（信号与信息处理专业论文）mimoofdm系统中降低峰均比技术的研究.pdf

摘要 多天线发送多天线接收( m i m o ) 和正交频分复用( o f d m ) 两种技术的结合被认为是未来无 线宽带通信最有效的传输技术之一，可以很好地解决未来宽带无线通信系统中信道的多径衰落和带 宽效率这两个最严峻的挑战。 然而，m i m o - o f d m 系统存在着与o f d m 系统相同的问题，就是峰均比( p a p r ) 很大。因而 容易导致m 1 m o - o f d m 信号的接收失真和系统性能的下降。因此，我们有必要研究m i m o - o f d m 系统的峰均比降低技术。 当前最主要的降低m i m o - o f d m 系统的峰均比的技术是基于o f d m 系统降低峰均比的技术， 因为o f d m 系统中的降低峰均比技术可以应用在m i m o 技术的每根天线上。因此，本文主要研究 了o f d m 系统中的峰均比降低技术而这些技术可以用于m i m o 系统中。 本文研究了各种降低p a p r 的算法，主要工作如下： 1 研究了降低峰均比的相位旋转方法。主要研究了选择性映射法( s l m ) 和部分传输序列法 ( p t s ) 这两种典型算法，以及它们各自的优缺点，其中较详细地研究了s l m 法降低峰均比的复杂 度问题，又研究了p t s 法的次优算法，该算法在降低峰均比的性能和计算复杂度之间取得了较好的 折中。 2 研究了降低峰均比的最简单和较有效的方法限幅法。研究了其原理，在限幅基础上又引 入了滤波器，以消除带外辐射。又研究了循环削波和滤波方法，这是一种改进的限幅法，在有效降 低峰均比的基础上改善了其带来的带外辐射。 3 研究了子载波预留( t r ) 方法改进峰均比。该技术不用传递辅助信息，也不会引起带外辐 射。首先详细分析了子载波预留方法的原理，以及其最优化算法。研究了通过一种迭代算法来达到 子载波预留方法的次优化算法，并详细研究了其降低峰均比的性能以及其它影响的因素。最后提出 了新的子载波预留算法，改进了迭代算法的缺陷，并通过仿真验证其收敛性和算法复杂度都优于迭 代算法。 关键词：多输入多输出，正交频分复用，峰均比，选择性映射，部分传输序列。限幅，子载波预留 a b s t r a c t t h ec o m b i n a t i o no f m l m oa n do f d m t e c h n i q u e si sr e g a r d e d 笛o n eo f t h cb 髓t 咖咖i 牺i m e t l l o d s m t h ef u t u r ew i r e l e s sb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o n i tn o t o n l ys o l v e st h ep r o b l e m so f m u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l a n db a n d w i d t he f f i c i e n c yw e l l ，b u ta l s o e n l a r g e st h es y s t e mc a p a c i t ya n da c h i e v e sh i g h l yr e l i a b l e t r a n s m i s s i o n h o w e v e r , j u s t 舔s a m e 嬲o f d ms y s t e m a ni n h e r e n td r a w b a c ko fm i m o o f d ms y s t e mi s h i g h p e a k _ t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) f o ral a r g es u b c a r f i e rn u m b e r , w h i c hm a k e sm a n yr e s t r i c t i o n st ot h c a p p l i c a t i o no f m l m o o f d mi nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s s i n c em i m o - o f d ms y s t e m sa r eb a s e do no f d m ，t h ep a p r r e d u c t i o nt e c h n i q u e sf o ro f d mc a nb cu s e d f o rm i m o - o f d m s y s t e m s ，j