羅菊 何慶 周曉南

摘 要：OFDM技術(shù)存在高峰均功率比（PAPR）問(wèn)題，高PAPR要求系統(tǒng)功率放大器具備較大的線性放大范圍以避免傳輸信號(hào)的頻譜擴(kuò)散和非線性失真，同時(shí)還會(huì)增加A/D和D/A轉(zhuǎn)換器件的復(fù)雜度，導(dǎo)致系統(tǒng)性能嚴(yán)重下降。顯而易見(jiàn)，作為MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)結(jié)合產(chǎn)物的MIMO-OFDM系統(tǒng)也受到了高PAPR的影響。本文搭建了MIMO-OFDM仿真模型，實(shí)現(xiàn)了選擇性映射（SLM）算法，并研究了不同序列數(shù)、不同調(diào)制方式對(duì)SLM算法的影響。仿真結(jié)果表明：隨著序列數(shù)的增加，SLM算法的峰均功率比將會(huì)降低，但是其復(fù)雜度也會(huì)隨之增大;QPSK調(diào)制降低系統(tǒng)PAPR的效果都最佳，其次是16QAM調(diào)制方式，而64QAM調(diào)制的效果最差。因此，在使用SLM算法時(shí)，增加序列數(shù)并且選用QPSK調(diào)制方式更利于降低MIMO-OFDM系統(tǒng)的PAPR值。

關(guān)鍵詞：MIMO-OFDM;峰均功率比;選擇性映射

中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

多入多出（Multiple Input Multiple Output， MIMO）技術(shù)能夠在提高系統(tǒng)容量的同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)性能;正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM）技術(shù)具有頻譜利用率高、抗多徑衰落強(qiáng)、易于結(jié)合空時(shí)編碼和智能天線等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。MIMO-OFDM 系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合了MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)，已經(jīng)成為4G（LTE/LTE-A）系統(tǒng)[1]以及未來(lái)的5G系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。

MIMO-OFDM系統(tǒng)在繼承OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)時(shí)，也繼承了它的缺點(diǎn)，如OFDM存在高峰均功率比（Peak of Average Power Ratio， PAPR）問(wèn)題。MIMO-OFDM系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)由許多個(gè)子載波疊加而成，當(dāng)多個(gè)子載波同時(shí)疊加在一起時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)波峰，該峰值產(chǎn)生的功率比正常情況下的值高出許多倍，即導(dǎo)致高的PAPR。高PAPR要求系統(tǒng)射頻放大器具備較大的線性放大范圍，并且還將增大A/D和D/A轉(zhuǎn)換裝置的復(fù)雜度[2]，導(dǎo)致系統(tǒng)性能嚴(yán)重下降。所以如何降低PAPR成為當(dāng)前以至未來(lái)的熱點(diǎn)話題。

峰均功率比問(wèn)題是所有MIMO-OFDM系統(tǒng)都存在的問(wèn)題[3]，一直以來(lái)都被業(yè)內(nèi)學(xué)者廣泛關(guān)注。到目前為止，相關(guān)的研究人員已提出了多種降低系統(tǒng)PAPR的技術(shù)。它們主要分為三類：預(yù)畸變類技術(shù)、編碼類技術(shù)和概率類技術(shù)[4]。

1995削波算法已被業(yè)內(nèi)人員提出，該算法是那個(gè)時(shí)候一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的PAPR抑制算法。其主要是抑制輸入信號(hào)的峰值包絡(luò)以抑制PAPR，但這種方式會(huì)給信息帶來(lái)帶內(nèi)失真并產(chǎn)生帶外輻射[5]。1999年學(xué)者D.Kin提出了一種在削波前迭代重構(gòu)信號(hào)的方法，可以達(dá)到抑制削波所引起的系統(tǒng)性能下降的效果。

1994年編碼類方法已經(jīng)被提出了，在A.E.Jones的研究中提出通過(guò)選擇碼字能達(dá)到抑制峰均功率比的效果[6]。但是這項(xiàng)技術(shù)的前提是要選擇最好的碼字并且建立一個(gè)大容量的查詢表，所以這種方法最初并未與多載波技術(shù)集成。1996年A.E.Jones在之前研究的基礎(chǔ)上利用線性碼的偏移來(lái)獲取碼字。該方法可達(dá)到校正所選碼字的效果，最終達(dá)到PAPR抑制的效果，也就是說(shuō)，該方法具有抑制PAPR、糾錯(cuò)、簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)等特征。它的不足在于需要有大量的加法計(jì)算。2000年V.Tarokh提出了一種高效獲取偏移的方法，它是對(duì)上述問(wèn)題的一個(gè)很好的解決方案，但它不能很好的控制降低PAPR的量。

現(xiàn)如今峰均功率比的抑制技術(shù)中被廣泛研究的是概率類技術(shù)[7]，該技術(shù)能十分合理的抑制PAPR，而對(duì)信號(hào)的畸變沒(méi)任何影響，因此常用于實(shí)際應(yīng)用中。其中SLM算法得到了較好的應(yīng)用。

