降低峰均比對通信系統(tǒng)性能收益研究

邸成良，紀金偉，殷娣娣

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

降低峰均比對通信系統(tǒng)性能收益研究

邸成良1，紀金偉1，殷娣娣2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.國網(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)展和進步的核心驅(qū)動力。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)射信號的峰均比可以有效降低信號的動態(tài)范圍，從而降低功率放大器的非線性失真，進而帶來通信系統(tǒng)能量效率、頻譜效率和功率效率性能的綜合提升。通過公式推導，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系，并定量分析了降低峰均比給功率節(jié)約帶來的性能收益，定量分析結果表明，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

當前通信系統(tǒng)運行所消耗的能量不斷增長，持續(xù)增加的能量消耗費用甚至已經(jīng)占用通信系統(tǒng)總體運行成本的50%[1]，因此在通信系統(tǒng)中對功率效率的指標設計變得尤為重要[2]。而功放的功率效率直接與通信系統(tǒng)中發(fā)射信號的峰均比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)相關聯(lián)[3]，特別是在正交頻分復用(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PAPR過大的不利影響十分突出[6]。發(fā)送信號的動態(tài)范圍增大會使功放工作于飽和區(qū)[7]，進而放大后的信號出現(xiàn)非線性失真使系統(tǒng)的誤碼率(Bit Error Rate，BER)性能降低[8]，此外還會產(chǎn)生帶外頻譜擴展，影響工作于臨近信道的通信系統(tǒng)[9]。當發(fā)射信號動態(tài)范圍很大時，為滿足對線性度指標的要求，需對發(fā)射信號進行大幅度功率回退[10]，必然會降低功放的功率效率，同時信號非線性還會導致接收信噪比下降，最終影響通信系統(tǒng)BER性能[11]。發(fā)射信號的動態(tài)范圍大和功率回退不僅會降低發(fā)射端功放的功率效率，還會減小通信系統(tǒng)的平均輸出功率，對系統(tǒng)覆蓋范圍造成很大影響[3]。除此之外，PAPR大的發(fā)射信號還對系統(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滿足大峰值信號的轉(zhuǎn)換需求[12]。另外，信號發(fā)射過程中的混頻器和濾波器都會對信號產(chǎn)生非線性疊加影響，PAPR大的信號通過這類非線性器件時會累積更多的非線性失真，由此得出發(fā)射信號的PAPR過大，會給通信系統(tǒng)帶來嚴重的不利影響。

有效降低PAPR的方案應在BER性能、降低PAPR程度、帶外頻譜擴展、計算復雜性[13]、數(shù)據(jù)傳輸速率和功率消耗等多個指標之間取得一個好的平衡[14]。當前，有關降低PAPR的文獻中已經(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之間關系的文獻則相對較少。而通過不同手段降低PAPR后對通信系統(tǒng)所造成收益高低才是關乎降低PAPR方法是否合適的最終判斷準則。因此，本文從定性和定量兩方面進行分析、解釋降低PAPR對能量效率、功率效率和頻譜效率的影響。

1 能量效率和頻譜效率與PAPR的關系

便攜式終端設備和智能手機的普及對通信系統(tǒng)提出了更高的能量效率要求，需要提升電池的工作時間[16]。與此同時，日益增長的寬帶數(shù)據(jù)服務需求也對有限頻譜資源利用率提出了更嚴格的要求，這些切實的要求迫使將來的通信系統(tǒng)必須具備高效的功率效率和頻譜效率。降低信號的PAPR是降低系統(tǒng)功率回退和非線性失真的有效手段，進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)射信號平均功率；Pw為高斯白噪聲功率。

分析式(3)可以得出，當發(fā)射功率Pt增大而傳輸帶寬B不變時，速率R隨Pt呈對數(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則會下降。假設初始Pt/Pw為10，當Pt增大一倍后，Pw不變，速率R為原來值的1.27倍，此時，系統(tǒng)頻譜效率ηSE提高1.27倍，而系統(tǒng)能量效率ηEE則降低為原來的0.635倍。

