多载波通信系统中峰均功率比优化算法研究

发布时间：2017-05-30 01:10

  本文关键词：多载波通信系统中峰均功率比优化算法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：多载波通信技术因其能在多径衰落环境中高速传输数据并且有效的利用频谱资源而受到广泛的关注。目前,以正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)为代表的多载波技术已经成为第四代移动通信的核心技术并被成功地应用于许多无线通信领域。而将多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)技术和OFDM技术相结合的MIMO OFDM系统因其能在不增加带宽和发射功率的情况下成倍地提高通信系统的信道容量和频谱利用率而被许多通信标准所采纳,例如IEEE 802.11 (WLAN)和IEEE 802.16 (WiMAX)。在MIMO OFDM系统中作用于各子载波上的波束成形(Beamforming)技术能够进一步降低无线衰落信道的影响并且使系统达到最大的接收信噪比,从而使得系统具有更好的性能。然而,OFDM技术中过高的峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)问题是制约该技术发展的主要因素之一,特别是在波束成形MIMO OFDM系统中,由于波束成形编码的影响,该问题尤为严重。过高的峰均功率比需要配备具有足够大线性动态范围的功率放大器来避免带外辐射和信号失真,然而,线性功率放大器功率效率较低并且成本较高,尤其在基站配置大规模(massive)数量的天线时,该问题成为亟待解决的问题。本文首先介绍了多载波通信系统存在的峰均功率比问题,在充分回顾该问题研究现状的基础上,重点研究单天线OFDM系统、波束成形多天线OFDM系统和大规模多天线波束成形OFDM系统的峰均功率比优化算法,主要贡献有：(1)基于限幅的预留载波法是一种非常有效的降低OFDM系统峰均功率比的方法。该方法的目标是找到逼近限幅噪声的最优峰值抵消信号,从而当该峰值抵消信号与原信号相减时可以降低原信号的峰值。本文首先针对传统限幅预留载波法中峰值抵消信号幅值过小问题,提出一种新的尺度放大因子优化函数。其次,针对传统限幅预留载波方法中由于限幅阂值固定而导致的峰均比抑制能力受限的问题,提出了一个联合优化限幅阈值和峰值抵消信号的代价函数,该代价函数能够在限制限幅阈值较小的情况下得到最优的峰值抵消信号,从而大幅度的降低友送信号的峰均比。同时,我们发现在限幅阈值与峰值抵消信亏联合优化的过程中,限幅信号依赖于峰值抵消信号而非一个常数,基于此发现本文提出了一种新的循环迭代算法来更新限幅阈值并得到相对应的最优峰值抵消信号。与目前最先进的限幅预留载波方法相比,本文提出的方法可以在计算复杂度基本不变的基础上大幅度地降低系统的峰均比。(2)加权预留载波方法是有效降低OFDM系统峰均功率比的另一种思路。加权预留载波方法在获得峰值抵消信号时采用加权优化算法,并根据发送信号幅值的高低分配不同的权重,其优点是可以使得限幅噪声的峰值部分得到更好的近似从而达到对原信号峰值部分的深度抑制。然而,传统方法在实现该思路中往往存在以下缺点：一是权重选取的随意性导致优化程度不高；二是在降低某一处峰值的同时没有考虑其它地方出现新的峰值的可能性。这些都较为严重地限制了其降低PAPR的性能。本文首先对权重的选取进行了深入探讨,得出了有效降低PAPR的权重选取准则。进而又提出了一种新的优化函数,该优化函数保证了限幅噪声的峰值部分得到较好近似的同时通过加入精心设计的惩罚项来抑制非峰值部分的功率增加。另外,本文还提出了一种迭代加权预留载波法,并且推导出每次迭代时的最优限幅阈值和峰值抵消信号的表达式。实验表明本文提出的新方法与传统方法相比在降低系统PAPR方面有大幅的性能提升。(3)在波束成形MIMO OFDM系统中通过调整波束成形器的权值来降低系统的峰均比是一种新近提出的较理想的途径。但目前已有的波束成形器调整方法缺乏对接收端信噪比的深入研究,对降低PAPR和提升信噪比的相互制约机制尚不清楚,因而只能试探性的通过改变某些高信噪比载波所对应的波束成形器权值来降低PAPR,这会导致某些子载波处的接收信噪比严重降低从而增加系统的误码率。本文利用信道矩阵的奇异值分解得到了一个生成波束成形器的全新框架。在此框架下可以明确得到峰均比与接收端信噪比之间的关系,从而提出了一种最大化接收端信噪比的峰均比降低波束成形预编码方法,该方法能在显著降低发送信号峰均比的同时保证系统的接收端信噪比接近最优值。(4)目前公认的下一代无线通信(5G)的核心技术是大规模(massive)多天线技术。大规模多天线是指在基站配置上百个天线来成倍地增加系统的频谱利用率和能量效率。为了避免信号失真而在每个天线所配置的高成本的功率放大器将成为大规模多天线技术在实际应用时所面临的问题之一。由于大规模天线的使用将增加传统峰均比降低方法的复杂度,因此本文还重点研究了针对大规模多天线OFDM系统的低复杂度峰均比降低波束成形方法。本文研究发现对于最大速率传输波束成形器相位信息的改变能用于有效的降低峰均比而并不影响系统的接收端信噪比,基于此本文提出了一种基于相位旋转的低复杂度峰均比降低方法。该方法可以在较低计算复杂度的基础上达到对峰均比深度的抑制同时保证系统的接收信噪比最大从而提高系统的性能。
【关键词】：正交频分复用 多输入多输出 预留载波 加权最小二乘 波束成形 最大速率传输 最大速率组合 大规模天线系统
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.53
【目录】：

