| 标题 | 基于SFBC MIMO?OFDM系统的峰均比抑制算法 |
| 范文 | 张博+李辉+程伟 摘 ?要： 与联合空时编码的多输入/多输出的正交频分复用（STBC MIMO?OFDM）系统比较，联合空频编码（SFBC）的MIMO?OFDM系统具有更优的抗多径时变衰弱信道能力，已被TD?LTE制式采用。针对SFBC MIMO?OFDM系统存在峰值平均功率比过高的问题，提出一种低复杂度的子块间空频变换算法。首先在频域上，对所有天线的空频分组码序列进行均等分块，对天线间相应子块进行交叉反向产生候选序列，并从候选序列中选择PAPR最小序列。然后，在时域上对各天线内子块同步进行逐次循环移位，进一步选择最优PAPR序列进行传输。通过结合IFFT特性和SFBC特性分析实现大幅度降低算法复杂度。仿真结果证明在保证SFBC正交性的基础上，算法具备有效性和可靠性。 关键字： 正交频分复用; 多输入/多输出; 空频分块码; 峰均功率比; 空间自由度 中图分类号： TN911?34; N914 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 1004?373X（2015）02?0001?04 PAPR restraint algorithm based on SFBC MIMO?OFDM system ZHANG Bo， LI Hui， CHENG Wei （School of Electronic information， Northwestern Polytechnical University， Xian 710129， China） Abstract： Compared with STBC MIO?OFDM system， SFBC MIMO?OFDM system which is adopted by TD?LTE system has better ability to resist damages of multipath time?varying fading channel. Because of the fact that peak?to?average power ratio （PAPR） of SFBC MIMO?OFDM system is too high， an algorithm of space?frequency transformation between sub?blocks with low complexity is proposed. In the frequency domain， equal partitioning into sub?blocks generated from space?frequency block coding （SFBC） sequence of each antenna is conducted. For generation of candidate sequences， inversion cross of the corresponding sub?blocks between antennas are performed and PAPR minimal sequence is selected from candidate sequences. In the time domain， successive cyclic shifting of sub?blocks in each antenna are executed synchronously to do further selection of optimal PAPR sequence for transmission. With analysis on the characteristics of IFFT and SFBC， the complexity of PAPR algorithm can be further reduced. The simulation results prove that the scheme is valid and reliable in the premise of ensuring the orthogonality of SFBC. Keywords： orthogonal frequency division multiplexing; multi?input multi?output orthogonal; ?space?frequency block coding; peak?to?average power ratio; spacial freedom 0 ?引 ?言 作为4G无线宽带移动通信的关键技术，多输入/多输出的正交频分复用（MIMO?OFDM）是多天线技术和正交频分复用技术的结合方案，具有抗多径能力强、频谱利用率高、数据速率快等优点，但同时继承了OFDM技术峰值平均功率比（Peak?To?Average Power Ratio，PAPR）高的缺点。目前，大量文献集中在对STBC MIMO?OFDM 和SFBC MIMO?OFDM系统的高PAPR降低技术进行了研究。与STBC MIMO?OFDM系统进行比较，SFBC MIMO?OFDM系统具有更优的抗多径时变衰弱信道能力，并已被TD?LTE制式采用。针对SFBC MIMO?OFDM系统高PAPR的问题，文献[1?2]均通过对输入序列进行两次分割，然后分别对各子序列进行相位旋转或交换产生多个候选序列，从中选择传输峰均功率比最小的候选序列。文献[3?4]充分研究了SFBC编码序列后的不同天线时域特性和相关性，并以PAPR性能为代价提出仅使用一次IFFT计算实现低复杂度抑制PAPR算法。文献[5?6]提出了一种接收端盲检测算法，实现无SI传输的抑制PAPR算法。上述所有文献均在时域或者频域对序列进行线性处理产生候选序列，并未考虑多天线的空间自由度，因此PAPR降低幅度有限。文献[7?9]虽然考虑了空间自由度，但是复杂度与天线数量和子块数成正比，不利于算法的实际工程应用。通过上述分析，本文提出了一种基于SFBC MIMO?OFDM系统的低复杂度抑制PAPR的空频变换算法。 1 ?系统模型和PAPR定义 为简化计算，系统模型为发射天线数Tx=2，接收天线数Rx=1的Alamouti SFBC?OFDM[10]系统。该模型可以推广至多天线系统。 