本文關(guān)鍵詞：多載波通信系統(tǒng)中峰均功率比優(yōu)化算法研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：多載波通信技術(shù)因其能在多徑衰落環(huán)境中高速傳輸數(shù)據(jù)并且有效的利用頻譜資源而受到廣泛的關(guān)注。目前,以正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)為代表的多載波技術(shù)已經(jīng)成為第四代移動(dòng)通信的核心技術(shù)并被成功地應(yīng)用于許多無(wú)線通信領(lǐng)域。而將多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)技術(shù)和OFDM技術(shù)相結(jié)合的MIMO OFDM系統(tǒng)因其能在不增加帶寬和發(fā)射功率的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的信道容量和頻譜利用率而被許多通信標(biāo)準(zhǔn)所采納,例如IEEE 802.11 (WLAN)和IEEE 802.16 (WiMAX)。在MIMO OFDM系統(tǒng)中作用于各子載波上的波束成形(Beamforming)技術(shù)能夠進(jìn)一步降低無(wú)線衰落信道的影響并且使系統(tǒng)達(dá)到最大的接收信噪比,從而使得系統(tǒng)具有更好的性能。然而,OFDM技術(shù)中過(guò)高的峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)問(wèn)題是制約該技術(shù)發(fā)展的主要因素之一,特別是在波束成形MIMO OFDM系統(tǒng)中,由于波束成形編碼的影響,該問(wèn)題尤為嚴(yán)重。過(guò)高的峰均功率比需要配備具有足夠大線性動(dòng)態(tài)范圍的功率放大器來(lái)避免帶外輻射和信號(hào)失真,然而,線性功率放大器功率效率較低并且成本較高,尤其在基站配置大規(guī)模(massive)數(shù)量的天線時(shí),該問(wèn)題成為亟待解決的問(wèn)題。本文首先介紹了多載波通信系統(tǒng)存在的峰均功率比問(wèn)題,在充分回顧該問(wèn)題研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究單天線OFDM系統(tǒng)、波束成形多天線OFDM系統(tǒng)和大規(guī)模多天線波束成形OFDM系統(tǒng)的峰均功率比優(yōu)化算法,主要貢獻(xiàn)有：(1)基于限幅的預(yù)留載波法是一種非常有效的降低OFDM系統(tǒng)峰均功率比的方法。該方法的目標(biāo)是找到逼近限幅噪聲的最優(yōu)峰值抵消信號(hào),從而當(dāng)該峰值抵消信號(hào)與原信號(hào)相減時(shí)可以降低原信號(hào)的峰值。本文首先針對(duì)傳統(tǒng)限幅預(yù)留載波法中峰值抵消信號(hào)幅值過(guò)小問(wèn)題,提出一種新的尺度放大因子優(yōu)化函數(shù)。其次,針對(duì)傳統(tǒng)限幅預(yù)留載波方法中由于限幅閡值固定而導(dǎo)致的峰均比抑制能力受限的問(wèn)題,提出了一個(gè)聯(lián)合優(yōu)化限幅閾值和峰值抵消信號(hào)的代價(jià)函數(shù),該代價(jià)函數(shù)能夠在限制限幅閾值較小的情況下得到最優(yōu)的峰值抵消信號(hào),從而大幅度的降低友送信號(hào)的峰均比。同時(shí),我們發(fā)現(xiàn)在限幅閾值與峰值抵消信虧聯(lián)合優(yōu)化的過(guò)程中,限幅信號(hào)依賴于峰值抵消信號(hào)而非一個(gè)常數(shù),基于此發(fā)現(xiàn)本文提出了一種新的循環(huán)迭代算法來(lái)更新限幅閾值并得到相對(duì)應(yīng)的最優(yōu)峰值抵消信號(hào)。與目前最先進(jìn)的限幅預(yù)留載波方法相比,本文提出的方法可以在計(jì)算復(fù)雜度基本不變的基礎(chǔ)上大幅度地降低系統(tǒng)的峰均比。(2)加權(quán)預(yù)留載波方法是有效降低OFDM系統(tǒng)峰均功率比的另一種思路。加權(quán)預(yù)留載波方法在獲得峰值抵消信號(hào)時(shí)采用加權(quán)優(yōu)化算法,并根據(jù)發(fā)送信號(hào)幅值的高低分配不同的權(quán)重,其優(yōu)點(diǎn)是可以使得限幅噪聲的峰值部分得到更好的近似從而達(dá)到對(duì)原信號(hào)峰值部分的深度抑制。