導(dǎo)，定性地描述了峰均比與能量效率、頻譜效率和功率效率的關(guān)系，并定量分析了降低峰均比給功率節(jié)約帶來(lái)的性能收益，定量分析結(jié)果表明，典型算法中降低峰均比節(jié)省的功率與系統(tǒng)功率消耗比約為27.8%。

峰均比；能量效率；頻譜效率；功率效率

0 引言

當(dāng)前通信系統(tǒng)運(yùn)行所消耗的能量不斷增長(zhǎng)，持續(xù)增加的能量消耗費(fèi)用甚至已經(jīng)占用通信系統(tǒng)總體運(yùn)行成本的50%[1]，因此在通信系統(tǒng)中對(duì)功率效率的指標(biāo)設(shè)計(jì)變得尤為重要[2]。而功放的功率效率直接與通信系統(tǒng)中發(fā)射信號(hào)的峰均比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)相關(guān)聯(lián)[3]，特別是在正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)[4]和單載波頻分多址接入(Single Carrier Frequency Division Multiple Access，SC-FDMA)調(diào)制方式中[5]，信號(hào)PAPR過(guò)大的不利影響十分突出[6]。發(fā)送信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍增大會(huì)使功放工作于飽和區(qū)[7]，進(jìn)而放大后的信號(hào)出現(xiàn)非線(xiàn)性失真使系統(tǒng)的誤碼率(Bit Error Rate，BER)性能降低[8]，此外還會(huì)產(chǎn)生帶外頻譜擴(kuò)展，影響工作于臨近信道的通信系統(tǒng)[9]。當(dāng)發(fā)射信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍很大時(shí)，為滿(mǎn)足對(duì)線(xiàn)性度指標(biāo)的要求，需對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行大幅度功率回退[10]，必然會(huì)降低功放的功率效率，同時(shí)信號(hào)非線(xiàn)性還會(huì)導(dǎo)致接收信噪比下降，最終影響通信系統(tǒng)BER性能[11]。發(fā)射信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍大和功率回退不僅會(huì)降低發(fā)射端功放的功率效率，還會(huì)減小通信系統(tǒng)的平均輸出功率，對(duì)系統(tǒng)覆蓋范圍造成很大影響[3]。除此之外，PAPR大的發(fā)射信號(hào)還對(duì)系統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter，DAC)提出要求，DAC必須具備足夠高的精度來(lái)滿(mǎn)足大峰值信號(hào)的轉(zhuǎn)換需求[12]。另外，信號(hào)發(fā)射過(guò)程中的混頻器和濾波器都會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生非線(xiàn)性疊加影響，PAPR大的信號(hào)通過(guò)這類(lèi)非線(xiàn)性器件時(shí)會(huì)累積更多的非線(xiàn)性失真，由此得出發(fā)射信號(hào)的PAPR過(guò)大，會(huì)給通信系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的不利影響。

有效降低PAPR的方案應(yīng)在BER性能、降低PAPR程度、帶外頻譜擴(kuò)展、計(jì)算復(fù)雜性[13]、數(shù)據(jù)傳輸速率和功率消耗等多個(gè)指標(biāo)之間取得一個(gè)好的平衡[14]。當(dāng)前，有關(guān)降低PAPR的文獻(xiàn)中已經(jīng)提出多種方案[15]，但是分析能量效率、頻譜效率和功率效率與PAPR之間關(guān)系的文獻(xiàn)則相對(duì)較少。而通過(guò)不同手段降低PAPR后對(duì)通信系統(tǒng)所造成收益高低才是關(guān)乎降低PAPR方法是否合適的最終判斷準(zhǔn)則。因此，本文從定性和定量?jī)煞矫孢M(jìn)行分析、解釋降低PAPR對(duì)能量效率、功率效率和頻譜效率的影響。

1 能量效率和頻譜效率與PAPR的關(guān)系

便攜式終端設(shè)備和智能手機(jī)的普及對(duì)通信系統(tǒng)提出了更高的能量效率要求，需要提升電池的工作時(shí)間[16]。與此同時(shí)，日益增長(zhǎng)的寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)需求也對(duì)有限頻譜資源利用率提出了更嚴(yán)格的要求，這些切實(shí)的要求迫使將來(lái)的通信系統(tǒng)必須具備高效的功率效率和頻譜效率。降低信號(hào)的PAPR是降低系統(tǒng)功率回退和非線(xiàn)性失真的有效手段，進(jìn)而提高功放的功率效率和系統(tǒng)的BER性能，系統(tǒng)的能量效率也相應(yīng)提高。

通信系統(tǒng)中將能量效率和頻譜效率分別表示為[17]：

(1)