在Alamouti SFBC?OFDM系统的发射端，MIMO?OFDM系统的子载波数为N，对频域数据符号序列[X0=[X1，X2，…，XN]T]进行Alamouti空频编码，再经过OFDM调制后从不同天线上发射;在系统接收端通过OFDM解调和空频译码恢复频域符号。Alamouti空频编码对[X0]内的每两个相邻数据符号[Xk]和[Xk+1] 进行编码产生分组向量： [X=X（k）-X*（k+1）X（k+1）X*（k）] ?（1） 其中在第k个符号周期内，[X（k），X（k+1）]将分别从第一、二根天线[Tx1]发射;在第k+1个符号周期内，[-X*（k+1），X*（k）]将分别从第一、二根天线[Tx1]发射。其中“*”表示共轭。 对于一个具有N个子载波数的MIMO?OFDM系统，第m根天线上的第n个子载波上的传输频域序列为[Xm，n]。则MIMO?OFDM系统第m根天线上的复基带发射信号表示为： [xmt=1Nn=0N-1Xm，nej2πfnt， ? ?0≤t≤T] ? ?（2） 式中：[fn=n×f0] 为第m根天线上第n个子载波上的载波频率，[f0=1T]，[T]为OFDM符号周期。对Alamouti SFBC?OFDM系统的第m根天线的PAPR定义为： [PAPRm（dB）=10lgmax0≤t≤Txm（t）2Exm（t）2] ? （3） 式中[E·]表示均值。在比较PAPR降低性能时，通常使用互补累积分布函数（Complementary Cumulative Distribution Function，CCDF）来表示一个OFDM符号的[PAPR]超过门限[PAPR0]的概率。PAPR的互补累积分布函数定义为： [CCDF=Pr（PAPR>PAPR0）] ? ? ? ? （4） 2 ?IFFT相关性质 2.1 ?IFFT线性叠加性质 令[X1]和[X2]均为N点序列，且分别是[x1]，[x2]的频域符号，并令[X=aX1+bX2]，则[x=ax1+bx2]。 2.2 ?IFFT的循环移位特性 令[yn=xn-n0N， 1<n<N]且[n0]为正整数，则依据FFT循环移位性质，[Y（n）=k=1Kxk-k0Ke-j2πknN=][k=1Kxke-j（2πk+k0）nN]且[K=N]，即[Yn=Xne-j2πk0nN]。 3 ?天线间空频变换算法 经过SFBC编码后，将产生向量空频码字[X1=[X（0），-X*（1） ，…，X（N-2），-X*（N-1）]T] 和[X2=[X1，][X*0，…，X（N-1） ]，X*（N-2）]T] ，其中[ *]表示共轭;[X1]将从第一根天线[Tx1]发射，[X2]从第二根天线[Tx2]发射。 3.1 ?空间交叉反向变换 图1中将[Xi，i∈（1，2）]分成互不相交、长度相同的M个子块序列，且子块序列数为偶数。利用文献[11]的逐次旋转取反算法，将[X11，X21]旋转取反得4组选序列： （1） 原始序列： [X11=X1，1，X1，2，...，X1，MX12=X2，1，X2，2，...，X2，M] ? ? ? ? （5） （2） 原始序列子块取反后序列： [X21=-X1，1，X1，2，...，X1，MX22=-X2，1，X2，2，...，X2，M] ? ? ? ? （6） （3） 原始序列子块旋转后序列： [X31=X2，1，X1，2，...，X1，MX32=X1，1，X2，2，...，X2，M] ? ? ? ? ?（7） （4） 原始序列子块旋转后序列： [X41=-X2，1，X1，2，...，X1，MX42=-X1，1，X2，2，...，X2，M] ? ? ? ? （8） <E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼36t1.tif> 图1 基于SFBC MIMO?OFDM的旋转反向算法框图 采用MINMAX准则，选择四组候选序列中使OFDM符号[X1]，[X2]的PAPR最大值最小的一组序列。同理，在前一组被选序列的基础上，对另外M-1个子块逐次进行上述操作，最终产生4×M组候选序列，选取具有PAPR最大值最小的一组候选序列[X1]和[X2]。容易推导，对子块进行旋转取反操作不影响符号间的空频正交特性。 3.2 ?频域内子块循环移位 同样，将[X1]和[X2]分成M个子块序列;对各子块序列扩展成长度N的序列，且子块序列的位置与在原序列位置相同，即[Xi=m=1MXi，m]。SFT算法原理框图如图2所示。 图2 SFT算法原理框图 子块循环序列移位工作原理如下所示： （1） 首先，对[Xi，i∈（1，2）]中的扩展子块序列[Xi，1]进行IFFT变换得到时域信号[xi，1]。由IFFT时域循环移位特性，对[xi，1]循环移位K位，相当于对[Xi[n]]加权[ej2πkn/N]。因此， 以K位为单位循环移位步长，对符号序列的两天线上的[x1，1]和[x2，1]同步进行循环移位，能够至少产生[NK]个候选序列数，采用MINMAX准则选取具有PAPR最大值最小的一组候选序列。 （2） 对步骤1选择的一组候选序列中的第2个子块进行以K位为步长的循环移位，至少产生[NK]个候选序列数，采用MINMAX准则选取具有PAPR最大值最小的一组序列。同理，对剩下的个子块序列的时域信号逐次进行上述循环移位操作。整个过程中最终产生至少[NK×M]组候选序列数，采用MINMAX准则选取具有PAPR最大值最小的一组候选序列[X1]和[X2]。最后对[X1]和[X2]上变频，分别从天线1和天线2发射。 3.3 ?计算量分析 算法计算量主要集中在IFFT变换的复数加法和复数乘法。如图2所示，将频域序列分块后，对每一个频域子块序列扩展成L×N个点并进行IFFT变换，因此对[X1]和[X2]进行处理需要2M个IFFT变换。参考文献[2]的计算量降低算法，对扩展子块序列[Xi，m，i∈（1，2）][且m∈（1，2，…，M）]进行V=2的交织分割生成[X1i，m]，[X2i，m]且服从： [X12，m=-X21，mn+1NRNn] （9） [X22，m=-X11，mn+N-1NRNn] ? ? （10） 天线1共有M个子块，每个子块有2个交织分割的最小子块，需要进行两次IFFT运算。天线1需要的复数乘法总数为[ne=2M?N2×2log2N2+N]，天线2的交织子块所需复数乘法总数[no=NM2log2N2+4NM]。参考文献[3]， [x11，m]和[x21，m]分别是[X1i，m]，[X2i，m]的时域信号，满足： [xe1，m=xe1，m，halfT ? xe1，m，halfTT] （11） [xo1，m=xo1，m，halfT ? ? -xo1，m，halfTT] （12） 式中：[xe1，m，half]和[xo1，m，half]是[LN2×1]维向量，且由[xe1，m]和[xo1，m]的前半部分元素组成，因此计算量减少一半。