u s tm a k i n gp a p rr e d u c t i o nt e c h n i q u e sa p p l yf o ra l lt r a n s m i ta n t e n n a sa n d p e r f o r r n ei n d e p e n d e n t l y a sar e s u l lm a n yp a p rr e d u c t i o n sf o ro f d ma r ep r o p o s e di nt h i st h e s i s t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i sa g ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h es e l e c t e dm a p p i n g ( s l i m ) a n dt h ep a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c ec a t s ) t e c h n i q u ea r es t u d i e d t h e i r s t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e sa r ea l s oi n t r o d u c e d ，w e l la st h e i r c o m p l e x i t i e s i no r d e rt ot l m d eo f ft h e c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t i e sa n dp a p rr e d u c t i o np e r f o r m a n c e ，t h es u b - o p t i m a la l g o r i t h mi sp r o p o s e d s e c o n d l y , c l i p p i n g ，o n eo f t h es i m p l e s ta n dm o s te f f i c i e n tw a y st or e d u c et h ep a p a , i ss t u d i e d b a s e do n c l i p p i n g ，af i l t e ri su s e dt or e d u c et h er e s u l t i n go u t - o f - b a n ds p e c t r a ll e a k a g e t oa v o i dt h es i g n a lr e g r o w t h o f t h es i g n a lp e a k sa f t e rf i l t e r i n g ，c i r c u l a t e dc l i p p i n ga n d f i l t e r i n gf o rp a p rr e d u c t i o ni sp r o p o s e d t h el a s ti m p o r t a n tp a r to f t h et h e s i so o o c c r n st h et o n er e s e r v a t i o nm e t h o d ，w h i c hn e e d s n os i d ei n f o r m a t i o n ， a r i s e sn oo u t - o f - b a n ds p e c t r a ll e a k a g e t h ep a p rr e d u c t i o nm e t h o du s i n gt o n er e s e r v a t i o nm e t h o dc a r lb e d o n ei nd i f f e r e n tw a y sw i t hd i f f e r e n tc o m p l e x i t y o n eo f t h ei t e r a t i v ep a p r r e d u c t i o nm e t h o d si ss n j d i e da n e wm e t h o du s i n gt o n er e s e r v a t i o ni sp r o p o s e d ，a n ds i m u l a t i o np r o o f st h a ti tp r o v i d e sb e t t e rc o n v a r g e n c e a n ds i g n i f i c a n tc o m p u t a t i o n a ls a v i n g s k e y w o r d s ：m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ， p e a k - t o 。