CN106027447A - 基于峰值反馈与遗传算法结合的pts技术降低vlc-ofdm系统峰均功率比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于峰值反馈与遗传算法结合的PTS技术降低VLC‑OFDM系统峰均功率比的方法。包括以下步骤：S1、将数据进行IFFT处理；S2、采用GAPFA‑PTS技术对数据进行处理；S3、处理过的数据通过白光LED发射出去；S4、通过光电探测器接收数据信号，然后进行解GAPFA‑PTS操作；S5、对数据进行FFT处理，并解调输出。本发明将基于遗传算法的PTS技术(GA‑PTS)与峰值反馈算法(PFA)结合，提高了GA‑PTS技术的局部寻优能力。相比较传统的PTS技术而言，本发明大大的降低了计算复杂度。同时，与GA‑PTS技术相比较，本发明在计算量增加可忽略不计的情况下，能更有效地降低VLC‑OFDM系统的PAPR。

Description

基于峰值反馈与遗传算法结合的PTS技术降低VLC-OFDM系统峰均功率比 的方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，主要涉及一种基于峰值反馈与遗传算法降低VLC-OFDM系统峰均功率比的PTS技术。

背景技术

可见光通信(VLC)是指利用白光LED照明的同时，实现信号的高速传输。它可以替代无线局域网基站发射信号，并且具有丰富的频谱资源。可见光通信具有节能、高安全性等优点，是未来无线通信的一种有效方式。然而VLC中存在着多径效应，并由此导致码间干扰(ISI)。ISI增加了系统的误码率(BER)，严重影响了VLC系统的性能。因此，需要一种多载波技术进行调制，来减少码间干扰。

正交频分复用(OFDM)技术是一种多载波调制技术。它将高速传输的数据转换为若干并行的低速传输数据，分配到速率相对较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周期相对增加，这样可减少因无线信道多径时延扩展对系统造成的码间干扰(ISI)。因此，OFDM调制技术被应用到VLC系统中来提高系统的抗多径干扰能力。然而，OFDM技术也有一些缺陷，比如存在高峰均功率比(PAPR)。OFDM信号的PAPR是指信号x(n)的最大峰值功率与平均功率的比值，PAPR可表示为(1)：

$PAPR=\frac{\underset{0\≤n\≤N-1}{max}\[|x\left(n\right){|}^2\]}{E\[|x\left(n\right){|}^2\]}.---\left(1\right)$

OFDM信号的PAPR是一个随机变量，累积分布函数(CDF)和互补累积分布函数(CCDF)可以用来描叙其统计特性。CDF是指OFDM符号周期内的N个采样值中的每个采样值的PAPR都小于门限值z的概率，可以表示为(2)：

CDF＝P(PAPR≤z)＝F(z)^N＝(1-e^-z)^N， (2)

CCDF与CDF相反，表示OFDM符号周期内的N个采样值中的每个采样值的PAPR都大于z的概率。被定义为(3)：

CCDF＝P(PAPR>z)＝1-F(z)^N＝1-(1-e^-z)^N， (3)

式中，z表示PAPR的门限值PAPR₀，N表示子载波个数。

通常，更多的采用CCDF来衡量OFDM系统内的PAPR分布。通过比较CCDF，新方法降低PAPR优势可以更直观的体现出来。

一个信号具有高PAPR意味着它的信号中具有瞬时功率幅值很高的部分。而VLC-OFDM系统中的功率放大器和LED发射器它们的线性工作区域是有限的。当具有高峰值的OFDM信号进入VLC-OFDM系统中的功率放大器和LED发射器的非线性区域时，会使系统的传输信号发生失真。这种非线性失真使子载波间产生带内干扰和带外辐射，导致通信系统的运行效率大大降低，从而使系统的通信性能衰退。因此，高PAPR是VLC-OFDM系统中不容忽略的问题之一。降低VLC-OFDM系统的PAPR对于通信系统的性能具有非常重要的意义。

