Метод ограничения пик-фактора с дополнительным сигналом компенсации в системе с ортогональным частотным разделением каналов для гауссовского канала

Цели. Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM) стало стандартом для различных систем беспроводной связи с высокой скоростью передачи данных благодаря нескольким преимуществам, одним из которых является эффективное использование полосы частот. Главным недостатком OFDM является высокое значение отношения пиковой мощности к средней мощности – пик-фактору, на что указывает повышение частоты битовых ошибок из-за нелинейности усилителя мощности. Цель статьи – оценка возможности снижения значения пик-фактора с помощью разработанного авторами метода ограничения с дополнительным сигналом компенсации в канале с белым гауссовским шумом и анализ его основных параметров.

Методы. Использованы методы статистической радиотехники, теории оптимального приема сигналов и компьютерного моделирования.

Результаты. Проведен анализ влияния уровня ограничения сигнала OFDM и числа дополнительных сигналов при использовании метода ограничения с дополнительным сигналом компенсации на качество (уменьшение потерь при передаче) сигнала OFDM. Получены результаты, показывающие снижение величины пик-фактора OFDM-сигнала, и зависимости вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум при фиксированных значениях ограничения и числа дополнительных сигналов в канале с белым гауссовским шумом.

Выводы. Предложен метод ограничения с дополнительным сигналом при передаче OFDM-сигнала в канале с белым гауссовским шумом, обеспечивающий компенсацию потерь информации, обусловленных ограничениями уровня сигнала в канале передачи. Установлено, что увеличение уровня ограничения увеличивает величину пик-фактора, а при изменении числа дополнительных сигналов пик-фактор изменяется незначительно. Для эффективной реализации метода ограничения с дополнительным сигналом компенсации необходимо выбирать параметры уровня ограничения порогового значения и число дополнительных сигналов в зависимости от прогнозируемого отношения сигнал/шум в системе.

1. Ковалев В.В., Селецкая О.Ю., Покаместов Д.А. Формирование и обработка OFDM сигналов. Молодой ученый. 2016;14(118):151–154. URL: https://moluch.ru/archive/118/32800/

2. Галустов Г.Г., Мелешкин С.Н. Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов: учебное пособие. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ; 2012. 80 с.

3. Van Nee R., Prasad R. OFDM for Wireless Multimedia Communications. Boston; London: Artech House; 2000. 260 p.

4. Wu Y., Zou W.Y. Orthogonal frequency division multiplexing: A multi-carrier modulation scheme. IEEE Trans. Consumer Electronics. 1995;41(3):392–399.

5. Луферчик П.В., Конев А.Н., Богатырев Е.В., Галеев Р.Г. Методы повышения энергетической эффективности OFDM модемов в каналах связи с частотно-селективными замираниями. Сибирский аэрокосмический журнал. 2022;23(2):189–196. https://doi.org/10.31772/2712-8970-2022-23-2-189-196

6. Hassan G.M., Mukred M., Gumaei A.H. Modified Method of PAPR Reduction using Clipping and Filtering for Image Transmission with OFDM. Al-Mustansiriyah Journal of Science. 2023;34(4):75–86. https://doi.org/10.23851/mjs.v34i4.1400

7. Фам Т.Т., Тихонова О.В. Метод ограничения с дополнительным сигналом для уменьшения значения пик-фактора в системе с ортогональным частотным разделением каналов. Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2023;193(2):34–38.

8. Фам Т.Т., Тихонова О.В. Метод ограничения пик-фактора сигнала OFDM с дополнительным сигналом. В сб.: Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем «Радиоинфоком-2023»: Сборник научных статей VII Международной научно-практической конференции. М.: РТУ МИРЭА; 2023. С. 140–142.

9. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение: пер. с англ. М.: Вильямс; 2017. 1104 с.

10. Прокис Дж. Цифровая связь: пер. с англ.; под ред. Д.Д. Кловского. М.: Радио и связь; 2000. 800 с.

11. Bairwa M.K., Porwal M.K. BER Performance of OFDM System over AWGN channel with Different Modulation Schemes. Int. J. Eng. Tech. Res. (IJETR). 2014;2(8):117–119.

12. Shatrughna P.Y., Subhash C.B. PAPR Reduction using Clipping and Filtering Technique for Nonlinear Communication Systems. In: International Conference on Computing, Communication and Automation. IEEE; 2015. P. 1220–1225. https://doi.org/10.1109/CCAA.2015.7148590

13. Kannadhasan S., Karthikeyan G., Indumathi G. PAPR Reduction in OFDM Systems using Adaptive Active Constellation Extension Algorithm. Int. J. Innov. Res. Computer and Commun. Eng. (IJIRCCE). 2013;1(4):950–957.

14. Пукса А.О. Уменьшение пик-фактора OFDM-сигнала с помощью методов, основанных на ограничении сигналов. Международный научно-исследовательский журнал. 2017;12(66):124–127. https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.66.145

15. Wang L., Tellambura C. A simplified clipping and filtering technique for PAPR reduction in OFDM systems. IEEE Signal Processing Letters. 2005;12(6):453–456. https://doi.org/10.1109/LSP.2005.847886

16. Tellambura C., Jayalath A.D.S. PAR reduction of an OFDM signal using partial transmit sequences. In: IEEE 54th Vehicular Technology Conference. NTC Fall 2001. Proceedings. IEEE; 2001. P. 465–469. https://doi.org/10.1109/VTC.2001.956642

17. Kumar P., Ahuja A.K., Chakka R. BCH/hamming/cyclic coding techniques: comparison of PAPR-reduction performance in OFDM systems. In: International Conference on Intelligent Computing and Applications. Springer; 2018. P. 557–566. https://doi.org/10.1007/978-981-10-5520-1_50

18. Han S.H., Lee J.H. An overview of peak-to-average power ratio reduction techniques for multicarrier transmission. IEEE Wireless Commun. 2005;12(2):56–65. https://doi.org/10.1109/MWC.2005.1421929