综合文献[2?3]，最终计算量仅需要[n=M?N2×2log2N2+N+][NM4log2N2+4NM]个复数乘法运算。若N=256，M=4，则虽然需要进行16个IFFT序列，但仅相当于3.5个IFFT计算。 4 ?仿真结果及性能分析 本文使用Matlab软件作为仿真工具。采用Alamouti SFBC MIMO?OFDM系统，使用[105]个统计独立的OFDM信号进行仿真，调制使用16QAM，每个OFDM 符号占用256个子载波，过采样数取L=4。 如图3所示，当信号的CCDF为103时，取子块数M=8，16或32，SFT算法的PAPR性能比SFBC?ST算法或协同部分传输序列算法（C?PTS）[12]优于约0.8 dB和1.0 dB。考虑SFBC?ST和C?PTS的比较，结果表明利用天线间的空间变换算法优于C?PTS;考虑SFT和SFBC?ST 的比较，结果表明子块间循环移位过程在空间变换的基础上能够提高约0.8 dB的PAPR性能。 如图4所示，当信号的CCDF为103时，子块数M=32，单位循环移位数circs=16时算法SFT 的PAPR 性能最好。当子块数M相同时，循环移位数circs取16，32或64时的PAPR性能变化不大，表明M值取定后，循环移位数对PAPR性能影响有限。而当单位循环移位数circs相同，子块数M取8，16或32时的PAPR性能相差近0.3 dB，表明circs取定后，子块数对PAPR性能有一定的影响。 <E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼36t3.tif> 图3 SFT，SFBC?ST与C?PTS的PAPR比较较 <E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼36t4.tif> 图4 取不同M，circs值时的SFT算法PAPR性能比较 5 ?结 ?语 本文从空间自由度的角度出发，提出了一种有效的的空频变换算法，即对OFDM信号子块进行天线间的空间交叉变换和循环移位过程产生候选序列数;与传统算法相比，SFT实现近1 dB的PAPR性能提高。通过计算量分析表明，结合IFFT特性和SFBC正交特性实现了算法的低复杂度特性。该算法能够扩展至多天线系统，是一种适合于多天线系统的降低PAPR 高效的信号处理算法。 参考文献 [1] 沙溢，陈俊鑫，王光兴.基于SFBC结构的MIMO?OFDM系统峰均比抑制方法[J].通信学报，2009，30（10）：114?117. [2] 沙溢，陈俊鑫，陈进，等.一种降低SFBC MIMO?OFDM系统峰均功率比的新算法[J].东北大学学报：自然科学版，2010（4）：503?506. [3] LI Chih?peng， WANG Sen?hung， CHAN Kuei?cheng. Low complexity transmitter architectures for SFBC MIMO?OFDM systems [J]. IEEE Transactions on Communications， 2012， 60（6）： 1712?1718. [4] WANG Sen?huang， LI Chih?peng. A low?complexity PAPR reduction scheme for SFBC MIMO?OFDM systems [J]. IEEE Signal Processing Letters， 2009， 16： 941?944. [5] NAEINY M F， MARVASTI F. Selected mapping algorithm for PAPR reduction of space?frequency coded OFDM systems without side information [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2011， 60： 1211?1216. [6] HU Wei?wen， CIOU Ying?chi， LI Chih?peng， et al. PAPR reduction scheme in SFBC MIMO?OFDM systems without side information [C]// IEEE International Conference on Communications. [S.l.]： [s.n.]， 2013： 4708?4712. [7] JIANG Tao， LI Cai. Simple alternative multisequences for PAPR reduction without side information in SFBC MIMO?OFDM systems [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2012， 61： 3311?3315. [8] GONG Peng?chen， SHAO Zhen?hai. PAPR reduction scheme in SFBC MIMO?OFDM based on transformation [C]// 2010 International Conference on Computational Problem?Solving （ICCP）. [S.l.]： [s.n.]， 2010： 108?110. [9] YANG Ou?yang. Peak?to?average power ratio reduction by cross?antenna translation for SFBC MIMO?OFDM systems [C]// Vehicular Technology Conference. [S.l.]： [s.n.]