一种基于F矩阵的SFBC MIMO-OFDM系统SLM方法

摘要

本发明公开了一种基于F矩阵的SFBCMIMO-OFDM系统SLM方法，解决了MIMO-OFDM系统中SFBCMIMO-OFDM信号的高峰均功率比和高计算复杂度的问题。通过研究MIMO系统中基于SFBC编码后天线上信号的正交性，提出一种降低系统峰均比和计算复杂度的算法。本发明利用提出的相位序列组F矩阵，对空频编码SFBC后信号进行处理，获取的最优相位因子将进行正交编码并分别作用于空频编码SFBC后的每根天线的信号，这样每根天线上待发送信号可避免进行多次的IFFT运算，从而降低了系统的计算复杂度。同时F矩阵的使用，也让MIMO-OFDM系统获得了良好的峰均比性能。

说明书

技术领域

本发明涉及移动通信领域，特别是涉及一种基于SFBC降低MIMO-OFDM系统峰均比的SLM方法。 

背景技术

正交频分复用技术（OFDM）广泛应用于数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、无线局域网（WLAN）,其高频谱利用率、抗多径干扰等优点可以有效消除信号干扰，因此受到人们越来越广泛的关注。多输入多输出（MIMO）通过在收发双方配置多个天线，能够提高信道传输速率，并获得较高的分集增益或容量增益。无线通讯中两种技术结合为MIMO-OFDM(Multiple-Input Multiple-Output Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，其中OFDM可以将频率选择性MIMO信道转化为并行的平坦MIMO信道，利用多径衰落，实现高速数据的鲁棒性传输。因此，MIMO-OFDM已经成为第四代移动通信系统中极具前景的备选方案。 

然而，MIMO-OFDM信号的高峰均功率比的缺点会迫使高功率放大器（HPA）具有大的回退，这降低了HPA的效率。MIMO-OFDM信号产生带内失真，产生带外噪声，进而频谱扩展干扰以及信号的畸变会导致整个系统性能严重下降。高峰均比已然成为MIMO-OFDM的技术阻碍，因此必须找到合适的方法降低其峰均比，提高信号的保真度。 

针对OFDM系统，降低PAPR的技术可以大致分为三类：一类是编码技术，文献“Chen,H Liang,H PAPR Reduction of OFDM Signal Using Partial Transmit Sequences and Reed-Muller Codes,IEEE Communications Letters,vol.11,no.6,pp.528-530,Sep.2007”，算法思想是利用不同的编码方式规避了可能产生较高PAPR的码元的出现，但是编码过程较为复杂。二类是信号预畸变技术，包括限幅法和压扩法，该技术是最简单最直接的降低峰均比的非线性方法，但前者引入的带内失真和带外辐射会严重地降低系统的性能。后者利用压扩函数和逆变换函数实现峰均比的降低，文献“X.B.Wang,T.T.Tjhung,andC.S.Ng,Reductionofpeak-toaveragepower ratioofOFDMsystemusingacompandingtechnique,IEEETrans.Broadcast.,vol.45,no.3,pp.303-307,Sep.1999”提出一种基于语音处理使μ律压扩方案具有良好的性能，但降低的PAPR是以增加平均功率为代价的。三类是扰码技术，包括选择性映射SLM和部分传输序列PTS，该技术利用不同的扰码序列对OFDM符号进行加权处理，通过设定PAPR门限值条件，从待传输序列中选择PAPR最小的一组用于传输，这样就显著降低大峰值功率信号出现的概率，但是由于采用过多的IFFT，计算复杂度急剧增加，而且边带信息的传输也造成了数据传输速率的损失。 