a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) ，s e l e c t e dm a p p i n g ( s l m ) ，p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e ( p t s ) ，c l i p p i n g ， t o n er e s e r v a t i o nf i r ) n i 图表目录 图l 一1 平衰落m i m o 信道2 图1 - 2m i m o - o f d m 系统框图6 图2 1 f d m 与o f d m 带宽利用率的比较9 图2 2o f d m 信号频谱图。9 图2 - 3o f d m 发射接收系统框架1 0 图2 - 4 四载波的o f d m 的信号波形一1 2 图2 - 5 插入c p 的o f d m 符号1 3 图2 - 6m i m o - o f d m 发送端简要模型一1 3 图2 7n = 1 0 2 4 时，j m 的幅度，其中有部分幅度比较大1 4 图2 8 信号产生的峰值超出了某个范围( 由3 2 个子载波的随机信号f r 后产生) 1 4 图2 - 9 子载波受相同数据符号调制时p a p r ( 达到理论最大值) 1 5 图2 1 0o f d m 系统中p a p r 的理论c c d f 1 6 图2 1 1 不同载波数的峰均比比较1 8 图2 1 2 不同调制方式的峰均比比较1 8 图2 1 3 不同的过采样率的峰均比1 9 图2 1 4 简单的o f d m a 原理框图2 l 图2 1 5o f d m a 系统发送端结构图2 1 图2 1 6d f t - s o f d m 系统发送端结构图2 2 图3 - 1 相位旋转的基本原理2 5 图3 2 选择性映射的原理框图2 6 图3 - 3 基于s l m 法的o f d m 系统的p a p r 的理论分析2 7 图3 4 肘取值不同时s l m 算法的p a p r 值比较2 9 图3 - 5 取值不同时s l m 算法的p a p r 值比较2 9 图3 - 6p t s 框图3 0 图3 7 it s 中子序列分割方式3 2 图3 - 8 诹值不同时p t s 算法的p a p r 值比较3 3 图3 - 9p t s o f d m 系统分割方法不同时的p a p r 性能比较3 4 图3 1 0p t s o f d m 系统次优化与最优化算法p a p r 性能比较3 5 图4 1 限幅原理图3 8 图4 - 2 限幅和滤波流程3 8 图4 3 循环削波和滤波框图4 0 1 x 图 图4 5 图4 6 图4 7 图5 1 圉5 - 2 图5 - 3 图5 - 4 图5 - 5 图5 6 图5 7 图5 - 8 图5 - 9 图5 - 1 0 图5 - 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 - 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 1 图5 2 2 循环削波和滤波方法降低p a p r 。4 1 不同削渡门限值的比较4 2 循环削波和滤波后的p s d 4 3 不同的削波幅度的b e r 性能4 3 预留子载波补零的o f d m 系统4 5 预留子载波与有效予载波正交4 5 t r 算法的结构4 6 原来的信号与消除峰值信号叠加4 7 迭加后的信号珂川= x n i + e t n ，原峰值消失( 原有的p a p r 为1 0 9 ，一次迭代后为5 9 1 ) 4 8 x m 峰值超出范围a 。= 1 2 8 5 3 对应于原时域信号j m ( i - ) 的理想降低峰均比时域信号c n 】( 下) 5 3 归一化后的核向量，其中n = 1 0 2 4 5 4 当保留子载波比较小时的核向量5 5 产生降低峰值信号核向量p i n 5 5 迭代算法原理5 6 迭代算法流程图5 7 不同的预留子载波数量的p a p r 分布曲线5 8 采用子载波预留法，不同的目标p a p r 值5 9 采用子载波预留法不同的选代次数比较。