(2)

式中，R為通信數(shù)據(jù)傳輸速率；P為通信系統(tǒng)消耗功放消耗的能量；B為通信系統(tǒng)傳輸頻帶帶寬。依據(jù)香農(nóng)信道容量公式，在加性高斯白噪聲條件下，通信系統(tǒng)最大的通信數(shù)據(jù)傳輸速率可表示為：

(3)

式中，Pt為發(fā)射信號(hào)平均功率；Pw為高斯白噪聲功率。

分析式(3)可以得出，當(dāng)發(fā)射功率Pt增大而傳輸帶寬B不變時(shí)，速率R隨Pt呈對(duì)數(shù)增大，系統(tǒng)頻譜效率ηSE可以提高；信道最大傳輸速率R的增速小于Pt增速，能量效率ηEE則會(huì)下降。假設(shè)初始Pt/Pw為10，當(dāng)Pt增大一倍后，Pw不變，速率R為原來(lái)值的1.27倍，此時(shí)，系統(tǒng)頻譜效率ηSE提高1.27倍，而系統(tǒng)能量效率ηEE則降低為原來(lái)的0.635倍。

當(dāng)發(fā)射功率Pt不變而傳輸帶寬B增大時(shí)，信道的最大傳輸速率R隨B增大而增大，ηEE會(huì)提升；速率R的增長(zhǎng)速率小于帶寬B的增長(zhǎng)速率，頻譜效率ηSE會(huì)降低。例如，當(dāng)發(fā)射功率Pt不變，初始Pt/Pw為10，而B(niǎo)增大一倍后，高斯白噪聲功率Pw也會(huì)增加一倍，即Pt/Pw=5，因此速率R會(huì)增長(zhǎng)1.49倍，即能量效率ηEE提高1.49倍，但頻譜效率ηSE下降為原來(lái)的0.745倍。

上述分析表明，在系統(tǒng)固定功耗的條件下(即發(fā)射功率固定，傳輸帶寬固定的情況下)，ηEE和ηSE之間存在折衷關(guān)系，它們無(wú)法同時(shí)增大，但是可以通過(guò)降低PAPR將二者同時(shí)提升?？紤]功放的非線(xiàn)性特性所引入的截?cái)嘣肼暎?3)可以修正為：

(4)

2 典型系統(tǒng)的功率收益仿真分析

在實(shí)際通信系統(tǒng)應(yīng)用中，發(fā)射信號(hào)都要通過(guò)功率放大才能達(dá)到足夠的功率強(qiáng)度和覆蓋范圍。射頻前端中功放的峰值功率是受限的，當(dāng)發(fā)射信號(hào)的峰值功率超過(guò)功放飽和區(qū)功率時(shí)，信號(hào)就產(chǎn)生截?cái)?。截?cái)嘈盘?hào)會(huì)引起帶外頻譜擴(kuò)展以及帶內(nèi)頻譜失真，最終影響通信系統(tǒng)BER性能[11]。為降低功放信號(hào)截?cái)喈a(chǎn)生的非線(xiàn)性失真，系統(tǒng)必須滿(mǎn)足一定的截?cái)喔怕?，?duì)動(dòng)態(tài)范圍大的信號(hào)而言，需將對(duì)發(fā)射信號(hào)功率進(jìn)行回退來(lái)滿(mǎn)足截?cái)喔怕手笜?biāo)要求，功率回退最直接的結(jié)果就是降低功放的功率效率。降低信號(hào)PAPR是降低功率回退概率的有效手段，進(jìn)而提高功率效率，達(dá)到功率節(jié)省目的。然而，降低PAPR的算法通常帶來(lái)額外的運(yùn)算量，因此系統(tǒng)的運(yùn)算耗電量也會(huì)增加，以線(xiàn)性度最優(yōu)的A類(lèi)功放與文獻(xiàn)[18]中降低SC-FDMA系統(tǒng)的PAPR算法為例，計(jì)算降低PAPR算法對(duì)系統(tǒng)功率的性能收益。

假定功放具有理想的線(xiàn)性放大特性，在整個(gè)區(qū)間內(nèi)都是線(xiàn)性的，那么其功率效率表示為[19]：

(5)

式中，η為功放的功率效率，表示輸出信號(hào)平均功率Pave與功放固定消耗PC的比值。假定功放輸出平均功率Pave不變，那么固定功率PC可表示為：

(6)

將式(5)帶入式(6)，功放從功率效率η1提升為η2后節(jié)約的功率為：

(7)