发明内容

本发明解决的技术问题是：降低VLC-OFDM系统的PAPR，提高系统的通信效率，减少系统的非线性失真，从而改善通信系统的性能。

本发明的技术方案是，一种基于峰值反馈与遗传算法结合的PTS技术降低VLC-OFDM系统峰均功率比的方法，包括以下步骤：

S1、将串行数据转换为并行数据，然后进行快速傅里叶逆变换即IFFT处理，得到OFDM调制信号；

S2、对OFDM调制信号采用基于峰值反馈与遗传算法的部分传输序列技术即GAPFA-PTS对数据进行处理；即对OFDM调制信号进行分组、优化处理后，加权重新组合来降低数据的峰值平均功率比即PAPR；

S3、将具有低峰均功率比的数据进行并串变换后，通过白光LED发射出去，实现可见光通信；

S4、通过光电探测器接收数据信号，把接收的数据串并变换后，进行解GAPFA-PTS操作；

S5、对数据进行快速傅里叶变换即FFT以及并串转换，还原出初始数据并解调输出。

所述的方法，步骤S2包括以下步骤：

把OFDM调制信号中的一组OFDM数据符号相邻分割成V个子数据块，每个子数据块上的数据都乘以一个相应的加权系数b_j，然后组合子数据块，得到处理过的信号。

所述的方法，所述的V为2的幂指数值且能整除子载波个数。

所述的方法，选取加权系数b_j的步骤包括：

首先设定参数：加权系数b_j＝{+1,-1}，相位旋转因子可选个数W的取值决定于加权系数b_j的可取值个数即W＝2，遗传最终代数G，本次执行的代数记为g；

(1)从W^V种系数组合中随机选取Q种系数组合作为初始种群，即Q个父代种群，每个种群即一种系数组合[b₁,b₂...b_v]，遗传代数被设为g＝1，其中Q的取值为不大于W^V的偶数；

(2)分别计算这Q种不同父代种群的适应度值，即父代各自的PAPR；

(3)对Q种初始种群间进行独立的遗传操作：

a.任意两两种群进行相互杂交；

b.单个种群的变异；

(4)得到的Q种新的组合称之为Q个子代种群，分别计算这Q种不同子代种群的适应度值，即子代各自的PAPR，比较对应的父代和子代种群间的PAPR，选取较小PAPR值的种群作为下一代的父代种群；

(5)重新执行步骤(3)—(5)，遗传代数g加1，直到达到设定的遗传代数G，最后从第G代种群中选取PAPR最小的一组系数组合作为输出结果。

所述的方法，在得到PAPR最小的一组系数组合后，再进一步采用峰值反馈算法得到降低PAPR更好的系数组合，步骤包括：

设定参数：峰值反馈算法执行最终次数设为C，本次执行次数记为c；

1)根据由遗传算法得到的PAPR最小的加权系数组合[b₁,b₂...b_v]，查找加权求和后信号幅值的峰值点，并确定峰值点所对应的采样点，执行次数附初值为c＝1；

2)分别求出V个子数据块上，该采样点所对应的信号幅值，选出最大的幅值所对应数据块j(j＝1,2,3...v)；

3)把第j块数据上的所有信号乘以一个加权系数-1，即把加权系数组合[b₁,b₂...b_v]中的b_j变为-b_j，其他加权系数不变，设改变后的系数组合记为[d₁,d₂...d_v]；

4)计算加权求和后信号的PAPR值，并和改变之前信号的PAPR值比较，如果经过改变后的加权系数组合[d₁,d₂...d_v]处理的信号所对应的PAPR值小于改变前的PAPR值，则此次操作有效，反之无效，接着取V个子数据块中幅值第二大的数据块乘以一个加权系数-1，其他加权系数不变，计算其PAPR；若仍不满足其值小于改变前的PAPR，则继续选第三大数据块进行操作，直至选出符合条件的为止；若V个数据块全部不满足，则保留改变幅值第一大数据块系数的操作；操作后c加1；

