DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33617-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41667524
تاريخ النشر: 2026-02-10
المؤلف: Inaamullah Khan وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقليل PAPR في OFDM
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة مخططًا مبتكرًا مدعومًا بالمرسل يعالج بفعالية تحديين كبيرين في الاتصالات اللاسلكية: تقليل نسبة القدرة القصوى إلى المتوسطة (PAPR) وتقدير القناة بدقة. تجمع الطريقة المقترحة بين تصحيح غاما المعدل (MGCC) مع تقدير القناة المدعوم بالبيانات (DACE) لكل من أنظمة الإدخال الواحد والإخراج الواحد (SISO) وأنظمة الإدخال المتعدد والإخراج المتعدد (MIMO) التي تستخدم تقسيم التردد المتعامد (OFDM). الابتكار الرئيسي هو نهج الوظيفة المزدوجة، حيث يتم استخدام حوامل الطاقة العالية، التي تكون عادةً مشكلة بسبب ارتفاع PAPR، كإشارات تجريبية إضافية لتحسين تقدير القناة. لا تعمل هذه التحويلة على تخفيف مشكلة PAPR فحسب، بل تبسط أيضًا تصميم النظام من خلال القضاء على الحاجة إلى التغذية الراجعة من المستقبل إلى المرسل.
تظهر المحاكاة الواسعة التي أجريت تحت قنوات التلاشي رايلي وريسيان قوة المخطط المقترح، الذي يحقق تخفيضات كبيرة في التعقيد الحسابي مع الحفاظ على جودة تقدير القناة العالية. تشير تقييمات الأداء، بما في ذلك تحليل متوسط مربع الخطأ (MSE) ومعدل الخطأ في البتات (BER)، إلى أن مخطط DACE يتفوق على الطرق التقليدية، خاصةً عند تطبيق معلمات التمدد المحسّنة. تكشف الدراسة أيضًا أنه بينما يكون لارتباط هوائي الاستقبال المنخفض تأثير ضئيل على الأداء، يمكن أن يؤدي الارتباط العالي إلى تدهور كبير في BER، مما يلغي فوائد التنوع. بشكل عام، يمثل دمج تقليل PAPR وتقدير القناة في إطار موحد تقدمًا كبيرًا للأجهزة اللاسلكية منخفضة التعقيد من الجيل التالي، مما يعزز كلاً من الكفاءة والموثوقية عبر ظروف القناة المتغيرة.
مقدمة
في العقود الأخيرة، تطورت أنظمة الاتصالات اللاسلكية بشكل كبير لتلبية الطلبات المتزايدة على معدلات بيانات أعلى، وموثوقية محسّنة، وسعة شبكة أكبر. تعتبر تقنية تقسيم التردد المتعامد (OFDM) تقنية محورية في هذه التطورات، حيث أصبحت حجر الزاوية في شبكات 4G و5G بسبب كفاءتها الطيفية العالية ومرونتها تجاه التلاشي متعدد المسارات. بالإضافة إلى ذلك، حولت تقنية الإدخال المتعدد والإخراج المتعدد (MIMO) الأنظمة اللاسلكية من خلال استخدام التنوع المكاني ومكاسب التعدد، مما أدى إلى تحسينات ملحوظة في الكفاءة الطيفية وسعة النظام الكلية.
على الرغم من هذه التقدمات، تواجه عملية نشر أنظمة MIMO-OFDM الفعالة تحديات تتعلق بشكل أساسي بتقدير القناة بدقة، والذي تعقده الطبيعة الديناميكية لبيئات التلاشي اللاسلكية وتعقيدات معالجة الهوائيات المتعددة. هذه التحديات حاسمة لضمان الاتصالات الموثوقة والأداء الأمثل في الشبكات اللاسلكية من الجيل التالي. تم استكشاف تقنيات تقدير القناة المختلفة، حيث تعتبر مقدرات المربعات الصغرى (LS) ومقدرات الحد الأدنى الخطي لمتوسط مربع الخطأ (LMMSE) الأكثر شيوعًا. يعتبر مقدر LS فعالًا من حيث الحسابات لأنه لا يتطلب معرفة مسبقة بإحصائيات القناة، ولكنه غالبًا ما ينتج دقة دون المستوى الأمثل. على العكس، يستخدم مقدر LMMSE إحصائيات القناة من الدرجة الثانية لتقليل متوسط مربع الخطأ (MSE)، مما يوفر أداءً محسنًا على حساب زيادة التعقيد الحسابي.