5 9 c m 并不能抵消j 【川的峰值6 0 迭代算法两次迭代后x f 6 1 一啊峰值依然存在6 1 n = 1 0 2 4 时，r e = 9 1 7 的峰值被抵消( 上：埘咄中：移位后的核向量，下：峰值抵消) 6 2 改进的预留子载波算法流程图，6 3 改进的算法与原来的算法比较， 辟1 2 8 水= 4 ，目标为9 ，迭代2 0 次6 4 改进的t r 算法迭代次数更少6 5 改进的算法更能稳定收敛6 5 表2 1 各种p a p r 降低方法比较2 0 x 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名罐歪 日期：3 碲- ， 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外。允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签日期： 1 1 引言 第1 章绪论 新一代移动通信系统的目标是实现无所不在、高质量和高速度的支持全业务的无缝覆盖全球的 移动多媒体传输的功能1 【”。带宽在移动通信中是稀缺的资源，要提高频谱效率，实现高达几十到 几百m b p s 的峰值无线数据传输，就要对移动通信系统的性能和频带宽度提出了更高的要求。无线 通信系统还要面临恶劣的无线信道，例如时变的多径衰落，即当移动终端或其周围的物体处于运动 时，终端的信号幅度都会起伏变化。 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 。o f d m ) 通过将频率选择性衰落信道 转换为若干个平坦子载波信道，将高速数据流转换成并行的低速子数据流，这样每个子数据流将具 有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，从而构 成多个低速率符号并行发送的传输系统。因此，o f d m 具有较高的频谱利用率，且在抵抗多径效应、 频率选择性衰落信道方面具有明显的优势 4 1 1 ”。 ；采用多天线的多输入多输出( m u k i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 。m i m o ) 技术能够在通信系统的收 发两端之间构成多个独立的空问并行信道同时传输多路数据流，在有效提高通信系统性能的同时， 并不需要占用更多的无线带宽。相比于普通的单输入单输出( s i n g l e i n p u t s i n g l e o u t p u t , s l s o ) 系统， m i m o 系统信道容量将随着收发两端天线数量的增加而线性增长，在不增加带宽和天线总发送功率 的情况下可成倍地提高频谱利用率。 m i m o 系统在一定程度上可以抵抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，会引起性能的较大 损失。目前解决m i m o 系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用o f d m 技术。由于o f d m 技术能够将频率选择性信道转换为平坦衰落信道，因此为m i m o 在频率选择性 信道中的应用打下了基础。m i m o 和o f d m 相结合的系统不但可以利用空时编码而带来的分集增益 和编码增益，同时兼得了o f d m 实现结构简单的优点。因此，m i m o 和o f d m 两种技术的结合既 可以很好地解决未来宽带无线通信系统中信道的多径衰落和带宽效率这两个最严峻的挑战，又能够 提高系统容量和传输可靠性，m i m o o f d m 技术被认为是未来无线宽带通信最有效的传输技术之一。 1 2m i m o 技术概述 使用多个发送天线和多个接收天线可以在不降低频谱利用率条件下实现天线分集。在发送端和 接收端放置多个天线，天线之间相隔足够远( 实际上在基站天线相隔l o 倍载波波长：在移动台天线 相隔半个载波波长即可) ，此时各天线可以认为互不相关。从而在发送端与接收端之间构筑多条相互 独立的通道，实现空间分集( 天线分集) 或空分复用。m i m o 的指导思想就是对多发射天线和多接 东南大学硕士学位论文 收天线形成的空间维度进行开发和利用，通过收发天线形成的多数据通道提高信号的传输速率或 通过分集发射和接收改善信号的传输质量。 1 2 1m 1 m o 信道及信道容量 无线信道对信号的衰落作用使接收信号的功率减小。接收到的功率可以表示为： p ( d ) = dl ”s ( d ) r ( d )( 1 1 ) 其中，d 表示路程向量，i d l 表示移动用户和基站的距离。 无线信道的衰减作用有三个方面： ( i ) 自由空间的路径损耗川”：这是信号在较大尺度上( 数百米或数千米) 变化时，接收到的平 均功率与信号传播距离的n 次方成反比，b p l d l ”。 ( 2 ) 阴影衰落跗) ：电磁波在空间传播时受到地形、建筑物的阻挡，在障碍后面会产生电磁场 的阴影。阴影衰落是以较大韵空问尺度来衡量的，其统计特性通常符合对数正态分布。 ( 3 ) 小尺度衰落( 多径衰落) 尉d ) ：无线电信号在山峦、建筑以及其他物体上产生反射从而在 不同路径上传播，因为多条路径的距离不同，因而各条路径中的发射波到达接收机的时间、相位都 不相同。 路径损耗与阴影衰落是大尺度衰落，这种衰落随传播距离而变化，称为慢衰落。小尺度衰落又 称快衰落。对于多径衰落信道，常见的衰落信道的统计模型是r a y l c i g h 衰落信道模型，这一模型将 信道响应 ( f ，r ) 建模为一个复随机2 维变量，其实部和虚部都是零均值，统计独立的高斯随机变量， 方差为z ，信道在任意时刻t 的幅度r = f h 也r x 屈从r a y l e i g h 分布： p p ) = 二p 聊“， ，0 0 - 2 ) 系统信道容量为在差错概率任意小的条件下，系统获得的最大数据速率，m 1 m o 系统在发送端和接 收端之间建立了多个空间子信道，t e l a t a ，6 和f o s c h i n i i 都指出m i m o 信道的容量可以成倍线性增加。 立玉 丫 上3 e 尘 v ： l： v ： l l 图1 1 平衰落m i m o 信道 对于一个多发多收的m i m o 系统，图1 1 所示的平衰落m i m o 信道的传输关系为 y = h x + 其中，y 是v 。l 维的接收信号向量，x 是 ，r x l 维的发射信号向量，是加性白高斯噪声 2 ( 1 3 ) 其自相 第1 章绪论 关阵为r = e u n ”) = o i 竹我们假设各天线上发射的信号相互独立，且各信号均值为0 ，方差均 为1 ，故x 满足e i ) = 0 ，r 。= e x x ” = i 竹 i 咀m o 信道容量为： c 一。鼢 1 0 9 2 晦e 以, h r ) m 。， 其中，信道容量c 的单位是b i t s h z ，d e t ( ) 表示矩阵行列式。如果发送端无法获知信道信息， 只能假设各发射天线上的信号相互独立且能量相等，即r 。= i ，则此时的信道容量为： 矧h + 矗耐 m s ， 可看出，多天线系统在信道容量上比单天线系统确实有着显著的提高，这些增加的信道容量可 以被用来提高信息传输速率。也可以在保持信息传输速率不变的情况下通过增加信息冗余度来提高 通信系统的可靠性。或者在两者之间取一个合理的折中。 1 2 2m i m o 空时编码 空时编码技术实质上是一种空时二维的处理手段；在空间上，采用多发射多接收天线的空间分 集来提高无线通信系统的通信容量和信息速率；在时间上，不同信号在不同时隙内使用同一天线发 射，并在不同天线发射的信号之间引入时域和空域相关，使接收端可以进行分集接收因此，在不 牺牲带宽的情况下，空时编码可获得更高的编码增益，有效提高无线系统容量。 m i m o 可以大致地分为空时编码( s p a c e - t i m ec o d i n g ，s t c ) 和空间复用( s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ， s m ) 两种。经典的空时编码包括空时格码( s p a c e - t i m e t r e l l i s c o d e ，s t t c ) 和空时分组码( s p a c e t u n e b l o c kc o d e 。s t b c ) 【8 】。空时格码可以达到满分集增益，并且具有相应的编码增益，抗衰落性能比较 好，而空时分组码也可以获得满分集增益。典型的空间复用技术是贝尔实验室空时分层结构 ( b l a s t ) ，包括v - b l a s t , h b l a s t 和d b a l s t 三种。其中最基本的形式是针对平衰落信道的 v - b l a s t 结构，它没有得到空间分集，而是纯粹的m i m o 多路传输，可获得最大速率，或流量增 益。 1 3o f d m 技术概述 1 3 1o f d m 发展概要 正交频分复用技术己有近4 0 年的发展历史，其概念最早出现于2 0 世纪5 0 年代中期。1 9 6 6 年， r w c h a n g 博士发表了一篇论文，首次阐明了我们现在称之为o f d m 的概念和技术科。r w c h a n g 对其基本原理进行了较为详细的描述，主要实现在没有信道间干扰( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，i c i ) 和符号问干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 的一个线性带宽受限的信道上同对传输多个消息。接 着有很多人对多载波调制( m c m ) 技术进行了许多理论上的研究，形成了并行数据传输和频分复用 3 东南大学硕士学位论文 的思想。