然而,傳統(tǒng)方法在實(shí)現(xiàn)該思路中往往存在以下缺點(diǎn)：一是權(quán)重選取的隨意性導(dǎo)致優(yōu)化程度不高；二是在降低某一處峰值的同時(shí)沒(méi)有考慮其它地方出現(xiàn)新的峰值的可能性。這些都較為嚴(yán)重地限制了其降低PAPR的性能。本文首先對(duì)權(quán)重的選取進(jìn)行了深入探討,得出了有效降低PAPR的權(quán)重選取準(zhǔn)則。進(jìn)而又提出了一種新的優(yōu)化函數(shù),該優(yōu)化函數(shù)保證了限幅噪聲的峰值部分得到較好近似的同時(shí)通過(guò)加入精心設(shè)計(jì)的懲罰項(xiàng)來(lái)抑制非峰值部分的功率增加。另外,本文還提出了一種迭代加權(quán)預(yù)留載波法,并且推導(dǎo)出每次迭代時(shí)的最優(yōu)限幅閾值和峰值抵消信號(hào)的表達(dá)式。實(shí)驗(yàn)表明本文提出的新方法與傳統(tǒng)方法相比在降低系統(tǒng)PAPR方面有大幅的性能提升。(3)在波束成形MIMO OFDM系統(tǒng)中通過(guò)調(diào)整波束成形器的權(quán)值來(lái)降低系統(tǒng)的峰均比是一種新近提出的較理想的途徑。但目前已有的波束成形器調(diào)整方法缺乏對(duì)接收端信噪比的深入研究,對(duì)降低PAPR和提升信噪比的相互制約機(jī)制尚不清楚,因而只能試探性的通過(guò)改變某些高信噪比載波所對(duì)應(yīng)的波束成形器權(quán)值來(lái)降低PAPR,這會(huì)導(dǎo)致某些子載波處的接收信噪比嚴(yán)重降低從而增加系統(tǒng)的誤碼率。本文利用信道矩陣的奇異值分解得到了一個(gè)生成波束成形器的全新框架。在此框架下可以明確得到峰均比與接收端信噪比之間的關(guān)系,從而提出了一種最大化接收端信噪比的峰均比降低波束成形預(yù)編碼方法,該方法能在顯著降低發(fā)送信號(hào)峰均比的同時(shí)保證系統(tǒng)的接收端信噪比接近最優(yōu)值。(4)目前公認(rèn)的下一代無(wú)線通信(5G)的核心技術(shù)是大規(guī)模(massive)多天線技術(shù)。大規(guī)模多天線是指在基站配置上百個(gè)天線來(lái)成倍地增加系統(tǒng)的頻譜利用率和能量效率。為了避免信號(hào)失真而在每個(gè)天線所配置的高成本的功率放大器將成為大規(guī)模多天線技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)所面臨的問(wèn)題之一。由于大規(guī)模天線的使用將增加傳統(tǒng)峰均比降低方法的復(fù)雜度,因此本文還重點(diǎn)研究了針對(duì)大規(guī)模多天線OFDM系統(tǒng)的低復(fù)雜度峰均比降低波束成形方法。本文研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于最大速率傳輸波束成形器相位信息的改變能用于有效的降低峰均比而并不影響系統(tǒng)的接收端信噪比,基于此本文提出了一種基于相位旋轉(zhuǎn)的低復(fù)雜度峰均比降低方法。該方法可以在較低計(jì)算復(fù)雜度的基礎(chǔ)上達(dá)到對(duì)峰均比深度的抑制同時(shí)保證系統(tǒng)的接收信噪比最大從而提高系統(tǒng)的性能。
【關(guān)鍵詞】：正交頻分復(fù)用 多輸入多輸出 預(yù)留載波 加權(quán)最小二乘 波束成形 最大速率傳輸 最大速率組合 大規(guī)模天線系統(tǒng)
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN929.53
【目錄】：

• 中文摘要3-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-28
• 1.1 課題研究背景及意義11-12
• 1.2 多載波通信系統(tǒng)中峰均功率比問(wèn)題概述12-19
• 1.2.1 多載波通信系統(tǒng)概述12-13
• 1.2.2 正交頻分復(fù)用(OFDM)系統(tǒng)13-14
• 1.2.3 多載波通信系統(tǒng)峰均功率比問(wèn)題14-16
• 1.2.4 功率放大器模型16-19
• 1.3 多載波系統(tǒng)峰均比降低方法概述19-26
• 1.3.1 單天線OFDM系統(tǒng)峰均比降低方法19-24
• 1.3.2 多天線波束成形系統(tǒng)峰均比降低方法24-25
• 1.3.3 大規(guī)模多天線波束成形系統(tǒng)峰均比降低方法25-26
• 1.4 論文主要研究?jī)?nèi)容與貢獻(xiàn)26-27