SLM算法因其簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、線性且能獲得良好性能的特征，越來(lái)越受學(xué)術(shù)界關(guān)注。1997年SLM方法的研究思想首次被提出，它能夠?qū)⒃紨?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為不同的序列，計(jì)算這些序列的PAPR值，然后選取PAPR最小的一組序列輸出。2001年H.Breiling提出了另一種有所創(chuàng)新的SLM算法，這種算法不用確定邊帶信息。李萬(wàn)臣等[8]提出了將限幅技術(shù)和SLM算法相結(jié)合的方法，利用限幅技術(shù)彌補(bǔ)SLM算法限制PAPR不足的缺陷。王嵩喬等[9]提出了一種基于混沌粒子群的SLM算法，該方法在一定范圍內(nèi)能取得良好的優(yōu)化效果。季策等[10]對(duì)利用轉(zhuǎn)換向量對(duì)SLM算法進(jìn)行改進(jìn)，將信號(hào)序列二等分，一部分與轉(zhuǎn)換向量相乘后進(jìn)行循環(huán)卷積，另一部分進(jìn)行隨機(jī)序列篩選，最后從所得兩部分中選取最優(yōu)序列輸出。

目前大量的研究工作主要集中于對(duì)SLM算法改進(jìn)上，而不同序列數(shù)及不同調(diào)制方式對(duì)SLM算法的影響尚沒(méi)有發(fā)現(xiàn)相關(guān)對(duì)比分析的文章。因此，本文搭建MIMO-OFDM系統(tǒng)仿真模型，實(shí)現(xiàn)并對(duì)比分析了不同序列數(shù)和不同調(diào)制方式對(duì)SLM算法的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

MIMO-OFDM系統(tǒng)的高PAPR導(dǎo)致系統(tǒng)性能嚴(yán)重下降，一直以來(lái)PAPR問(wèn)題都被學(xué)術(shù)界較為關(guān)注，到目前為止，相關(guān)的研究人員已經(jīng)提出了多種MIMO-OFDM系統(tǒng)中PAPR的抑制技術(shù)。本文針對(duì)概率類技術(shù)中的SLM算法進(jìn)行研究，主要完成了對(duì)MIMO-OFDM仿真系統(tǒng)模型的搭建和仿真;對(duì)SLM算法不同參數(shù)情況下的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，其中包括不同序列數(shù)和不同調(diào)制方式的仿真結(jié)果分析。結(jié)果表明為了更好地提高M(jìn)IMO-OFDM系統(tǒng)的性能，使用SLM算法時(shí)，對(duì)序列數(shù)和調(diào)制方式的選擇方面需要謹(jǐn)慎。而SLM算法與其他降低PAPR的算法的抉擇問(wèn)題，還有待后續(xù)研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡亮明，馬云鶯，李會(huì)娟，等.基于4G網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)視頻傳輸[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，33（1）：63-66，126.

[2]劉薇，楊維.降低OFDMA系統(tǒng)峰均功率比的編碼-PTS方法[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2013，18（2）：236-241.

[3]劉江寧.改進(jìn)降低OFDM系統(tǒng)PAPR的DSI方法[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，29（5）：98-100.

[4]賈麗君. 降低LTE-OFDM系統(tǒng)中峰均功率比的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

[5]甘君心. OFDM系統(tǒng)中降低PAPR技術(shù)的算法研究與設(shè)計(jì)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2013.

[6]關(guān)敬. 基于PTS的OFDM峰均功率比抑制技術(shù)的研究[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2011.

[7]王可霞. 基于PTS技術(shù)降低OFDM系統(tǒng)峰均比的改進(jìn)算法研究[D].錦州：遼寧工業(yè)大學(xué)，2014.

[8]李萬(wàn)臣，李佑虎.基于SLM的減小OFDM系統(tǒng)PAPR的改進(jìn)技術(shù)[J].通信技術(shù)，2008，41（12）：122-124.

[9]王嵩喬，夏海寶，許蘊(yùn)山，等.降低OFDM雷達(dá)PAPR的SLM改進(jìn)算法研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2018，46（4）：163-168.

[10]季策，賈佃霞，張超，等.降低OFDM系統(tǒng)復(fù)雜度的改進(jìn)SLM算法[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，39（5）：619-623.

[11]YONG S C，JAEKWON K， WON Y Y，等.MIMO-OFDM無(wú)線通信技術(shù)及MATLAB實(shí)現(xiàn)[M]. 孫鍇，黃威譯.北京：電子工業(yè)出版社，2013：107-113.

[12]張秀艷. 降低正交頻分復(fù)用系統(tǒng)峰均功率比算法的研究[D].黑龍江：東北石油大學(xué)，2013.

[13]李佑虎. 基于SLM的減小OFDM系統(tǒng)PAPR的改進(jìn)技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

[14]馬榮. 基于PTS算法的OFDM系統(tǒng)降低峰均比技術(shù)的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

[15]ELAVARASAN P， NAGARAJAN G. Computers and Electrical Engineering[M]. London： Elsevier Ltd，2015：80-90.

[16]馮友波，李小文，鄧雪梅.LTE-A系統(tǒng)上行信道降低PAPR技術(shù)的算法研究[J].廣東通信技術(shù)，2015，35（3）：23-27.

[17]張玉巍. 基于SLM和星座映射法降低OFDM系統(tǒng)峰均功率比的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[18]紀(jì)金偉，夏玉杰.一種降低OFDM系統(tǒng)PAPR的低復(fù)雜度盲SLM方法[J].無(wú)線電工程，2017，47（5）：27-31.

（責(zé)任編輯：曾 晶）