CN110971457B - 一种基于elm的时间同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于ELM的时间同步方法,包括:收集接收信号,构建训练数据集合
Figure DDA0002281588100000011
i=1,2,…,Nt;构建基于ELM时间同步的网络模型;离线训练基于ELM时间同步的网络模型并保存模型及参数;在线运行基于ELM时间同步的网络模型,得到时间同步估计值
Figure DDA0002281588100000012
本发明的时间同步方法借助ELM网络构建时间同步网络模型,与经典的“互相关”同步方法相比,可有效提高系统的时间同步性能;在系统存在非线性失真时,本发明的时间同步方法仍然适用。

Description

一种基于ELM的时间同步方法
技术领域
本发明涉及时间同步技术领域,特别涉及一种基于ELM(extreme learningmachine极限学习机)的时间同步方法。
背景技术
通信系统中的发射机存在大量非线性器件或模块,造成发射信号不可避免的存在非线性失真。作为无线通信系统的重要组成部分之一,时间同步在非线性失真条件下的同步性能严重恶化。
基于“互相关法”的经典时间同步方案因非线性失真的存在,训练序列的正交性遭到破坏,所以同步性能大大降低,继而在非线性失真条件下难以适用;而利用深度神经网络学习进行时间同步虽能提高系统时间同步性能,但其面临复杂的参数调谐、较长的训练时间等一系列问题。
相对于深度学习神经网络,ELM具有不需要反向梯度传播,网络输入权重和偏置根据随机分布产生且固定,学习速度快等优点。本发明在接收端利用ELM网络学习出同步度量特性,从而估计出时间同步的偏移位置。本发明可提高系统的时间同步性能,如可减小时间同步的错误概率;特别地,在系统存在非线性失真时,本发明方法仍可适用,具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种基于ELM的时间同步方法,提高了系统(特别是非线性失真系统)的时间同步性能。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种基于ELM的时间同步方法,包括以下步骤:
S1.收集接收信号,构建训练数据集合
Figure BDA0002281588080000011
S2.构建基于ELM的时间同步网络模型,
S3.离线训练基于ELM的时间同步网络模型并保存模型及参数;
S4.在线运行基于ELM的时间同步网络模型,得到时间同步估计值
Figure BDA0002281588080000012
步骤S1中所述构建训练数据集合的步骤包括:
S101.收集Nt个长度为M的样本序列
Figure BDA0002281588080000013
形成样本序列集合:
Figure BDA0002281588080000014
S102.对样本序列集合
Figure BDA0002281588080000015
进行预处理,得到标准度量矢量集合:
Figure BDA0002281588080000016
S103.根据同步偏移值τi,i=1,2,…,Nt形成标签集合
Figure BDA0002281588080000021
所述的标签Ti,i=1,2,…,Nt根据同步偏移值τi,利用one-hot编码得到,即:
Figure BDA0002281588080000022
所述的τi由接收信号yi确定,根据统计信道模型,或根据实际场景结合现有方法或设备收集得到;
S104.标准度量矢量集合和标签集合组成训练数据集合
Figure BDA0002281588080000023
i=1,2,…,Nt
步骤S102中所述的预处理包括:
S1021.在样本序列yi中观察长度为Ns的观察序列
Figure BDA0002281588080000024
与长度为Ns的训练序列
Figure BDA0002281588080000025
作“互相关运算”后,得到“互相关度量”
Figure BDA0002281588080000026
即:
Figure BDA0002281588080000027
所述t表示观察序列的起始索引位置,t的取值从0到N-1,例如t=0表示从样本序列yi的第一个元素开始观察Ns长的样本序列;
Figure BDA0002281588080000028
表示yi中t到t+Ns1个元素;N=M-Ns
S1022.由N个相关度量
Figure BDA0002281588080000029
构成度量矢量
Figure BDA00022815880800000210
对Nt个度量矢量γi进行归一化处理,得到标准度量矢量
Figure BDA00022815880800000211
即:
Figure BDA00022815880800000212
其中,||γi||表示度量矢量γi的Frobenius范数。
步骤S2中所述的网络模型与参数如下:
ELM网络模型包含1个输入层,1个隐藏层,1个输出层,输入层节点数为N,隐藏层节点数为N=mN,输出层节点数为N,根据随机分布产生权重
Figure BDA00022815880800000213
和偏置
Figure BDA00022815880800000214
隐藏层采用sigmoid作为激活函数,将预处理后的标准度量矢量集合
Figure BDA00022815880800000215
作为输入,其中m根据工程经验预先设置。
步骤S3中所述的离线训练和模型参数保存包括以下子步骤:
S301.依次将标准度量矢量
Figure BDA00022815880800000218
输入ELM网络模型,隐藏层输出
Figure BDA00022815880800000216
表示为:
Figure BDA00022815880800000217
所述σ(·)表示激活函数sigmoid;
S302.由Nt个标准度量矢量
Figure BDA0002281588080000031
得到的Nt个隐藏层输出Hi构成隐藏层输出矩阵:
Figure BDA0002281588080000032
根据隐藏层输出矩阵H和步骤S103中构建的标签集合T,求得输出权重
Figure BDA0002281588080000033
Figure BDA0002281588080000034
所述
Figure BDA0002281588080000035
表示H的Moore–Penrose伪逆;
S303.保存模型参数W,b和β。
步骤S4中所述的在线运行和时间同步估计值求解包括以下子步骤:
S401.接收在线样本序列
