基于天线块交织的mimoofdm系统峰值功率优化方法的研究正文本科学位.doc

济南大学毕业论文摘 要本文主要是基于天线块交织的MIMO-OFDM系统峰值功率优化方法的研究。以正交频分复用为代表的多载波通信技术可以有效地对抗移动通信信道的诸多不利因素。OFDM技术与MIMO技术相结合可以满足人们对宽带业务的要求，提高数据传输速率，增加频谱利用率。目前OFDM技术广泛应用于非对称数字用户环路（ADSL）、高清晰度电视（HDTV）信号传输、数字视频广播（DVB）、无线局域网（WLAN）等领域，MIMO-OFDM技术也已广泛应用于4G中，极大推动无线移动通信技术的发展。MIMO-OFDM系统同样存在PAPR过高的问题，会使信号波形产生畸变，以致降低整个系统的传输性能和可靠性。对于MIMO-OFDM系统，多天线是主要特点，尝试将块交织与多天线特点相结合来改善系统的峰值功率问题。在研究此优化方法时，首先先建立原始和优化后的MIMO-OFDM系统框图，然后对其每个模块进行MATLAB仿真，不断重复实验，从而得到两种情况下PAPR统计值。为了准确评估PAPR性能，可以借助互补累积分布函数CCDF。通过仿真图像，我们能很直观清晰看到多天线块交织方法可以很好地改善MIMO-OFDM系统的PAPR性能。关键词：多输入多输出正交频分复用；多天线块交织；正交频分复用；峰值功率比- II -ABSTRACTIn this paper, a peak power optimization method based on the antenna block interleaving in MIMO-OFDM system is introduced. As one of multicarrier communication techniques, orthogonal Frequency Division Multiplexing can effectively resist many unfavorable factors in mobile communication channel. The combination of OFDM and MIMO can meet peoples demands for broadband services, higher data rates and increased spectral efficiency. OFDM technology is currently widely used in Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL), high definition television (HDTV) signal transmission, digital video broadcasting (DVB), wireless local area network (WLAN) and so on. MIMO-OFDM technology has been widely used in 4G, and greatly promoted the development of wireless mobile communication technology. In MIMO-OFDM system, the problem of high PAPR also exists, which induces signal waveform distortion and reduces transmission performance and reliability of the entire system. Since the main property of MIMO-OFDM system is multiple antennas, the combination of block interleaving and multiple antennas is employed for improving the system of peak power