OFDM系统中峰均功率比和带外辐射联合压抑的算法研究

作     者：刘爽 

作者单位：江苏科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王亚军

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：峰均功率比 带外辐射 正交频分复用系统 线性交替方向乘子法 

摘      要：正交频分复用(Orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)技术属于多载波传输方法的一种,用于Wi Fi、长期演进(Long term evolution,LTE)和Wi MAX等通信标准中。OFDM技术因其高数据传输速率、抗多径衰落和灵活扩展等多方面的优势而被广泛应用。但是它具有两个明显缺点,第一是由于其高频谱旁瓣而产生的带外(Out-of-band,OOB)辐射问题。过高的带外辐射会对相邻信道的用户造成干扰,降低通信质量。第二是由于子载波的叠加导致信号峰值功率升高而产生的峰均功率比(Peak-to-average power ratio,PAPR)问题。高峰均比信号会超出功率放大器的线性区域导致信号失真,从而接收端的误码率(Bit error ratio,BER)升高。本文针对上述问题建立不同的优化模型,并提出三种算法来求解问题模型。(1)利用循环前缀(Cyclic prefix,CP)和保护子载波提供的自由度(Degree of freedom,DOF)来构建联合抑制PAPR和OOB辐射的优化模型。通过参数λ将信号的峰值功率和OOB辐射结合作为最小化的目标函数,添加抑制信号来降低PAPR和OOB辐射,并设置功率阈值作为约束得到问题模型。在交替方向乘子法(Alternative direction method of multipliers,ADMM)的基础上,设计ADMM-Based算法来求解模型。仿真表明,ADMM-Based算法有效降低PAPR和OOB辐射,同时误码率和复杂度都较低。(2)将上述模型中的峰值功率改为峰均比放到约束中且恒等一个常数。建立以信号的OOB辐射为目标函数,PAPR为定值、抑制信号的功率作为约束的PAPR和OOB辐射联合优化模型。设计线性化的交替方向乘子(Linearized alternative direction method of multipliers,LADMM)算法进行模型求解,线性化方法可以防止ADMM算法中的矩阵求逆运算,减少计算量。仿真结果表明,LADMM算法有更低的计算复杂度、PAPR和带外辐射,同时保持优异的BER性能和收敛速度。(3)在LADMM算法模型中引入两个辅助变量对约束进行放松,将原来的优化模型变为松弛优化模型,提出线性化交替方向乘子法松弛(Linearized alternative direction method of multipliers relaxation,LADMM-relax)算法进行模型求解。随着辅助变量的引入,算法的收敛速度得到提高。与其他算法相比,在选择合适参数后,LADMM-relax算法的PAPR和OOB辐射最小,并且没有产生带内失真,最接近原始状态下(不经过功率放大器)的BER性能。最后还验证了LADMM-relax算法在存在信道估计误差情况下仍然保持最低的误码率,对系统中的负面因素具有较好的鲁棒性。