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计算机科学 2023年第6期50卷 261-265页

作者：刘洋薛中会王永全曹永胜华东政法大学智能科学与信息法学系上海201620 上海交通大学智慧法院研究院上海200030 上海出版印刷高等专科学校信息与智能工程系上海200093

针对在图像重建以及语言处理系统等领域有着广泛应用的分裂可行性问题(SFP)的最优化求解,提出了外推加速线性交替方向乘子法。首先将SFP描述为一个具有线性约束的可分离凸极小化问题;然后引进外推线性交替方向乘子法,利用问题的可分离结... 详细信息

针对在图像重建以及语言处理系统等领域有着广泛应用的分裂可行性问题(SFP)的最优化求解,提出了外推加速线性交替方向乘子法。首先将SFP描述为一个具有线性约束的可分离凸极小化问题;然后引进外推线性交替方向乘子法,利用问题的可分离结构,产生了具有闭式解的子问题,并在适当条件下证明了该算法的全局收敛性;最后,通过数值实验验证了该算法的可行性和有效性。

关键词：分裂可行性问题线性交替方向乘子法凸极小化问题外推加速

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基于凸优化的大规模MU-MIMO-OFDM系统峰值平均功率比抑制方法

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江苏科技大学学报（自然科学版） 2023年第5期37卷 58-64,86页

作者：华磊王亚军刘爽江苏科技大学海洋学院镇江212100

为了提高大规模多用户-多输入多输出-正交频分复用系统运行效率以及降低系统硬件花费,将凸优化方法引入MU-MIMO-OFDM系统的下行链路中,从而降低发射信号的峰值平均功率比.首先,将多用户预编码、OFDM调制、降低发射信号PAPR及发射信号功... 详细信息

为了提高大规模多用户-多输入多输出-正交频分复用系统运行效率以及降低系统硬件花费,将凸优化方法引入MU-MIMO-OFDM系统的下行链路中,从而降低发射信号的峰值平均功率比.首先,将多用户预编码、OFDM调制、降低发射信号PAPR及发射信号功率约束建立成数学模型.然后,设计线性交替方向乘子法(linear alternating direction multiplier method,LADMM)求解凸优化问题.仿真结果表明,该方法只需较少的计算复杂度就可在大规模MU-MIMO-OFDM系统中获得很好的降低发射信号峰均比效果,同时具有较低的符号错误率.

关键词：多输入多输出正交频分复用峰值平均功率比线性交替方向乘子法凸优化

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OFDM系统中峰均功率比和带外辐射联合压抑的算法研究

OFDM系统中峰均功率比和带外辐射联合压抑的算法研究

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作者：刘爽江苏科技大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

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Massive MU-MIMO系统预编码设计与优化

Massive MU-MIMO系统预编码设计与优化

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作者：陈珍惠江苏科技大学

学位级别：硕士

最近,随着智能手机和平板电脑的使用,无线网络对高数据速率的需求急剧增加,这使得目前第4代（4G）通信网络的承受能力将到达峰值。因此,需要发展具有更高承载能力的第5代（5G）通信网络。作为5G通信网络系统中的关键技术之一的—大规模... 详细信息

最近,随着智能手机和平板电脑的使用,无线网络对高数据速率的需求急剧增加,这使得目前第4代（4G）通信网络的承受能力将到达峰值。因此,需要发展具有更高承载能力的第5代（5G）通信网络。作为5G通信网络系统中的关键技术之一的—大规模（Massive）多用户（Multi-user）多输入多输出（Multiple-input Multiple-output）（MMU-MIMO）技术,结合了可以同时服务多用户,提供更高的频谱利用率和系统容量的众多优势。然而,大规模天线阵列的使用在获得阵列增益的同时也带来了多用户间干扰（Multi-user interference,MUI）增加。为了平衡阵列增益和MUI之间的矛盾,基站必须对信号进行预编码。通过使用预编码技术,系统既增加了天线阵列增益同时减少了MUI,但是由于预编码的使用也带来了硬件成本的增加和功耗的提高。虽然目前已经提出许多预编码算法,但是其存在计算复杂度过高和精度较差的缺点。因此,本文主要对于低复杂度且高效的预编码算法进行研究。（1）首先本论文介绍了相关的经典预编码算法,然后主要在恒定包络（Constant Envelope,CE）预编码设计基础上设计了一种基于最小均方误差（Minimum Mean-Square Error,MMSE）的1比特数模转换器（Digitial-to-analog-converter,DAC）编码方法。本课题首先设计了一种基于无穷范数平方松弛的1比特DAC的预编码算法,其主要基于加速近端梯度算法（Accelerated proximal gradient method,简称为APGM）,APGM预编码方案以计算效率高的方式解决了无穷范数平方松弛问题,并且在每次迭代只需要简单的矩阵和向量操作,以及无穷范数平方的近端算子的评估。从仿真分析中可以看出:APGM预编码方案可以实现快速迭代和收敛,同时可以有效减小误码率（Bit Error Rate,BER）。（2）为了能够获得更快速且高效的CE预编码,设计了一种基于MMSE的1比特DAC预编码方法,其主要基于线性交替方向乘子（Linear Alternating Direction Multiplier Method,简称为LADMM）算法,其优势主要在于利用线性化技术替换交替方向乘子（Alternating Direction Method of Multipliers,简称为ADMM）算法中子问题中目标函数二次项,其避免了复杂的矩阵求逆。为了提升算法收敛速度和稳定性,本研究引入了平滑参数来进行改进。与现有的方案相比,1比特LADMM编码方案具有更好和相近的BER性能和更低的复杂度。（3）由于当应用1比特DAC预编码算法到高阶调制时,会产生严重的BER性能损失,为此提出了一种多比特DAC预编码方法。与1比特DAC预编码不同的是,多比特DAC预编码可以使DAC产生更复杂的信号,这也导致相应的预编码问题更加难以处理。该多比特预编码还是基于LADMM算法,但是由于其量化要求更高,导致了算法处理难度也增加了很多,为了更精确的求解量化预编码,使用辅助矩阵将量化过程直接添加到算法流程中。通过仿真结果表明:LADMM多比特预编码方案在BER性能上和复杂度上都明显优于已有算法。

