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成都信息工程学院硕士学位论文 i mimo-ofdm 系统中降低 papr 方法的研究 信号与信息处理专业 研究生 梁晓燕 指导老师 王天宝 正交频分复用(ofdm，orthogonal frequency division multiplexing) 技术是多载波调制技术的一种。ofdm 具有抵抗多径衰落能力强、频谱利用率 高等优点，非常适合高速数据传输，近些年来受到人们的广泛关注。多输入多 输出（mimo, multiple input multiple output）是一种无线通信智能天线技术， 在发送端和接收端采用多天线或天线阵列同时发送信号， 由于各发射天线同时 发送的信号占用同一个频带， 因而该技术能够在不增加系统带宽的情况下成倍 地提高通信系统的容量和频谱效率。 ofdm 通过将频率选择性信道在频域内变成平坦信道，从而减小多径衰落 的影响， 为 mimo 技术在频率选择性信道中的应用奠定了基础。 而 mimo 技术能 够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路信号， 这样就有效地增加了系统 的传输速率。 因此 ofdm 和 mimo 技术的结合， 能够提高系统的传输效率和可靠 性， 成为实现无线信道高速数据传输最具希望的解决方案之一， 具有非常广阔 的研究和发展前景。 和 ofdm 系统一样，mimo-ofdm 系统的主要缺点也是具有较高的峰值平均 功率比(papr，peak-to-average power ratio)。当信号通过功率放大器等非 线形器件时，要求功率放大器具有很大的动态范围，否则会产生线性失真，从 而严重影响 mimo-ofdm 系统的性能。 针对上述问题， 本文重点研究了如何有效地降低 mimo-ofdm 系统的峰均比 成都信息工程学院硕士学位论文 ii 问题。首先，总结了目前 ofdm 系统中降低 papr 的多种方法，并利用 matlab 软件进行了仿真分析。 对概率类方法进行了详细的研究， 将信道编码和降低峰 均比相结合，对传统的选择映射法（slm）提出了改进方法。该方法不仅能够 有效地降低 ofdm 系统的峰均比，而且系统的误比特性能也得到提高。其次， 分析了 mim0-ofdm 系统中的 papr 问题。将 ofdm 系统中降低 papr 的方法引入 mimo-ofdm 系统，提出了利用矩阵变换来降低 mimo-ofdm 系统峰均比的方法。 该方法能够有效地降低信号的 papr 值，而且，实现复杂度也比其他方法低很 多。 关键词：正交频分复用 多输入多输出 峰值平均功率比 限幅 选择映射 部分 传输序列 矩阵变换 成都信息工程学院硕士学位论文 iii study on papr reduction methods for mimo-ofdm systems major: signal and information processing graduate: liang xiaoyan tutor: wang tianbao orthogonal frequency division multiplexing (ofdm) is one of the most attractive techniques for multicarrier modulation. due to its robustness to multipath fading and high spectral utilization efficiency, ofdm is a very attractive technique for high rate wireless data communications. multiple input multiple output (mimo) has multiple antennas both at transmitter and receiver. mimo can enhance the channel capacity and spectral efficiency highly without increasing the bandwidth. ofdm can reduce the effect of multipath fading by changing the frequency selective fading channel into flat fading channel in frequency domain. so after applying ofdm technique, mimo can be used in frequency selective fading channel. mimo technique can transmit multiple signals at the same time, so the transmit