problem. In the study of this optimization method, the original and optimized block diagrams of MIMO-OFDM system are firstly established, and then their MATLAB simulation module and repeated the experiment are done. The PAPR performance in both cases can be obtained. In order to accurately assess the PAPR performance, complementary cumulative distribution function (CCDF) can be used. It can be seen form the simulation images that a multi-antenna block interleaving method can improve the PAPR performance of MIMO-OFDM system.Key words: MIMO-OFDM; multi-antenna block interleave; OFDM; PAPR目 录摘 要IABSTRACTII1 前言11.1研究背景与意义11.2 国内外现状21.3 论文内容与结构安排22 MIMO-OFDM系统基本原理42.1 OFDM系统基本原理42.2 MIMO系统基本原理52.3 MIMO-OFDM系统基本原理62.4 MIMO-OFDM系统优缺点72.5 MIMO-OFDM系统中的PAPR问题82.5.1峰值功率比的成因82.5.2 峰均功率比的定义82.5.3 PAPR性能估计83 降低MIMO-OFDM系统PAPR的天线块交织方法103.1 天线块交织方法原理103.2 基于天线块交织MIMO-OFDM系统114 系统仿真与结果分析124.1 MATLAB软件简介124.2 MIMO-OFDM系统仿真134.3 基于天线块交织MIMO-OFDM系统仿真174.3.1 不同数目候选信号对系统降低PAPR性能的影响184.3.2 天线数目对系统降低PAPR性能的影响19结 论21参 考 文 献22致 谢23- III -1 前言1.1研究背景与意义正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）技术和MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术与我们的生活息息相关，密不可分。换句话说如果没有这项技术的诞生，人类之间无法这么便捷，快速实现通信交流，无法通过手机移动端实现网上资源的准确获取，而现在的我们是如此的幸福，可以通过手机移动端随时随地观看高清视频，享受高速信息传输带来的快感。目前，移动通信技术正在高速发展，在我们的有目共睹之下，移动通信技术从原来的模拟信号发展到数字信号，由之前的2G逐渐过渡到3G，再迅速向4G迈进。4G移动通信技术拥有高速的数据传输速率，可以很快地获取网上资源信息并且观看流畅的视频，互联网信息的快速传输，大大减少了我们等待的时间，使我们人类无论相隔多远都能联系到彼此，共享丰富的资源。4G技术在提供从语音到多媒体业务等多种同时，也存在两大问题：一是多径衰落；二是宽带利用率。我们为了解决此两方面的问题，需要采取有效的技术在仅有的频谱上使大量的信息得以传输，以及降低数据信息在传输过程中出现频率选择性衰落的可能。OFDM技术和MIMO技术针对4G技术问题都有其特有的优点，所以两者结合被广泛应用于4G中，覆盖范围广，传输质量更优，会获得更高的数据传输。OFDM技术其实与我们熟知的多载波调制有异曲同工之处，是一种特别的多载波调制方式，子载波数目的增加可以使每个子信道的带宽变小，更加平滑，信号波形传输越好。OFDM技术的多载波之间是正交关系，各载波的频率谱曲线虽交叉，但在一个二进制符号连续时间上是正交，所以可以有效克服码间串扰。