降低MIMO-OFDM系統(tǒng)峰均比的方法研究

【摘要】本文在簡要介紹了MIMO和OFDM系統(tǒng)后，提出了采用了雙層相位序列翻轉(zhuǎn)部分傳輸技術(shù)（PTS）和壓擴(kuò)技術(shù)相結(jié)合的聯(lián)合算法。進(jìn)行了仿真分析，證明其可以有效地減少OFDM系統(tǒng)和MIMO-OFDM系統(tǒng)的PAPR值。

【關(guān)鍵詞】MIMO-OFDMPTS壓擴(kuò)技術(shù)

一、引言

MIMO-OFDM技術(shù)由于解決了4G移動通信的多徑衰落和帶寬利用率兩大主要問題而成為了未來4G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)另一方面，由于MIMO-OFDM系統(tǒng)繼承自O(shè)FDM系統(tǒng)的高峰均功率比（ PAPR）問題嚴(yán)重的限制了其在未來無線通信系統(tǒng)中的進(jìn)一步發(fā)展，因此有必要采取合適的峰均比抑制技術(shù)來對MIMO-OFDM系統(tǒng)的高PAPR進(jìn)行抑制。在這樣的背景下，為了解決MIMO-OFDM系統(tǒng)的高PAPR問題，提出了采用了雙層相位序列翻轉(zhuǎn)部分傳輸技術(shù)（PTS）和壓擴(kuò)技術(shù)相結(jié)合的聯(lián)合算法。

二、MIMO-OFDM系統(tǒng)中的PAPR

設(shè)MIMO-OFDM系統(tǒng)發(fā)射機(jī)有Nt個發(fā)射天線，子載波數(shù)為N。第i根發(fā)送天線上的OFDM信號在時域上可以表示為

三、雙層相位序列翻轉(zhuǎn)PTS與壓擴(kuò)聯(lián)合算法

翻轉(zhuǎn)PTS算法（Flipping PTS）：也叫次優(yōu)化PTS算法（IPTS），它的基本思想為：選擇{±1}為可選的相位因子。將輸入數(shù)據(jù)分為M個數(shù)據(jù)子塊，再對這M個數(shù)據(jù)子塊分別進(jìn)行IFFT。首先，將M個相位因子均設(shè)為1，計算出PAPR值。接著，將第一個相位因子變?yōu)?1并計算其PAPR值。將兩個PAPR值進(jìn)行比較，若新的PAPR值比原來的PAPR值小，就將第一個相位因子保留為-1，否則變回為原來的值1。接著再將第二個相位因子進(jìn)行變化，按照這樣的思路直到得到所有M個相位因子。該算法的優(yōu)點就是計算復(fù)雜度比最優(yōu)化PTS算法小，由于這種算法的相位因子只在±1之間取值，所以運算量比全舉法大大減少。缺點是不能尋求出全局的最優(yōu)相位因子組合。結(jié)果是與OPTS方法相比PAPR值會變得較高。

自適應(yīng)PTS算法（Adaptive PTS）：首先需要設(shè)定PAPR的一個門限值為L。將輸入數(shù)據(jù)分為M個數(shù)據(jù)子塊，計算合并信號的PAPR值，如果該PAPR值低于己預(yù)先設(shè)定的門限值L，則停止最優(yōu)相位因子的搜索，而將此時的M個相位因子作為需要的相位因子取值為[1，1，…1]。如果它的PAPR值大于設(shè)定的門限值L，則按照OPTS算法的思路變換相位因子，繼續(xù)比較在此相位因子組合下的PAPR值與門限的大小，并判斷是否繼續(xù)循環(huán)。一直按此思路尋找相位因子直到有一相位因子使得PAPR值小于我們預(yù)先設(shè)定的門限值L，而此時的相位因子就是我們需要的相位因子。這種算法最多的搜索次數(shù)為K，通過概率知識可以知道K應(yīng)該小于等于OPTS算法的搜索次數(shù)。

將上述兩種算法結(jié)合起來，可以起到互補的作用，這就是雙層相位序列翻轉(zhuǎn)算法。然后與壓擴(kuò)算法結(jié)合。

聯(lián)合算法的基本思想是使輸入信號先經(jīng)過雙層相位序列翻轉(zhuǎn)PTS算法調(diào)制，使輸出的信號出現(xiàn)比較高的峰值功率的概率降低，然后再使用壓擴(kuò)算法將出現(xiàn)的高峰值功率的信號功率進(jìn)行壓縮，從而達(dá)到有效地抑制系統(tǒng)的PAPR值的目的。仿真程序的步驟為，首先輸入一隨機(jī)序列作為輸入信號，經(jīng)過星座映射之后將信號進(jìn)行分組，然后設(shè)定內(nèi)層相位因子bl的值，循環(huán)選擇出內(nèi)層相位因子，再設(shè)定外層相位因子bb的值，再循環(huán)確定外層相位因子，之后將輸入信號與內(nèi)、外層相位因子相乘，得到輸出信號經(jīng)過壓擴(kuò)處理后作為最后的輸出信號。具體的步驟為：（1）首先搜索內(nèi)層相位因子。（2）確定內(nèi)層相位因子。現(xiàn)有共D個分段，每個分段M/D=R個相位因子需要計算。（3）接著開始計算外層相位因子，設(shè)置所有外層相位因子為1；先令分組1的4個相位因子為l，計算得到一個PAPR值，再令分組l中的四個相位因子為-1，計算得到另一個PAPR值，兩值比較，選擇PAPR值小的所對應(yīng)的相位因子作為分組1的相位因子。使用同樣方法計算出其他三個分組的相位因子，最后合并保存為外層相位因子。（4）將得到的內(nèi)層相位因子與外層相位因子對應(yīng)位相乘，即得到了最后所需的系統(tǒng)最優(yōu)相位因子序列。（5）將得到的相位因子與信號結(jié)合，再經(jīng)過壓擴(kuò)處理，就可以得到最后的輸出信號。

四、仿真結(jié)果

在數(shù)據(jù)量為1024的情況下原始的輸入信號沒有經(jīng)過任何抑制算法的時候，系統(tǒng)的PAPR值達(dá)到了9.7dB。在經(jīng)過雙層相位序列翻轉(zhuǎn)算法處理之后PAPR值下降了2.2dB，再經(jīng)過壓擴(kuò)處理之后最后得到的系統(tǒng)的PAPR值為5.3dB總的降低了4dB左右，效果十分明顯。

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