النتائج
في هذا القسم، يتم تقديم نتائج المحاكاة التي تقيم أداء متوسط مربع الخطأ (MSE) لمخطط DACE المدعوم بالمرسل تحت قنوات التلاشي رايلي وريسيان. استخدمت الدراسة تكوينات مختلفة لنقاط القناة وقيمت أداء مقدرات المربعات الصغرى (LS) ومقدرات الحد الأدنى الخطي لمتوسط مربع الخطأ (LMMSE) في نظام الإدخال الواحد والإخراج الواحد (SISO). أشارت منحنيات دالة التوزيع التراكمي المكمل (CCDF) إلى أن مخطط MGCC OFDM المقترح يقلل بشكل كبير من نسبة القدرة القصوى إلى المتوسطة (PAPR) مقارنةً بـ OFDM العام، مع تحديد معلمات مثالية لكلا حالتي التلاشي.
تكشف النتائج أن كلا من مخططات DACE تتفوق على مقدرات LS وLMMSE التقليدية، حيث يظهر مخطط DACE المعتمد على المستقبل أداءً أفضل قليلاً. مع انخفاض عدد نقاط القناة من 16 إلى 4، تدهور أداء MSE عند نسب الإشارة إلى الضوضاء المنخفضة (SNR) لكلا قناتي التلاشي، على الرغم من أن قناة ريسيان أظهرت أداءً أفضل بشكل طفيف. من الجدير بالذكر أن مخطط التعديل 4QAM تفوق باستمرار على مخطط 8PSK، خاصة عند انخفاض SNR، بسبب متطلبات الكشف الأبسط. بشكل عام، حافظ مخطط DACE على أداء قابل للمقارنة عبر ظروف التلاشي، مما يبرز قوته في بيئات القناة المتغيرة.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون التقدم في طرق تقدير القناة المدعومة بالبيانات (DACE) لأنظمة الاتصالات اللاسلكية، مع التركيز بشكل خاص على تحديات تقليل الحمل التجريبي مع الحفاظ على دقة التقدير. يصنفون مخططات DACE إلى نهج تكراري وغير تكراري، مشيرين إلى أن الطرق غير التكرارية عرضة لانتشار الأخطاء، بينما تعاني الطرق التكرارية من تعقيد حسابي مرتفع. لمعالجة هذه القضايا، يقترح المؤلفون مخطط DACE مدعومًا بالطاقة القصوى يستخدم حوامل الطاقة القصوى كإشارات تجريبية إضافية، مما يقلل بشكل كبير من المتطلبات الحسابية عند المستقبل. يتم تعزيز هذا المخطط بشكل أكبر من خلال دمج تقنية تصحيح غاما المعدلة (MGCC)، التي تخفف بفعالية من نسبة القدرة القصوى إلى المتوسطة (PAPR) العالية مع تحسين دقة تقدير القناة.
يتم تقييم أداء مخطط DACE المقترح بدقة عبر بيئات التلاشي المختلفة، وخاصة قنوات رايلي وريسيان، مع التركيز على تحسين معلمات التمدد لتحقيق توازن بين تقليل PAPR وأداء الخطأ. تشير النتائج إلى أن المخطط المقترح يؤدي بشكل جيد باستمرار تحت كلا حالتي التلاشي، شريطة اختيار عدد مناسب من نقاط القناة. تسلط الدراسة الضوء على الوظيفة المزدوجة للنهج المقترح، حيث تحول تحدي PAPR العالي إلى ميزة أداء من خلال الاستفادة من حوامل الطاقة العالية لتقدير القناة. يُعتبر هذا الإطار المبتكر مناسبًا بشكل خاص للأنظمة اللاسلكية من الجيل التالي، حيث يقدم حلاً منخفض التعقيد يعزز كلاً من تقدير القناة وتخفيف PAPR.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33617-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41667524
Publication Date: 2026-02-10
Author(s): Inaamullah Khan et al.
Primary Topic: PAPR reduction in OFDM
Overview
This paper introduces a novel transmitter-assisted joint scheme that effectively addresses two significant challenges in wireless communication: peak-to-average power ratio (PAPR) reduction and accurate channel estimation. The proposed method combines modified gamma correction commanding (MGCC) with data-aided channel estimation (DACE) for both single-input single-output (SISO) and multiple-input multiple-output (MIMO) orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) systems. A key innovation is the dual-functionality approach, where high-peak power carriers, typically problematic due to high PAPR, are utilized as additional pilot signals for enhanced channel estimation. This transformation not only mitigates the PAPR issue but also simplifies the system design by eliminating the need for feedback from the receiver to the transmitter.
