降低大規模mimo-ofdm下行鏈路功峰均比的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于無線通信的信號處理領域，尤其設及在大規模MIM0-0抑M下行鏈路中 降低信號功峰均比（Peak-t〇-AveragePowerRatio,PAPR)的方法。
【背景技術】
[0002] 由于大規模MIM0能夠滿足日益增長的通信速率和容量需求，受到了業界的廣發 關注。因為0抑M技術能很容易地應用到MIM0系統中，MIM0-0抑M已經被默認為下一代無 線通信系統空口方案。0抑M調制是一種把不同數據分別映射到相互正交的子載波上的技 術，能夠有效對抗頻率選擇性衰落且實現簡單，被廣泛應用于各種通信系統，例如；LTE與 WIFI。但是，OFDM調制信號是多個獨立載波的線性疊加，通常具有很高的PAPR，使得OFDM 系統的射頻電路需要一個成本很高的線性放大器。
[000引在傳統的SIS0-0抑M系統中，已有很多成熟的降低PAPR的方法，它們通常在發射 端把原始的高PAH?信號壓縮成一個低PAH?信號發射出去，同時給用戶發射一個能夠正確 解調此信號的附加信息。但是，多用戶MIM0系統中，接收端的用戶不可能協作解調壓縮后 的PAPR信號，因此傳統方法很難拓展到多用戶MIM0系統中。
[0004] 在大規模MIM0系統中，通常基站擁有的天線數遠遠大于所服務的用戶數，該使得 MIM0-0FDM系統的多用戶預編碼約束和OFDM調制能夠聯合建立一個欠定的方程組，使得能 滿足用戶間無干擾的調制信號有無窮個。因此，大規模的發送天線就提供了額外自由度來 尋找具有低PAH?特性的OFDM調制信號。目前，一般利用凸優化的方案來尋找最優解，但是 復雜度高，收斂速度慢。
【發明內容】
[0005] 針對現有技術的不足，本發明提供一種利用低PAH?信號的統計特性來降低信號 PAPR的低復雜度算法。
[0006] 本發明的思路為：首先把預編碼約束、OFDM調制聯合表示成一個欠定 的方程組，然后建立一個能夠促進低PAH?特征的先驗模型，最后利用最大期望 (Expectation-Maximization,EM)和廣義近似消息傳遞(GeneralizedApproximate Message化ssing，GAMP)算法設計出一個能夠求取低PAPR解的算法。
[0007] 為了方便地描述本發明的內容，首先對本發明中使用的術語進行定義。
[0008] 大規模MIM0-0FDM下行鏈路；如圖1所示，S。為N個子載波分別發送的QAM調制信 號，n= 1，...，N，w"eCAW是保證用戶間無干擾而進行預編碼后的向量，a。,eCVX1(m= 1，...，M)為M根基站發送天線上發送的頻域信號，EC&M為M根基站發送天線上發送的 時域信號，K為大規模MIM0中的用戶數，K<<M，C表示復數域。
[000引預編碼；MIM0-0抑M系統中，為了保證在同一時-頻域資源中多個用戶間的接收信 號無干擾，需要對發送信號S。進行預編碼。信道為H,,ECK&"，那么編碼后的向量w"eCMX1 應該滿足3。=H"w。。該樣，用戶接收到的信號就不含其他用戶的干擾。
[0010] 功峰均比：第m根發送天線的PAra定義為
，即發 送信號的峰值與平均能量之比，其中，W的表示參數實部，表示參數虛部，為算子 二范數。
[0011] 正態分布；均值為y，方差為0 2的正態分布（高斯分布）的概率密度函數定義為 1 //，燈，標準正態分布的累積分布函數定義為〇 (f)，其中，f表示自變量。
[0012] 保護帶寬：在OFDM調制中為了保護所使用的頻帶不受相鄰頻帶的干擾，通常不 會使用位于頻帶兩端的子載波。因此，把N個子載波分為兩個集合；了和了。對于子載波 HeT，發送信號為QAM調制信號，X。G;對于子載波nE了。，S。為M維零向量。