5)循环执行2)—4),直至峰值反馈算法执行次数达到开始设定的最终次数C，得到此时的加权系数组合[d₁,d₂...d_v]为具有最低的PAPR的信号相对应的最优的加权系数组合，即为分别对应V个子载波的加权系数b_j的组合。

本发明的技术效果在于，对基于遗传算法的PTS技术(GA-PTS)进行优化，在GA-PTS技术的基础上结合了峰值反馈算法(PFA)，得到了基于峰值反馈与遗传算法的部分传输序列技术(GAPFA-PTS)。该技术在GA-PTS技术的基础上，利用峰值反馈算法加速局部寻优，能更好的降低VLC-OFDM系统的PAPR。从而，进一步改善VLC-OFDM系统的性能。

附图说明

图1是本发明的方案的流程图；

图2是本发明的系统框图；

图3是GAPFA-PTS原理框图；

图4是峰值反馈算法的流程图；

图5是在计算复杂度相同的情况下，本发明与传统技术降低PAPR的对比仿真图；

图6是本发明处理信号前后波形对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实例，对本发明作进一步详细描述。

本发明提供了一种基于峰值反馈与遗传算法降低VLC-OFDM系统峰均功率比的PTS技术，具体流程如图1所示，包括以下S1、S2、S3、S4、S5这5个步骤：

S1、首先要得到实验信号，如图2前4部分所示。开始阶段随机生成原始数据，然后进行QPSK调制，接着进行串并变换、插入导频，最后进行IFFT操作。经过IFFT之后，得到了OFDM调制信号。

S2、得到OFDM调制信号后采用提出的GAPFA-PTS技术处理信号，达到降低PAPR的目的，如图2第5部分所示。

GAPFA-PTS技术原理框图如图3所示。GAPFA-PTS本质上是对数据进行分组、优化处理后，加权重新组合来降低数据的PAPR。其具体操作是把信号中的一组OFDM数据符号分割成V个子数据块，每个子数据块上的数据都乘以一个相应的加权系数b_j。然后组合子数据块，得到处理过的信号。由于加权系数组合[b₁,b₂...b_v]可以有多种不同取值方式，我们可以从中选择PAPR最低的一组作为最终的输出信号。因此，GAPFA-PTS技术降低PAPR的关键在于：利用遗传算法与峰值反馈算法选取一个最优加权系数组合[b₁,b₂...b_v]。它的具体选取规则如下：

首先，对VLC-OFDM信号进行GA-PTS处理选取出最后一代对应的加权系数组合[b₁,b₂...b_v]。基于遗传算法的部分传输序列法(GA-PTS)技术是传统PTS的一种优化技术，很好的解决了传统PTS的高计算复杂度问题，可分为如下几步：

设定参数：加权系数b_j＝{+1,-1}，相位旋转因子可选个数W的取值决定于加权系数b_j的可取值个数即W＝2，遗传最终代数G，G取大于0的正整数，根据具体需要进行取值，本次执行的代数记为g。本实施例中的V＝16，则[b₁,b₂...b_V]的系数组合有W^V＝65536种。

(1)从W^V种系数组合中随机选取种Q系数组合作为初始种群，也称之为Q个父代种群。每个种群是指一种系数组合[b₁,b₂...b_V]，此时，遗传代数被设为g＝1，Q的取值为不大于W^V的偶数。

(2)分别计算这Q种不同父代种群的适应度值，即父代各自的PAPR。

(3)对Q种初始种群间进行独立的遗传操作。

a.任意两两种群进行相互杂交。

b.单个种群的变异。

(4)得到的Q种新的组合称之为Q个子代种群。分别计算这Q种不同子代种群的适应度值，即子代各自的PAPR。比较对应的父代和子代种群间的PAPR，选取较小PAPR值的种群作为下一代的父代种群。