式中，PAPRT,1和PAPRT,2分別為給定的截?cái)喔怕蕳l件下初始SC-FDMA信號(hào)和降低PAPR后的SC-FDMA信號(hào)的PAPR門(mén)限值，PAPR門(mén)限用dB表示(無(wú)量綱)；pave取值參考美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)規(guī)范的發(fā)射功率要求，pave=200 mW。文獻(xiàn)[18]算法在調(diào)制子載波數(shù)量N=1 024，備選信號(hào)數(shù)量Q=23時(shí)降低SC-FDMA信號(hào)PAPR的效果曲線(xiàn)圖如圖1所示。

圖1 文獻(xiàn)[18]方法的降PAPR效果曲線(xiàn)

取截?cái)喔怕蕿?0-5，則常規(guī)SC-FDMA系統(tǒng)的PAPR值為9.434 dB，而采用降PAPR算法的系統(tǒng)中PAPR值為6.309 dB，將上述數(shù)值代入式(7)，得出psaving=1.25 W。而在原始系統(tǒng)中其功率效率用式(5)計(jì)算得到η=0.053，再由式(6)得到固定功率消耗PC=3.77 W。直觀來(lái)看，節(jié)約的功率相比于固定功率消耗相當(dāng)可觀，當(dāng)然采用不同的降PAPR的方法將取得不同的功率節(jié)約效果，但總體而言，采用降PAPR的方法后功率消耗將大幅度降低。

引入降低PAPR的算法必然增加計(jì)算量，為了定量計(jì)算運(yùn)算耗電量，考慮定點(diǎn)DSP(Digital Signal Processor)，其參數(shù)如表1所示。

表1 定點(diǎn)DSP的指標(biāo)與數(shù)值

由表1可知，定點(diǎn)DSP單個(gè)計(jì)算周期耗電量為：

(8)

算法中包含的乘法和加法的運(yùn)算量分別為2NQ和2NQ-N。對(duì)單個(gè)SC-FDMA符號(hào)，算法耗電量為：

(9)

pcon=1.45×10-5W×1.4×104=0.2 W。

(10)

對(duì)比式(7)和式(10)，很明顯降低PAPR給系統(tǒng)帶來(lái)的功率節(jié)約收益遠(yuǎn)超過(guò)算法消耗的功率，結(jié)合通過(guò)式(7)計(jì)算得到的psaving，節(jié)省的凈功率為1.05 W，占系統(tǒng)總功耗3.77 W的27.8%。

一般而言，用降PAPR的算法節(jié)約的功耗遠(yuǎn)超過(guò)算法本身運(yùn)算量所消耗的功率，因此降低信號(hào)PAPR可以給通信系統(tǒng)節(jié)省功率，進(jìn)而延長(zhǎng)電池工作時(shí)間，并大幅降低系統(tǒng)能耗。通過(guò)降低PAPR給系統(tǒng)帶來(lái)的耗電量節(jié)約收益也成為研究人員追求降低PAPR算法的持續(xù)驅(qū)動(dòng)力。

3 結(jié)束語(yǔ)

降低峰均比對(duì)于通信系統(tǒng)性能受益具有重要促進(jìn)作用。通過(guò)公式推導(dǎo)和理論分析得知，固定損耗下能量效率和頻譜效率存在折衷關(guān)系，然而當(dāng)PAPR降低后，二者的效率均可達(dá)到提升。此外，降低峰均比還會(huì)使功放的功率效率提高，定量分析表明通過(guò)降PAPR的算法對(duì)功率效率的貢獻(xiàn)作用遠(yuǎn)大于算法復(fù)雜度帶來(lái)的計(jì)算單元的功率消耗，在典型系統(tǒng)中的仿真計(jì)算表明功率節(jié)省比例可以達(dá)到27.8%，而且隨著計(jì)算器件計(jì)算能力的提升，未來(lái)算法復(fù)雜度帶來(lái)的不利影響還會(huì)得到進(jìn)一步降低。

[1] LUIS M C,DIETRICH Z,OLIVER B,et al.Challenges and Enabling Technologies for Energy Aware Mobile Radio Networks[J].IEEE Communications Magazine,2010,48(11):66-72.

[2] FERLING D,BOHN T,ZELLER D,et al.Energy Efficiency Approaches for Radio Nodes[C]∥In Future Network and Mobile Summit 2010 IEEE,2010:1-9.

[3] GERHARD W,ROBERT F H F,HOLGER B,et al.The PAPR Problem in OFDM Transmission:New Directions for a Long-lasting Problem[J].IEEE Signal Processing Magazine,2013,30(6):130-144.

[4] 胡艷龍,劉明,韓方景,等.NC-OFDM的PAPR統(tǒng)計(jì)特性分析[J].無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù),2009,35(3):23-25.