speed is increased. the combination of mimo with ofdm is regarded as a promising solution for enhancing the performance of next generation wireless communications. however, like ofdm, one main disadvantage of mimo-ofdm is that the signals transmitted on different antennas might exhibit a prohibitively large peak-to-average power ratio (papr). when the signals are transferred through non-linear devices, such as non-linear amplifier, the amplifier requires large linear region, or it will result in distortion and it will make the performance of the system worse. against the problem mentioned above, this dissertation focuses on the papr 成都信息工程学院硕士学位论文 iv reduction of mimo-ofdm system. firstly, this paper sums up many kinds of method of papr reduction of ofdm system, and simulates the methods using matlab software. probability methods are particularly presented. this paper combines papr reduction with channel coding and proposes a modified slm technique. the scheme can reduce the papr significantly while the ber performance is also enhanced. secondly, this paper analyzes the problem of papr in mimo-ofdm system, and introduces papr reduction method of ofdm to mimo-ofdm system. then a simple and effective method to reduce the papr of mimo-ofdm system is proposed. matrix transform method can reduce the papr effectively. compared to the other methods, the complexity is lower. key words: ofdm mimo peak-to-average power ratio（papr） clipping selective mapping(slm) partial transmit sequences(pts) matrix transform 成都信息工程学院硕士学位论文 第 50 页 共 51 页 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，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， 也不包含为获得成都信息工程学院或 其他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谢意。 本学位论文成果是本人在成都信息工程学院就读期间在导师的指导下取 得的，论文成果归成都信息工程学院所有，特此声明。 作者签字： 指导教师签字： 成都信息工程学院硕士学位论文 第 1 页 共 51 页 第一章 绪论 1.1 研究背景 众所周知， 在未来的宽带无线通信系统中存在两个严峻的挑战： 多径衰落 和带宽效率。ofdm 技术通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦 信道，从而减小多径衰落的影响。mimo 技术能够在空间中产生独立的并行信 道同时传输多路数据，从而有效地提高了系统的传输速率，即由 mimo 提供的 空间复用技术能在不增加带宽的情况下增加频谱效率。这样，如果将 ofdm 和 mimo 两种技术结合起来，就能实现很高的传输速率，并提高系统的可靠性。 ofdm12是一种多载波传输技术。