起初，Weistein与Ebert提出用DFT来实现多个子载波调制，后人将DET应用到OFDM系统中。当前，OFDM已经深入地应用于ADSL、HDTV、DVB、WLAN，而且逐渐适用于WWAN无线广域网和目前在研究将OFDM与下一代蜂窝网相结合。MIMO技术最初是由Marconi研究出的，其作用是通过多个天线来阻止信道发生衰落现象。MIMO技术可以形成许多个分离并排信道所以可以传输多路数据信息，即使没有扩大带宽和发送功率条件下，也可以增大系统传输速率，所以可以成倍增大信息容量。经过众多研究发现信道信息容量会随着天线个数的增多相应地增大，从而可以极大扩大信道容量，频谱利用率也可以成比例提高。尽管OFDM有非常多的优势，但自身不可回避PAPR过大的劣势。研究者经过大量的实验操作和数据分析，发现块交织方法可以作为一个简单有效的峰均功率优化方法来改善OFDM系统PAPR性能。对于MIMO-OFDM系统同样也存在此问题，多天线是其主要特点，将块交织方法与多天线特点相结合来解决系统峰值功率问题，此优化方法可以大大改善MIMO-OFDM系统PAPR性能，增加数据信息传输的准确度。1.2 国内外现状最近以来，各种信号处理技术和集成电路技术取得了迅速跃变，即使高达上千的子载波都可以通过专用芯片实现DET变换，某种一定程度是推动了OFDM技术的应用。OFDM已经深入地应用于ADSL、HDTV信号传输、DVB、WLAN等领域，而且逐渐适用于WWAN和目前在研究将OFDM与下一代蜂窝网相结合。最常见的两大标准都将OFDM当成它的物理层衡量指标。一是5GHz无线局域网标准802.11a，另一个是2GHz-11GHz的标准802.16a。欧美电信标准化组织的宽带射频接入网的局域网标准已经将OFDM作为调制端的衡量化技术。目前我国，信息产业部无线电管理局准许了中国网通开展OFDM固定无线接入系统实验，并进行相应测试。人们现在集中精力将OFDM技术应用于无线移动通信中，并将其与MIMO技术相结合，来满足更多的宽带业务，提高数据传输容量。MIMO技术因其可以不用扩大宽带和发送端的功率，就能利用多天线成比例增大信道容量和频谱的利用效率，因而被广泛应用现代无线通信中。随着3G移动通信技术的迅速腾飞，研究学者探究得到MIMO与CDMA系统彼此融合的码复用方法。学者们试图把MIMO技术与UWB系统相互组合，一定程度上增大了UWB系统的可靠无误性。MIMO技术还满足WIMAX发展需要，两者结合在无线城域网中更加体现出优势。在4G无线移动通信领域中，MIMO技术也充当着重要角色，然而也面临许多困难，例如要设计适用蜂窝网络MIMO系统线路，这还需后期研究学家长期潜心研究。MIMO技术具有显著的信道容量和较高频谱利用率，这些显著优势逐渐作为下一代无线通信技术的关键技术，可以说MIMO技术有一定广阔前景。MIMO技术与OFDM技术结合的通信系统有其独特的优势，已经应用到很多无线领域中，同时也取得了丰富的研究成果。在国外，很多互联网公司先后发布了MIMO-OFDM芯片组。在我国，科技部也启动了未来通用无线通信技术研究项目，用以进一步探索MIMO-OFDM技术，更好地应用于现实通信系统中。我国华为公司也试图将MIMO-OFDM技术作为一个研究重点，实现高速率突破。1.3 论文内容与结构安排本文对MIMO-OFDM技术中存在较高峰均功率比的问题进行了研究，从多天线和OFDM技术本身特点提出对此解决的方法，即采用多天线与块交织相结合，从不同角度改变天线块交织方法中主要参数，并分析改变此方法的关键变量因子会产生怎样的实验结果。最后，用MATLAB仿真MIMO-OFDM原始信号以及加入天线块交织方法之后的信号的PAPR性能曲线图，对仿真结果进行了对比分析，合理验证了天线块交织方法可以优化MIMO-OFDM系统的结论。论文的结构安排如下：第一部分是前言，主要阐述了OFDM技术和MIMO技术产生背景和意义、目前国内外发展现状、提出此技术存在的峰值功率比过高的缺陷。第二部分，关键论述了MIMO-OFDM系统调制的基本原理以及自身特点、MIMO-OFDM系统中过高的情况，涉及产生缘由、峰值功率比的定义、性能估计。