降低MIMO-OFDM系統峰均比的QAS算法

張博葉,李艷萍,耿曉文

(太原理工大學 信息工程學院,太原 030024)

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降低MIMO-OFDM系統峰均比的QAS算法

張博葉,李艷萍,耿曉文

(太原理工大學 信息工程學院,太原 030024)

多輸入多輸出-正交頻分復用(MIMO-OFDM)系統固有的較高峰均功率比(PAPR)限制了該技術的發展與應用。為了抑制較高的PAPR值,在傳統算法近似梯度投影(AGP)和選擇性映射(SLM)的基礎上提出了QAS算法,通過建立QPSK調制的SFBC MIMO-OFDM系統模型,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對QAS算法降低PAPR性能的影響。仿真結果表明，QAS算法與傳統算法AGP、SLM相比,可以有效改善MIMO-OFDM系統發射信號的PAPR值,而不破壞系統的BER性能;QAS算法對PAPR的優化性能隨著子載波數目(N=32,64,128,256,512,1 024)的增加而下降,隨著支路數(M=4,8,16)的增加而提高。

多輸入多輸出-正交頻分復用;近似梯度投影;選擇性映射;峰均功率比;誤碼率

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

國內外學者提出了許多有效降低PAPR值的優化算法,可分為:編碼類技術、限幅類技術、概率類技術[2]。學者報道概率類技術是以上3種技術中最有希望解決MIMO-OFDM系統中較高PAPR值的技術[3]。本文以概率類技術作為降低PAPR研究的重點。概率類技術主要包括TR、TI、SLM、PTS、ACE技術[4]。其中,SLM技術不會引起信號的非線性失真,是MIMO-OFDM系統降低PAPR采用較多的的概率類技術[5],AGP算法作為ACE的一種改進算法,可提供較大的包絡削減,使PAPR快速收斂,同時在不降低數據速率的前提下,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調制的2×1 SFBC MIMO-OFDM系統模型中仿真了QAS,AGP,SLM的PAPR以及BER性能,仿真結果表明了所提算法QAS在降低MIMO-OFDM系統PAPR性能上的有效性。

1 系統模型及QAS算法

1.1 系統模型

假設一個NT×NR的MIMO-OFDM系統,其中NT和NR分別表示發射天線和接收天線的數目,輸入數據和相應的接收信號分別以X=[x1,x2,…,xNT]T和Y=[y1,y2,…,yNR]T表示,然后將輸入數據映射到N個正交符號上:

(1)

對于NT=2的數據塊使用Alamouti空頻編碼,編碼為兩個向量:

(2)

(3)

式中,(.)*表示復共軛運算。

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。

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。

用互補累積函數描述系統的PAPR性能,其定義為發射信號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調制生成四進制數據X=X(k),k=1,…,N,通過IFFT得到對應的時域信號xi[n],初始化迭代次數:i=0.

2) xi(n)中用門限值Amax進行限幅,得到恒包絡信號:

(7)

式中:xi[n]=|xi[n]|ejθ[n];Amax為預設的門限幅度。

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,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最小的一個發送到MIMO-OFDM發射機SFBC部分。

2 仿真與分析

建立瑞利衰落信道環境下 2×1MIMO-OFDM系統模型,QPSK調制方式,SFBC編碼,104個獨立的OFDM信號,SLM中支路數取M=4,8,16,子載波數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與傳統算法AGP,SLM在優化PAPR性能方面進行比較。如圖2所示,在該仿真中,支路數M=4,子載波數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系統來說,由單一的調制星座映射點變成星座擴展區域,即擴展對應星座點的位置,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射信號的峰值,提供更大的包絡削減,進而降低發射信號峰均功率比的值[5]。QAS算法則在AGP的基礎上結合SLM技術將信號與隨機的相位序列相乘,發送PAPR值最小的信號,進一步降低發射信號的PAPR.

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

圖3 不同優化算法的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,由仿真結果可知,所提算法沒有破壞系統的誤碼性能。這是由于QAS算法充分利用了AGP算法的優點,在QPSK調制的多載波信號中,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,當利用AGP算法進行星座映射擴展時,原始的星座點動態的向外擴展,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這一優點,保證了系統的BER性能不被破壞。

接著,仿真了所提算法QAS在不同子載波數目下的PAPR性能,如圖4所示。仿真參數中支路數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,隨著子載波數目(N=32,64,128,256,512,1 024)增加,系統的PAPR值增大。這表明:QAS算法的PAPR性能受子載波數目影響,子載波數目越小,PAPR性能越好。

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

圖5 QAS算法下不同支路數下PAPR比較Fig5 PAPR comparison in different branches using QAS

3 結論

針對MIMO-OFDM系統較高的PAPR值提出了一種優化算法QAS,該算法的核心是將AGP和SLM技術相結合。仿真結果表明,QAS降低了發送信號的PAPR,且不破壞系統的BER性能,仿真結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系統容量分析[J].太原理工大學學報，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

國家自然科學基金資助項目：基于反向對稱法的分集技術的理論研究(61271249)

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

TN929.5

A

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