一種大規模MIMO‑OFDM的峰均功率比降低系統及其方法與流程

2023-06-14 13:12:46 2

本發明涉及無線通信
技術領域：
，特別是涉及一種大規模mimo-ofdm的峰均功率比降低系統及其方法。
背景技術：
：mimo技術能夠在不增加傳輸信道帶寬的條件下成倍的提高無線信道的容量，因而被認為是現代通信技術中的重大突破之一，大規模mimo作為傳統mimo技術的延伸,可以大幅度提升吞吐率和能量效率，並被認為是5g的關鍵技術之一。ofdm技術作為一種多載波數字調製技術，採用頻分復用的方法有效的利用了頻譜，同時將ofdm技術將信道分成若干正交子信道，每個子信道上的信號帶寬小於信道的相關帶寬，因此每個子信道上可以看成平坦性衰落，從而可以消除碼間串擾。因此，ofdm技術也因其高頻譜效率和抗碼間串擾特性而被廣泛應用於無線通信中。基於ofdm技術的大規模mimo系統(mimo-ofdm)是5g的一項重要技術，它一方面利用mimo提高頻譜效率，另一方面又利用ofdm均衡技術克服了頻率選擇性衰落。然而，要把ofdm技術和mimo多天線技術高效地結合尚需要解決一些問題，其中在信號處理方面要解決問題包括：發端信號如何合理預處理、收端信號如何檢測、ofdm子載波分配等問題，這些都是預編碼技術研究內容，因此說基於mimo-ofdm系統的預編碼也是新一代無線通信中的非常重要技術。對於常規mimo系統，可以使用非線性和線性預編碼技術，但對於大規模mimo-ofdm系統，在大規模mimo系統中，線性預編碼技術不僅複雜度更低且性能更優。同時，規模mimo-ofdm系統還面臨著一個問題，即ofdm多載波引起的高峰均功率比papr。技術實現要素：本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種大規模mimo-ofdm的峰均功率比降低系統及其方法，利用預編碼技術，降低了信道引起的發射端各信號相互的幹擾，確保可靠通信；同時加權係數在不造成信號畸變的情況下，有效的降低了系統的papr。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種大規模mimo-ofdm的峰均功率比降低系統，包括信號矩陣輸入端、預編碼變換模塊、ifft變換模塊、papr計算模塊、寄存模塊、判決模塊、信號選擇模塊和信號矩陣輸出端；信號矩陣輸入端依次通過預編碼變換模塊、ifft變換模塊與papr計算模塊連接；papr計算模塊的輸出端分別於判決模塊和信號選擇模塊連接，判決模塊的輸出端也與信號選擇模塊連接；所述信號選擇模塊的輸出端分別於寄存模塊和信號矩陣輸出端連接；所述寄存模塊的輸出端分別於判決模塊和信號選擇模塊連接；所述預編碼變換模塊，用於採用匹配濾波方式獲取初始的預編碼矩陣，對初始的預編碼矩陣進行分組，並利用不同的係數集合對分組後的預編碼矩陣進行加權，實現輸入信號矩陣的預編碼變換；具體地，所述預編碼變換模塊包括預編碼子模塊、分組子模塊和係數集合子模塊；所述信號矩陣輸入端通過預編碼子模塊與ifft變換模塊連接；預編碼子模塊還分別與分組子模塊和係數集合子模塊連接；預編碼子模塊，用於採用匹配濾波方式獲取初始的預編碼矩陣，並在分組子模塊和係數集合子模塊對初始預編碼矩陣進行處理，得到新的預編碼矩陣後，利用新的預編碼矩陣對輸入的信號矩陣進行預編碼變換；分組模塊，用於對初始預編碼矩陣對應的各個載波進行分組；係數集合子模塊，用於依次選擇各個係數集合，對分組後的初始預編碼矩陣進行加權，得到新的預編碼矩陣。