CN112235216A - 一种基于禁忌搜索的压缩感知导频设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于禁忌搜索的压缩感知导频设计方法，S1、确定禁忌长度l，迭代次数u，清空禁忌表，产生初始解；S2、判断迭代次数是否达到u，如果达到则输出导频图案并停止搜索，否则执行S3；S3、在非禁忌对象中，运用邻域准则求出候选解，记录其测量矩阵互相关值μ，将其加入禁忌表；S4、更新禁忌表，所有值大于0的元素减1，将新加入禁忌表中对象对应禁忌表中数值设置为禁忌长度；S5、判断是否满足藐视准则，如果满足，将此次导频图案记录为输出导频，μ值作为藐视准则新的最小值，迭代次数加1，执行S2。本发明在相同运算量下能够获得更小的μ值，将所对应的导频图案用于压缩感知信道估计获得更低的信道估计误差。
Description
技术领域
本发明涉及一种压缩感知导频设计方法，尤其涉及一种基于禁忌搜索的压缩感知导频设计方法，属于水声通信技术领域。
背景技术
压缩感知作为一种采样和压缩技术，能够以低于奈奎斯特采样率对稀疏信号采样后通过恢复算法重建原始信号。在无线信道中多径信道呈现为稀疏性，因此压缩感知信号可以通过少量观测值对信号进行重构，从而可以应用于信道估计中。基于压缩感知的稀疏信道估计相比于传统的最小二乘法，最小均方误差法在相同导频数量下能够达到更好的性能。
基于压缩感知的导频信道估计已有广泛研究和应用，研究主要方向之一基于各种恢复算法，例如正交匹配追踪，稀疏度自适应匹配追踪等。另一个主要研究方向是导频图案的设计。正交频分复用(OFDM)系统在通信系统中得到了广泛应用，传统的OFDM信道估计方法如LS和MMSE等，其最优导频都是在时域或频域上等间隔放置。与传统信道估计方法中的等间隔放置导频不同，压缩感知信道估计所对应最优导频并非等间隔放置，也不存在通用结构，而是需要通过某种评价函数对导频图案进行搜索，进而得到最优导频。目前普遍采用的准则为测量矩阵互相关值μ最小化，测量矩阵互相关值越小，稀疏信号重构概率越高。由于需要从大量数据位置中对导频位置进行搜索计算，如果采用穷举法全部进行计算，会导致计算量严重上升。现有的传统搜索算法主要基于随机搜索以及贪婪算法，为了达到较小的μ值需要搜索次数较多。需要一种新的搜索算法，在相同计算量下搜索出更小的μ值，将优化导频运用在信道估计中以获得更好的信道估计性能。
发明内容
本发明的目的是为了在压缩感知中使感知矩阵达到较小的μ值，从而提高压缩感知估计性能而提供一种基于禁忌搜索的压缩感知导频设计方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于禁忌搜索的压缩感知导频设计方法，包括如下步骤：
S100、首先确定算法的基本参数：禁忌长度l，迭代次数u，清空禁忌表，产生初始解；
S200、判断迭代次数是否达到u，如果达到则输出当前记录的输出导频图案并停止搜索，否则执行S300；
S300、在非禁忌对象中，运用邻域准则求出候选解，记录其测量矩阵互相关值μ，将其加入禁忌表；
S400、更新禁忌表，所有值大于0的元素减1，将新加入禁忌表中对象对应禁忌表中数值设置为禁忌长度；
S500、判断是否满足藐视准则，如果满足，将此次导频图案记录为输出导频，μ值作为藐视准则新的最小值，迭代次数加1，执行S200。
本发明还包括这样一些特征：
1.在S100中采用混沌序列产生初始解，对于导频个数为Np，子载波个数为N的系统，采用混沌序列生成序列长度为Np的初始序列，并且将其采用非整数四舍五入的方法映射到[1,N]的区间上，作为系统的初始解；
2.所述步骤S300中邻域准则为：在保持导频数量一定的前提下，寻找一个邻域解。具体做法为，每次从非导频子载波中取一个导频替换导频中的一个随机导频，共进行M次。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明算法在相同运算量下，能够获得更小的μ值。将所对应的导频图案用于压缩感知信道估计，能够获得更低的信道估计误差。
附图说明
图1为不同算法μ值与计算次数的关系；
图2为OFDM系统中不同导频设计方法误码率对比；
图3为本发明的一种基于禁忌搜索的压缩感知导频设计方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种基于禁忌搜索的压缩感知导频设计方法，所述导频设计方法包括以下步骤：
S100、首先确定算法的基本参数：禁忌长度l，迭代次数u，清空禁忌表，产生初始解；
S200、判断迭代次数是否达到u，如果达到则输出当前记录的输出导频图案并停止搜索，否则执行S300；
S300、在非禁忌对象中，运用邻域准则求出候选解，记录其测量矩阵互相关值μ，将其加入禁忌表；
S400、更新禁忌表，所有值大于0的元素减1，将新加入禁忌表中对象对应禁忌表中数值设置为禁忌长度；
S500、判断是否满足藐视准则，如果满足，将此次导频图案记录为输出导频，μ值作为藐视准则新的最小值，迭代次数加1，执行S200。
S100中采用混沌序列产生初始解，对于导频个数为Np，子载波个数为N的系统，采用混沌序列生成序列长度为Np的初始序列，并且将其采用非整数四舍五入的方法映射到[1,N]的区间上，作为系统的初始解。