它把数据流分解成若干个子比特流， 每个子比特流就具有低得多的比特速率。 用这样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， 就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。 这 种传输系统的各个子载波相互正交， 所以调制后的频谱可以相互重叠。 这种技 术不仅减小了子载波间的相互干扰， 而且还大大提高了频谱利用率。 由于每个 子信道上信号带宽小于信道的相干带宽，所以尽管总的信道是频率选择性的， 但每个子信道是相对平坦的。通过把频率选择性信道转换成平坦衰落信道， ofdm 技术可以很好地对抗频率选择性衰落。此外，ofdm 技术的调制和解调可 以利用快速傅立叶变换来实现。 这不仅大大简化了 ofdm 系统的实现,也促进了 ofdm 技术的应用。随着 dsp 技术的发展，ofdm 技术在移动通信领域将会获得 越来越广泛的应用。 多输入多输出技术（mimo）34在发射端和接收端采用多天线(或天线 阵列)同时发送信号。 由于各发射天线同时发送的信号占用一个频带,所以并未 增加带宽,因而能够成倍地提高系统的容量和频谱利用率。如果进一步将其与 信道编码技术相结合， 可以大大提高通信系统的性能。 空时编码技术567 正是在此基础上发展起来的一种新的编码和信号处理技术。 空时编码技术主要 包括空时分组码（stbc）8和空时网格编码（sttc）9。 ofdm 系统克服频率选择性衰落，为 mimo 技术的应用提供了一个很好的平 台。mimo 技术有可以为 ofdm 系统提供明显的分集增益或增加系统容量，因此 两者的结合可以带来极大的性能增益。mimo-ofdm1011系统必将成为下一 成都信息工程学院硕士学位论文 第 2 页 共 51 页 代移动通信系统的核心技术。 mimo-ofdm 系统和 ofdm 系统的主要缺点是具有较高的峰均比。当信号通 过功率放大器等非线形器件时， 要求功率放大器具有很大的动态范围， 否则会 产生线形失真， 从而严重影响 mimo-ofdm 系统的性能。 所以必须采用一定的技 术来降低信号的峰均比(papr),以提高系统的整体性能。 1.2 课题的研究现状 在 ofdm 系统中， 已经提出了许多降低 papr 的方法。 这些方法可以分为三 类：限幅类、编码类和概率类技术。限幅类121314技术直接对信号的峰 值进行非线性操作，是一种最简单的降低 papr 的方法。但是由于采用了非线 性操作， 因此会带来带内噪声和带外干扰， 从而降低系统的误比特率性能和频 谱效率。 编码类1516方法的基本原理是利用编码将原来的信息码字映射到 一个具有比较好的 papr 特性的传输码集上， 从而避开那些会出现峰值的码字。 编码类方法为线性过程，它不会使信号产生畸变。典型的码组有分组码、格雷 码和 reed-muller 码等。 但是可供使用的编码图样数量非常少， 特别是当子载 波数量较大时，编码效率会非常低，从而导致该矛盾更加突出，因此只适用于 子载波数比较少的情况。 概率类技术通过对信号进行线性变换来降低信号峰值 出现的概率。这一类方法主要包括选择映射法(slm，selected mapping method)17-23、 部分传送序列(pts， partial transmit sequence)24-29 等。概率类技术能够很有效地降低信号的 papr 值，但是计算复杂度较大。 目前，针对 mimo-ofdm 系统中的 papr 降低算法的研究还比较少3031 32。降低 mimo-ofdm 系统中的峰均比最简单的方法，是把 ofdm 系统中降低 papr 的方法直接引入到 mimo-ofdm 系统中，即对每一根天线分别应用 ofdm 系 统中的 papr 降低算法。由于这种方法引入的计算量很大，所以现有的改进方 法是把所有天线联合起来考虑33。这种方法的代价是损失了 papr 的降低效 果。因此，我们目前面临的主要问题是找到一种有效的、计算复杂度较低的降 低 mimo-ofdm 系统 papr 的方法。 成都信息工程学院硕士学位论文 第 3 页 共 51 页 1.3 论文结构安排 本论文主要围绕降低mimo-ofdm系统中的峰均比问题展开研究，并利用 matlab软件对所研究问题进行仿真。论文各章结构安排如下： 第一章绪论部分主要介绍了 mimo- ofdm 技术的研究背景、现状及本文的 主要内容。 第二章首先介绍了 ofdm 的发展现状、ofdm 的基本原理和 ofdm 系统的各 项核心技术如 dft 实现、保护间隔与循环前缀等，最后对 ofdm 技术的优缺点 进行了总结。 第三章讨论ofdm系统的峰均比问题。 首先分析了高峰值出现的原因， 并给 出了峰均比的定义。 然后详细介绍了目前降低峰均比的三大类方法， 并对各种 方法的性能进行了仿真。重点分析了概率类方法，对传统的slm方法进行了改 进。 第四章以mimo-ofdm技术为核心，阐述了mimo的基本原理和 mimo-ofdm的 系统结构，并讨论了stc-ofdm系统。 