當發(fā)射功率Pt不變而傳輸帶寬B增大時，信道的最大傳輸速率R隨B增大而增大，ηEE會提升；速率R的增長速率小于帶寬B的增長速率，頻譜效率ηSE會降低。例如，當發(fā)射功率Pt不變，初始Pt/Pw為10，而B增大一倍后，高斯白噪聲功率Pw也會增加一倍，即Pt/Pw=5，因此速率R會增長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之間存在折衷關系，它們無法同時增大，但是可以通過降低PAPR將二者同時提升?？紤]功放的非線性特性所引入的截斷噪聲，式(3)可以修正為：

(4)

2 典型系統(tǒng)的功率收益仿真分析

在實際通信系統(tǒng)應用中，發(fā)射信號都要通過功率放大才能達到足夠的功率強度和覆蓋范圍。射頻前端中功放的峰值功率是受限的，當發(fā)射信號的峰值功率超過功放飽和區(qū)功率時，信號就產(chǎn)生截斷。截斷信號會引起帶外頻譜擴展以及帶內(nèi)頻譜失真，最終影響通信系統(tǒng)BER性能[11]。為降低功放信號截斷產(chǎn)生的非線性失真，系統(tǒng)必須滿足一定的截斷概率，對動態(tài)范圍大的信號而言，需將對發(fā)射信號功率進行回退來滿足截斷概率指標要求，功率回退最直接的結果就是降低功放的功率效率。降低信號PAPR是降低功率回退概率的有效手段，進而提高功率效率，達到功率節(jié)省目的。然而，降低PAPR的算法通常帶來額外的運算量，因此系統(tǒng)的運算耗電量也會增加，以線性度最優(yōu)的A類功放與文獻[18]中降低SC-FDMA系統(tǒng)的PAPR算法為例，計算降低PAPR算法對系統(tǒng)功率的性能收益。

假定功放具有理想的線性放大特性，在整個區(qū)間內(nèi)都是線性的，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分別為給定的截斷概率條件下初始SC-FDMA信號和降低PAPR后的SC-FDMA信號的PAPR門限值，PAPR門限用dB表示(無量綱)；pave取值參考美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)規(guī)范的發(fā)射功率要求，pave=200 mW。文獻[18]算法在調(diào)制子載波數(shù)量N=1 024，備選信號數(shù)量Q=23時降低SC-FDMA信號PAPR的效果曲線圖如圖1所示。

圖1 文獻[18]方法的降PAPR效果曲線

取截斷概率為10-5，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。直觀來看，節(jié)約的功率相比于固定功率消耗相當可觀，當然采用不同的降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的算法必然增加計算量，為了定量計算運算耗電量，考慮定點DSP(Digital Signal Processor)，其參數(shù)如表1所示。

表1 定點DSP的指標與數(shù)值

由表1可知，定點DSP單個計算周期耗電量為：

(8)

算法中包含的乘法和加法的運算量分別為2NQ和2NQ-N。對單個SC-FDMA符號，算法耗電量為：

(9)

pcon=1.45×10-5W×1.4×104=0.2 W。

(10)

對比式(7)和式(10)，很明顯降低PAPR給系統(tǒng)帶來的功率節(jié)約收益遠超過算法消耗的功率，結合通過式(7)計算得到的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)約的功耗遠超過算法本身運算量所消耗的功率，因此降低信號PAPR可以給通信系統(tǒng)節(jié)省功率，進而延長電池工作時間，并大幅降低系統(tǒng)能耗。通過降低PAPR給系統(tǒng)帶來的耗電量節(jié)約收益也成為研究人員追求降低PAPR算法的持續(xù)驅(qū)動力。

3 結束語

降低峰均比對于通信系統(tǒng)性能受益具有重要促進作用。通過公式推導和理論分析得知，固定損耗下能量效率和頻譜效率存在折衷關系，然而當PAPR降低后，二者的效率均可達到提升。此外，降低峰均比還會使功放的功率效率提高，定量分析表明通過降PAPR的算法對功率效率的貢獻作用遠大于算法復雜度帶來的計算單元的功率消耗，在典型系統(tǒng)中的仿真計算表明功率節(jié)省比例可以達到27.8%，而且隨著計算器件計算能力的提升，未來算法復雜度帶來的不利影響還會得到進一步降低。

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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,紀金偉,殷娣娣.降低峰均比對通信系統(tǒng)性能收益研究[J].無線電工程,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

河北省自然科學基金資助項目(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：無人機測控。

紀金偉 男，(1986—)，博士，工程師。主要研究方向：無人機測控。