降低MIMO-OFDM系統峰均比的方法研究

【摘要】本文在簡要介紹了MIMO和OFDM系統后，提出了采用了雙層相位序列翻轉部分傳輸技術（PTS）和壓擴技術相結合的聯合算法。進行了仿真分析，證明其可以有效地減少OFDM系統和MIMO-OFDM系統的PAPR值。

【關鍵詞】MIMO-OFDMPTS壓擴技術

一、引言

MIMO-OFDM技術由于解決了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通信系統的關鍵技術另一方面，由于MIMO-OFDM系統繼承自OFDM系統的高峰均功率比（ PAPR）問題嚴重的限制了其在未來無線通信系統中的進一步發展，因此有必要采取合適的峰均比抑制技術來對MIMO-OFDM系統的高PAPR進行抑制。在這樣的背景下，為了解決MIMO-OFDM系統的高PAPR問題，提出了采用了雙層相位序列翻轉部分傳輸技術（PTS）和壓擴技術相結合的聯合算法。

二、MIMO-OFDM系統中的PAPR

設MIMO-OFDM系統發射機有Nt個發射天線，子載波數為N。第i根發送天線上的OFDM信號在時域上可以表示為

三、雙層相位序列翻轉PTS與壓擴聯合算法

翻轉PTS算法（Flipping PTS）：也叫次優化PTS算法（IPTS），它的基本思想為：選擇{±1}為可選的相位因子。將輸入數據分為M個數據子塊，再對這M個數據子塊分別進行IFFT。首先，將M個相位因子均設為1，計算出PAPR值。接著，將第一個相位因子變為-1并計算其PAPR值。將兩個PAPR值進行比較，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。該算法的優點就是計算復雜度比最優化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相位因子組合。結果是與OPTS方法相比PAPR值會變得較高。

自適應PTS算法（Adaptive PTS）：首先需要設定PAPR的一個門限值為L。將輸入數據分為M個數據子塊，計算合并信號的PAPR值，如果該PAPR值低于己預先設定的門限值L，則停止最優相位因子的搜索，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值大于設定的門限值L，則按照OPTS算法的思路變換相位因子，繼續比較在此相位因子組合下的PAPR值與門限的大小，并判斷是否繼續循環。一直按此思路尋找相位因子直到有一相位因子使得PAPR值小于我們預先設定的門限值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為K，通過概率知識可以知道K應該小于等于OPTS算法的搜索次數。

將上述兩種算法結合起來，可以起到互補的作用，這就是雙層相位序列翻轉算法。然后與壓擴算法結合。

聯合算法的基本思想是使輸入信號先經過雙層相位序列翻轉PTS算法調制，使輸出的信號出現比較高的峰值功率的概率降低，然后再使用壓擴算法將出現的高峰值功率的信號功率進行壓縮，從而達到有效地抑制系統的PAPR值的目的。仿真程序的步驟為，首先輸入一隨機序列作為輸入信號，經過星座映射之后將信號進行分組，然后設定內層相位因子bl的值，循環選擇出內層相位因子，再設定外層相位因子bb的值，再循環確定外層相位因子，之后將輸入信號與內、外層相位因子相乘，得到輸出信號經過壓擴處理后作為最后的輸出信號。具體的步驟為：（1）首先搜索內層相位因子。（2）確定內層相位因子。現有共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）將得到的內層相位因子與外層相位因子對應位相乘，即得到了最后所需的系統最優相位因子序列。（5）將得到的相位因子與信號結合，再經過壓擴處理，就可以得到最后的輸出信號。

四、仿真結果

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

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