[5] 李學(xué)斌,高華潔.LTE上行SC-FDMA信號(hào)峰均比研究[J].通信技術(shù),2012,45(1):41-43.

[6] 王永超,汪中,葉圣昊,等.非線(xiàn)性信道下OFDM峰均比抑制算法研究[J].無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù),2012,38(4):32-34.

[7] BARTON T,PERREAULT D.Four-way Microstrip-based Power Combining for Microwave Outphasing Power Amplifiers[J].IEEE Trans.Circuits and Systems I:Regular Papers,2014,61(10):2 987-2 998.

[8] 袁剛,邵晶.非線(xiàn)性功放對(duì)數(shù)字通信影響的仿真分析[J].電子工程師,2008,34(9):7-10.

[9] OSADA H,NISHIMURA H,INAMORI M,et al.Adjacent Channel Interference Cancelation in Fractional Sampling OFDM Receiver[C]∥Vehicular Technology Conference,IEEE,2011:1-5.

[10] PERREAULT D.A New Power Combining and Outphasing Modulation System for High-efficiency Power Amplification[J].IEEE Trans.Circuits Syst.I:Reg.Papers.2011,58(8):1 713-1 726.

[11] YASIR R,SESHADRI M.Peak-to-average Power Ratio Reduction in OFDM Systems:a Survey and Taxonomy[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials,2013,15(4):1 567-1 592.

[12] JIANG T,WU Y.An Overview:Peak-to-average Power Ratio Reduction Techniques for OFDM Signals[J].IEEE Transactions on Broadcasting,2008,54(2):257-268.

[13] SLIMANE B S.Reducing the Peak-to-average Power Ratio of OFDM Signals Through Precoding[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2007,56(2):686-695.

[14] LITSYN S.Peak Power Control in Multicarrier Communications[M].Cambridge:Cambridge University Press,2007.

[15] CHRISTOPH S,ERIK G L.PAR-Aware Large-Scale Multi-User MIMO-OFDM Downlink[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2013,31(2):303-313.

[16] HUANG G,NIX A,ARMOUR S.Impact of Radio Resource Allocation and Pulse Shaping on PAPR of SC-FDMA Signals[C]∥Personal,Indoor and Mobile Radio Communications,IEEE 18th International Symposium on IEEE,2007:1-5.

[17] JIANG T,LI C,NI C.Effect of PAPR Reduction on Spectrum and Energy Efficiencies in OFDM Systems with Class-A HPA over AWGN Channel[J].IEEE Transactions on Broadcasting,2013,59(3):513-519.

[18] JI J,REN G,ZHANG H.PAPR Reduction of SC-FDMA Signals via Probabilistic Pulse Shaping[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2015,64(9):3 999-4 008.

[19] BAXLEY R J,ZHOU G T.Power Savings Analysis of Peak-to-average Power Ratio in OFDM[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2004,50(3):792-798.

Research on Performance Gain of Reducing the PAPR of Communication Systems

DI Cheng-liang1,JI Jin-wei1,YIN Di-di2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.StateGridHebeiInformationandTelecommunicationBranch,ShijiazhuangHebei050021,China)

For future communication systems,substantially higher spectrum and energy efficiencies are the core driving force of sustained applications and developments.Improving the power efficiency of RF front-end is a direct way to lower the system power consumption,since that the PAPR(Peak to Average Power Ratio) reduction would result in lower signal dynamic range,which may decrease the nonlinearity distortion of RF front-end.And then the energy,spectrum and power efficiency performances of the whole system are improved.Via formula deducing,this paper provides a qualitative analysis on the relationships between PAPR and energy,spectrum and power efficiencies,and the quantitative relationship between PAPR and power saving is also analyzed.The analysis also indicates that by applying typical algorithm,the ratio of saved power to total power consumption could be about 27.8%.

PAPR;energy efficiency;spectrum efficiency;power efficiency

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.07.17

邸成良,紀(jì)金偉,殷娣娣.降低峰均比對(duì)通信系統(tǒng)性能收益研究[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2017,47(7):71-74.[DI Chengliang,JI Jinwei,YIN Didi.Research on Performance Gain of Reducing the PAPR of Communication Systems[J].Radio Engineering,2017,47(7):71-74.]

2016-12-22

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(F2014210123)。

TN911.7

A

1003-3106(2017)07-0071-04

邸成良 男，(1988—)，博士，工程師。主要研究方向：無(wú)人機(jī)測(cè)控。

紀(jì)金偉 男，(1986—)，博士，工程師。主要研究方向：無(wú)人機(jī)測(cè)控。