S300所述邻域准则为：在保持导频数量一定的前提下，寻找一个邻域解。具体做法为，每次从非导频子载波中取一个导频替换导频中的一个随机导频，共进行M次。
下面提出一具体实施例：
本发明的目的在于提供一种针对水声语音通信turbo译码通信系统的迭代停止准则。相比于传统的停止准则，在水声语音通信的环境下，在能够保持语音通信质量的前提下降低译码迭代次数以降低译码时间。
本实施例包括如下步骤
步骤一：为了在众多子载波位置对最优导频进行搜索，首先需要确定导频衡量准则，现有对于压缩感知导频衡量准则一般基于测量矩阵的互相关值μ，测量矩阵的互相关值μ定义为：
其中Ap和Aq分别为测量矩阵A的第p列和第q列元素，Ap H为Ap的共轭转置。测量矩阵A＝XpWp，对于子载波个数为Np的导频序列，其中发送导频符号Xp＝diag[x(p1),x(p2)…x(pNp)]，Wp为部分离散傅里叶矩阵，用L表示信道长度，Wp可以表示为：
步骤二：为了求解一组导频图案使互相关值最小，通常的想法是采用穷举法并选出最小值。但由于该问题为NP-HARD问题，需要进行
次搜索。实际应用中采用的导频数量和子载波数量都较多，计算量较大无法实现，因此转而通过各种搜索算法寻求次优解。在众多搜索算法中，智能优化算法又称现代启发式算法在优化搜索中具有良好的性能，因此本专利采用智能优化算法中的禁忌搜索对导频进行优化。
步骤三：根据问题首先对禁忌搜索的参数进行设定及优化，由于搜索的目的是为了寻找对应μ值最小的导频图案，因此禁忌搜索评价函数设定为更小的μ值。根据搜索问题的规模，禁忌长度l设置为40，迭代次数u设置为500，邻域搜索次数M设置为1000。之后对邻域准则及系统初始解进行优化。
邻域准则：在信道估计中，导频和子载波数量一般为固定数值。如果按照一般的邻域准则如2-opt准则，可能会导致导频数量改变为一个不定值。因此本专利邻域准则定义为：每次从非导频子载波中取一个导频替换一个随机导频，共搜索M次，记录μ的最小值及其对应的导频图案。
初始解：初始解对于任何收敛算法都是重要参数，良好的初始解能够加快序列的收敛速度。一般初始解的方法为随机生成，然而随机生成的初始解性能浮动大，系统收敛速度不稳定。本专利采用混沌序列生成系统的初始解，根据混沌系统方程可以产生一系列伪随机、非相关、确定的序列。本专利采用混沌映射中的logistic映射进行序列初始化，logistic映射公式如下：
ck+1＝ock(1-ck)
其中ck为logistic映射的混沌变量，取值在0到1之间。o是混沌因子，当3.5699456<o≤4时，系统处于混沌状态，因此本算法产生初始解的步骤为：
对于导频个数为Np，子载波个数为N的系统，选择o＝4的logistichundu你序列，混沌变量初始值选择为0.4，迭代2000次使其进入充分混沌状态，之后连续取Np个值并将其映射到[1,N]的区间上，非整数采用四舍五入的办法。
步骤四：根据设定的系统参数以及优化，按照禁忌搜索的压缩感知导频设计方法步骤生成导频，并且与树状搜索生成导频，随机搜索生成导频的性能进行对比。为了比较三种算法的复杂度和性能的关系，分析可知导频搜索算法复杂度主要来源于μ的计算次数，因此性能评估主要采用以下方式：对于导频数量相同的不同方法的搜索算法，首先计算其μ值对搜索算法的性能进行衡量，之后将其应用于信道估计，通过误码率对导频的性能进行评估。本专利所采用搜索次数设置为110次，由于邻域搜索次数为1000，因此μ值计算次数为110000；树状搜索根节点次数设为M1＝10，存活节点个数M2＝10，μ值计算次数为110860次；随机搜索次数设置为110860次。三种搜索算法的μ值与μ搜索次数关系如附图1所示，由仿真可知，禁忌搜索在搜索次数更少的前提下，搜索所得μ值小于其他两种算法。三种搜索算法生成的导频图案应用于系统后误码率如附图2所示，禁忌搜索在计算量更小的前提下，生成导频的误码率性能优于树状搜索和随机搜索。
Claims (3)
1.一种基于禁忌搜索的压缩感知导频设计方法，其特征是，包括如下步骤：
S100、首先确定算法的基本参数：禁忌长度l，迭代次数u，清空禁忌表，产生初始解；
S200、判断迭代次数是否达到u，如果达到则输出当前记录的输出导频图案并停止搜索，否则执行S300；
S300、在非禁忌对象中，运用邻域准则求出候选解，记录其测量矩阵互相关值μ，将其加入禁忌表；
S400、更新禁忌表，所有值大于0的元素减1，将新加入禁忌表中对象对应禁忌表中数值设置为禁忌长度；
S500、判断是否满足藐视准则，如果满足，将此次导频图案记录为输出导频，μ值作为藐视准则新的最小值，迭代次数加1，执行S200。
2.根据权利要求1所述的基于禁忌搜索的压缩感知导频设计方法，其特征是，在S100中采用混沌序列产生初始解，对于导频个数为Np，子载波个数为N的系统，采用混沌序列生成序列长度为Np的初始序列，并且将其采用非整数四舍五入的方法映射到[1,N]的区间上，作为系统的初始解。
3.根据权利要求1所述的基于禁忌搜索的压缩感知导频设计方法，其特征是，所述步骤S300中邻域准则为：在保持导频数量一定的前提下，寻找一个邻域解。具体做法为，每次从非导频子载波中取一个导频替换导频中的一个随机导频，共进行M次。
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