降低多用户大规模MIMO‑OFDM系统峰均功率比的方法及系统

摘要

本发明公开了一种降低多用户大规模MIMO‑OFDM系统峰均功率比的方法及系统，所述的方法通过计算输入信号矩阵的峰均功率比，然后计算列向量，使用列向量替换输入信号矩阵的列，从而得到新的输入信号矩阵，再计算新的输入信号矩阵的峰均功率比，比较判决替换前后的输入矩阵的峰均功率比，并不断更新输入信号矩阵，从而对信号进行多次迭代重构；所述的系统包括矩阵列选择模块、解向量生成模块、加权系数集合模块、加权求和模块、列替换模块、PAPR计算模块、判决模块和信号选择模块。本发明充分利用大规模天线系统自身特点，计算复杂度低，应用于无线通信领域，能够提高通信可靠性，降低成本。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体是一种降低多用户大规模MIMO-OFDM系统峰均功率比的方法及系统。

背景技术

MIMO技术能够在不增加传输信道带宽的条件下成倍的提高无线信道的容量，因而被认为是现代通信技术中的重大突破之一，大规模MIMO作为传统MIMO技术的延伸,可以大幅度提升吞吐率和能量效率，并被认为是5G的关键技术之一。

OFDM技术作为一种多载波数字调制技术，采用频分复用的方法有效地利用了频谱，同时OFDM技术将信道分成若干正交子信道，每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰。因此，OFDM技术也因其高频谱效率和抗码间串扰特性而被广泛应用于无线通信中。

基于OFDM技术的大规模MIMO系统(MIMO-OFDM)是5G的一项重要技术，它一方面利用MIMO提高频谱效率，另一方面又利用OFDM均衡技术克服了频率选择性衰落。但大规模MIMO-OFDM系统也面临一些不足之处，其中一个很大的缺点就是OFDM多载波引起的高峰均功率比PAPR。

为降低MIMO-OFDM系统的PAPR，常见的做法是将应用于单天线的降低PAPR的方法直接运用于MIMO-OFDM系统的多天线中。但这些做法都没有利用到MIMO系统自身的特点，设计复杂，可靠性差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种降低多用户大规模MIMO-OFDM系统峰均功率比的方法及系统，充分利用大规模MIMO系统天线众多而带来的大的空间自由度来降低系统的峰均功率比PAPR，以至少实现降低设计复杂度、提高通信可靠性的效果。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种降低多用户大规模MIMO-OFDM系统峰均功率比的方法，它包括以下步骤：

S1：第一计算，计算输入信号矩阵X的峰均功率比PAPR_x；

S2：第二计算，通过对信道矩阵的解向量进行加权，对加权变换后的解向量和输入信号矩阵X的列求和，计算得到列向量g；

S3：替换，用列向量g替换输入信号矩阵X的对应列，得到矩阵Y；

S4：第三计算，计算矩阵Y的峰均功率比PAPR_y；

S5：判决更新，判决输入信号矩阵X和矩阵Y的峰均功率比，更新输入信号矩阵X为PAPR较小的那一个。

进一步的，在步骤S1中：

对输入信号矩阵X的每行分别求PAPR_x(i,:)，并比较各行的PAPR_x(i,:)大小，选择最大值PAPR_x(i,:)作为MIMO-OFDM系统的PAPR_x，即：

PAPR_x＝max(PAPR_x(i,:))

其中，i为第i行，1≤i≤n，n为输入信号矩阵X的行数。

进一步的，在步骤S2中：

利用加权系数集合中的a_j对解向量l(:,j)进行加权变换，对加权变换后的解向量l(:,j)和输入信号矩阵X的第j列累加求和，得到列向量g，即：

其中，N为输入信号矩阵X的列数，j为第j列。

进一步的，在步骤S3中：

用列向量g替换输入信号矩阵X的第j列，得到矩阵Y，即：

X(:,j)＝g

Y(:,i)＝X(:,j)