(5)进入步骤(3)，遗传代数g自动加1。

(6)重复执行步骤(3)—(5)，直到达到设定的遗传代数G。最后从第G代种群中选取PAPR最小的一组系数组合作为输出结果。

在经过GA-PTS选取出最后一代对应的加权系数组合后继续对其处理，采用峰值反馈算法得到降低PAPR更好的系数组合。峰值反馈算法的流程图如图4所示，可分为如下几步：

设定参数：峰值反馈算法执行最终次数设为C，本次执行次数记为c；

1)根据由遗传算法得到的PAPR最小的加权系数组合[b₁,b₂...b_v]，查找加权求和后信号幅值的峰值点，并确定峰值点所对应的采样点，执行次数附初值为c＝1；

2)分别求出V个子数据块上，该采样点所对应的信号幅值，选出最大的幅值所对应数据块j(j＝1,2,3...v)；

3)把第j块数据上的所有信号乘以一个加权系数-1，即把加权系数组合[b₁,b₂...b_v]中的b_j变为-b_j，其他加权系数不变，设改变后的系数组合记为[d₁,d₂...d_v]；

4)计算加权求和后信号的PAPR值，并和改变之前信号的PAPR值比较，如果经过改变后的加权系数组合[d₁,d₂...d_v]处理的信号所对应的PAPR值小于改变前的PAPR值，则此次操作有效，反之无效，接着取V个子数据块中幅值第二大的数据块乘以一个加权系数-1，其他加权系数不变，计算其PAPR；若仍不满足其值小于改变前的PAPR，则继续选第三大数据块进行操作......直至选出符合条件的为止；若V个数据块全部不满足，则保留改变幅值第一大数据块系数的操作；操作后c加1；

5)循环执行2)—4),直至峰值反馈算法执行次数达到开始设定的最终次数C，得到此时的加权系数组合[d₁,d₂...d_v]即为具有最低的PAPR的信号相对应的最优的加权系数组合，也即为所需要的最终加权系数组合[b₁,b₂...b_v]。

遗传算法解决了传统算法的复杂度问题，但局部寻优能力不够。为此，我们引入具有快速的局部寻优能力的峰值反馈算法和遗传算法融合构建了GAPFA-PTS技术，通过S3、S4和S5实现信号的发射与接收端的解调。

S3、在完成系数的选取之后，接下来进行的操作如图2第6-8部分所示。输入的数据并串变换后，进行数模转换，之后加上直流偏置后通过LED发射器发射出去。

S4、发射出去的信号经过高斯信道，由光电探测器将光信号转换为电信号。然后，经过模数变换、串并转换后进行解GAPFA-PTS操作，此处的解GAPFA-PTS操作与解PTS技术相同。如图2第9-13部分所示。

S5、最后通过FFT操作将信号从时域变回频域，然后检索标记去除导频，之后进行并串变换，最后完成QPSK解调恢复出原始信号。如图2第14-17部分所示。

本发明降低PAPR的良好性能由图5、图6得以证明：图5中显示了GA-PTS技术与本发明在计算量相同(GA-PTS遗传代数选取为6，GAPFA-PTS在增加10个峰值反馈计算量下，取遗传代数为5。这样在初始种群选取为10的情况下比GA-PTS在遗传过程中少进行一代计算，计算量减少10次)的情况下，降低PAPR的效果。从图5中很容易看出，在计算量相同的情况下，本发明的降PAPR性能优于GA-PTS技术。图6中显示了本发明处理信号前后的波形对比图。可以看出，本发明可以有效地降低高峰值信号出现的概率，从而达到降低系统PAPR的目的。

由以上可以看出本发明能够有效地降低VLC-OFDM系统的PAPR。本发明技术与传统PTS技术相比，可以大大降低了其计算复杂度；本发明技术与GA-PTS技术相比，能够更大幅度地降低VLC-OFDM系统的PAPR，从而提高VLC-OFDM系统的通信效率，降低系统的非线性失真。

Claims (5)

