降低MIMO-OFDM系統(tǒng)峰均比的QAS算法

張博葉,李艷萍,耿曉文

(太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院,太原 030024)

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降低MIMO-OFDM系統(tǒng)峰均比的QAS算法

張博葉,李艷萍,耿曉文

(太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院,太原 030024)

多輸入多輸出-正交頻分復(fù)用(MIMO-OFDM)系統(tǒng)固有的較高峰均功率比(PAPR)限制了該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。為了抑制較高的PAPR值,在傳統(tǒng)算法近似梯度投影(AGP)和選擇性映射(SLM)的基礎(chǔ)上提出了QAS算法,通過建立QPSK調(diào)制的SFBC MIMO-OFDM系統(tǒng)模型,仿真了QAS、AGP、SLM算法的PAPR以及誤碼率(BER)性能,并進一步研究了不同子載波以及不同支路數(shù)對QAS算法降低PAPR性能的影響。仿真結(jié)果表明，QAS算法與傳統(tǒng)算法AGP、SLM相比,可以有效改善MIMO-OFDM系統(tǒng)發(fā)射信號的PAPR值,而不破壞系統(tǒng)的BER性能;QAS算法對PAPR的優(yōu)化性能隨著子載波數(shù)目(N=32,64,128,256,512,1 024)的增加而下降,隨著支路數(shù)(M=4,8,16)的增加而提高。

多輸入多輸出-正交頻分復(fù)用;近似梯度投影;選擇性映射;峰均功率比;誤碼率

MIMO-OFDM技術(shù)由于具有抗多徑衰落能力強、數(shù)據(jù)傳輸速率高、系統(tǒng)容量大以及頻譜利用率高等優(yōu)點,成為無線通信系統(tǒng)的一種關(guān)鍵技術(shù),但MIMO-OFDM固有的較高的峰均功率比(PAPR),降低了系統(tǒng)性能,因此需要降低MIMO-OFDM信號的PAPR值[1]。

國內(nèi)外學(xué)者提出了許多有效降低PAPR值的優(yōu)化算法,可分為:編碼類技術(shù)、限幅類技術(shù)、概率類技術(shù)[2]。學(xué)者報道概率類技術(shù)是以上3種技術(shù)中最有希望解決MIMO-OFDM系統(tǒng)中較高PAPR值的技術(shù)[3]。本文以概率類技術(shù)作為降低PAPR研究的重點。概率類技術(shù)主要包括TR、TI、SLM、PTS、ACE技術(shù)[4]。其中,SLM技術(shù)不會引起信號的非線性失真,是MIMO-OFDM系統(tǒng)降低PAPR采用較多的的概率類技術(shù)[5],AGP算法作為ACE的一種改進算法,可提供較大的包絡(luò)削減,使PAPR快速收斂,同時在不降低數(shù)據(jù)速率的前提下,減小了誤比特率,且不需要任何邊邊帶信息。

因此,本文選擇AGP和SLM兩種概率類算法進行研究,提出降低PAPR的組合算法QAS,并在QPSK調(diào)制的2×1 SFBC MIMO-OFDM系統(tǒng)模型中仿真了QAS,AGP,SLM的PAPR以及BER性能,仿真結(jié)果表明了所提算法QAS在降低MIMO-OFDM系統(tǒng)PAPR性能上的有效性。

1 系統(tǒng)模型及QAS算法

1.1 系統(tǒng)模型

假設(shè)一個NT×NR的MIMO-OFDM系統(tǒng),其中NT和NR分別表示發(fā)射天線和接收天線的數(shù)目,輸入數(shù)據(jù)和相應(yīng)的接收信號分別以X=[x1,x2,…,xNT]T和Y=[y1,y2,…,yNR]T表示,然后將輸入數(shù)據(jù)映射到N個正交符號上:

(1)

對于NT=2的數(shù)據(jù)塊使用Alamouti空頻編碼,編碼為兩個向量:

(2)

(3)

式中,(.)*表示復(fù)共軛運算。

時域信號為:

(4)

式中：i=1,…,NT；n=0,1,…,LN-1,過采樣因子L為整數(shù)。

MIMO-OFDM時域信號中進行L倍過采樣得到的xi(n)用來定義PAPR:

(5)

式中:E[.]代表期望;max(.)代表取最大值。

用互補累積函數(shù)描述系統(tǒng)的PAPR性能,其定義為發(fā)射信號PAPR超過給定閾值λ0的概率,定義為:

(6)

1.2 QAS算法簡介

1) 通過QPSK調(diào)制生成四進制數(shù)據(jù)X=X(k),k=1,…,N,通過IFFT得到對應(yīng)的時域信號xi[n],初始化迭代次數(shù):i=0.

