CN106161319A - 融合遗传和爬山算法降低vlc-ofdm系统峰均功率比 - Google Patents

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蒋芳清
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Abstract

本发明涉及通信技术领域，提出了一种基于遗传和爬山结合算法的PTS技术(GH-PTS)以降低VLC-OFDM系统峰均功率比(PAPR)。包括以下步骤：S1、在发送端将串行数据并行化，然后进行IFFT处理；S2、采用GH-PTS技术处理数据；S3、把处理过的数据通过LED灯发射；S4、数据进行解GH-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)与爬山算法结合，提高了GA-PTS技术的局部寻优能力。与传统PTS技术相比，本发明拥有计算复杂度低的优势。与GA-PTS技术比较，本发明能在VLC-OFDM系统BER性能几乎不变的情况下，更有效的降低VLC-OFDM系统的PAPR。

Description

融合遗传和爬山算法降低VLC-OFDM系统峰均功率比
技术领域
本发明涉及通信技术领域，主要涉及融合遗传和爬山结合算法降低VLC-OFDM系统峰均功率比的方案。
背景技术
可见光通信(VLC)利用白光LED发出的可见光来实现信号的无线传输。它用室内照明设备替代了无线局域网基站发射信号，具有丰富的频谱资源。可见光通信具有发射功率高、无电磁干扰、节约能源、无需无线电谱许可证的优点。然而多径效应引起的ISI(码间干扰)是可见光通信的致命缺陷。
OFDM(正交频分复用)技术是一种抗多径干扰能力很强的多载波调制技术。除了抗多径干扰能力强的优点外，OFDM技术还有频谱利用率高、抗频率选择性衰落、系统设计复杂度低、易于硬件实现等优点。因此，OFDM技术被应用于VLC系统中来提高系统的抗多径干扰能力。然而，OFDM技术本身存在的高PAPR(峰均功率比)缺陷也被带入了VLC-OFDM系统中。同时，考虑到LED线性动态范围受限的特性，当OFDM的高峰值信号进入到LED器件的非线性区域，则会引起严重的非线性失真。这种非线性失真使子载波间产生带外辐射和互调干扰，导致通信系统的运行效率大大降低，影响系统的通信性能并产生不必要的能量损失。所以，高PAPR是影响VLC-OFDM系统的主要问题之一，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，减少系统的非线性失真，提高系统的通信效率，改善通信系统的性能。
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种融合遗传和爬山结合算法降低VLC-OFDM系统峰均功率比的方案，包括以下步骤：S1、在数据发送端将串行数据并行化，将并行数据进行快速傅里叶逆变换处理；S2、采用基于遗传和爬山结合算法的PTS(部分传输序列)技术(GH-PTS)对并行数据进行处理；S3、对接收的数据进行并串变换，然后通过LED灯发送数据；S4、对数据进行串并变换后，进行解GH-PTS操作；S5、对数据进行快速傅里叶变换以及并串处理，并解调输出。
上述技术方案具有如下优点：本发明对传统的基于遗传算法的PTS技术(GA-PTS)进行优化，在GA-PTS技术的基础上结合了爬山(Hill-Climbing)算法，得到了基于遗传和爬山结合算法的PTS(部分传输序列)技术(GH-PTS)。GH-PTS技术具有遗传算法全局寻优和爬山算法局部寻优的能力，能更好的降低系统的PAPR。并且减少系统的非线性失真，提高系统的通信效率，改善通信系统的性能。
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GH-PTS原理框图；
图4是遗传算法的操作示意图；
图5是爬山算法的操作示意图；
图6是在参数Q不同的情况下，本发明与传统技术降低PAPR的对比仿真图；
图7是在参数G不同的情况下，本发明与传统技术降低PAPR的对比仿真图；
图8是本发明处理信号前后波形对比图；
图9是本发明与传统方法的误码率性能对比图。
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。
本发明提供了基于遗传和爬山结合算法降低OFDM可见光通信系统PAPR的方案，具体流程如图1所示，包括以下S1、S2、S3、S4、S5这5个步骤：
S1、如图2前4部分所示，包括：原始数据产生、BPSK调制、串并变换、插入导频并进行IFFT。经过IFFT之后，得到OFDM信号。
S2、如图2第5部分所示，采用提出的GH-PTS技术处理信号。
GH-PTS技术原理框图如图3所示。GH-PTS本质上是对数据子载波分组、优化处理后进行重新组合来实现PAPR的降低。GH-PTS具体操作是把信号中的一组OFDM符号分割成V个子数据块，每个子数据块上的所有子载波都乘以一个相应的加权系数bv。然后组合子数据块，得到具有低PAPR的信号。因此，GH-PTS技术降低PAPR的关键在于：利用遗传算法和爬山算法选取一个最优加权系数组合[b1，b2...bv]。
遗传算法操作示意图如图4所示，经过杂交、变异操作后，由父代种群P1和P2就可以得到子代种群O1和O2。通过分别比较P1和O1，P2和O2相对应适应度值，选取适应度值较好的种群作为下一次比较的父代种群。经过循环执行遗传操作，从而选出一个适应度值最好的种群。
爬山算法操作示意图如图5所示。爬山算法也叫逐个修改法，是指对一个初始种群，依次从左至右，或从右至左逐位进行变异，并和变异前的初始种群进行比较，选出适应度值最好的种群。
遗传算法和爬山算法中的种群指的是加权系数组合[b1，b2...bv]，适应度值指的是采用加权系数组合[b1，b2...bv]时，信号的PAPR。图4和图5中的正方形、等边三角形、直角三角形、白圈和黑圈表示具体的某一个系数bv，bv取值1或者-1。图中所示的等边三角形变成直角三角形、正方形变成白圈、白圈变为黑圈的过程，可以理解为具体一个加权系数bv由-1变为1，或者1变为-1的过程。
遗传算法具有全局寻优的能力，爬山算法具有局部寻优的能力。我们在基于遗传算法的PTS技术(GA-PTS)的基础上进行了局部优化，结合了爬山算法得到GH-PTS技术。用GH-PTS技术处理具有高PAPR的信号，降低信号的PAPR。
S3、如图2第6-9部分所示，包括：添加循环前缀、并串变换、数模转换、发射信号。输入的数据添加循环前缀后，进行并串变换以及数模转换。之后加上直流偏置后通过LED发射数据。
S4、如图2第10-15部分所示。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、串并变换。去除循环前缀之后，进行解GH-PTS操作。
S5、如图2第16-19部分所示。包括：FFT操作且去除导频、并串变换、BPSK解调。经过发送端的逆向操作，恢复出原始信号。
图6中显示了当V(子块数)和G(遗传代数)不变时，随着Q(初始种群数)的增加，GA-PTS技术、传统PTS技术与本发明对VLC-OFDM系统PAPR的降低情况。可以看出，本发明比GA-PTS技术能更有效地降低系统的PAPR。同时，保持V和G相同，本发明随着Q的增加，在GA-PTS技术基础上进一步降低PAPR的效果越来越小。
图7中显示了当V和Q不变时，随着G的增加，GA-PTS技术、传统PTS技术与本发明对VLC-OFDM系统PAPR的降低情况。同样可以看出，本发明比GA-PTS技术能更有效地降低系统的PAPR。同时，保持V和Q相同，本发明随着G的增加，在GA-PTS技术基础上进一步降低PAPR的效果越来越小。
图8中显示了本发明处理信号前后波形对比图。可以看出，本发明可以有效地降低峰值信号出现的概率，从而达到降低系统PAPR的目的。
图9中显示了GA-PTS技术、传统PTS技术与本发明在VLC-OFDM系统BER性能。从图9中可以看出，本发明和GA-PTS技术的BER性能很接近。与GA-PTS技术产生BER相比较，本发明所产生的BER有少量的下降。
由以上实施例可以看出，本发明能用来有效地解决VLC-OFDM系统的高PAPR问题。与传统PTS技术相比，GH-PTS拥有计算复杂度低的优势。与GA-PTS技术比较，本发明能在系统BER性能几乎不变的情况下，更有效的降低VLC-OFDM系统的PAPR。从而提高通信系统的效率，降低系统的非线性失真。