第五章首先分析了mimo-ofdm系统中的峰均比问题，然后将slm和pts方法 引入到mimo-ofdm系统中，并分析了如何降低引入的计算复杂度。最后提出了 利用矩阵变换来降低mimo-ofdm系统峰均比的方法，该方法能够非常有效地降 低信号的papr值，而且复杂度较低。 最后是论文的结束语和参考文献。 成都信息工程学院硕士学位论文 第 4 页 共 51 页 第二章 ofdm技术简介 2.1 ofdm 系统的发展现状 ofdm 的提出已有近 40 年的历史,其思想早在 20 世纪 60 年代就已经提出。 早期的 ofdm 系统使用模拟滤波器,复杂度较高,大大限制了 ofdm 的发展和应 用。20 世纪 70 年代,weinstein 提出用离散傅立叶变换(dft)和离散傅立叶反 变换(idft)来实现多载波调制解调.这个思想大大简化了 ofdm 系统,并促进了 ofdm 技术的应用。 自20世纪80年代以来， ofdm技术不但广泛应用于广播式数字音频和视频领 域，而且已经成为无线局域网标准（ieee802.11a和hyperlan/2）的一部分。 近年来，由于数字信号处理(dsp, digital signal processing)技术的飞速发 展，ofdm作为一种可以有效对抗isi的高速传输技术，引起了广泛关注。1995 年，由欧洲电信标准协会(etsi)制定的数字音频广播(dab, digital audio broadcasting)标准181，是首次使用ofdm技术的标准。dab是在am和fm等模拟 广播基础上发展起来的，可以提供与cd相媲美的音质以及其他的新型数据业 务 。 接 着 在 1997 年，基于ofdm的 数 字 视 频 广 播 (dvb, digital video broadcasting)标准也开始采用。ofdm技术也作为典型的离散多音频调制(dmt modulation)技术，成功地用于非对称数字用户环路(adsl, asymmetric digital subscriber line)有线环境中，在1m hz带宽内提供高达8mbit/s的数 据传输速率。 1998年7月， 经过多次的修改之后， ieee802.11标准组选择了ofdm 作为无线局域网(wlan, wireless local network，工作于5ghz频段)的物理层 标准，目标是提供6mbit/s到54mbit/s数据速率。这是ofdm技术第一次被应用 于分组业务通信系统中。1999年ieee802.11a通过了一个5ghz的无线局域网标 准，采用了ofdm调制技术作为他的物理层标准。欧洲电信标准协会（etsi）的 宽带射频接入网（bran）的局域网标准也使用了ofdm技术。1999年12月， ericsson、nokia等公司发起了ofdm国际论坛，致力于建立一个ofdm全球统一 标准。 我国的信息产业部也参加了ofdm国际论坛， 可见ofdm在无线通信的应用 已经引起了国内外通信界的重视。 2000年， ofdm论坛向ieee802.16.3的无线城 域网委员会提议采用ofdm作为ieee802.16.3城域网的物理层标准。随着 成都信息工程学院硕士学位论文 第 5 页 共 51 页 ieee802.11a和 branhyerlan/2两个标准在局域网的普及应用，ofdm技术将会 进一步在无线数据本地环路领域做出重大贡献。 此外，ofdm还易于和空时编码、分集、智能天线、自适应等技术结合，其 性能可以得到进一步提高。预计ofdm技术将成为第四代移动通信的主流技术。 2.2 ofdm 系统的基本原理 ofdm 是多载波调制的一种， 其基本原理是把信道分成若干个正交子信道， 把高速的数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干个子信道中传输。 由于各个子信道相互正交， 调制后频谱是相互重叠的， 这样不但减少了子载波 间的相互干扰（ici，inter-carrier interference） ，而且大大提高了频谱利 用率。 每个子信道上的信号带宽都小于信道的相关带宽， 因此每个子信道上的 衰落可以看成是平坦的， 这样就将频率选择性衰落信道转化成若干个平坦衰落 子信道，从而大大减小符号间干扰（isi，inter-symbol interference） 。为 了最大限度的消除符号间干扰，还可以在 ofdm 符号之间插入保护间隔（gi， guard interval） 。 2.2.1 ofdm 系统模型 ofdm系统的调制和解调可以利用傅立叶变换来实现。系统模型如图2-1所 示。 发送端将被传输的数字信号转换成子载波幅度和相位的映射， 然后利用快 速傅立叶反变换（ifft）将映射到各子载波上的频域符号变换到时域，从而能 够在信道中进行ofdm符号的传输。 