Extensive simulations conducted under Rayleigh and Rician fading channels demonstrate the robustness of the proposed scheme, which achieves significant reductions in computational complexity while maintaining high-quality channel estimation. Performance evaluations, including mean square error (MSE) and bit-error-rate (BER) analyses, indicate that the DACE scheme outperforms traditional methods, particularly when optimized companding parameters are applied. The study also reveals that while low receive antenna correlation has minimal impact on performance, higher correlation can severely degrade BER, negating diversity benefits. Overall, the integration of PAPR reduction and channel estimation into a unified framework represents a substantial advancement for next-generation low-complexity wireless devices, enhancing both efficiency and reliability across varying channel conditions.
Introduction
In recent decades, wireless communication systems have significantly evolved to address the increasing demands for higher data rates, enhanced reliability, and greater network capacity. A pivotal technology in this evolution is orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM), which has become a cornerstone of 4G and 5G networks due to its high spectral efficiency and resilience to multipath fading. Additionally, multiple-input multiple-output (MIMO) technology has transformed wireless systems by utilizing spatial diversity and multiplexing gains, leading to marked improvements in spectral efficiency and overall system capacity.
Despite these advancements, the effective deployment of MIMO-OFDM systems faces challenges primarily related to accurate channel estimation, which is complicated by the dynamic nature of wireless fading environments and the intricacies of multi-antenna processing. This challenge is crucial for ensuring reliable communication and optimal performance in next-generation wireless networks. Various channel estimation techniques have been explored, with least squares (LS) and linear minimum mean square error (LMMSE) estimators being the most prevalent. The LS estimator is computationally efficient as it does not require prior knowledge of channel statistics, but it often yields suboptimal accuracy. Conversely, the LMMSE estimator utilizes second-order channel statistics to minimize mean square error (MSE), providing enhanced performance at the expense of increased computational complexity.
Results
In this section, the results of simulations evaluating the Mean Squared Error (MSE) performance of a transmitter-assisted DACE scheme under Rayleigh and Rician fading channels are presented. The study utilized different channel tap configurations and assessed the performance of Least Squares (LS) and Linear Minimum Mean Square Error (LMMSE) channel estimators in a Single Input Single Output (SISO) system. The complementary cumulative distribution function (CCDF) curves indicated that the proposed MGCC OFDM scheme significantly reduces the Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) compared to General OFDM, with optimal parameters identified for both fading conditions.
The findings reveal that both DACE schemes outperform traditional LS and LMMSE estimators, with the receiver-based DACE scheme demonstrating slightly superior performance. As the number of channel taps decreased from 16 to 4, MSE performance deteriorated at low Signal-to-Noise Ratios (SNR) for both fading channels, although the Rician channel exhibited marginally better performance. Notably, the 4QAM modulation scheme consistently outperformed the 8PSK scheme, particularly at low SNR, due to its simpler detection requirements. Overall, the DACE scheme maintained comparable performance across fading conditions, highlighting its robustness in varying channel environments.
Discussion
In this section, the authors discuss advancements in data-aided channel estimation (DACE) methods for wireless communication systems, particularly focusing on the challenges of minimizing pilot overhead while maintaining estimation accuracy. They categorize DACE schemes into iterative and non-iterative approaches, noting that non-iterative methods are prone to error propagation, while iterative methods suffer from high computational complexity. To address these issues, the authors propose a novel peak power-assisted DACE scheme that utilizes peak power carriers as additional pilot signals, significantly reducing computational demands at the receiver. This scheme is further enhanced by integrating a Modified Gamma Correction Companding (MGCC) technique, which effectively mitigates high peak-to-average power ratio (PAPR) while improving channel estimation accuracy.
The performance of the proposed DACE scheme is rigorously evaluated across various fading environments, specifically Rayleigh and Rician channels, with a focus on optimizing companding parameters to achieve a balance between PAPR reduction and error performance. The findings indicate that the proposed scheme consistently performs well under both fading conditions, provided an appropriate number of channel taps is selected. The study highlights the dual functionality of the proposed approach, transforming the challenge of high PAPR into a performance advantage by leveraging high-peak power carriers for channel estimation. This innovative framework is deemed particularly suitable for next-generation wireless systems, offering a low-complexity solution that enhances both channel estimation and PAPR mitigation.