2) xi(n)中用門限值A(chǔ)max進行限幅,得到恒包絡(luò)信號:

(7)

式中:xi[n]=|xi[n]|ejθ[n];Amax為預(yù)設(shè)的門限幅度。

3) 得到信號的剪波信號:

(8)

4) 將lclip[n]進行FFT運算得到Lclip[k],保持Lclip中AGP允許延伸方向的值,將不能擴展方向的值置為0,如圖 1所示。利用IFFT將Lclip[k]轉(zhuǎn)化為lclip[n].

5) 確定合適的步長u,計算修改后的信號:

(9)

圖1 AGP算法下QPSK信號星座擴展圖Fig.1 Distribution of extended QPSK signals by AGP

6) 判斷是否達到理想的PAPR值或者最大迭代次數(shù),滿足其中一個則停止迭代,否則 i=i+1并回到步驟2重新開始迭代過程。否則轉(zhuǎn)到步驟7.

(10)

8) 得到M個不同的輸出序列x(u):

(11)

9) 從M個信號中,選擇PAPR最小的一個發(fā)送到MIMO-OFDM發(fā)射機SFBC部分。

2 仿真與分析

建立瑞利衰落信道環(huán)境下 2×1MIMO-OFDM系統(tǒng)模型,QPSK調(diào)制方式,SFBC編碼,104個獨立的OFDM信號,SLM中支路數(shù)取M=4,8,16,子載波數(shù)N=32,64,128,256,512,1 024,對本文所提算法QAS的性能進行仿真分析。

首先,將本文所提算法QAS與傳統(tǒng)算法AGP,SLM在優(yōu)化PAPR性能方面進行比較。如圖2所示,在該仿真中,支路數(shù)M=4,子載波數(shù)N=64.由圖可以看出,在CCDF為10-3時,QAS的PAPR(≈6.6dB)顯著低于SLM(≈6.9dB),AGP(≈7.8dB),Original(≈10.2dB) .對于OFDM系統(tǒng)來說,由單一的調(diào)制星座映射點變成星座擴展區(qū)域,即擴展對應(yīng)星座點的位置,則需要在特定的子信道頻率上增加額外的正余弦信號,這些額外增加的信號在一定程度上可以降低發(fā)射信號的峰值,提供更大的包絡(luò)削減,進而降低發(fā)射信號峰均功率比的值[5]。QAS算法則在AGP的基礎(chǔ)上結(jié)合SLM技術(shù)將信號與隨機的相位序列相乘,發(fā)送PAPR值最小的信號,進一步降低發(fā)射信號的PAPR.

圖2 不同優(yōu)化算法在降低PAPR方面比較Fig.2 PAPR comparison in different schemes

圖3 不同優(yōu)化算法的BER性能分析Fig.3 Performance analysis of BER in different algorithms

然后,在與圖2相同條件下仿真QAS與AGP,SLM,Original的 BER性能隨 SNR 的變化。如圖3所示,QAS算法的BER值高于AGP與SLM算法,但仍低于Original下的BER值,由仿真結(jié)果可知,所提算法沒有破壞系統(tǒng)的誤碼性能。這是由于QAS算法充分利用了AGP算法的優(yōu)點,在QPSK調(diào)制的多載波信號中,每個子載波中的4個可能的星座映射點均處在與實軸和虛軸等距離的位置,當(dāng)利用AGP算法進行星座映射擴展時,原始的星座點動態(tài)的向外擴展,但是并不減小星座點間的最小距離,由于在接收端進行判決時離星座圖中象限分界軸越遠的星座點出錯的概率越小,因此AGP算法則可保證一定的BER性能[3],QAS算法正是利用了AGP這一優(yōu)點,保證了系統(tǒng)的BER性能不被破壞。

接著,仿真了所提算法QAS在不同子載波數(shù)目下的PAPR性能,如圖4所示。仿真參數(shù)中支路數(shù)M=4.