图2-1 ofdm系统模型 调 制串/并 信道 并/串dac fft串/并解调 ifft adc 并/串 成都信息工程学院硕士学位论文 第 6 页 共 51 页 接收端进行与发送端相反的操作，将射频符号与基带信号进行混频处理， 并用快速傅立叶变换（fft）分解频域信号，子载波的幅度和相位被采集出来 并转换回数字信号。 2.2.2 ofdm 信号分析 每个ofdm符号之内包含多个经过调制的子载波， 其中每个子载波的调制方 式可以是相移键控（psk）或正交幅度调制（qam） 。用n表示子载波的个数，t 表示ofdm符号的持续时间，di（i=0,1,2,n-1）是分配给每个子载波的数据 符号,fi是第i个子载波的频率,矩形函数rect(t)=1,tt/2,则从t=ts开始 的ofdm符号可以表示为: ( ) = = )(2exp) 2/(re 1 0 sis n i i ttfjtttrectdts tttt ss + 0)(=ts ss ttttt+11 （3-5） 在实际的ofdm系统中，经过编码、交织、映射等操作后，送入放大器的应 该是经过d/a变换后的连续信号。因此，在分析时，对ofdm信号进行过采样是 十分必要的， 这样有助于更准确的衡量ofdm系统的papr特性。 但如果采用过采 样，很难得到信号papr分布的精确表达式。因此可以假定n个子载波过采样信 号的papr分布与n个子载波的未过采样信号的papr分布大致相同，其中大 于1。这样过采样可以看作增加一定数量的独立样点。过采样后的ofdm信号的 成都信息工程学院硕士学位论文 第 14 页 共 51 页 papr分布为： n z ezpaprp =11 （3-6） 在ofdm系统中， 已经提出了许多降低papr的方法。 这些方法可以分为3类： 第一类是限幅类技术， 即在信号经过放大之前， 首先对功率值大于门限值的信 号进行非线形畸变。 第二类是编码技术， 即避免使用那些会生成大峰值功率信 号的编码图样。 第三类是概率类技术， 通过不同的加扰序列对ofdm符号进行加 权处理，从而降低峰值出现的概率。下面将介绍这几类方法。 3.3 限幅类方法 限幅方法直接对 ofdm 信号的峰值进行非线性操作， 在信号经过放大之前， 首先要对功率值大于门限值的信号进行非线性畸变， 使其不会超出放大器的动 态变化范围，从而避免较大 papr 的出现。即： = ansae ansns ns nsj )(, )(),( )( )(arg( （3-7） 其中 a 为系统允许的信号幅度的最大值，超过 a 将被限掉。 限幅是一个非线性过程， 它将导致严重的带内和带外噪声。 限幅后滤波可 以降低带外频谱干扰，但这又将导致峰值再生。如果限幅是对数字信号进行， 那么全部的限幅噪声将落在带内， 通过滤波操作不能减小这些噪声。 为了避免 这种混叠现象，可以在输入数据后填充 0，并采用更长的 ifft 来过采样原始 的数据。同样，限幅后需要通过滤波来消除带外限幅噪声。 限幅技术也有不同的方法。有的对 ifft 变换后、插值前的信号进行限幅 处理。但是，处理后的信号在数模变换前必须进行插值，这将导致峰值再生。 为了避免这种情况，可以对插值后的信号进行限幅，如图 3-1 所示14。 在图 3-1 中，首先对输入数据进行过采样，即对于给定的过采样因子，在 数据向量中间添加 n（j-1）个 0，然后进行 nj 点 ifft 操作，变换到频域， 接着对信号进行限幅。由于限幅是非线性过程，会带来带内噪声和带外干扰。 为了消除带外干扰， 必须对限幅后的信号进行滤波。 图 3-1 给给出了一种新颖 的数字滤波器结构。首先，用 fft 将时域信号转换到频域，然后人为地将带外 成都信息工程学院硕士学位论文 第 15 页 共 51 页 ifft 限幅 fft ifft 信号置零，再用 ifft 转换到时域，这样就完成了对信号的滤波过程。滤波后 的信号没有任何带外干扰，与未限幅的信号一样。因此，在实际系统中，主要 是限制带内噪声。 由于限幅噪声是在发送端产生的， 在衰落信道中将随信号一 起衰减，这将减轻它对系统误码率的影响。 aj cj 0 0 图 3-1 限幅原理图 影响限幅效果的重要参数是限幅率，限幅率（clipping ratio）定义为： in p a cr = （3-8） 其中，pin为限幅前ofdm信号的平均功率；a表示系统允许的信号幅度 的最大值。当cr=0db时定义为硬限幅，当cr=时为没有限幅的理想系统。 图 3-2 给出了不同的限幅率条件下， 限幅算法的仿真图。 可见，cr越大对papr 的降低效果越小，cr越小对papr的降低效果越好，但是引入的限幅噪声就 越大。因此，在实际应用中，要对 papr 降低效果和引入的限幅噪声两个方面 取一个合理的折衷，选取合适的限幅率。 图 3-2 clipping 方法的 papr 仿真图 成都信息工程学院硕士学位论文 第 16 页 共 51 页 3.4 编码类方法 编码类方法通过限制可用于传输的信号码字集合来降低峰均功率比， 只有 那些幅度峰值低于amax的码字才能被选择用于传输。 由于编码类方法为线性过 程，因此不会出现限幅类技术导致的限幅噪声。 