第三部分，主要讲述优化系统PAPR天线块交织方法，改变主要参数，分析天线块交织参数对降低PAPR性能的影响。 第四部分，大体介绍了MATLAB仿真软件功能，并借助此软件对MIMO-OFDM优化之前和优化之后的系统进行仿真，改变方法所包含不同参数，分析参数对降低PAPR性能的作用程度。2 MIMO-OFDM系统基本原理MIMO-OFDM系统是由MIMO技术和OFDM技术相组成，将两方优势共同作用于系统中，彼此促进，极大改善了系统高效准确无误传输信息的性能。MIMO技术具有多天线这个独特优势，可以在空间上形成互不重合的并行通路来传输多路信息，可以借助此优势来抑制信道衰落，极大扩大了信道容量。OFDM技术具有多载波调制特性，借助多载波之间的正交性，可以降低多径效应带来的频率选择性衰落。本章重点阐述了MIMO-OFDM系统发送端原理、OFDM基本原理、MIMO-OFDM系统优缺点以及PAPR相关问题。2.1 OFDM系统基本原理假设有这样一个OFDM系统，在其中包含N个子通路，单个子通路相应的子载波表达形式： =0,1,，-1 （2.1）式（2.1）中：为第路子载波的振幅大小；为第路子载波的频率；为第路子载波的初始相位。因此在这个系统中路子通道的信号可以相加即： （2.2）式（2.2）还可以改写成复数形式如下： （2.3）式 （2.3）中：为一个复数形式的符号，为第路子通道的复输入数据。接收端处让这路子信道信号能彻底分开，所有子信道一定要满足正交性。在一个码元持续时间内其中两个子载波能满足正交关系的要求是： （2.4）子载频要满足 （2.5）式（2.5）中：为整数且要求子载频间隔 （2.6）OFDM系统在频域中的特点。同样假设在一个子信道当中，子载波的频率是fs、码元持续时间是Ts，各路子载波的功率频谱曲线虽是交叉融合，然而由于各路子载波在单个码元持续时间内都是符合正交性，所以可以利用这个特点在接收端将彼此分开，各路子载波就不会混杂在一块，会分离成原始的信号波形。子载波可以通过BPSK、QPSK、16QAM、64QAM等调制类型，频谱能几乎保持不变，虽有幅度和相位有所不同，但不会影响信号波形，所以可以维持正交性。因为和是取任和数值却不会破坏正交性。2.2 MIMO系统基本原理我们都知道，多径传输是必要造成信号的衰落现象。而在MIMO系统中这是个例外，反而能把多径传输当做优势。MIMO系统从字面上就可以清楚知道它是个多输入多输出系统。图2.1所示为MIMO系统的原理图。信源首先通过空时编码之后产生个数据流，=1.。随后个数据流从个天线发送，经过信道再通过接收端个天线得到，最后通过空时解码器解码。图2.1 MIMO系统框架图系统容量并不陌生，它可以成为系统好坏的一个衡量标准，容量越大，表明系统传输量大。现在我们设MIMO系统发射端的天线数目是，接收端天线数目是，信道分布假设是瑞利分布，取N、M非常大的值，那么信道容量即可写成： （2.7）其中表示信号的带宽宽度，代表接收端平均信噪功率比，min(,)表示，的最小数值。由式（2.7）看出，当功率和宽带不变时，MIMO系统的最大信道容量是随着发射端与接收端中较小天线数的增大而成比例增大。在相同情况下，如果当接收端和发射端添加多天线普通智能天线系统，信道容量只是跟着天线数目的上升成比例上升。所以说MIMO系统能极大提升无线通信领域的信道容量。 我们能从式中得出，MIMO系统信道容量变化其实是和天线个数密切相关。这种具体对应关系是天线数目增多容量就会增多。即使没有增大带宽和射功率，信道容量也能成比例上升，进而频谱利用率也能对应地上升。2.3 MIMO-OFDM系统基本原理MIMO-OFDM系统的基本思想是在发射端增添多个用于发射的天线,将输入二进制符号进行映射调制，再经过串并转换把串行数据转换成并行数据，输出数据再通过OFDM调制得到MIMO-OFDM信号，然后通过循环前缀和数模转换之后由多条发射天线一起传输;在接收端，各个接收天线接收的信号送入信号检测器中，经过一定的信号处理,检测出原始信号。图2.2 MIMO-OFDM系统调制解调框图2.4 MIMO-OFDM系统优缺点一、OFDM系统优缺点 OFDM系统具有以下优点：（1）抵抗频率选择性衰落同时对抗载波之间干扰。