圖4 QAS在子載波不同時PAPR比較Fig.4 PAPR comparison in different sub-carriers using QAS

由圖可以看出,隨著子載波數(shù)目(N=32,64,128,256,512,1 024)增加,系統(tǒng)的PAPR值增大。這表明:QAS算法的PAPR性能受子載波數(shù)目影響,子載波數(shù)目越小,PAPR性能越好。

最后,仿真了不同支路數(shù)對QAS算法在優(yōu)化PAPR的性能方面的影響,如圖5所示。仿真參數(shù):子載波數(shù)N=64 .從圖中得出結(jié)論:QAS算法受支路數(shù)的影響,支路數(shù)越大,QAS的優(yōu)化性能越好,這與支路數(shù)對SLM算法在優(yōu)化PAPR性能方面作用一致。

圖5 QAS算法下不同支路數(shù)下PAPR比較Fig5 PAPR comparison in different branches using QAS

3 結(jié)論

針對MIMO-OFDM系統(tǒng)較高的PAPR值提出了一種優(yōu)化算法QAS,該算法的核心是將AGP和SLM技術(shù)相結(jié)合。仿真結(jié)果表明,QAS降低了發(fā)送信號的PAPR,且不破壞系統(tǒng)的BER性能,仿真結(jié)果表明了該算法的有效性。

[1] UROSEVIC U，VELJOVIC Z，PEJANOVIC-DJURISIC M.MIMO solution for performance improvements of OFDM-CDMA system with pilot tone[J].Wireless Networks，2013，19(8):2021-2028.

[2] 滕志軍，王娜.基于改進STBC的MIMO系統(tǒng)容量分析[J].太原理工大學(xué)學(xué)報，2012，43(2):135-138.

[3] KRONGOLD B S，JONES D L.PAR reduction in OFDM via active constellation extension[J].IEEE Transactions on Broadcasting，2003，49(3):258-268.

[4] OUQOUR A，JABRANE Y，SAID B A E，et al.PAPR reduction in OFDM via active constellation extension-projection onto convex sets combined with particle swarm optimization[J].Computer Journal，2013，57(8):1230-1237.

[5] KLIKS A，BOGUCKA H.Improving effectiveness of the active constellation extension method for PAPR reduction in generalized multicarrier signals[J].Wireless Personal Communications，2011，61(2):323-334.

(編輯：劉笑達)

PAPR Reduction in MIMO-OFDM using a Methodology:QAS

ZHANG Boye,LI Yanping,GENG Xiaowen

(College of Information Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

MIMO-OFDM systems which take full advantage of time, frequency and space diversity have become a key technology and promising candidate for wireless communications. MIMO-OFDM systems have an inherent drawback in that the transmitted signals may suffer from a high peak-to-average power ratio (PAPR)，which limit itss development and application.In this paper, a new algorithm is proposed,which is based on the combination of AGP and SLM techniques for PAPR reduction in QPSK-modulated SFBC MIMO-OFDM systems. Simulation results demonstrate that the proposed approach achieves a significant reduction in PAPR without sacrificing the BER performance;The PAPR behavior of the transmitted MIMO-OFDM under QAS increases considerably as the value of the number of subcarriers (N=32, 64, 128, 256,512, 1 024) and branches (M=4, 8, 16) increases.

MIMO-OFDM;approximate gradient projection;selected mapping; PAPR; BER

1007-9432(2016)04-0523-04

2016-03-04

國家自然科學(xué)基金資助項目：基于反向?qū)ΨQ法的分集技術(shù)的理論研究(61271249)

張博葉(1990-),女,河北晉州人,碩士生,主要從事無線通信技術(shù)研究,(E-mail)zhangbo-ye@sina.cn

TN929.5

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.04.017