同时，o f d m 技术也被应用到美国军用高频通信系统中，如k i n e p l e x , a n d e f t , k n t h r y n 等 1 9 7 1 年，s b w e i n s t e i n 和e m e b e r t 1 0 】提出了将离散傅立叶变换( d f t ) 引入并行传输系统来实 现多载波调制的方法。这样在实际应用中就可以依靠更为方便的快速傅立叶变换( i f f t f f t ) 来完 成o f d m 系统的调制和解调功能，无需再使用梳状滤波器，简化了系统结构，使得o f d m 技术更 趋实用化。但是由于当时受到实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性等相 关技术条件的限制，o f d m 技术没有得到广泛的应用 1 9 8 8 年，a t & tl a b s - r e s e a r c h 提出了一种称为高级蜂窝网络服务( a d v a n c e dc e l l u l a ri n t e r n c t s e r v i c e , a c i s ) 的概念“”，目的在于提供更高的数据速率和更加人性化的服务以满足高质量、高移 动性，高速率、大容量和低费用的通信服务。a c i s 的主要思想是基于o f d m ，将动态分组分配 ( d y n a m i c p a c k e t a s s i g n m e n t ，d p a ) 、分集( d i v e r s i t y ) 和信道编码( c h a n n e l c o d i n g ，c c ) 结合起来 达到高速率数据传输的目的。 c i m i n i 将o f d m 概念用到了蜂窝移动无线通信系统中来。为当代无线o f d m 通信系统的发展 莫定了坚实的基础【“。 1 3 2o f d m 的应用现状 在有线通信系统中，o f d m 技术被称为离散多音频( d i s c r e t em u l f i t o n e ，d m t ) 调制。d m t 不 仅可以具有抗时间色散信道的能力，而且对脉冲噪声和频率域噪声均有一定的抑制作用。d m t 已经 成功应用在非对称数字服务用户线( a s y m m e t r i c a ld i g i 协ls u b s c r i b e r , a d s l ) 和甚高速数字用户线 ( v e r y - h i g h s p e e dd i g i 协ls u b s c r i b e rl i n e , v d s l ) 系统中旧。 在无线通信方面，由于o f d m 技术具有频谱利用率高、抗多径衰落能力强等优点，已经被广泛 应用于广播式的音频和视频等民用通信系统中，主要包括：数字音频广播( d a b ) ，数字视频广播 ( d v b ) ，高清晰度电视( h d t v ) ，以及高速无线局域网系统( 如i e e e 8 0 2 11 ) 等。数字音频广播 ( d a b ) 是第一个采用o f d m 技术的标准，使用单频网络，具有语音质量优、数据业务新以及频谱 效率高等突出的优点。而基于o f d m 的数字音频广播( d v b ) 标准于1 9 9 7 年批准通过【l ”，它通过 卫星、电缆或地面信道，将数字化的电视节目和其它服务信息传送到用户端。在全数字高清晰度电 视( 阳) t v ) 传输系统中，采用的调制技术就有o f d m ，它采用c o f d m ( c o d e do f d m - - 编码o f d m ) 技术，具有很高的频谱利用率，能够进一步提高抗干扰能力，满足电视系统的传输要求。 随着i e e e 8 0 2 i l a 协议、e t s i 的宽带射频接入网( b r o a d b a n dr a d i oa c c e s s n e t w o r k ，b r a n ) 和 多媒体应用的引入，o f d m 技术在无线通信领域也得到了广泛的应用。1 9 9 9 年i e e e 8 0 2 1 l a 通过了 一个5 g h z 的无线局域网标准，其中将o f d m 调制技术作为它的物理层标准。e t s ib r a n 的局域网 标准也把o f d m 作为它的调制标准技术。 目前，o f d m 技术在其它方面还有许多应用研究，如特高频，甚高频( v h f f o h f ) 无线高速数 据通信网，电力线载波通信等。随着人们对宽带化、个人化和移动化的进一步需求o f d m 技术的 应用前景必将更为广阔。 4 第l 章绪论 随着第三代移动通信标准的实现，o f d m 被纳入到标准里面。o f d m 技术不仅作为一种传输手 段。而且还可以在多用户环境中作为种接入方式。由于它可以较好地解决在高速率无线通信中所 面临的诸多问题，它已经列为第四代移动无线通信系统的一种极具生命力的候选方案。 