面向6G网络的OTFSM系统峰均比抑制方案性能评估

《Applied Research》：Performance Evaluation of PAPR Reduction Scheme for an OTFSM System in 6?G Networks

　　

对更高数据传输速度和极端移动场景下增强可靠性的日益增长的需求，正推动第六代（6G）网络物理层设计的鲁棒性需求。多载波传输的关键挑战之一是高峰均功率比（PAPR），这会降低功率放大器效率并增加功耗。本文对三种无线传输系统的PAPR抑制进行了比较评估：传统正交频分复用（OFDM）、滤波-OFDM（F-OFDM）以及新兴的正交时频空调制（OTFSM）。研究人员分析了这些系统的固有PAPR特性，并进一步研究了部署增强非对称算术编码（EAAC）技术所获得的增益。EAAC技术因其能够在无需引入信号失真、边信息或额外计算复杂度的前提下降低PAPR而被选中。采用标准参数进行的仿真结果表明，得益于其延迟-多普勒（DD）域结构，OTFSM系统固有地展现出最低的PAPR（在CCDF为10-2时为8.50 dB）。EAAC的部署在所有系统中均提供了显著的互补性PAPR抑制，其中OTFSM与EAAC的组合实现了最优性能（7.82 dB，对应8.00%的提升）。这些发现表明，OTFSM作为未来6G应用的波形候选者具有强大潜力，尤其是当与编码辅助的PAPR抑制技术相结合时。

研究背景与动机

随着第六代（6G）无线网络的发展，业界对极高数据速率、超可靠低延迟通信（URLLC）以及在高速列车、无人机和卫星网络等高移动性场景下的可靠连接提出了迫切需求。这对物理层设计提出了极高要求，未来的波形需要在恶劣信道条件下，尤其是在高频段和快速变化的无线环境中，具备高频谱效率和可靠性。

正交频分复用（OFDM）是4G和5G系统的关键技术之一，但在极端条件下，特别是高多普勒环境中面临若干限制。其主要缺点包括对子载波间干扰（ICI）敏感以及高峰均功率比（PAPR）。高PAPR会降低功率放大器的效率，从而增加功耗、散热和成本，这对于追求能效的6G基础设施和用户设备而言是一个关键问题。其他波形如滤波-OFDM（F-OFDM）虽改善了频谱约束，但由于时域滤波过程，往往仍会产生PAPR问题。

现有PAPR抑制技术，如削波、压扩和选择性映射，虽能降低PAPR，但常引入信号失真、带宽增加或计算复杂度高等权衡。近年来，正交时频空调制（OTFSM）被提出作为下一代无线系统的潜在解决方案，它将信息符号调制在延迟-多普勒（DD）域而非传统的时频域，使时变多径信道能以更稳定和结构化的形式呈现，在多普勒扩展环境下表现更优。然而，与常规OFDM系统相比，针对OTFSM系统的PAPR抑制研究尚不充分。特别是，专门为OTFSM设计的编码辅助PAPR抑制技术的潜力尚未得到深入探究。因此，本研究旨在比较评估OFDM、F-OFDM和OTFSM三种系统的固有PAPR特性，并量化一种名为增强非对称算术编码（EAAC）的新型编码技术在降低PAPR方面的有效性。

研究方法与技术

研究人员建立了一个统一的仿真框架，对OFDM、F-OFDM和OTFSM系统进行对比评估。所有系统均采用128-APSK（振幅移相键控）调制以实现高频谱效率。系统参数包括512个子载波、32个循环前缀长度、20 MHz采样频率，OTFSM的延迟-多普勒网格配置为32个延迟仓和16个多普勒仓。

关键技术方法如下：

1. 1.
   OTFSM调制解调架构：在发射端，输入比特经调制后形成DD域符号，通过逆辛有限傅里叶变换（ISFFT）转换为时频（TF）域，再经海森堡变换生成连续时域信号。接收端则通过维格纳变换和辛有限傅里叶变换（SFFT）恢复DD域符号。
2. 2.
   增强非对称算术编码（EAAC）技术：该编码技术通过在最高有效位或最低有效位位置引入非对称符号，对原始二进制码字进行重构，产生新的二进制码字。EAAC通过受控的符号重组，重塑传输符号的统计分布，降低产生高瞬时信号峰值的强相关符号组合的概率，从而在不引入削波失真、边信息或额外信号处理模块的情况下实现PAPR抑制。
3. 3.
   PAPR性能评估指标：采用互补累积分布函数（CCDF）来评估PAPR，衡量PAPR超过特定阈值的概率。