关键词：大规模多用户多输入多输出恒定包络预编码 1比特DAC预编码多比特DAC预编码加速近端梯度算法线性交替方向乘子法

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OFDM系统EVM（误差向量幅度）的优化方法研究

OFDM系统EVM（误差向量幅度）的优化方法研究

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作者：王蒙萌江苏科技大学

学位级别：硕士

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术是多载波调制技术的一种。它被广泛的应用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输,具有很强的抗衰落能力和极高的频谱利用率。然而,OFDM调制信号具有较高的峰值平均... 详细信息

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术是多载波调制技术的一种。它被广泛的应用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输,具有很强的抗衰落能力和极高的频谱利用率。然而,OFDM调制信号具有较高的峰值平均功率比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)的特性,并且其包络变化范围较大。当此调制信号经过高功率放大器(High Power Amplifier,HPA)后,会造成严重的带内失真以及带外辐射,从而降低了误码率(Bit Error Ratio,BER)性能和增加了子信道之间的干扰。所以降低PAPR成为OFDM系统最棘手的问题。本文对于以上的问题展开了具体研究。(1)设计了基于线性交替方向乘子(Linearized Alterative Direction Method of Multipliers,LADMM)算法的PAPR优化方法,本文考虑了带有误差向量幅度(Error Vector Magnitude,EVM)约束的PAPR优化问题。通信标准中对带外辐射及带内失真有严格限定。优化过程中通常用空闲子载波满足频谱遮罩的要求来限制带外辐射,用数据子载波的EVM来量化带内失真。为了简化,带外辐射假设为零。二阶锥规划(Second Order Conic Programming,SOCP)算法也曾运用过在EVM约束下最小化OFDM信号中的PAPR。但是此方法的复杂度比较高,因此这种方案在实际系统中并不适用,LADMM算法是一种简单高效的算法。该算法拥有较低的计算复杂度,在每次的迭代过程中只有一组FFT-IFFT的计算量。同时本文证明了LADMM算法的收敛性能并仿真。与现有的算法相比仿真结果表明:LADMM算法不仅获得了较大的PAPR减少,而且大大改善了误码率的性能。(2)设计了OFDM系统基于前向后向切分(Forward-Backward Splitting,FBS)算法的EVM优化方法,与以往的迭代限幅滤波(Iterative Clipping and Filtering,ICF)和优化的迭代限幅滤波(Optimized ICF,OICF)方法比较,ICF算法虽然可以减少带外辐射,但是不能减少带内失真,OICF解决了带内失真的问题,但是计算复杂度又非常的高。并且这两种算法都需要选取最佳的限幅阈值,在现实操作中是很难选取的,因为不同的子载波数和调制方式会严重影响最佳限幅阈值的选择。为了克服预先确定最优限幅阈值的局限性,我们所提出的FBS算法是一种高效迭代的方法,不需要限幅和滤波操作,也不需要选择最优限幅阈值。此算法的计算复杂度和LADMM算法一样低。仿真实验表明:该算法在PAPR和BER方面均优于现有算法。

关键词：误差向量幅度峰值平均功率比正交频分复用系统线性交替方向乘子法前向后向切分法

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