然而，用于MIMO-OFDM系统的PAPR降低算法的研究较少，解决MIMO-OFDM系统中的PAPR问题的方法概括为两个方面：一方面是将OFDM系统中方法直接移植到MIMO-OFDM系统的每一根天线，例如文献“Byung Moo Lee,Rui J.P.de Figueiredo.Side Information Power Allocation For MIMO-OFDM PAPR Reduction By Slected Mapping,IEEE,Internation Conference on Acoustics,Speech and Signal Processing,2007.”能有效降低系统PAPR但是复杂度略高；另一方面是考虑MIMO-OFDM系统本身的特性，采取灵活的方法进行处理。文献“Joo-Hee Moon,Young-HwanYou,Won-Gi Jeon,Ki-Won Kwon,Hyoung-Kyu song.Peak-to-Average power control for Multiple-Antenna HIPEPLAN/2and IEEE802.11asystems.IEEETrans.On Consumer Electronics,2003,49(4):1078-1083.”提出的简化PTS、SLM算法每根天线使用相同的边带信息，与独立的PTS、SLM算法相比降低PAPR效果略有下降，但是误码率性能得到提高。专利“张朝阳等，一种峰均比控制方法、接收端和发射端”描述了一种通过线性和非线性方法的结合降低系统的PAPR的方法，但是算法过程过于复杂。专利“CN102075222A，江涛，黎偲，屈代明，一种降低空频编码的MIMO-OFDM信号的峰均功率比的方法”，尽管不需要发送边带信息，但是算法计算量大。专利“CN101073217A,TANM,ZORANLZ,YEHESKELBN.STBC  MIMO-OFDMPeak-to-Average Power Ratio Reduction by Cross-Antenna Rotation and Inversion”提出的CARI及其改进算法每次迭代没有复数乘法运算，计算复杂度降低，但是若将该算法直接扩展到更多发射天线的系统中，并不能充分利用增加天线提供的附加自由度。 

为了进一步改善MIMO-OFDM信号的PAPR性能和降低计算复杂度，本发明针对上述MIMO-OFDM系统降低PAPR的算法，提出了一种基于F矩阵的SFBCMIMO-OFDM系统SLM方法。通过设置一个F矩阵作为相位序列组，对SFBC编码后信号采用SLM算法进行扰码，计算符号峰均比后，将挑选的最优相位序列及其编码序列作为SFBC编码后的最优相位序列。因而每根天线在一个符号周期只用作一次IFFT，这极大地降低计算复杂度，F矩阵的使用也使得系统的峰均比得到极大地改善。 

发明内容

为更有效地克服MIMO-OFDM系统中存在的上述缺陷，本发明目的是提供一种可以降低MIMO-OFDM系统中峰均功率比，并能更有效地应用于实际通信系统中的方法。 

本发明的创新之处在于提出了一种用于降低MIMO-OFDM系统的峰均比的有效相位序列，称为F矩阵。 

本发明的创新之处在于通过提出F矩阵作为相位序列组，对SFBC编码后信号采用SLM算法进行扰码，计算符号峰均比后，将挑选的最优相位序列序列及其编码序列作为SFBC编码后每根天线上待发送信号的最优相位序列。再对每根天线上进行OFDM调制时，在一个符号周期只用作一次IFFT，极大的降低了计算复杂度。 

本发明是一种基于F矩阵的SFBCMIMO-OFDM系统SLM方法，发送天线为T根（T>0），所述方法具体过程包括以下步骤： 

步骤1输入二进制数据比特流，调制得到映射信号，经过串并转换后获得X_i频域信号，X_i表示第i个频域符号： 

X_i=[X₀,X₁,…X_N-1]^T    (1) 

其中，N表示子载波数，i的上限值设置为p，P>0，[·]^T表示矩阵的转置； 

步骤2利用式（2）中F矩阵产生初始相位序列组： 

$F=\frac{1}{k}I\left(N\right)+\frac{1}{N}\mathrm{rand}\left(N\right)---\left(2\right)$

其中，I(N)表示一个N*N单位矩阵，k表示衰减序列，rand(*)表示由开区间(0,1)范围内服从均匀分布的数构成的一个N*N方阵；F矩阵为一个N*N方阵，k>0，且系统PAPR性能随着k值的增加而下降，k取值范围与子载波数、天线数有关； 

步骤3采用空频编码对X_i信号进行正交编码，获得能在T根天线上传输的信号； 

步骤4将X_i与F矩阵产生的初始相位序列组相乘，经过加权的信号再通过IFFT后计算PAPR，并由此选出使该符号具有最小PAPR的最优相位序列，记为F_m： 

F_m=[p_0,p_1,.......,p_2m,p_2m+1]^T    (3) 

其中，$m\in [0,\frac{N}{2}-1];$

步骤5对该最优相位序列F_m取共轭记为F_m^*，再对F_m^*作编码获得T个相位序列； 

步骤6将上述所得T个相位序列与对应T根天线上传输的信号进行复乘，IFFT之后计算各自的PAPR值，选取具有max(PAPR₁,PAPR₂…PAPR_T)的信号作为待发送信号添加保护间隔后信号为该保护间隔是由OFDM符号的循环扩展得到的； 