所述ifft變換模塊，用於對預編碼轉換得到的矩陣進行快速傅立葉逆變換；所述papr計算模塊，用於根據快速傅立葉逆變換得到的信號矩陣計算對應的峰均功率比papr；所述寄存模塊，用於保存初始的信號矩陣，並在接收到信號選擇模塊傳輸的新信號矩陣時，用接收到的新信號矩陣替換初始的信號矩陣，實現信號矩陣的更新；所述判決模塊，用於將寄存模塊中當前保存的信號矩陣的papr與papr計算模塊得到的papr進行比較；所述信號選擇模塊，用於根據判決模塊的比較結果，實現寄存模塊中存儲的信號矩陣更新；並實現最終的信號矩陣輸出。具體地，所述的信號選擇模塊包括：選擇子模塊，用於在寄存模塊中信號矩陣的papr不大於papr時，保持寄存模塊存儲的信號矩陣不變；在寄存模塊中信號矩陣的papr大於papr時，將預編碼變換模塊得到的信號矩陣傳輸給寄存模塊，實現寄存模塊存儲的信號矩陣更新；輸出子模塊，用於在所有的係數集合選擇完畢後，信號選擇模塊輸出最終的信號矩陣到信號矩陣輸出端。所述的一種大規模mimo-ofdm的峰均功率比降低系統的降低方法，包括以下步驟：s1.預編碼變換模塊根據矩陣輸入端輸入信號矩陣x，採用匹配濾波方式獲取預編碼矩陣，以降低各信號之間的相互幹擾：設mimo-ofdm系統中信號的第k個載波x(k)對應的信道矩陣為w(k)，則對應的預編碼矩陣為其共軛轉置：h(k)＝wh(k)，其中，mimo-ofdm系統中信號的第k個載波x(k)即信號矩陣x的第k列，k＝1，2，…，n；n表示信號矩陣x的總列數；s2.預編碼變換模塊將信號矩陣x中各列對應的h(k)平均分為k組，每組包含個預編碼矩陣h(k)；s3.隨機給出imax組不同的係數集合係數集合中每個係數為隨機產生或任意選取的相位因子；預編碼變換模塊選定一個係數集合利用該係數集合中的各個係數對h(k)進行加權變換，相位因子不會導致信號發生畸變，得到新的預編碼矩陣為hi(k)：其中，i表示預編碼變換模塊第i次選擇的係數集合；s4.利用預編碼矩陣hi(k)對輸入的信號矩陣x的每一列進行預編碼，得到矩陣xi：xi(k)＝hi(k)x(k)；其中，xi(k)表示矩陣xi的第k列信號；s5.ifft變換模塊對xi每一行進行快速傅立葉逆變換得到矩陣xi：xi＝(ifft(xi1),ifft(xi2),...ifft(xim))t；其中，m為信號矩陣xi的行數，其對應於輸入信號矩陣x相應的輸入天線的數目；s6.papr計算模塊計算矩陣xi的papr：對於xi的每一行分別求其對應的paprxit，paprxit表示矩陣xi中第t行對應的papr，其中1≤t≤m；取各行中最大的papr作為矩陣xi的papr，即：矩陣xi的papr即矩陣xi對應的papr，也稱之為mimo-ofdm系統的papr；s7.判決模塊比較寄存模塊中存儲的信號矩陣對應的papr和矩陣xi對應的papr；設寄存模塊中存儲的信號矩陣為x'，x'對應的papr為paprx'，在比較判決過程中：若則信號矩陣x'保持不變；若則更新信號矩陣x'＝xi；信號選擇模型將新的信號矩陣x'反饋保存在寄存模塊中；s8.返回步驟s3，選擇另一個係數集合，重複s3～s8步驟，直至所有的係數集合選擇完畢後，信號選擇模塊輸出最終的信號矩陣x'到信號矩陣輸出端。