我们用 c 表示码字，c 表示所有码字的集合。对于码集 c，定义如下: ( )max( ) c c papr cpapr c = (3-9) 编码的任务就是要恰当选择子集c，使得 2 max ( )papr c。下面举例说明 编码方法降低papr的原理。考虑只包含4个子载波的ofdm系统，其中采用bpsk 调制。表3-1列出了所有可能的码字及其papr值。 由表 3 .1 可见，各个码字具有不同的papr值。对于ofdm系统，可以选择 papr为2.32db的码字构成一个子集c=0001,0010,0100,1000,0111,1011，110 1,1110作为传输码集， 这样可以使信号的papr值降低3.7db， 但其信息速率降 为原来的3/4。 可见， 编码类技术是以降低信息传输速率为代价来获得信号papr 性能的改善。同时，由于编码和解码过程复杂度较大，编码方法一般用在子载 波数较少的系统中。 d1 d2 d3 d4 papr（db） 0 0 0 1 2.32 0 0 1 0 2.32 0 1 0 0 2.32 0 1 1 1 2.32 1 0 0 0 2.32 1 0 1 1 2.32 1 1 0 1 2.32 1 1 1 0 2.32 0 0 1 1 3.73 0 1 1 0 3.73 1 0 0 1 3.73 1 1 0 0 3.73 0 1 0 1 6.02 1 0 1 0 6.02 0 0 0 0 6.02 1 1 1 1 6.02 表 3.1 n =4，bpsk调制的ofdm系统，各码字的papr值 成都信息工程学院硕士学位论文 第 17 页 共 51 页 输入数据 ifft ifft ifft 选 择 最 佳 的 信 号 3.5 概率类方法 概率类技术并不着眼于降低信号幅度的最大值，而是降低峰值出现的概 率。 一般的概率类技术都将带来一定的信息冗余。 这类技术的基本方法就是通 过线性变换，如： nnnn bxay+= （3-10） 其中，yn是 ifft 前的输入数据向量 y 的元素，xn 为原始频域数据向量 x 的 元素。这类方法的目的就是要寻找向量 a 和 b，从而使传输的符号 y=ifft（y） 具有较低概率的峰值。属于这类方法的有 slm、pts 等。 3.5.1 选择映射法（slm） 3.5.1.1传统选择映射法 选择映射法17的基本原理是用 u 个统计独立的 ofdm 符号表示相同的信 息，选择其中具有最小 papr 的符号来传输。slm 的结构框图如图 3-3 所示。 b （1） b （2） b （u） 图 3-3 slm 原理图 ofdm 信号可以表示为：() nn xifftx =， （n=0，1，n-1） 。假设存在 u 个不同的，长度为 n 的随机相位矢量 t nuuu u bbbb 1,1 ,0, )( ,., =，其中，u=1,2, u，)exp( u u n jb=，2 , 0 u 。将这 u 个相位矢量分别与输入序列 x 进行相 成都信息工程学院硕士学位论文 第 18 页 共 51 页 乘，可以得到 u 个不同的输出序列t nuuu u xxxx 1,1 ,0 , )( ,., =，其中， nunnu bxx , =, n=0,1,n-1。所有乘以相位矢量后的 u 个 ofdm 符号表示相 同的信息，然后对所得到的 u 个序列分别进行 ifft 变换，从这 u 个时域信号 中选择 papr 最小的一路用于传输。 假设峰均比的门限值为 papr0，则 ofdm 信号的 papr 值超过门限值的概 率为pr（paprpappr0） 。u 个相互独立的信号的 papr 值都超过门限 papr0 的概率 pu 为： ()() u n papr u u epaprpaprp 0 11)0pr( = (3-11) 图 3-4 slm 方法的 papr 仿真图 对于子载波n为128,采用16-qam调制的ofdm系统,图3-4给出了u在不同取 值情况下,slm性能的变化曲线。由图可以看出，slm能够较好地改善ofdm信号 的papr特性，并且随着u的增加，其性能越来越好。然而随着支路数的增加， 性能的进一步改善将越来越小。由于需要u个并行的ifft操作，因此，增加了 计算量，系统成本比较大。另外，在接收端必须进行与发送端相反的操作以恢 复出原始信息，因此，接收机又需要知道所选择的随机相位序列矢量，而且要 严格确保接收机可以正确地接收到该随机矢量信息。 当然， 实际操作当中并不 一定要求传递该随机矢量本身， 可以发送表示该矢量的序号， 只要在接收端能 够通过查表或者其他方法得到所使用的随机相位矢量就可以了。 成都信息工程学院硕士学位论文 第 19 页 共 51 页 3.5.1.2改进的选择映射法 在传统slm中，随机向量要作为边带信息被发送，而且必须严格确保接收 机可以接收到正确的边带信息， 如果边带信息发生错误， 接收端将无法正确解 调出原始数据。为了解决这个问题，本文在文献23的基础上对slm技术进行 了改进,这种方法不需要发送边带信息。