其中，i≠j。

进一步的，在步骤S4中：

计算矩阵Y每行的PAPR_y(i,:)，并比较各行的PAPR_y(i,:)大小，选择最大值PAPR_y(i,:)作为MIMO-OFDM系统的PAPR_y，即：

PAPR_y＝max(PAPR_y(i,:))

其中，i为第i行，1≤i≤n。

进一步的，在步骤S5中：

对输入信号矩阵X和矩阵Y的峰均功率比进行比较判决，并更新输入信号矩阵X的峰均功率比PAPR为PAPR_x、PAPR_y中较小的那一个，即：

PAPR＝min(PAPR_x,PAPR_y)

如果PAPR_x<PAPR_y，则输入信号矩阵X保持不变，如果PAPR_x>PAPR_y，则更新输入信号矩阵X＝Y。

一种降低多用户大规模MIMO-OFDM系统峰均功率比的系统，它包括矩阵列选择模块、解向量生成模块、加权系数集合模块、加权求和模块、列替换模块、PAPR计算模块、判决模块和信号选择模块；所述的矩阵列选择模块用于选择输入信号矩阵X的第j列；所述的解向量生成模块用于对信道矩阵生成解向量l(:,j)；所述的加权系数集合模块存储有加权系数a_j；所述的加权求和模块用于对输入信号矩阵X的第j列和加权变换后的解向量l(:,j)累加求和；所述的列替换模块用于将列向量g替换输入信号矩阵X的第j列；所述的PAPR计算模块包括第一、第二PAPR计算模块，第一PAPR计算模块用于计算输入信号矩阵X的峰均功率比，第二PAPR计算模块用于计算矩阵Y的峰均功率比；所述的判决模块用于对输入信号矩阵X和矩阵Y的峰均功率比进行判决；所述的信号选择模块用于更新输入信号矩阵X。

进一步的，所述的信号选择模块与输出端相连，能够向输入信号矩阵X提供反馈。

本发明的有益效果是：本发明通过线性方程组解空间的求解方法，找到合适的系数集合，即为信道矩阵通解的各解向量分配一个合适的系数，使通解与输入信号时域矩阵X的和有一个良好的PAPR特性。与其它降低PAPR的方法相比，本发明的方法能够保证MIMO-OFDM系统的输出信号保持不变，有提高可靠通信的特点，包括以下优点：

一、充分利用了大规模MIMO系统自身的特点，即由于天线数量众多而带来的空间自由度来降低PAPR，从而高效利用大规模天线系统的优势，降低系统设计复杂度；

二、不会对发射的信号产生畸变影响，确保可靠通信；

三、计算复杂度低。

附图说明

图1为本发明的方法执行步骤图；

图2为本发明的系统结构图；

图3为本发明的方法流程图；

图4为本发明不同迭代次数信号的PAPR的功率互补累积分布函数(CCDF)仿真图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

本发明的基本思想是对信号进行迭代重构。以AX＝b表示信号传输模型，A表示信道矩阵，X表示大规模MIMO系统基站发射的信号矢量，b表示多个用户接收到的信号矢量。对于大规模天线系统，A是个奇异矩阵，根据线性空间的理论，可以找到一个具有低PAPR的X'，使得AX'＝b依然成立。如图1，3所示，一种降低多用户大规模MIMO-OFDM系统峰均功率比的方法，它包括以下步骤：

S1：第一计算，计算输入信号矩阵X的峰均功率比PAPR_x；

S2：第二计算，通过对信道矩阵的解向量进行加权，对加权变换后的解向量和输入信号矩阵X的列求和，计算得到列向量g；

S3：替换，用列向量g替换输入信号矩阵X的对应列，得到矩阵Y；

S4：第三计算，计算矩阵Y的峰均功率比PAPR_y；

S5：判决更新，判决输入信号矩阵X和矩阵Y的峰均功率比，更新输入信号矩阵X为PAPR较小的那一个。

进一步的，在步骤S1中：

对输入信号矩阵X的每行分别求PAPR_x(i,:)，并比较各行的PAPR_x(i,:)大小，选择最大值PAPR_x(i,:)作为MIMO-OFDM系统的PAPR_x，即：