具體地，所述步驟s8包括以下子步驟：更新i的值，令i＝i+1；判斷更新後的i是否大於係數集合的數目imax；若i＞imax,信號選擇模塊輸出信號矩陣x'到信號矩陣輸出端；若i≤imax,返回步驟s3，選擇另一個係數集合，重複s3～s8步驟。所述寄存模塊中存儲的信號矩陣x'所對應的paprx'，在進行寄存模塊中信號矩陣x'初始設置時同步保存，並在進行信號矩陣x'更新時同步更新。本發明的有益效果是：利用預編碼技術，降低了信道引起的發射端各信號相互的幹擾，確保可靠通信；同時加權係數在不造成信號畸變的情況下，有效的降低了系統的papr。附圖說明圖1為本發明的系統原理框圖；圖2為本發明的方法流程圖；圖3為本發明實施例中信號papr的ccdf曲線仿真圖。具體實施方式下面結合附圖進一步詳細描述本發明的技術方案，但本發明的保護範圍不局限於以下所述。如圖1所示，一種大規模mimo-ofdm的峰均功率比降低系統，包括信號矩陣輸入端、預編碼變換模塊、ifft變換模塊、papr(峰均功率比)計算模塊、寄存模塊、判決模塊、信號選擇模塊和信號矩陣輸出端；信號矩陣輸入端依次通過預編碼變換模塊、ifft變換模塊與papr計算模塊連接；papr計算模塊的輸出端分別於判決模塊和信號選擇模塊連接，判決模塊的輸出端也與信號選擇模塊連接；所述信號選擇模塊的輸出端分別於寄存模塊和信號矩陣輸出端連接；所述寄存模塊的輸出端分別於判決模塊和信號選擇模塊連接；所述預編碼變換模塊，用於採用匹配濾波方式獲取初始的預編碼矩陣，對初始的預編碼矩陣進行分組，並利用不同的係數集合對分組後的預編碼矩陣進行加權，實現輸入信號矩陣的預編碼變換；具體地，所述預編碼變換模塊包括預編碼子模塊、分組子模塊和係數集合子模塊；所述信號矩陣輸入端通過預編碼子模塊與ifft變換模塊連接；預編碼子模塊還分別與分組子模塊和係數集合子模塊連接；預編碼子模塊，用於採用匹配濾波方式獲取初始的預編碼矩陣，並在分組子模塊和係數集合子模塊對初始預編碼矩陣進行處理，得到新的預編碼矩陣後，利用新的預編碼矩陣對輸入的信號矩陣進行預編碼變換；分組模塊，用於對初始預編碼矩陣對應的各個載波進行分組；係數集合子模塊，用於依次選擇各個係數集合，對分組後的初始預編碼矩陣進行加權，得到新的預編碼矩陣。所述ifft變換模塊，用於對預編碼轉換得到的矩陣進行快速傅立葉逆變換；所述papr計算模塊，用於根據快速傅立葉逆變換得到的信號矩陣計算對應的峰均功率比papr；所述寄存模塊，用於保存初始的信號矩陣，並在接收到信號選擇模塊傳輸的新信號矩陣時，用接收到的新信號矩陣替換初始的信號矩陣，實現信號矩陣的更新；所述判決模塊，用於將寄存模塊中當前保存的信號矩陣的papr與papr計算模塊得到的papr進行比較；所述信號選擇模塊，用於根據判決模塊的比較結果，實現寄存模塊中存儲的信號矩陣更新；並實現最終的信號矩陣輸出。具體地，所述的信號選擇模塊包括：選擇子模塊，用於在寄存模塊中信號矩陣的papr不大於papr時，保持寄存模塊存儲的信號矩陣不變；在寄存模塊中信號矩陣的papr大於papr時，將預編碼變換模塊得到的信號矩陣傳輸給寄存模塊，實現寄存模塊存儲的信號矩陣更新；輸出子模塊，用於在所有的係數集合選擇完畢後，信號選擇模塊輸出最終的信號矩陣到信號矩陣輸出端。如圖2所示，所述的一種大規模mimo-ofdm的峰均功率比降低系統的降低方法，包括以下步驟：s1.預編碼變換模塊根據矩陣輸入端輸入信號矩陣x，採用匹配濾波方式獲取預編碼矩陣，以降低各信號之間的相互幹擾：設mimo-ofdm系統中信號的第k個載波x(k)對應的信道矩陣為w(k)，則對應的預編碼矩陣為其共軛轉置：h(k)＝wh(k)，其中，mimo-ofdm系統中信號的第k個載波x(k)即信號矩陣x的第k列，k＝1，2，…，n；n表示信號矩陣x的總列數；s2.