（2）在IFFT变换之前，可以根据实际信道采取更优越的调制。（3）消除码间干扰。系统中数据流会经过串并模块并且还会有经过循环前缀的模块。（4）频谱利用效率。正因子信道信号是呈正交关系，子信号频谱会有交叉重叠，所以会相应节约频带。 OFDM系统具有以下缺点：（1）相位噪声以及频率偏移十分敏锐。（2）PAPR较大，会减弱发送端放大器本身的工作效率。二、MIMO、OFDM系统组合的优势高速率无线通信系统具有许多优势，能够顺应现今信息迅速传输的趋势以及符合人们对大量信息获取的总体趋势。同时我们也日趋发现此系统也会存在多经效应、频率选择性衰落等重要问题。这些劣势必然使信号传输准确性降低，造成信号波形失真，以及降低系统的传输性能。MIMO系统本身就是多径无线传输系统，可以利用多径分量，所以多径分量不会对系统造成严重破坏作用，但无法抵抗频率选择性衰落，必须增加其他方法加以抵抗。目前，人们通常增加均衡技术和OFDM技术来有效解决此问题。OFDM技术是利用子载波正交性，把宽带信道变换成平坦窄带子信道，以此可以减小子信道的带宽，从而能转换为平坦性衰落。为了满足高速传输和频谱利用率，就得在OFDM系统中增加载波数量，这种方式会增大系统的总带宽，降低频带利用率。而MIMO技术的加入即使没有扩大带宽，每个子信道都能得到成倍的信道容量。MIMO技术与OFDM技术的相结合，可以充分利用彼此的优势，与此同时，弥补彼此的不足，使系统更加适用于高速数据的传输，促进第四代移动通信技术的发展。2.5 MIMO-OFDM系统中的PAPR问题MIMO-OFDM系统自身存在一个比较大的缺陷，即高峰值功率比的问题。这是目前必须要急迫解决的，因为高的峰值功率比会使信号产生严重失真，产生非线性畸变，严重降低系统的可靠性。本文研究主要目的就是证明多天线块交织方法可以有效降低PAPR。本小节对此问题做了详细的阐述，涉及PAPR的成因，PAPR的计算方法以及评价系统PAPR性能方式。2.5.1峰值功率比的成因我们知道OFDM信号其实是N个正交子载波的叠加，子载波数目上升到某个数量时，此时系统信号的包络会出现不稳定性，要是N个子载波都按最高峰值叠加时会出现最高幅度值，就会导致系统峰值功率比数值升高。高的PAPR会使OFDM信号受到非线性的失真尤其是当经过放大器，此时会破坏这N个子载波的正交性，传输性能会急剧降低，信号传输也会失去可靠性。对于像OFDM这种特殊信号，PAPR大部分是受到子载波个数的影响，具体变化是随子载波数量的增大相应地增大。由于OFDM系统发射端和接收端放大器一般不是线性的，故OFDM系统幅度较大的信号经过此非线性元件会出现非线性失真，从而导致信号发生畸变，损害整体系统性能。MIMO-OFDM系统是MIMO技术和OFDM技术的结合，所以必然也存在PAPR过高的问题，这也是此系统所要解决的关键问题。正因如此，需要某种经济实用有效的方法应用于此系统，以达到改善此系统性能的目的。2.5.2 峰均功率比的定义假设一共有N个子载波。首先需要先求出每个子载波的幅度，找到N个子载波幅度最大的信号幅度值再与全部子载波的幅度的平均值做除法运算，再以10为底取对数。然后乘以10得到以分贝为单位的PAPR值。 （2.8）其中，代表MIMO-OFDM信号最大的峰值功率，代表MIMO-OFDM信号的平均功率。2.5.3 PAPR性能估计我们通过PAPR的计算公式得知，PAPR值是个随机数，为了能够准确得到PAPR性能曲线图，我们可以借助互补累积分布函数（Complementary Cumulative Distribution Function，CCDF），用于描述PAPR的值超过某一给定的阈值PAPR0，即 （2.9）载波数目为N的MIMO-OFDM信号，它的原始信号可以写成： (2.10)其中，表示第k个子载波上的已经调制之后的信号，由求和表达式可知，所有变量是分离的，其和是满足正态函数特性。假如子载波数增大到一定程度，就会出现构成MIMO-OFDM信号其复信号的两部分满足正态分布。