步骤7输出信号后读入下一个信号X_i+1，判断i+1是否等于上限值p，P>0，如果不是则转到步骤2，如果是，则循环结束。 

本发明的有益效果在于提出了一种有效降低MIMO-OFDM系统峰均比的相位序列组称为F矩阵。通过对空频编码后的符号使用F矩阵进行扰码，从中可挑选出具有最优PAPR的最优相位序列，对该最优相位序列取共轭后进行编码，分别作用于空频编码后对应的信号，这样每根天线上待发送信号可避免进行多次的IFFT运算，从而降低了系统的计算复杂度。同时F矩阵的使用，也让MIMO-OFDM系统获得了良好的峰均比性能。 

附图说明

图1MIMO-OFDM系统发送端的基本框图， 

图中，映射符号要进行空时/频编码，再通过OFDM调制，最终由多根天线进行发送； 

图2一种基于F矩阵的SFBCMIMO-OFDM系统SLM方法框图， 

图中，该图显示了两根天线下的算法框图，提出映射符号必须经过空频编码SFBC，最后采用提出的SLM方法降低MIMO-OFDM系统峰均比； 

图3不同相位序列组数V（相同的衰减序列K=5）的CCDF曲线图， 

图中，本发明算法采用衰减序列K=5时，与原始算法、独立SLM算法在不同相位序列组数情况下CCDF曲线的比较，其中横坐标表示不同的峰均比PAPR（dB）值，纵坐标表示互补累积函数CCDF值； 

图4不同衰减序列K（相同的相位序列组数V=16）的CCDF曲线图， 

图中，本发明算法与原始算法、独立SLM算法在相同相位序列组数情况下的CCDF曲线的比较，而且本发明算法还改变了衰减序列K，并与原始算法、独立SLM算法的CCDF曲线进行比较,其中横坐标表示不同的峰均比PAPR（dB）值，纵坐标表示互补累积函数CCDF值；图5衰减序列K=16时的CCDF曲线图， 

图中，设置衰减序列K=16时，本发明算法与原始算法、独立SLM算法的CCDF曲线进行比较其中横坐标表示不同的峰均比PAPR（dB）值，纵坐标表示互补累积函数CCDF值。 

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施方法，以发送天线T=2为例： 

步骤1输入二进制数据比特流，采用PSK/QAM进行调制，得到映射信号，经过串并转换后获得X_i频域信号，X_i表示第i个频域符号： 

X_i=[X₀,X₁,.......,X_N-1]^T           (1) 

其中，N表示子载波数，i的上限值设置为P(P>0)，[·]^T表示矩阵的转置； 

步骤2利用式（2）中F矩阵产生初始相位序列组： 

$F=\frac{1}{k}I\left(N\right)+\frac{1}{N}\mathrm{rand}\left(N\right)---\left(2\right)$

其中，I(N)表示一个N*N单位矩阵，k表示衰减序列，rand(*)表示由开区间(0,1)范围内的随机数构成的一个N*N方阵； 

步骤3采用SFBC对X_i信号进行正交编码，获得能在两根天线a，b上传输的信号，分别为X_i,a′，X_i,b′，表达式如下： 

天线a：$X_{i,a}\prime =[X_i\left(0\right),-X_i^{*}\left(1\right),X_i\left(2\right),-X_i^{*}\left(3\right),......,X_i\left(2m\right),-X_i^{*}(2m+1){]}^T---\left(3\right)$

天线b：$X_{i,b}\prime =[X_i\left(1\right),-X_i^{*}\left(0\right),X_i\left(3\right),X_i^{*}\left(2\right),......,X_i(2m+1),X_i^{*}\left(2m\right){]}^T---\left(4\right)$

其中，()^*表示括号内信号的共轭； 

步骤4将X_i与F矩阵产生的初始相位序列组相乘，经过加权的信号经过IFFT后计算PAPR，并由此选出使该符号具有最小PAPR的最优相位序列，记为F_m： 

F_m=[p_0,p_1,.......,p_2m,p_2m+1]^T    (5) 