預編碼變換模塊將信號矩陣x中各列對應的h(k)平均分為k組，每組包含個預編碼矩陣h(k)；s3.隨機給出imax組不同的係數集合係數集合中每個係數為隨機產生或任意選取的相位因子；預編碼變換模塊選定一個係數集合利用該係數集合中的各個係數對h(k)進行加權變換，相位因子不會導致信號發生畸變，得到新的預編碼矩陣為hi(k)：其中，i表示預編碼變換模塊第i次選擇的係數集合；s4.利用預編碼矩陣hi(k)對輸入的信號矩陣x的每一列進行預編碼，得到矩陣xi：xi(k)＝hi(k)x(k)；其中，xi(k)表示矩陣xi的第k列信號；s5.ifft變換模塊對xi每一行進行快速傅立葉逆變換得到矩陣xi：xi＝(ifft(xi1),ifft(xi2),...ifft(xim))t；其中，m為信號矩陣xi的行數，其對應於輸入信號矩陣x相應的輸入天線的數目；s6.papr計算模塊計算矩陣xi的papr：對於xi的每一行分別求其對應的paprxit，paprxit表示矩陣xi中第t行對應的papr，其中1≤t≤m；取各行中最大的papr作為矩陣xi的papr，即：矩陣xi的papr即矩陣xi對應的papr，也稱之為mimo-ofdm系統的papr；s7.判決模塊比較寄存模塊中存儲的信號矩陣對應的papr和矩陣xi對應的papr；設寄存模塊中存儲的信號矩陣為x'，x'對應的papr為paprx'，在比較判決過程中：若則信號矩陣x'保持不變；若則更新信號矩陣x'＝xi；信號選擇模型將新的信號矩陣x'反饋保存在寄存模塊中；s8.返回步驟s3，選擇另一個係數集合，重複s3～s8步驟，直至所有的係數集合選擇完畢後，信號選擇模塊輸出最終的信號矩陣x'到信號矩陣輸出端。其中，所述步驟s8包括以下子步驟：更新i的值，令i＝i+1；判斷更新後的i是否大於係數集合的數目imax；若i＞imax,信號選擇模塊輸出信號矩陣x'到信號矩陣輸出端；若i≤imax,返回步驟s3，選擇另一個係數集合，重複s3～s8步驟。所述寄存模塊中存儲的信號矩陣x'所對應的paprx'，在進行寄存模塊中信號矩陣x'初始設置時同步保存，並在進行信號矩陣x'更新時同步更新。並且，在具體實施過程中，寄存模塊中信號矩陣x'初始化設定較大的papr，比如60db。在本申請的實施例中，對本發明進行仿真測試，仿真中的基本設置如下：表一：設置項目設置值發射天線數目20接收天線數目2調製方式qpsk子載波數目64過採樣率4幀數目30000表二：表二中預編碼採用了匹配濾波，矩陣選取為每個載波對應信道w(k)的共軛轉置，即h(k)＝wh(k)。由於分組數為4，即加權係數±1共有16種組合，但只有8組係數集合使得papr有所不同，分別是[1,1,1,1]，[-1,1,1,1]，[1,-1,1,1]，[1,1,-1,1]，[1,1,1,-1]，[-1,-1,1,1]，[-1,1,-1,1]，[1,-1,-1,1]，其餘8組分別對應以上係數組合的反相，故有相同的papr特性。圖3為該實施例中信號papr的ccdf曲線仿真圖，從圖3中可以看到，在係數±1加權以後，系統的papr控制在10db以內，比用原始的預編碼矩陣編碼的信號要好2db，本發明可以明顯地降低大規模mimo-ofdm系統的papr。當前第1頁12