Claims (7)

1.融合遗传和爬山算法降低VLC-OFDM系统峰均功率比的方案，包括以下步骤：
S1、在数据发送端将串行数据并行化，将并行数据进行快速傅里叶逆变换处理；
S2、采用基于遗传和爬山结合算法的PTS技术(GH-PTS)对并行数据进行处理；
S3、对接收到的数据进行并串变换，然后通过LED灯发送数据信息；
S4、对数据进行串并变换后，进行解GH-PTS操作；
S5、对数据进行快速傅里叶变换以及并串处理，并解调输出。
2.根据权利要求1所述的方案，其特征在于，步骤S1中对数据进行IFFT处理，得到OFDM调制信号，提高系统的抗多径干扰能力。
3.根据权利要求1所述的方案，其特征在于，步骤S2中提出了一种GH-PTS技术，并用GH-PTS技术来处理数据。
4.根据权利要求1所述的方案，其特征在于，步骤S3将处理过的具有低PAPR的数据信号通过LED等发射出去。
5.根据权利要求1所述的方案，其特征在于，步骤S4将数据进行解GH-PTS操作。
6.根据权利要求1所述的方案，其特征在于，步骤S5将数据进行解调输出，还原出原信号。
7.根据权利要求1所述的方案，其特征在于，针对步骤S1得到的OFDM调制信号具有高PAPR的缺陷，在步骤S2中提出了一种GH-PTS技术，对数据进行处理。GH-PTS技术是GA-PTS的优化技术，相比较GA-PTS技术而言，GH-PTS技术能够更好地降低信号的PAPR。在步骤S3中将数据信号通过LED发射出去。通过步骤S4和步骤S5还原出信号。从而降低VLC-OFDM系统的PAPR，提高系统的通信效率，降低系统的非线性失真。
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