这样我们就能知道MIMO-OFDM信号的包络为瑞利分布，此时MIMO-OFDM信号功率分布是符合数学期望为0，自由度为2的分布。我们可以写出MIMO-OFDM信号的CCDF函数为 (2.11)其中， N表示OFDM系统子载波的数目。3 降低MIMO-OFDM系统PAPR的天线块交织方法MIMO-OFDM系统存在一个严重缺陷，那就是过高的PAPR。为了有效地降低PAPR值，保证信号准确无误经行传输，避免出现MIMO-OFDM信号的非线性畸变，保证系统的可靠性，许多学者对其进行大量的探索和实践。先进的设备是可以改善系统的传输性能，这是不可否定的，但完全依赖于技术，会必然增加成本费用，设备的制造也不可能完全满足条件。为此，我们可以换个角度，从根源提出解决此问题的方法。 MIMO-OFDM系统是MIMO技术与OFDM技术相结合，系统会带有两者的一些特性，所以我们不妨从两方面考虑，再结合到一起，找到适合此系统的优化方法。我们知道对于OFDM系统，解决的办法是利用块交织方式来降低PAPR。在MIMO-OFDM系统中，由于MIMO技术的加入，多天线是其特点，可以将多天线与块交织相结合以到达降低PAPR的目的。本章就多天线块交织方法进行详细的阐述，以便更好地掌握此系统优化方法。3.1 天线块交织方法原理为了深入探究块交织与多天线结合的作用机制，简单起见，我们先考虑具有两根发射天线的MIMO-OFDM系统，首先分别把两根天线的输入二进制符号依照相邻的分割方式分成M个互不交叉的子块序列，保证分割好的全部子块序列的长度之和与原序列长度等长，然后采用随机或者循环的方式将两根天线上分割的子块序列互相重新排列，最终实现块交织。为了便于理解，我们具体以两根天线为例，每根天线分成四块。原始的两根天线MIMO-OFDM序列为，i=1,2。然后将每根天线分为M块，分别表示为：随后经过MIMO-OFDM优化系统后的两根天线的子块序列会随机交换，简单起见，假设每根天线的第一块互相交换，表示为： 当然也可以循环交换，交换次数不限，可以一次交换多个，都能符合天线块交织原理。3.2 基于天线块交织MIMO-OFDM系统由于优化方法主要应用于发送端，所以在这里给出优化后MIMO-OFDM调制端框图如图3.1所示，发送端首先是二进制符号经过编码映射，然后变成N维矩阵经过多天线交织块，再之后分别经过快速逆傅立叶变换，完成优化后的MIMO-OFDM系统仿真。在此优化系统中，多天线交织块是起到核心作用，正因为有此模块，MIMO-OFDM系统整体性能得以改善，提高传输的可靠性。在后面仿真，可以看到子载波数不同，分块不同和天线数不同对PAPR性能影响效果是不一样的，故影响MIMO-OFDM系统的PAPR性能是由多种参数作用的结果。通过仿真得出的PAPR性能曲线图，可以更好地分析影响此系统的相关参数，并选取最优的参数值应用于系统中，发挥出系统的最性。图3.1 优化之后的MIMO-OFDM系统调制图4 系统仿真与结果分析4.1 MATLAB软件简介MATLAB是由矩阵运算发展而来，现已发展成为一个高级绘图、高级程序化开发语言并且实时系统建模仿真集一体化的高度集成的计算机语言。这种软件已经具有很强大的数学运算能力、方便绘制图像、友好的图形窗口界面。MATLAB以矩阵作为基本数据单位，其指令表达式与数学常用公式很相近，有许多共性，所以表达起来很容易掌握，会比C、Fortran等语言使用起来更为简洁轻松。在通信领域中，MATLAB更是有十足的优势，因为通信领域中很多问题是针对系统的研究，以往的方法是重建实验系统，这就要求利用各种方法获取所需要的数据，除此以外，构建周期较长，参数调整也很难准确。而MATLAB产生可以借用仿真程序去构造实际环境状态，解决了构建实验系统的复杂步骤。通过编写MATLAB命令语句，调用相关函数，就可以仿真出效果图，非常直观。输入参数可以灵活改变，实验次数可以无限增多，数据存储量明显扩大。目前，国际计算机研究学界已把MATLAB当作精准、能信赖的科学计算标准软件，特别是在通信领域中有着巨大优势和强大的使用功能。在研究单位和工业部门，MATLAB被作为项目研究开发测试的关键软件工具，为投入到实际工程之前做出种种测试和调试，非常方便快捷。