在消费者物联网网络中优化PS-OFDM的非线性效应：DFT-Spread与ISLM的协同设计

《IEEE Transactions on Consumer Electronics》：Optimization of Nonlinear Effects of PS-OFDM in Consumer Internet of Things Networks: Co-Design of DFT-Spread and ISLM

超低时延高吞吐量消费电子物联网（CIoT）网络部署中，传统正交频分复用（OFDM）系统受光纤非线性效应影响显著。本文提出基于离散傅里叶变换扩频（DFT-Spread）与插值选择映射（ISLM）的联合优化方案，在概率成型正交频分复用（PS-OFDM）基础上降低2.4dB峰均比（PAPR），提升0.9dB非线性容忍度（BER=1E-3），实现0.6dB接收灵敏度增益。相较于均匀16QAM系统，该方案非线性容忍度提高2.3dB，接收灵敏度增益达10.4dB，理论传输距离增加约50%。

　　

摘要：

随着消费电子物联网（CIoT）部署和智能升级规模的扩大，大量终端设备的超高密度接入对光通信网络的物理层性能提出了严格的要求，尤其是在微秒级低延迟和高吞吐量方面。然而，在高速高功率传输场景下，光纤通道的非线性效应显著增强，导致传统正交频分复用（OFDM）系统出现信号失真和频谱效率下降的问题。概率整形正交频分复用（PS-OFDM）技术通过优化符号概率分布，在提高非线性容忍度方面取得了研究进展，但其本质上是高峰均功率比（PAPR）信号，在高非线性环境中的性能仍然有限。为了解决这一问题，本文提出了一种基于离散傅里叶变换扩展（DFT-Spread）和联合插值选择性映射（ISLM）的协同优化方案。仿真结果表明，该方案将DFT-Spread PS-16QAM信号的PAPR降低了2.4dB，在误码率为1E-3时提高了0.9dB的非线性容忍度，并实现了0.6dB的接收机功率灵敏度（RPS）增益。同时，基于该方案的PS-16QAM系统在性能上明显优于传统的均匀16QAM系统：在误码率为1E-3时，非线性容忍度提高了约2.3dB，RPS提高了约10.4dB，理论传输范围增加了约50%。该方案为CIoT网络的高效部署提供了关键技术支持，能够在复杂环境中显著提升系统的稳定性和可靠性，并为下一代低功耗、高容量通信需求提供了可行的解决方案...

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引言

随着智能家居、可穿戴设备和车联网的普及，消费电子物联网（CIoT）正以前所未有的速度重塑人类生活场景[1]、[2]、[3]、[4]。这些设备不仅是物理世界与数字世界之间的桥梁，也是构建未来智能生态系统的基石——从实时健康监测到家庭能源管理，从自动驾驶协作到工业4.0的最后一环，CIoT设备的互连密度和数据吞吐能力直接决定了用户体验和系统性能[5]、[6]、[7]。然而，实现这一愿景面临一个核心矛盾，即如何在资源受限的消费终端上实现高效、低功耗且抗干扰的通信系统[8]、[9]。