其中，$m\in [0,\frac{N}{2}-1];$

步骤5对该最优相位序列F_m取共轭记为F_m^*，对F_m^*编码获得后获得相位序列f_m,b，表达式如下： 

f_m,a=[P₀,-P₁^*,.......,p_2m,-P_2m+1^*]^T           (6) 

f_m,b=[P₁,P₀^*,.......,P_2m+1,P_2m^*]^T                (7) 

其中，相位序列f_m,a=F_m；f_m,a，f_m,b分别对应信号X_i,a′，X_i,b′； 

步骤6将上述所得相位序列与对应信号复乘，IFFT之后计算各自的PAPR值记为PAPR_a和PAPR_b，选取具有max(PAPR_a,PAPR_b)的信号作为待发送信号添加保护间隔后信号为该保护间隔是由OFDM符号的循环扩展得到的； 

步骤7输出信号后读入下一个信号X_i+1，判断i+1是否等于上限值，如果不是则转到步骤2，如果是，则循环结束。 

结合上述具体实施方式，对附图作进一步的描述。 

图2是一种基于F矩阵的SFBCMIMO-OFDM系统SLM方法的系统框图，框图中详细描述了本发明的系统在天线数T=2时的具体实施步骤。图中“挑选最大的PAPR”对应着步骤6，且步骤1至6表示完成了一个OFDM符号的处理，即完成图2系统框图的全部内容。 

图3是不同相位序列组数V（相同的衰减序列K=5）的CCDF曲线图。仿真过程参数设置如下：采用Alamouti方案SFBC编码的MIMO系统，发送天线数为2，子载波数N=128，系统 采用过采样系数L=4，二进制信号采用PSK调制。该图显示了本发明算法采用衰减序列K=5时，与原始算法、独立SLM算法在不同相位序列组数情况下CCDF曲线的比较。从图中CCDF曲线看出，在V=4时，本发明算法较原始算法的PAPR在10^-3处有约6.5dB的改善，而与独立SLM算法比较在10^-3处PAPR有约4.5dB的改善。在V=16时，本发明算法较原始算法的PAPR在10^-3处有约6.6dB的改善，而与独立SLM算法比较在10^-3处PAPR有约2.8dB的改善。并且相位序列组数的增加，使得独立SLM算法有1.6dB的改善，但几乎不影响本发明算法的PAPR，这说明了F矩阵用于降低PAPR具有较强的稳定性。 

图4是不同衰减序列K（相同的相位序列组数）的CCDF曲线图。仿真过程参数设置如下：采用Alamouti方案SFBC编码的MIMO系统，发送天线数为2，子载波数N=128，系统采用过采样系数L=4，二进制信号采用PSK调制。该图仿真了当相位序列数V=16时，不同衰减系数对本发明算法的影响，即K取不同值时对应的CCDF曲线。从图中CCDF曲线看出，随着衰减系数的降低，PAPR也随之改善了。k=5时，在10^-2处PAPR约为3.7dB；k=2.5时，在10^-2处PAPR约为2dB；k=1时，在10^-2处PAPR约为0.9dB。因而，F矩阵的应用改善了MIMO-OFDM系统的峰均比。 

表1是算法计算量的对比表。从表中可以看到随着天线数的增加，独立SLM算法的每根天线上的IFFT次数将大大增加，而本发明的算法在MIMO-OFDM系统多天线多调制的条件下，IFFT次数增加的较少，从而有效降低系统计算复杂度。 

表1算法计算量的对比表 

算法名称 算法计算量（IFFT次数） SLM算法 count1=(M*T)*G 专利算法 count2=(M+T)*G

其中M表示相位序列数（F矩阵的维数），T表示MIMO-OFDM系统的天线数，G表示一帧信号所包含的符号数。由此可以看出，本发明的算法在MIMO-OFDM系统多天线调制的条件下可以降低计算复杂度。 

图5是衰减序列K=16时的CCDF曲线图。仿真过程参数设置如下：采用Alamouti方案SFBC编码的MIMO系统，发送天线数为2，子载波数N=128，系统采用过采样系数L=4，二进制信号采用PSK调制。图中原始算法、独立SLM算法、本发明算法表示衰减序列K=16在上述参数条件下的CCDF曲线。K>16以后本发明的峰均比性能将比传统的独立SLM算法要差。而且K值的选取与天线数、子载波数有关系。