Figure BDA0002281588080000036
根据步骤S1021~S1022进行预处理得到在线标准度量矢量:
Figure BDA0002281588080000037
Figure BDA0002281588080000038
送入ELM网络模型中学习出输出向量
Figure BDA0002281588080000039
表示为:
Figure BDA00022815880800000310
S402.找到输出向量O中幅度平方的最大值的索引位置,即时间同步估计值
Figure BDA00022815880800000311
Figure BDA00022815880800000312
本发明的有益效果是:本发明借助ELM的时间同步网络模型,与经典的“互相关”时间同步方法相比,有效提高了系统的时间同步性能。同时,在系统存在非线性失真时,本发明的时间同步方法仍然适用。
附图说明
图1为本发明的流程示意图;
图2为ELM网络模型离线训练流程图;
图3为ELM网络模型在线运行过程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案,但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示,一种基于ELM的时间同步方法,包括以下步骤:
S1.收集接收信号,构建训练数据集合
Figure BDA00022815880800000313
i=1,2,…,Nt
具体地,步骤S1中所述构建训练数据集合的步骤包括:
S101.收集Nt个长度为M的样本序列
Figure BDA00022815880800000314
形成样本序列集合:
Figure BDA0002281588080000041
S102.对样本序列集合
Figure BDA0002281588080000042
进行预处理,得到标准度量矢量集合:
Figure BDA0002281588080000043
进一步地,步骤S102中所述的预处理包括:
S1021.在样本序列yi中观察长度为Ns的观察序列
Figure BDA0002281588080000044
与长度为Ns的训练序列
Figure BDA0002281588080000045
作“互相关运算”后,得到“互相关度量”
Figure BDA0002281588080000046
即:
Figure BDA0002281588080000047
所述t表示观察序列的起始索引位置,t的取值从0到N-1,例如t=0表示从样本序列yi的第一个元素开始观察Ns长的样本序列;
Figure BDA0002281588080000048
表示yi中t到t+Ns1个元素;N=M-Ns
S1022.由N个相关度量
Figure BDA0002281588080000049
构成度量矢量
Figure BDA00022815880800000410
对Nt个度量矢量γi进行归一化处理,得到标准度量矢量
Figure BDA00022815880800000411
即:
Figure BDA00022815880800000412
其中,||γi||表示度量矢量γi的Frobenius范数。
S103.根据同步偏移值τi,i=1,2,…,Nt形成标签集合
Figure BDA00022815880800000413
所述的标签Ti,i=1,2,…,Nt根据同步偏移值τi,利用one-hot编码得到,即:
Figure BDA00022815880800000414
所述的τi由接收信号yi确定,根据统计信道模型,或根据实际场景结合现有方法或设备收集得到;
在本申请的实施例中,假设N=64,τi=3,Nt=105
训练标签如下:
Figure BDA00022815880800000415
S104.标准度量矢量集合和标签集合组成训练数据集合
Figure BDA00022815880800000416
i=1,2,…,Nt
S2.构建基于ELM的时间同步网络模型:
ELM网络模型包含1个输入层,1个隐藏层,1个输出层,输入层节点数为N,隐藏层节点数为N=mN,输出层节点数为N,根据随机分布产生权重
Figure BDA00022815880800000417
和偏置
Figure BDA00022815880800000418
隐藏层采用sigmoid作为激活函数,将预处理后的标准度量矢量集合
Figure BDA0002281588080000051
作为输入,其中m根据工程经验预先设置。
S3.离线训练基于ELM的时间同步网络模型并保存模型及参数;
具体地,如图2所示,步骤S3中所述的离线训练和模型参数保存包括以下子步骤:
S301.依次将标准度量矢量
Figure BDA0002281588080000052
输入ELM网络模型,隐藏层输出
Figure BDA0002281588080000053
表示为:
Figure BDA0002281588080000054
所述σ(·)表示激活函数sigmoid;
S302.由Nt个标准度量矢量
Figure BDA0002281588080000055
得到的Nt个隐藏层输出Hi构成隐藏层输出矩阵:
Figure BDA0002281588080000056
根据隐藏层输出矩阵H和步骤S103中构建的标签集合T,求得输出权重
Figure BDA0002281588080000057
Figure BDA0002281588080000058
所述
Figure BDA0002281588080000059
表示H的Moore–Penrose伪逆;
S303.保存模型参数W,b和β。
S4.在线运行基于ELM的时间同步网络模型,得到时间同步估计值
Figure BDA00022815880800000510
具体地,如图3所示,步骤S4中所述的在线运行和时间同步估计值求解包括以下子步骤:
S401.接收在线样本序列
Figure BDA00022815880800000511
根据步骤S1021~S1022进行预处理得到在线标准度量矢量:
Figure BDA00022815880800000512
Figure BDA00022815880800000513
送入ELM网络模型中学习出输出向量
Figure BDA00022815880800000514
表示为:
Figure BDA00022815880800000515
S402.找到输出向量O中幅度平方的最大值的索引位置,即时间同步估计值
Figure BDA00022815880800000516
Figure BDA00022815880800000517