PAPR_x＝max(PAPR_x(i,:))

其中，i为第i行，1≤i≤n，n为输入信号矩阵X的行数。

进一步的，在步骤S2中：

利用加权系数集合中的a_j对解向量l(:,j)进行加权变换，对加权变换后的解向量l(:,j)和输入信号矩阵X的第j列累加求和，得到列向量g，即：

其中，N为输入信号矩阵X的列数，j为第j列。

进一步的，在步骤S3中：

用列向量g替换输入信号矩阵X的第j列，得到矩阵Y，即：

X(:,j)＝g

Y(:,i)＝X(:,j)

其中，i≠j。

进一步的，在步骤S4中：

计算矩阵Y每行的PAPR_y(i,:)，并比较各行的PAPR_y(i,:)大小，选择最大值PAPR_y(i,:)作为MIMO-OFDM系统的PAPR_y，即：

PAPR_y＝max(PAPR_y(i,:))

其中，i为第i行，1≤i≤n。

进一步的，在步骤S5中：

对输入信号矩阵X和矩阵Y的峰均功率比进行比较判决，并更新输入信号矩阵X的峰均功率比PAPR为PAPR_x、PAPR_y中较小的那一个，即：

PAPR＝min(PAPR_x,PAPR_y)

如果PAPR_x<PAPR_y，则输入信号矩阵X保持不变，如果PAPR_x>PAPR_y，则更新输入信号矩阵X＝Y。

如图2所示，一种降低多用户大规模MIMO-OFDM系统峰均功率比的系统，它包括矩阵列选择模块、解向量生成模块、加权系数集合模块、加权求和模块、列替换模块、PAPR计算模块、判决模块和信号选择模块；所述的矩阵列选择模块用于选择输入信号矩阵X的第j列；所述的解向量生成模块用于对信道矩阵生成解向量l(:,j)；所述的加权系数集合模块存储有加权系数a_j；所述的加权求和模块用于对输入信号矩阵X的第j列和加权变换后的解向量l(:,j)累加求和；所述的列替换模块用于将列向量g替换输入信号矩阵X的第j列；所述的PAPR计算模块包括第一、第二PAPR计算模块，第一PAPR计算模块用于计算输入信号矩阵X的峰均功率比，第二PAPR计算模块用于计算矩阵Y的峰均功率比；所述的判决模块用于对输入信号矩阵X和矩阵Y的峰均功率比进行判决；所述的信号选择模块用于更新输入信号矩阵X。

进一步的，所述的信号选择模块与输出端相连，能够向输入信号矩阵X提供反馈。新的信号矩阵X反馈成为新的输入信号。

对本发明提出的方法进行仿真测试，仿真中的基本设置如表1和表2所示：

算法中加权系数a_j由表1中输入输出天线数目决定。仿真中MIMO系统中输入输出天线数分别是10和2，则信道矩阵A是一个2╳10的奇异矩阵，且A的秩r(A)＝2，所以线性方程组AX＝b的通解有8个解向量，相应的8个加权系数由表2给出。

如图4所示，本发明可以明显地降低大规模MIMO-OFDM系统的PAPR，且随着迭代次数的增加，PAPR降低得越明显。在迭代6次以后，系统的PAPR控制在6dB以内，比一次迭代的结果要好4dB，比未经处理的原始QPSK信号好5dB。同时，仿真结果表明迭代6次时系统PAPR可以实现收敛。

设置项目设置值基站发射天线数目10接收用户(单天线)数量2调制方式QPSK子载波数目64过采样率4帧数目1000

表1

设置项目设置值信道矩阵[1 0 -1 0 1 0 -1 0 1 0；0 1 0 -1 0 1 0 -1 0 1]加权系数集合{a_j}±0.5加权系数a_j-0.5，-0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5

表2

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。