， 2009： 1?4. [10] Alamouti S. A simple transmit diversity technique for wireless communications [J]. IEEE J Sel Areas Commun， 1998，16（8）： 1451?1458. [11] TAN Mi?zhou， LATINOVIC Z，BAR?NESS Y. STBC MIMO?OFDM peak?to?average power ratio reduction by cross?antenna rotation and inversion [J]. IEEE Communication Letters， 2005， 9： 592?594. [12] WANG L， LIU J. Cooperative PTS for PAPR reduction in MIMO?OFDM [J]. Electronics Letters， 2011， 47（5）： 351?352. [6] HU Wei?wen， CIOU Ying?chi， LI Chih?peng， et al. PAPR reduction scheme in SFBC MIMO?OFDM systems without side information [C]// IEEE International Conference on Communications. [S.l.]： [s.n.]， 2013： 4708?4712. [7] JIANG Tao， LI Cai. Simple alternative multisequences for PAPR reduction without side information in SFBC MIMO?OFDM systems [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2012， 61： 3311?3315. [8] GONG Peng?chen， SHAO Zhen?hai. PAPR reduction scheme in SFBC MIMO?OFDM based on transformation [C]// 2010 International Conference on Computational Problem?Solving （ICCP）. [S.l.]： [s.n.]， 2010： 108?110. [9] YANG Ou?yang. Peak?to?average power ratio reduction by cross?antenna translation for SFBC MIMO?OFDM systems [C]// Vehicular Technology Conference. [S.l.]： [s.n.]， 2009： 1?4. [10] Alamouti S. A simple transmit diversity technique for wireless communications [J]. IEEE J Sel Areas Commun， 1998，16（8）： 1451?1458. [11] TAN Mi?zhou， LATINOVIC Z，BAR?NESS Y. STBC MIMO?OFDM peak?to?average power ratio reduction by cross?antenna rotation and inversion [J]. IEEE Communication Letters， 2005， 9： 592?594. [12] WANG L， LIU J. Cooperative PTS for PAPR reduction in MIMO?OFDM [J]. Electronics Letters， 2011， 47（5）： 351?352. [6] HU Wei?wen， CIOU Ying?chi， LI Chih?peng， et al. PAPR reduction scheme in SFBC MIMO?OFDM systems without side information [C]// IEEE International Conference on Communications. [S.l.]： [s.n.]， 2013： 4708?4712. [7] JIANG Tao， LI Cai. Simple alternative multisequences for PAPR reduction without side information in SFBC MIMO?OFDM systems [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2012， 61： 3311?3315. [8] GONG Peng?chen， SHAO Zhen?hai. PAPR reduction scheme in SFBC MIMO?OFDM based on transformation [C]// 2010 International Conference on Computational Problem?Solving （ICCP）. [S.l.]： [s.n.]， 2010： 108?110. [9] YANG Ou?yang. Peak?to?average power ratio reduction by cross?antenna translation for SFBC MIMO?OFDM systems [C]// Vehicular Technology Conference. [S.l.]： [s.n.]， 2009： 1?4. [10] Alamouti S. A simple transmit diversity technique for wireless communications [J]. IEEE J Sel Areas Commun， 1998，16（8）： 1451?1458. [11] TAN Mi?zhou， LATINOVIC Z，BAR?NESS Y. STBC MIMO?OFDM peak?to?average power ratio reduction by cross?antenna rotation and inversion [J]. IEEE Communication Letters， 2005， 9： 592?594. [12] WANG L， LIU J. Cooperative PTS for PAPR reduction in MIMO?OFDM [J]. Electronics Letters， 2011， 47（5）： 351?352. |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。