灵活多组单载波调制：子载波映射与功率分配优化

摘要： 正交频分复用（OFDM）和单载波频域均衡（SC-FDE）是频率选择性信道中两种常用的调制方案。与SC-FDE相比，OFDM通常能实现更高的数据速率，但代价是较高的发射信号峰均功率比（PAPR），这会导致功放效率降低。本文研究了一种多组单载波调制方案——灵活多组单载波（FMG-SC），该方案将OFDM和SC-FDE作为特例涵盖其中，从而在两者之间实现更灵活的速率-PAPR权衡。具体而言，在FMG-SC中，总带宽被划分为一组正交子载波，这些子载波根据信道增益灵活映射到多个互不重叠的组中，并在每个组上独立应用SC-FDE以并行发送多个数据流。我们分别针对高斯信号和实际调制星座（如正交幅度调制QAM）的情况，研究了联合子载波分组和功率分配优化问题，以最大化所提出的FMG-SC方案的可达速率。对于这两种情况，优化问题通常是非凸的，为此我们提出了一种两步法来高效地找到高质量近似解。首先，对于任意给定的子载波分组，我们证明可以通过凸优化技术获得最优功率分配。其次，在固定功率分配的情况下，我们提出了针对SC-FDE接收机的低复杂度子载波分组设计算法。数值结果表明，我们提出的算法性能接近于对所有子载波分组进行穷举搜索得到的最优解，但复杂度显著降低。此外，采用高斯信号的FMG-SC方案的可达速率接近OFDM信道容量，并显著优于SC-FDE。进一步地，对于实际调制星座，数值结果表明，所提出的FMG-SC方案在可达速率方面大大优于现有的单载波频分多址（SC-FDMA），而PAPR仅适度增加。