MIMO-OFDM系統(tǒng)中降低PAPR的SLM算法的研究

羅菊 何慶 周曉南

摘 要：OFDM技術存在高峰均功率比（PAPR）問題，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的頻譜擴散和非線性失真，同時還會增加A/D和D/A轉換器件的復雜度，導致系統(tǒng)性能嚴重下降。顯而易見，作為MIMO技術和OFDM技術結合產物的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，實現了選擇性映射（SLM）算法，并研究了不同序列數、不同調制方式對SLM算法的影響。仿真結果表明：隨著序列數的增加，SLM算法的峰均功率比將會降低，但是其復雜度也會隨之增大;QPSK調制降低系統(tǒng)PAPR的效果都最佳，其次是16QAM調制方式，而64QAM調制的效果最差。因此，在使用SLM算法時，增加序列數并且選用QPSK調制方式更利于降低MIMO-OFDM系統(tǒng)的PAPR值。

關鍵詞：MIMO-OFDM;峰均功率比;選擇性映射

中圖分類號：TN929.5

文獻標識碼： A

多入多出（Multiple Input Multiple Output， MIMO）技術能夠在提高系統(tǒng)容量的同時增強系統(tǒng)性能;正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM）技術具有頻譜利用率高、抗多徑衰落強、易于結合空時編碼和智能天線等技術優(yōu)點。MIMO-OFDM 系統(tǒng)有機結合了MIMO技術和OFDM技術，已經成為4G（LTE/LTE-A）系統(tǒng)[1]以及未來的5G系統(tǒng)中的關鍵技術。

MIMO-OFDM系統(tǒng)在繼承OFDM技術的優(yōu)點時，也繼承了它的缺點，如OFDM存在高峰均功率比（Peak of Average Power Ratio， PAPR）問題。MIMO-OFDM系統(tǒng)的發(fā)射信號由許多個子載波疊加而成，當多個子載波同時疊加在一起時會產生一個波峰，該峰值產生的功率比正常情況下的值高出許多倍，即導致高的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轉換裝置的復雜度[2]，導致系統(tǒng)性能嚴重下降。所以如何降低PAPR成為當前以至未來的熱點話題。

峰均功率比問題是所有MIMO-OFDM系統(tǒng)都存在的問題[3]，一直以來都被業(yè)內學者廣泛關注。到目前為止，相關的研究人員已提出了多種降低系統(tǒng)PAPR的技術。它們主要分為三類：預畸變類技術、編碼類技術和概率類技術[4]。

1995削波算法已被業(yè)內人員提出，該算法是那個時候一個相對簡單的PAPR抑制算法。其主要是抑制輸入信號的峰值包絡以抑制PAPR，但這種方式會給信息帶來帶內失真并產生帶外輻射[5]。1999年學者D.Kin提出了一種在削波前迭代重構信號的方法，可以達到抑制削波所引起的系統(tǒng)性能下降的效果。

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

現如今峰均功率比的抑制技術中被廣泛研究的是概率類技術[7]，該技術能十分合理的抑制PAPR，而對信號的畸變沒任何影響，因此常用于實際應用中。其中SLM算法得到了較好的應用。

SLM算法因其簡單、易實現、線性且能獲得良好性能的特征，越來越受學術界關注。1997年SLM方法的研究思想首次被提出，它能夠將原始數據轉化為不同的序列，計算這些序列的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。李萬臣等[8]提出了將限幅技術和SLM算法相結合的方法，利用限幅技術彌補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能取得良好的優(yōu)化效果。季策等[10]對利用轉換向量對SLM算法進行改進，將信號序列二等分，一部分與轉換向量相乘后進行循環(huán)卷積，另一部分進行隨機序列篩選，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SLM算法改進上，而不同序列數及不同調制方式對SLM算法的影響尚沒有發(fā)現相關對比分析的文章。因此，本文搭建MIMO-OFDM系統(tǒng)仿真模型，實現并對比分析了不同序列數和不同調制方式對SLM算法的影響。

4 結語

MIMO-OFDM系統(tǒng)的高PAPR導致系統(tǒng)性能嚴重下降，一直以來PAPR問題都被學術界較為關注，到目前為止，相關的研究人員已經提出了多種MIMO-OFDM系統(tǒng)中PAPR的抑制技術。本文針對概率類技術中的SLM算法進行研究，主要完成了對MIMO-OFDM仿真系統(tǒng)模型的搭建和仿真;對SLM算法不同參數情況下的仿真結果進行對比分析，其中包括不同序列數和不同調制方式的仿真結果分析。結果表明為了更好地提高MIMO-OFDM系統(tǒng)的性能，使用SLM算法時，對序列數和調制方式的選擇方面需要謹慎。而SLM算法與其他降低PAPR的算法的抉擇問題，還有待后續(xù)研究。

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（責任編輯：曾 晶）