• 1.5 論文章節(jié)安排27-28
• 第二章 基于限幅的預(yù)留載波峰均比抑制方法28-50
• 2.1 引言28-29
• 2.2 基于限幅的預(yù)留載波法29-34
• 2.2.1 傳統(tǒng)的基于限幅的預(yù)留載波法29-31
• 2.2.2 基于尺度放大的限幅預(yù)留載波方法31-32
• 2.2.3 改進(jìn)的基于尺度放大的限幅預(yù)留載波法32-34
• 2.3 基于最優(yōu)限幅閾值的預(yù)留載波法34-49
• 2.3.1 聯(lián)合優(yōu)化限幅閾值與峰值抵消信號(hào)的預(yù)留載波法原理34-35
• 2.3.2 聯(lián)合優(yōu)化限幅閾值與峰值抵消信號(hào)的預(yù)留載波法性能分析35-37
• 2.3.3 聯(lián)合優(yōu)化限幅閾值與峰值抵消信號(hào)的預(yù)留載波法的實(shí)現(xiàn)37-42
• 2.3.4 算法仿真結(jié)果分析42-49
• 2.4 本章小結(jié)49-50
• 第三章 加權(quán)預(yù)留載波抑制峰均功率比方法50-71
• 3.1 引言50
• 3.2 加權(quán)預(yù)留載波抑制峰均功率比方法50-54
• 3.2.1 基于最小二乘優(yōu)化的限幅預(yù)留載波法51-52
• 3.2.2 基于加權(quán)最小二乘優(yōu)化的限幅預(yù)留載波法52-54
• 3.3 改進(jìn)的加權(quán)最小二乘預(yù)留載波抑制峰均比方法54-64
• 3.3.1 基于再生峰值抑制的加權(quán)預(yù)留載波法54-59
• 3.3.2 最佳權(quán)值的選擇59-60
• 3.3.3 算法實(shí)現(xiàn)及仿真結(jié)果分析60-64
• 3.4 迭代加權(quán)最小二乘預(yù)留載波法64-70
• 3.4.1 迭代加權(quán)最小二乘預(yù)留載波法原理64-67
• 3.4.2 迭代加權(quán)最小二乘預(yù)留載波法實(shí)現(xiàn)算法67-68
• 3.4.3 實(shí)驗(yàn)仿真與算法分析68-70
• 3.5 本章小結(jié)70-71
• 第四章 多天線波束成形多載波通信系統(tǒng)中峰均比優(yōu)化算法71-87
• 4.1 引言71-72
• 4.2 多天線波束成形多載波通信系統(tǒng)描述72-74
• 4.2.1 系統(tǒng)模型72-73
• 4.2.2 最大速率傳輸波束成形技術(shù)73-74
• 4.3 多天線波束成形多載波通信系統(tǒng)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 新的基于信道奇異值分解的波束成形器表達(dá)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 仿真結(jié)果與分析80-86
• 4.5 本章小結(jié)86-87
• 第五章 大規(guī)模多天線多載波通信系統(tǒng)中峰均比優(yōu)化算法87-98
• 5.1 引言87-88
• 5.2 大規(guī)模多天線多載波通信系統(tǒng)峰均比88-90
• 5.2.1 大規(guī)模多天線多載波通信系統(tǒng)的系統(tǒng)模型88-89
• 5.2.2 大規(guī)模多天線多載波通信系統(tǒng)峰均比89-90
• 5.3 基于相位旋轉(zhuǎn)的峰均比降低算法90-97
• 5.3.1 基于相位旋轉(zhuǎn)的峰均比降低算法原理90-91
• 5.3.2 基于相位旋轉(zhuǎn)的梯度下降峰均比抑制算法91-93
• 5.3.3 基于相位旋轉(zhuǎn)的低復(fù)雜度梯度下降峰均比抑制算法93-95
• 5.3.4 仿真結(jié)果與分析95-97
• 5.4 本章小結(jié)97-98
• 第六章 總結(jié)與展望98-100
• 6.1 總結(jié)98-99
• 6.2 展望99-100
• 參考文獻(xiàn)100-107
• 在學(xué)期間的研究成果107-108
• 致謝108

【共引文獻(xiàn)】

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5 寧群,張祖峰;行列式映射唯一性的一個(gè)證明[J];大學(xué)數(shù)學(xué);2005年02期

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  本文關(guān)鍵詞：多載波通信系統(tǒng)中峰均功率比優(yōu)化算法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：406083