在改进的slm方法中,在发送数据中插 入不同的比特序列， 从而得到携带相同信息的各个序列， 然后选择papr值小的 一列进行传输。本文改进的方案中发送端系统模型如图3-5（a）所示。首先生 成u个相互独立的r比特序列bi，i=1,2,u，u=2 r。然后将b i插入每个数据帧中， 再进行编码调制和ifft变换，产生u个不同的ofdm符号，然后计算各个符号的 papr值， 选择其时域信号papr值最低的一列进行传输。 接收端系统模型如图3-5 （b）所示，和传统的slm方法相比，接收端的结构比较简单，接收端不需要任 何边带信息，经过解调和分组解码后把插入的比特序列删除即可。 图 3-5（a） 本文改进的 slm 发送端系统框图 图 3-5（b） 本文改进的 slm 接收端系统框图 比特序列可以插入数据帧的不同位置， 本文比较了将比特序列插入数据帧 的不同位置对降低papr的影响，仿真结果如图3-6所示。结果表明比特序列 插入的位置不同对 papr 的降低效果基本相同，因此，比特序列插入不同位置 fft 解调 分组解码 删除 bi 插入 b1分组编码 调制ifft 插入 b2分组编码 调制ifft 插入 bu分组编码 调制ifft 选 择 最 佳 的 信 号 成都信息工程学院硕士学位论文 第 20 页 共 51 页 对降低papr的影响可以忽略不计， 为了方便， 一般将比特序列插入数据帧的 前面位置。 图 3-6 比特序列插入不同位置的 papr 仿真图 图 3-7 本文改进的 slm 方法的 papr 仿真图 为了验证改进的slm方法的有效性，本文对采用该方法的ofdm系统进行了 仿真。图3-7是采用（5，3）分组码，插入不同长度的比特序列时ofdm信号的 峰均比的累计分布图。仿真参数如下：子载波64，qpsk调制，加性高斯噪声信 道。在10-3处，r=2时比原始ofdm信号的ccdf性能优化了大约1.5 db。r=4时， 性能优化了大约2 db，r=6时，性能优化了大约3 db。可以看出随着插入比特 序列的长度增加，高峰均功率比出现的概率明显降低。 成都信息工程学院硕士学位论文 第 21 页 共 51 页 图 3-8 本文改进方法与传统 slm 的 papr 仿真图 图3-8是r=4时，传统的选择映射法和本文提出的分组编码slm方法降低 ofdm信号峰均比的性能比较，可以看出分组编码slm方法（block-slm）与传统 slm方法性能比较接近， 而且分组编码slm方法不需要发送额外的边带信息， 在 接收端经过解调后把插入的比特丢掉就可以了。图3-9是block-slm和slm方法 的系统误比特率性能比较图。从图中可以看出，与slm系统相比，block-slm 系统的ber性能得到改善。 图 3-9 本文改进的 slm 方法的 ber 性能仿真图 通过前面的仿真分析可知，block-slm方法能够显著降低ofdm系统的峰均 比，而且系统的误比特性能也得到提高，接收端结构简单，接收端不需要任何 边带信息，解调后把插入的比特序列删除即可。 成都信息工程学院硕士学位论文 第 22 页 共 51 页 3.5.2 部分传输序列法（pts） 3.5.2.1传统部分传输序列法 pts方法24的原理如图3-10所示,首先将输入的数据向量x划分成互不重 叠的m组,分别为xm,m=1,2,m。每组可表示为t nmmmm xxxx 1,1 ,0, ,., =,子 向量xm中的每个子载波都乘以相同的旋转因子bm，得到： m m m m xbx= =1 （3-12） 其中)exp( mm jb=,2 , 0 m ，m=1，2，m，对 x进行 ifft 变换,并利 用 ifft 变换的线性性质，得到: () = = = m m mm m m mm m m mm xbxifftbxbifftx 111 （3-13） 通过适当地选择相位旋转因子使 x的 papr 值达到最佳化。令 ofdm 系统 内的 papr 最优的相位旋转因子应该满足： = = m b m m mmm xbb 2 1 maxminarg , m=1,m (3-14) ()minarg表示函数取最小值时所使用的判据条件。其中一个旋转因子可 以设为单位因数而且不会带来任何性能损失，即：b1=1，其他旋转因子从一个 含w个元素的旋转因子组合中选取，这样，一共有w （m-1）种不同的可能性。并 且只需要m个ifft操作。 在实际系统中， 通常将旋转因子从集合j , 1中选取， 这样可以极大地简化实际实现时的运算复杂度。 在发送端，具有最小 papr 值的信号将被传送。接收端为了恢复发送端发 送的信号，必须知道传送的信号采用了哪个旋转向量，因此需要额外传送 ()( )wm 2 log1 比特的边带信息。 成都信息工程学院硕士学位论文 第 23 页 共 51 页 输入数据 串 并 变 换 并 分 组 ifft ifft ifft + 优化 x1 b1 x x2 b2 xm bm 图 3-10 pts 方法的原理图 如图 3-11 所示，在把原始数据划分为多个子向量的方式有三种：相邻、 随机、交织。