• 中文摘要3-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-28
• 1.1 课题研究背景及意义11-12
• 1.2 多载波通信系统中峰均功率比问题概述12-19
• 1.2.1 多载波通信系统概述12-13
• 1.2.2 正交频分复用(OFDM)系统13-14
• 1.2.3 多载波通信系统峰均功率比问题14-16
• 1.2.4 功率放大器模型16-19
• 1.3 多载波系统峰均比降低方法概述19-26
• 1.3.1 单天线OFDM系统峰均比降低方法19-24
• 1.3.2 多天线波束成形系统峰均比降低方法24-25
• 1.3.3 大规模多天线波束成形系统峰均比降低方法25-26
• 1.4 论文主要研究内容与贡献26-27
• 1.5 论文章节安排27-28
• 第二章 基于限幅的预留载波峰均比抑制方法28-50
• 2.1 引言28-29
• 2.2 基于限幅的预留载波法29-34
• 2.2.1 传统的基于限幅的预留载波法29-31
• 2.2.2 基于尺度放大的限幅预留载波方法31-32
• 2.2.3 改进的基于尺度放大的限幅预留载波法32-34
• 2.3 基于最优限幅阈值的预留载波法34-49
• 2.3.1 联合优化限幅阈值与峰值抵消信号的预留载波法原理34-35
• 2.3.2 联合优化限幅阈值与峰值抵消信号的预留载波法性能分析35-37
• 2.3.3 联合优化限幅阈值与峰值抵消信号的预留载波法的实现37-42
• 2.3.4 算法仿真结果分析42-49
• 2.4 本章小结49-50
• 第三章 加权预留载波抑制峰均功率比方法50-71
• 3.1 引言50
• 3.2 加权预留载波抑制峰均功率比方法50-54
• 3.2.1 基于最小二乘优化的限幅预留载波法51-52
• 3.2.2 基于加权最小二乘优化的限幅预留载波法52-54
• 3.3 改进的加权最小二乘预留载波抑制峰均比方法54-64
• 3.3.1 基于再生峰值抑制的加权预留载波法54-59
• 3.3.2 最佳权值的选择59-60
• 3.3.3 算法实现及仿真结果分析60-64
• 3.4 迭代加权最小二乘预留载波法64-70
• 3.4.1 迭代加权最小二乘预留载波法原理64-67
• 3.4.2 迭代加权最小二乘预留载波法实现算法67-68
• 3.4.3 实验仿真与算法分析68-70
• 3.5 本章小结70-71
• 第四章 多天线波束成形多载波通信系统中峰均比优化算法71-87
• 4.1 引言71-72
• 4.2 多天线波束成形多载波通信系统描述72-74
• 4.2.1 系统模型72-73
• 4.2.2 最大速率传输波束成形技术73-74
• 4.3 多天线波束成形多载波通信系统中的峰均功率比74-75
• 4.4 基于最大化接收信噪比的峰均比降低算法75-86
• 4.4.1 新的基于信道奇异值分解的波束成形器表达框架76-78
• 4.4.2 基于最大化接收信噪比的峰均比降低算法78-80
• 4.4.3 仿真结果与分析80-86
• 4.5 本章小结86-87
• 第五章 大规模多天线多载波通信系统中峰均比优化算法87-98
• 5.1 引言87-88
• 5.2 大规模多天线多载波通信系统峰均比88-90
• 5.2.1 大规模多天线多载波通信系统的系统模型88-89
• 5.2.2 大规模多天线多载波通信系统峰均比89-90
• 5.3 基于相位旋转的峰均比降低算法90-97
• 5.3.1 基于相位旋转的峰均比降低算法原理90-91
• 5.3.2 基于相位旋转的梯度下降峰均比抑制算法91-93
• 5.3.3 基于相位旋转的低复杂度梯度下降峰均比抑制算法93-95
• 5.3.4 仿真结果与分析95-97
• 5.4 本章小结97-98
• 第六章 总结与展望98-100
• 6.1 总结98-99
• 6.2 展望99-100
• 参考文献100-107
• 在学期间的研究成果107-108
• 致谢108

【共引文献】

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  本文关键词：多载波通信系统中峰均功率比优化算法研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：406083