1 3 3o f d m 技术优缺点 尽管，o f d m 技术有很多优点是单载波技术无法比拟的，比如： ( 1 ) o f d m 有非常高的频谱利用率。由于o f d m 系统各个子载波之间存在正交性。允许子信道 的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比。o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源【l 。 ( 2 ) o f d m 实现比较简单。各个子信道的正交调制和解调可以通过采用离散傅里叶反变换 ( i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，i d f t ) 和离散傅里叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，d f t ) 的 方法来实现。 ( 3 ) o f d m 抗多径干扰能力强，抗衰落能力强。把高速率数据流通过串并转换，使得每个子载 波上的数据符号持续长度相对增加，从而有效地减少由于无线信道的时间弥散所带来的i s i ，有时仅 仅采用插入循环前缀的方法就可消除i s l 的不利影响【1 6 1 ( 4 ) o f d m 可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。无线数 据业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输量要大于上行链路中的数据传输量，这就要求 物理层支持非对称高速率数据传输。 但是o f d m 系统由于存在多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子信道的叠加，因此与单 载波系统相比，存在如下缺点： ( 1 ) 易受频率偏差的影响。o f d m 子载波间频谱重叠，这就要求各子载波严格正交。o f d m 的 频率偏差使得o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏。解调性能迅速恶化。定时偏差也会引起 o f d m 符号间干扰，幅度衰减，子载波间芷交性破坏。 c 2 ) 存在较高的峰值平均功率比。由于多载波调制系统的输出是多个子载波叠加，当载波相位 一致时，所得到叠加信号的瞬时功率会远远大于信号的平均功率，导致较大的p a p r ( p e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 。当峰值功率过高，若超过功放的线性放大范围，将引起非线性失 真。使叠加信号的频谱发生变化，各子载波之间的正交性遭到破坏，使o f d m 整体性能下降。 1 4m i m o - o f d m 系统概述 在高速数据无线通信中将m i m o 和o f d m 两种技术结合，o f d m 可以将频率选择性m i m o 信 道转化为并行的平坦m i m o 信道，降低接收机的复杂度，并可以利用多径衰落，实现高数据率的鲁 棒性传输，因此，m i m 0 和o f d m 相结合的系统不但具有空时编码所带来的分集增益和编码增益， 同时兼得了o f d m 实现结构简单的优点。因此，m i m o - o f d m 系统已成为4 g 移动通信系统中极具 前景的备选方案。 m i m o - o f d m 系统就是在发射端使用多个发射天线，将输入数据经过一定的空时编码之后，经 东南大学硕士学位论文 过o f d m 调制后再从多个天线同时发送出去l ”。 器中，经过一定的信号处理，检测出原始信号。 在接收端。各个接收天线接收的信号送入信号检测 如图1 - 2 所示。 图1 2m l m o o f d m 系统框图 目前，很多公司和研究机构都开发出了m i m o - o f d m 实验系统其中i o s p a n 公司的a i r b u s t 系 统是最早的在物理层同时采用m i m o 和o f d m 技术的无线通信系统”。尽管m i m o o o f d m 系统继 承了m i m o 和o f d m 两者的优点，但是如何有效地将两种技术结合却不是一个简单的问题。m i m o 系统中通过空时编码技术可以获得发射和接收分集增益，因此早期的m i m o o f d m 系统方案都是空 时编码技术在频率选择性衰落信道中的简单推广。然而，这些方案都不能获得频率选择性衰落中的 频率分集增益，我们把能够同时获得空间分集增益和频率分集增益的编码方法称为空频编码，因此 空频码的设计也是m i m o - o f d m 系统中的关键的问题之一。 