在各大高校，MATLAB被普遍作为一门必须掌握的重要课程。图4.1 MATLAB软件 MATLAB语言有其特有的优势：（1）较高的编程效率。MATLAB是一门计算机科学与工程的高级编程语言，里面包含许多常用的函数文件，可以直接调用，不需要人为另外构建函数文件，所以省时省力。此外，MATLAB书写计算公式很贴近日常纸上运算思维习惯，更加容易掌握和应用。 （2）用户使用方便。MATLAB仿真语言作为一门解释执行语言，自身调试速度快，初学者很容易上手，可在短时间内可熟练操作，进而方便用户使用。MATLAB语言将编辑、编译、连接与执行化为一体，可以节约时间，不需要程序运行很久即可得到结果。在编写过程中，会及时提醒输入错误信息，可以及时更改，从而加快用户编写和调试速度。（3）扩充能力强。MATLAB包含种类繁多的库函数，在要进行相关的数学运算的情况下，就能立即使用已存在的函数，不必要用户个人编写。用户自己能够编写所需要的函数从而为库函数增添更丰富的函数，以增强MATLAB的功能。（4）编程语言简单，易读易懂。MATLAB语言最根本的精髓其实是函数，其函数是包含很多的输入输出变量，不一样的变量具有不一样的意义，程序员编写会变得自由，功能会十分丰富。MATLAB中的M文件几行语句即可完成数学运算，方法实现，使磁盘存储空间减少。另外MATLAB也有C语言运行平台，故能编译执行此语言。（5）矩阵和数组的运算。MATLAB语言拥有其他编程语言相似之处，拥有许多想通的运算符，包含矩阵的算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、条件运算符以及赋值运算符，能够立马利用运算符来构造数学公式，利于记忆，方便使用。另外，没有必要定义数组的维数，只要给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，就可以在求解、处理、建模、优化等领域中，直接拿来使用，不需要复杂构造。（6）绘图功能。MATLAB的绘图甚是简便，拥有十分丰富的绘图函数，包括对数坐标、图示标记、XY轴标注、离散连续绘图。此外，还可以更改绘图属性，涉及绘图曲线颜色、粗细、绘制符号等。（7）GUI窗口界面。可以通过拖动面板、窗口容器、按钮、滚动轴、文字文本、Axe轴等方便快捷建立所需要的GUI界面。只需要在代码栏更改一些属性即可，不需要编写全部代码。4.2 MIMO-OFDM系统仿真第三章我们探讨过MIMO-OFDM系统的基本原理和优化方法，以及PAPR过高的原因，大体知道此探究系统的基本模块和信号变换过程。在这一章，我们可以利用MATLAB软件来模拟系统，通过效果图来分析优化方法参数对系统的PAPR的影响。本文研究的重点是天线块交织方法在降低MIMO-OFDM系统的PAPR问题中的性能分析，而天线块交织方法是应用在调制端，因此只仿真调制的过程就可以了。另一方面,天线块交织方法是在IFFT变换之前使用，所以仿真过程到IFFT这一模块就足够了，不需再考虑循环前缀。具体的MATLAB仿真过程如下图4.2所示，我们可以看出该过程并不复杂，首先，输入数据经过编码映射和快速逆傅里叶变换得到MIMO-OFDM信号。图4.3与图4.2的不同点只是在快速逆傅里叶变换之前进行多天线块交织方法来降低高PAPR出现的概率。在仿真中，为了得到更加准确可靠的统计结果，我们利用CCDF函数来表征系统的性能。首先，需要仿真的是在没有天线块交织方法优化时，MIMO-OFDM系统的CCDF函数的仿真结果。然后，在天线块交织方法的优化下，反映MIMO-OFDM系统PAPR性能的CCDF函数的仿真结果。图4.2 原始MIMO-OFDM信号的仿真流程图图4.3 经过天线块交织方法优化后的MIMO-OFDM信号的仿真流程图图4.4给出了原始MIMO-OFDM信号的PAPR性能曲线，其参数选择：载波数目是128，过采样因子L=4，调制方法选择QPSK，天线数目两根。在没有使用天线块交织方法之前，还不能得出此时系统PAPR性能的好坏，下一节我们将对经过天线块交织方法各个参数对系统PAPR性能影响进行仿真，由图直观分析仿真结果。