需要说明的是,本领域的普通技术人员将会意识到,这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法,应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合,这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于ELM的时间同步方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1.收集接收信号,构建训练数据集合
Figure FDA0003595273830000011
步骤S1中所述构建训练数据集合的步骤包括:
S101.收集Nt个长度为M的样本序列
Figure FDA0003595273830000012
形成样本序列集合:
Figure FDA0003595273830000013
S102.对样本序列集合
Figure FDA0003595273830000014
进行预处理,得到标准度量矢量集合:
Figure FDA0003595273830000015
S103.根据同步偏移值τi,i=1,2,…,Nt形成标签集合
Figure FDA0003595273830000016
所述的标签Ti,i=1,2,…,Nt根据同步偏移值τi,利用one-hot编码得到,即:
Figure FDA0003595273830000017
所述的τi由接收信号yi确定,根据统计信道模型,或根据实际场景结合现有方法或设备收集得到;
S104.标准度量矢量集合和标签集合组成训练数据集合
Figure FDA0003595273830000018
S2.构建基于ELM的时间同步网络模型;
步骤S2中所述的网络模型与参数如下:
ELM网络模型包含1个输入层,1个隐藏层,1个输出层,输入层节点数为N,隐藏层节点数为N=mN,输出层节点数为N,根据随机分布产生权重
Figure FDA0003595273830000019
和偏置
Figure FDA00035952738300000110
隐藏层采用sigmoid作为激活函数,将预处理后的标准度量矢量集合
Figure FDA00035952738300000111
作为输入,其中m根据工程经验预先设置;
S3.离线训练基于ELM的时间同步网络模型并保存模型及参数;
步骤S3中所述的离线训练和模型参数保存包括以下子步骤:
S301.依次将标准度量矢量
Figure FDA00035952738300000112
输入ELM网络模型,隐藏层输出
Figure FDA00035952738300000113
表示为:
Figure FDA00035952738300000114
所述σ(·)表示激活函数sigmoid;
S302.由Nt个标准度量矢量
Figure FDA00035952738300000115
得到的Nt个隐藏层输出Hi构成隐藏层输出矩阵:
Figure FDA00035952738300000116
根据隐藏层输出矩阵H和步骤S103中构建的标签集合T,求得输出权重
Figure FDA0003595273830000021
Figure FDA0003595273830000022
所述
Figure FDA0003595273830000023
表示H的Moore–Penrose伪逆;
S303.保存模型参数W,b和β;
S4.在线运行基于ELM的时间同步网络模型,得到时间同步估计值
Figure FDA0003595273830000024
2.根据权利要求1所述的一种基于ELM的时间同步方法,其特征在于:步骤S102中所述的预处理包括:
S1021.在样本序列yi中观察长度为Ns的观察序列
Figure FDA0003595273830000025
与长度为Ns的训练序列
Figure FDA0003595273830000026
作“互相关运算”后,得到“互相关度量”
Figure FDA0003595273830000027
即:
Figure FDA0003595273830000028
所述t表示观察序列的起始索引位置,t的取值从0到N-1,例如t=0表示从样本序列yi的第一个元素开始观察Ns长的样本序列;
Figure FDA0003595273830000029
表示yi中t到t+Ns-1个元素;N=M-Ns
S1022.由N个相关度量
Figure FDA00035952738300000210
构成度量矢量
Figure FDA00035952738300000211
对Nt个度量矢量γi进行归一化处理,得到标准度量矢量
Figure FDA00035952738300000212
即:
Figure FDA00035952738300000213
其中,||γi||表示度量矢量γi的Frobenius范数。
3.根据权利要求1所述的一种基于ELM的时间同步方法,其特征在于:步骤S4中所述的在线运行和时间同步估计值求解包括以下子步骤:
S401.接收在线样本序列
Figure FDA00035952738300000214
根据步骤S1021~S1022进行预处理得到在线标准度量矢量:
Figure FDA00035952738300000215
Figure FDA00035952738300000216
送入ELM网络模型中学习出输出向量
Figure FDA00035952738300000217
表示为:
Figure FDA00035952738300000218
S402.找到输出向量O中幅度平方的最大值的索引位置,即时间同步估计值
Figure FDA00035952738300000219
Figure FDA00035952738300000220
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Application publication date: 20200407

Assignee: Chengdu Tiantongrui Computer Technology Co.,Ltd.

Assignor: XIHUA University

Contract record no.: X2023510000028

Denomination of invention: A Time Synchronization Method Based on ELM

Granted publication date: 20220524

License type: Common License

Record date: 20231124