相邻分割是把 n/m 个相邻的子载波分配在一个子序列内；随机分 割是把每个子载波随机分配到 m 个子序列中； 交织分割是把间隔为 m 的子载波 分配在一个子序列内。在这三中方法中，每个子载波只出现在一个子序列中， 而且 m 个子序列所包含的子载波个数相等。 相邻 随机 交织 x （1） x （2） 图 3-11 pts 子向量划分方式 采用不同的分割方式对 papr 的降低效果是不同的。由于随机分割复杂度 成都信息工程学院硕士学位论文 第 24 页 共 51 页 较高， 所以本文只比较了常用的相邻分割和交织分割方式对 papr 的降低效果。 图 3-12 是对子向量数目为 4，采用相邻和交织两种子向量划分方式进行的仿 真。仿真结果表明，相邻分割降低 papr 的效果比交织分割的降低效果好。本 文接下来的仿真都是采用相邻分割方式。 3-12 子向量采用相邻和交织划分的 pts 系统性能比较 图 3-13 pts 方法的 papr 仿真图 对于子载波数目为 128,采用 16-qam 调制的 ofdm 系统,相位因子限制在 1，j范围内，采用不同的子序列数目，图 3-13 给出了 pts 方法的仿真结 果。仿真结果显示，pts 方法能够很有效地降低 ofdm 信号的 papr。随着子序 列数目的增加，其性能也越好，但系统复杂度也相应增加。普通的 pts 算法采 用遍历搜索的方法来得到最优的相位旋转序列。优化一个符号需要w （m-1）次 成都信息工程学院硕士学位论文 第 25 页 共 51 页 迭代尝试。因此，计算复杂度极大，随子序列数目成指数增加。因此在实际应 用中，需要在对 papr 的降低效果和计算复杂度两方面取一个合理的折中来选 取合适的子向量数目。 若事先设定一个恰当的门限， 当信号的papr值低于门 限值时就停止搜索，这样可以极大地降低运算复杂度。 3.5.2.2 pts 算法的改进： 普通的 pts 算法采用遍历搜索的方法来得到最优的相位旋转序列， 优化一 个符号需要w （m-1）次迭代计算。因此计算复杂度极大，随子块数 m 成指数增 加。为了简化搜索量，文献26提出了一种次最优的迭代 pts 算法，仅使用二 进制加权因子。这种算法概括如下： 1假设bm=1，m=1,2, ,m,计算 papr1； 2m=2； 3令bm=-1，重新计算 papr； 4如果 papr1papr,则bm=-1；否则，bm=1； 5m=m+1； 6重复 3-5 步，直到m=m+1。 这种方法的相位搜索次数是(m-1)w， 与传统 pts 方法相比， 显著降低了搜 索复杂度。图 3-14 中，采用 128 个子载波，分成 4 组，对两种方法的性能进 行比较。 从图中可以看到， 迭代 pts 算法比传统 pts 算法性能大约下降了 1db。 但从综合性能上来看，运用迭代算法的次最优 pts 仍然优于传统 pts 算法。 图 3-14 迭代 pts 算法与传统 pts 算法仿真图 成都信息工程学院硕士学位论文 第 26 页 共 51 页 3.6 小结 本章首先分析了多载波中高峰值出现的原因，并给出了ofdm系统中papr 的定义， 接下来简要介绍当前降低papr的三大类方法， 并对概率类方法中的slm 方法和pts方法进行了重点介绍。 本文在对传统的slm方法进行分析的基础上提 出了改进的方法。分析表明，本文提出的改进方法不仅可以降低ofdm系统的 papr值，而且可以有效地提高系统的可靠性。 成都信息工程学院硕士学位论文 第 27 页 共 51 页 信 源 编码 和调 制 解码 和解 调 第四章 mimo-ofdm 技术 正交频分复用(ofdm)是一种多载波传输技术， 常用于抗频率选择性衰落或 窄带干扰。但是为了进一步增加系统的容量，提高系统传输速率，单纯使用 ofdm 技术的宽带无线通信系统需要大量增加子载波的数量，而这种方法会大 幅增加系统的复杂度， 并大量占用系统带宽， 势必很难适应目前带宽和功率有 限的无线局域网应用环境。 mimo技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。 它利用空间中增 加的传输信道， 在发送端和接收端采用多天线(或天线阵列)同时发送和接收信 号。 由于各发射天线同时发送的信号占用同一个频带， 所以mimo技术能在不增 加带宽的情况下成倍提高通信系统的容量和频谱利用率，因此将mimo与ofdm 相结合可以提高系统的容量和性能。 本章首先介绍了mimo的基本原理， 然后对 空时码技术进行了讨论，最后对mimo-ofdm系统加以分析。 4.1 mimo 基本原理 在发射端和接收端采用多天线(或天线阵列)同时发送和接收信号的系统 称为mimo系统，如图4-1示。在发送端，将输入数据进行编码、星座映射等处 理后，送到各发送天线上，经过上变频、滤波和功率放大后发送出去。在接收 端，接收机将多根接收天线接收的信号进行下变频、匹配滤波、接收处理和译 码，以恢复原始数据。由于各发射天线同时发送的信号占用同一个频带，所以 并