1 5 本文的主要工作 本文主要讨论了m i m o - o f d m 系统中降低峰均比技术的研究，因为m i m o o f d m 系统的峰均 比问题同样是o f d m 系统中的问题，而且解决峰均比技术也可以用o f d m 系统降低峰均比的方法 来实现。所以本文主要讨论o f d m 系统的降低峰均比技术研究，这些技术也可以应用在 m i m o - o f d m 系统中的每根天线上。本文后续各个章节的内容安排如下； 第二章主要介绍o f d m 系统和m i m o - o f d m 系统的原理和峰均比问题，以及o f d m 在链路层 上的技术。酋先介绍了o f d m 系统的原理，分析了其基本结构，讨论了其特性，包括正交性和循环 前缀，以及m i m o o f d m 系统的基本原理。接着分析了产生高峰均比的原因，以及对系统的影响， 给出了峰均比的定义和衡量方法，影响因素，现有的降低峰均比的技术，以及它的分类。最后介绍 了基于o f d m 技术的现有3 g p p 的上行链路技术及峰均比问题。 第三章主要研究用了降低峰均比的相位旋转类技术。这类技术主要有选择性映射( s l m ) 法和 部分传输序列( p t s ) 法。首先介绍了选择性映射的原理，然后通过仿真研究了其降低峰均比的性 能。接着从部分传输序列的算法引入其次优法，仿真比较了次优法与最优法降低峰均比的性能。最 后介绍了i t s 用于m i m o o f d m 系统的技术。 第四章主要研究了降低峰均比的限幅类方法。首先介绍限幅类方法降低峰均比的原理。然后提 6 第1 章绪论 出了一种改进的循环削波和滤波方法降低峰均比，最后仿真说明了该方法的效果。 第五章主要研究了用子载波预留( t r ) 技术降低峰均比的方法。首先介绍通过子载波预留法降 低峰均比的技术原理，以及其优点。接着分析了子载波预留的迭代算法，仿真表明了其降低峰均比 的技术。最后提出一种收敛性能更好、算法复杂度更低的子载波预留法，仿真并验证了该算法的有 效性。 第六章总结和展望了o f d m 峰均比降低技术研究的方向。 第2 章o f d m m i m o o f d m 系统及峰均比问题 研究任何一个问题，首先都需要对问题的本身有个清楚的认识。本论文分析的是m i m o - o f d m 系统的p a p r 问题，首先必须要非常清楚地了解o f d m 信号，才能进行讨论。本章，主要对o f d m 信号的模型建立、o f d m 的循环前缀，以及o f d m 中的p a p r 的定义、现有的p a p r 的解决方法等 给出较完整的理论分析和相关的说明，最后介绍现有的3 g p p 中基于o f d m 技术的上行链路技术。 2 1o f d m 系统原理 2 1 1o f i ) m 与f d m 的比较 由于o f d m 信号是在低速并行的子载波上传输，符号周期相对增加，因此可以减轻时间弥散和 符号问干扰( i s i ) 对系统造成的影响，已经成为当前人们研究的热点技术。 对于传统的频分复用( f d m ) 系统而言，传输的信号需要在两个信道之间存在较大的频率间隔 即保护带宽来防止干扰( 如图2 - 1 所示) 。接收端采用带通滤波器组将数据信息进行分离和提取。 这种多址方式的最大缺点是频谱利用率低，且多个滤波器的实现也较为复杂。 竺 传统的频分复用( f d m ) 多载波调制技术 正交频分复用( o f d m ) 多载波调制技术 图2 1f d m 与o f d m 带宽利用率的比较 o f d m 技术则在频域内将所给信道分成许多子信道，各个子信道之间保持正交。其信号频谱如图 2 2 所示。 矗 五五五正 频率 图2 2o f d m 信号频谱图 由图可见，o f d m 信号是由个等间隔并行传输的子载波构成的，而且每个子载波的频点和相邻 载波的零点是相互重叠的，即频谱之间有1 2 的重叠。只要子载波之间相互正交，就可以从混叠的子 9 东南大学硕士学位论文 载波上分离出数据信息，在接收端容易通过相关解调技术分离各子载波，避免了使用滤波器组，同 时又使频谱利用率提高了一倍。 2 1 2o f i ) m 系统基本结构 o f d m 的基本原理是基于信道分割的概念，将较宽的频带分成许多子信道或称为子载波，o f d m 系统中各子信道的频谱是允许相互重叠的，而且它们之间是正交的，这也是正交须分复用o f d m 名 称的由来” o f d m 系统基本框架如图2 3 所示。在发送端，首先将待发送的串行二进制数据流进行信道编 码、星座映射、串并变换，将一路信号分成并行的路，僧w 点i f f t 变换把数据调制到正交的子 载波上并行发送，我们把i f f t 变换的个样点称作一个o f d m 符号，再把符号最后的个样点作为 c p 复制到最前面，通过d a 变换，再经过r f 调制，最后至发送机发送出去接收端对射频信号下变 频，解调后进行抽样，得到离散的样点，然后进行定时估计找到o f d m 符号的起始