研究结果

无编码时各多载波调制方案的PAPR性能

在CCDF为10^-2时，未编码的OTFSM系统固有PAPR值最低，为8.50 dB，而OFDM和F-OFDM分别为10.5 dB和11.0 dB。这表明OTFSM在控制信号峰值方面具有更好的能力。百分比提升分析显示，与OFDM相比，OTFSM的PAPR降低了19.05%，而F-OFDM则表现出负提升（-4.76%）。这种优越的固有PAPR性能源于OTFSM的ISFFT操作将符号分散在延迟-多普勒网格上，减少了导致高峰值的多个信号分量同相叠加的概率。

应用EAAC技术后各多载波调制方案的PAPR性能

应用EAAC技术后，在CCDF为10^-2时，OTFSM的PAPR降至最低的8.0 dB，其次是F-OFDM的9.3 dB和OFDM的9.8 dB。此时，F-OFDM相对于OFDM获得了5.1%的正向PAPR改善，而OTFSM则实现了高达18.36%的显著改善。这证实了EAAC技术对所有调制方案均有积极的PAPR抑制贡献，其通过受控的符号重组降低了产生高瞬时信号峰值的可能性。

OTFSM系统在不同编码方案下的PAPR性能

对于OTFSM系统，在CCDF为10^-2时，未编码系统的PAPR为8.50 dB。应用哈夫曼编码、算术编码、非对称数字系统（ANS）编码和EAAC编码后，PAPR分别降至8.26 dB、8.21 dB、8.08 dB和7.82 dB，相应的改善百分比为2.82%、3.41%、4.94%和8.00%。结果显示，EAAC提供了最强的PAPR抑制效果，其次是ANS、算术编码和哈夫曼编码。哈夫曼和算术编码主要关注源压缩效率，对PAPR影响有限。EAAC则通过其非对称符号编码策略，有意重塑传输符号的统计分布，从而最有效地降低了高PAPR的发生概率。

讨论与结论

讨论部分指出，多载波系统中的高PAPR源于多个子载波分量的同相相加。不同的编码方案通过改变传输数据的结构和统计分布间接影响峰值出现的可能性。EAAC之所以表现最佳，是因为它超越了单纯的压缩功能，引入了受控的符号重组，从而为多载波传输创造了更有利的幅度分布。与文献中报道的其他PAPR抑制技术（如削波、选择性映射等）相比，EAAC方法虽然dB级别的降低量可能不同，但其优势在于无需引入失真或边信息，为实际实现提供了有利的权衡。

研究结论总结如下：

本文对OFDM、F-OFDM和OTFSM系统在使用和不使用所提出的EAAC编码技术情况下的PAPR性能进行了比较评估。结果表明，所选的多载波波形和编码技术都强烈影响传输信号的PAPR性能。

在未编码的调制方案中，OTFSM实现了最低的PAPR（在CCDF为10^-2时为8.50 dB），优于OFDM（10.5 dB）和F-OFDM（11.0 dB）。OTFSM优异的PAPR性能源于其DD域结构，该结构将符号分散在整个网格上，减少了导致高峰值的同相叠加概率。

EAAC的应用在所有系统中都提供了显著的互补性PAPR抑制。使用EAAC后，OTFSM、F-OFDM和OFDM的PAPR值分别降至8.0 dB、9.3 dB和9.8 dB。最初表现不如OFDM的F-OFDM系统在应用EAAC后也获得了正向的PAPR改善（5.1%）。

对于OTFSM系统，所有编码方法都比未编码情况降低了PAPR，但EAAC提供了最大的降幅（8.00%），其次是ANS（4.94%）、算术编码（3.41%）和哈夫曼编码（2.82%）。EAAC的性能归功于其非对称符号编码方法，该方法在多载波调制前重塑了传输符号的统计分布。EAAC能够降低产生大瞬时信号峰值的强相关符号组合的概率。

研究结果表明，OTFSM与EAAC的结合是实现多载波无线通信系统更低PAPR的最佳技术。这种组合有利于6G应用，包括提高功率放大器效率、减少非线性失真和简化发射机设计。未来的工作将包括在各种信道条件下进行误码率（BER）性能评估，以评估EAAC对错误率性能的影响。