图4.4 原始MIMO-OFDM信号的仿真结果原始MIMO-OFDM系统的PAPR性能受两个参数影响比较显著，一为过采样因子L，另外一个为子载波数目N，这些都是由原始系统自身特点决定的。首先我们来探究过采样因子L在降低系统PAPR性能所发挥的作用。在模拟仿真过程中，我们人为在MIMO-OFDM信号进行快速傅里叶逆变换之前加入过采样这一环节，过采样类型为补零方式。具体办法是将每根天线的总载波数中间插入L(N-1)倍子载波数目的零值，过采样后的天线总长度为LN。过采样对本实验结果的准确性有十分重要的作用，可以尽可能获取高的PAPR，确保实验数据更加可靠真实。图4.5显示出当过采样因子不同时，PAPR的性能曲线。参数选择：载波个数是128，调制方式选择QPSK，天线个数为两根。实验变量：L=1,2,4,8。图4.5 过采样因子L变化时MIMO-OFDM系统的PAPR性能由图4.5很明显得知，当过采样因子逐渐增大时，PAPR曲线越靠向右侧，说明PAPR性能越来越差，即所获得系统PAPR性能越来越接近真实的系统PAPR性能。当过采样因子等于4和8时，两条曲线基本重合，可以预测当L再大时，曲线基本不会有明显变化。但过采样因子不能取无限大，因为随着过采样因子的变大，过采样后的数据长度也变大，必然会增大IFFT的计算量。接下来我们探究子载波个数不同会给系统的PAPR性能曲线带来如何变化。图4.6表示当子载波不同时，MIMO-OFDM系统PAPR性能仿真结果。参数的选择：过采样因子L=4，调制方式选择QPSK，天线个数为两根。实验变量：子载波数N选取64,128,256。图4.6 子载波数目变化时MIMO-OFDM系统的PAPR性能由图4.6中可以看到，从左到右子载波数目逐渐增加，高峰值功率比出现的机率越来越大，PAPR性能曲线越来越差，这说明系统的子载波数目对PAPR性能有一定的影响。4.3 基于天线块交织MIMO-OFDM系统仿真在对MIMO-OFDM系统优化方法仿真的过程中，研究了不同的参数对降低系统PAPR的影响，包括候选信号的个数以及不同的天线个数。我们知道这些参数确实可以改善系统性能，随后进一步具体分析了这些参数的变化对降低MIMO-OFDM系统PAPR值的作用。首先，我们要验证应用优化方法前后，系统PAPR性能是否有所改观，通过MATLAB仿真得出的PAPR性能曲线即可得到显著结果。图4.7表示在经过多天线块交织方法优化后的系统PAPR性能与原始MIMO-OFDM系统PAPR性能的比较，参数的选择：子载波数N为128，过采样因子L=4，调制方式选择QPSK，天线个数为两根，候选信号数C=5。图4.7 优化方法后MIMO-OFDM系统PAPR性能的仿真结果图4.7表示加入多天线块交织优化方法前后两种MIMO-OFDM系统的PAPR性能曲线。从图中，我们明显可以看出经过优化方法处理的MIMO-OFDM信号要比原始信号出现高PAPR的概率要少很多，直观验证了此优化方法对于降低PAPR起到作用。接下来我们尝试增加候选信号C个数和天线数目，来探究C和天线数目对MIMO-OFDM系统PAPR的影响。4.3.1 不同数目候选信号对系统降低PAPR性能的影响图4.8显示出当候选信号数目发生改变的条件下，峰值功率比性能曲线。参数选择：子载波数目是128，调制方式选择QPSK，天线数目两根，过采样因子L=4。实验变量：候选信号C=2,4,8。图4.8 不同数目候选信号对MIMO-OFDM系统PAPR仿真结果由图4.8仿真结果展示出四条曲线，最右边是原始MIMO-OFDM系统PAPR性能曲线，从右往左分别是选取候选信号为2,4,8。我们能从图中很容易得到，当候选信号数目不断增多时，系统高峰值功率比出现的概率逐渐降低，换句话说优化系统峰值功率比性能越好。虽然随着C增大会使系统峰值功率比性能曲线越来越好，使高峰值功率比的概率明显降低，但这不意味着可以无限增大候选信号数目。原因有两点：一是两个候选信号肯定要比四个，八个候选信号运算量小。一次运算过程如此，100000次相同过程运算量相差更大。二是，候选信号产生之后都要经过快速傅立叶逆变换，我们都知道IFFT运算复杂，计算量大，候选信号的增加