[0013] 最大期望；一種求取最大似然估計的迭代算法。不斷建立似然函數的下界，并對下 界進行優化，進而最大化似然函數。
[0014] 廣義近似消息傳遞；一種求取變量近似后驗分布函數的算法。
[0015] Digamma函數；定義為Gamma函數自然對數的導數，即
[0016] 降低大規模MIM0-0FDM下行鏈路功峰均比的方法，具體步驟如下；
[0017] S1、計算聯合預編碼與OFDM調制的信號模型y=Ax，具體為：
[0018] S11、將大規模MIM0-0抑M下行鏈路的預編碼約束與大規模MIM0-0抑M下行鏈路 的(FDM調制聯合表示成一個線性方程組玄二玩，其中，S=[8[，...，8;了，a=[卻，…，的了， C=円TF，豆為塊對角矩陣，所述豆由I了I個信道矩陣Hn與I了1個M維單位陣組成，ne了， T為把預編碼后的信號分配到各個發送天線的置換矩陣，F為塊對角矩陣，所述F由M個N維離散傅里葉反變換矩陣組成，a為未知量，[*]T表示矩陣的轉置，|*|表示集合內元素的 個數；
[0019] S12、將S11所述復數方程組S=Ca變換到實數域；y=Ax，令X的維度為I，y的維 度為J，其中
[0020] S2、引入先驗模型，具體為：
[0021]S21、令S1所述X的每個元素獨立，對所述X引入截斷高斯混合模型先驗
其中，i= 1，. . .，I，所述X的第i個 元素XfG[-v，v]，aU和a12為高斯逆方差，Ki為取值為0和1的離散變量，V為先驗的 邊界，歸一化因子
[0022] S22、對SI1所述線性方程s=Ca引入一個均值為零，逆方差為e的高斯噪聲；
[002引 S3、迭代更新，輸出S= 具體如下：
[0024] S31、初始化，對所有j= 1，. ..，J;i；'(〇) = 〇 ;對所有i= 1，. ..，I;刮〇) = 〇， 曰ii(0)= a12(0)=1，Ki(0)=1/2,V(0)= I IyI Im/ I IAI Im，,r;'(0)=I;令迭代次數t=1 ;
[00巧]S32、運用GAMP計算近似后驗分布，具體如下；
[0026]對所有j = 1，. . .，J，
[0027]
其中，上標*P起區分作用，表示與S12所述X相關的函數， Aw表示S12所述矩陣A的第j行第i列元素，4表示S12所述矩陣A的第j行第i列元素 的平方，
[0033]對所有i =
[0034]
其中，上標*誰區分作用，
[003引
其中，為中間參數；
[0036]S33、更新信號X;和參數a。，a12和K
[0037]其中，
[0047]對Ki的后驗概率q(Ki)有
[0050] S34、更新S22所述逆方差e
[005US35、更新S21 所述邊界V;v(t+l) =v(t)+AV，其中，
[00閲 S36、進行判定，若t=T，則跳出迭代并輸出i;=[與是f，若t<T，則令t=t+1 轉入S31，其中，T為最大迭代次數，所述T為經驗闊值。
[0053] 本發明的有益效果是：
[0054] 本發明利用大規模MIM0-0抑M系統中基站端大量天線所提供的自由度，降低下行 鏈路發送信號的PAPR。所得到的發送信號的能量非常集中，在發送天線足夠多的情況下信 號趨于恒包絡狀態，使得射頻電路并不需要昂貴的線性功率放大器，該樣能夠有效降低未 來基站的建設成本。
【附圖說明】
[00巧]圖1為MIM0-0抑M系統下行鏈路框圖。
[0056] 圖2為發送的時域信號和對應的頻域信號，（a)時域信號，化）頻域信號，其中， EM-TGM-GAMP表示便發明的方法，ZF為未進行PAPR處理的傳統預編碼方法。
[0057] 圖3為PAPR的補累計分布圖。
【具體實施方式】
[005引下面結合實施例和附圖，詳細說明本發明的技術方案。
[0059] 基站端有M= 100根發送天線；服務用戶數為K= 10;0FDM子載波個數為N= 128,其中有效子載波數為I了HI14。
[00