1.一种基于峰值反馈与遗传算法结合的PTS技术降低VLC-OFDM系统峰均功率比的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将串行数据转换为并行数据，然后进行快速傅里叶逆变换即IFFT处理，得到OFDM调制信号；

S2、对OFDM调制信号采用基于峰值反馈与遗传算法的部分传输序列技术即GAPFA-PTS对数据进行处理；即对OFDM调制信号进行分组、优化处理后，加权重新组合来降低数据的峰值平均功率比即PAPR；

S3、将具有低峰均功率比的数据进行并串变换后，通过白光LED发射出去，实现可见光通信；

S4、通过光电探测器接收数据信号，把接收的数据串并变换后，进行解GAPFA-PTS操作；

S5、对数据进行快速傅里叶变换即FFT以及并串转换，还原出初始数据并解调输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：

把OFDM调制信号中的一组OFDM数据符号相邻分割成V个子数据块，每个子数据块上的数据都乘以一个相应的加权系数b_j，然后组合子数据块，得到处理过的信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的V为2的幂指数值且能整除子载波个数。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，选取加权系数b_j的步骤包括：

首先设定参数：加权系数b_j＝{+1,-1}，相位旋转因子可选个数W的取值决定于加权系数b_j的可取值个数即W＝2，遗传最终代数G，本次执行的代数记为g；

(1)从W^V种系数组合中随机选取Q种系数组合作为初始种群，即Q个父代种群，每个种群即一种系数组合[b₁,b₂...b_v]，遗传代数被设为g＝1，其中Q的取值为不大于W^V的偶数；

(2)分别计算这Q种不同父代种群的适应度值，即父代各自的PAPR；

(3)对Q种初始种群间进行独立的遗传操作：

a.任意两两种群进行相互杂交；

b.单个种群的变异；

(4)得到的Q种新的组合称之为Q个子代种群，分别计算这Q种不同子代种群的适应度值，即子代各自的PAPR，比较对应的父代和子代种群间的PAPR，选取较小PAPR值的种群作为下一代的父代种群；

(5)重新执行步骤(3)—(5)，遗传代数g加1，直到达到设定的遗传代数G，最后从第G代种群中选取PAPR最小的一组系数组合作为输出结果。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在得到PAPR最小的一组系数组合后，再进一步采用峰值反馈算法得到降低PAPR更好的系数组合，步骤包括：

设定参数：峰值反馈算法执行最终次数设为C，本次执行次数记为c；

1)根据由遗传算法得到的PAPR最小的加权系数组合[b₁,b₂...b_v]，查找加权求和后信号幅值的峰值点，并确定峰值点所对应的采样点，执行次数附初值为c＝1；

2)分别求出V个子数据块上，该采样点所对应的信号幅值，选出最大的幅值所对应数据块j(j＝1,2,3...v)；

3)把第j块数据上的所有信号乘以一个加权系数-1，即把加权系数组合[b₁,b₂...b_v]中的b_j变为-b_j，其他加权系数不变，设改变后的系数组合记为[d₁,d₂...d_v]；

4)计算加权求和后信号的PAPR值，并和改变之前信号的PAPR值比较，如果经过改变后的加权系数组合[d₁,d₂...d_v]处理的信号所对应的PAPR值小于改变前的PAPR值，则此次操作有效，反之无效，接着取V个子数据块中幅值第二大的数据块乘以一个加权系数-1，其他加权系数不变，计算其PAPR；若仍不满足其值小于改变前的PAPR，则继续选第三大数据块进行操作，直至选出符合条件的为止；若V个数据块全部不满足，则保留改变幅值第一大数据块系数的操作；操作后c加1；

5)循环执行2)—4),直至峰值反馈算法执行次数达到开始设定的最终次数C，得到此时的加权系数组合[d₁,d₂...d_v]即为具有最低的PAPR的信号相对应的最优的加权系数组合，即为分别对应V个子载波的加权系数b_j的组合。