基于邊帶信息功率分配的SLM算法研究

杜佩艷，林青松

(河南科技大學電子信息工程學院，河南 洛陽 471003)

正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術具有抗多徑干擾、高頻譜利用率、可實現無線數據高速傳輸等優(yōu)點。多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)可以獲得很高的分集增益或容量增益。在高速數據無線通信中將兩種技術結合而成的MIMO-OFDM具有高效的頻譜利用率和良好的抗多徑衰落性能，目前已成為4G移動通信系統中極具前景的備選方案。但是，與OFDM系統一樣，MIMO-OFDM系統本質上也是多載波結構，同樣存在高峰均功率比(PAPR)的問題［1-5］。

在各種降低MIMO-OFDM系統峰均比的技術中，由于SLM技術不會產生任何信號畸變，受到了廣泛的關注。邊帶信息(SI)的傳送是SLM方法的一個重點問題，邊帶信息的錯誤檢測將會導致嚴重的誤碼率。因此保護邊帶信息在SLM算法中很有必要。本文對降低MIMO-OFDM系統峰均比的SLM算法進行了研究，采用V-BLAST系統，提出了邊帶信息功率分配技術，通過為邊帶信息分配合適的功率來提高SLM算法的性能。

1 OFDM信號的峰均比

一個載波數為N的OFDM信號可以表示為［6-7］

式中:Ts為信號持續(xù)時間;fk=k/Ts。

離散OFDM信號的峰均比(PAPR)可以表示為

式中:n表示第n個子載波;xn表示經過IFFT運算之后得到的輸出信號。

2 選擇性映射(SLM)技術

選擇性映射(SLM)的基本思想是用M個統計獨立的向量表示同樣的信息，選擇其時域信號具有最小PAR值的一路進行傳輸。OFDM系統發(fā)射機內的信號可表示為xk=IFFT［Xn］，n，k=0，1，…，N －1 。假設存在M 個不同的長度為N的隨機相位序列矢量

式中:m=1，2，…，M;P(m)i=exp(jφ(m)i)，φ(m)i在［0，2π］內均勻分布。利用這M個相位矢量分別與IFFT的輸入序列X進行點乘，可以得到M個不同的輸出序列X(m)，即

對所得到的M個序列X(m)分別進行IFFT計算，對應得到 M 個不同的輸出序列 x(m)= ［x(m)0，x(m)1，…，x(m)N－1］。最后在給定PAR門限值的條件下，從這M個時域信號序列內選擇PAR值最小的用于傳輸［6］。

3 邊帶信息(SI)功率分配技術

在SLM技術中，邊帶信息的錯誤檢測將會導致嚴重的誤碼率，因此需要對邊帶信息加以保護。文中通過為邊帶信息分配更多的功率來對其進行保護。在總功率一定的情況下，這種方法只會稍微降低其他子載波的功率。

在文獻［2］中，SLM技術的誤碼率可以表示為

式中:Pe，SI≈PblbV是邊帶信息的誤碼率，V表示SLM序列數。

V-BLAST系統的誤碼率可以表示為［8］

為了得到ZF檢測下V-BLAST系統近似的誤碼率，采用如下功率分布

則ZF檢測下V-BLAST系統誤碼率可以近似表示為

由此，式(5)可以表示為

對于邊帶信息功率分配技術，例如為邊帶信息分配2倍的功率，式(10)可以表示為

4 仿真及分析

采用MATLAB仿真工具［9］，仿真分析了極小化極大準則下并發(fā)SLM的互補累計函數特性，如圖1所示，V=4，發(fā)送天線數目 Mt分別為 2，4，6，采用 OFDM-QPSK，極小化極大準則，過采樣因子L=4，子載波數目N=64。由于調制方式對CCDF特性影響不大，所以此性能分析也適用于其他調制方式。由圖1可以看出，CCDF性能隨著天線數目增加而變差。

圖1 極小化極大準則下并發(fā)SLM的互補累計函數

圖2是使用文中所提方法的誤碼率性能，仿真時采用V=4，Mt=Mr=2和Mt=Mr=4，PSI表示為邊帶信息分配的功率。例如PSI=2，表示給邊帶信息分配2倍的功率。

圖2 OFDM-16QAM邊帶信息功率分配下并發(fā)SLM誤碼率性能

圖3仿真分析了PSI為1～4時的誤碼率情形，信噪比SNR的選取范圍是20～30 dB，調制方式為 OFDM-16QAM，且Mt=Mr=2。當PSI=2和PSI=3時的誤碼率性能相近;當PSI=4時，誤碼率性能變差，是因為給邊帶信息過多地分配功率導致傳輸信號功率降低，由此可見，不能無限制地增加邊帶信息的功率分配。

圖3 圖2的局部放大圖

圖4是邊帶信息功率分配PSI與誤碼率的關系，調制方式為16QPSK，SNR=15 dB，從仿真圖可以看出，PSI=2是邊帶信息功率分配的最佳方案。

圖4 邊帶信息功率分配PSI與誤碼率的關系

圖5是文中所提方法的互補累積函數(CCDF)性能，由圖可知，該方法對CCDF的性能基本沒有改善。

圖5 邊帶信息功率分配下互補累積函數(CCDF)性能

5 小結

文中對降低MIMO-OFDM系統峰均比的SLM算法進行了研究，提出了邊帶信息功率分配技術，通過為邊帶信息分配更多的功率來保護邊帶信息。研究表明，該方法能有效提高系統的誤碼率性能。

［1］李光遠，楊守義.降低MIMO-OFDM系統PAPR的一種改進方法［J］. 微計算機信息，2007(3):86-88.

［2］周洋，李浩，郭承軍.降低OFDM系統中峰均比的PTS處理優(yōu)化［J］.電視技術，2011，35(3):64-66.

［3］張琛，付耀文，張爾揚.降低16QAM一OFDM信號峰均功率比的方法研究［J］. 電視技術，2006，30(10):18-21.

［4］楊繁，陳前斌，鄺育軍.一種降低OFDM峰均功率比的新方法——交織限幅法［J］. 電視技術，2005，29(1):22-23.

［5］BAEK M S，KIM M J，YOU Y H，et al.Semi-blind channel estimation and PAR reduction for MIMO-OFDM system with multiple antennas［J］.IEEE Trans.Broadcasting，2004，50(4):414-424.

［6］佟學儉，羅濤.OFDM移動通信技術原理與應用［M］.北京:人民郵電出版社，2003.

［7］周恩，張光，呂召彪，等.下一代寬帶無線通信OFDM與MIMO技術［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［8］WINTERS J H，SALZ J，GITLIN R D.The impact of antenna diversity on the capacity of wireless communication systems［J］.IEEE Trans.Communications，1994，42(234):1740-1751.

［9］邵佳，董辰輝.MATLAB/Simulink通信系統建模與仿真實例精講［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.