CN112995089A - 基于混沌映射的低复杂度选择映射法改进方法 - Google Patents

基于混沌映射的低复杂度选择映射法改进方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于混沌映射的低复杂度选择映射法改进方法,使用两次混沌映射,生成随机的分组序列以及随机的相位序列,分别用来对OFDM的子载波进行随机分组,以及代替原始传统的SLM中随机相位序列。由于混沌映射对初值的敏感性、结果的随机性等性质,本发明非常适合用于改进SLM,同时还可以提升OFDM系统的安全性。本发明增加随机性的同时降低系统的复杂度,解决相位序列不足问题的同时,降低了边带信息冗余的信息量,降低PAPR的同时提高了传输效率。

Description

基于混沌映射的低复杂度选择映射法改进方法
技术领域
本发明涉及通信领域的光传输技术,尤其涉及基于混沌映射的低复杂度选择映射法改进方法。
背景技术
正交频分复用(orthography frequency division multiplexing, OFDM)系统因为其频谱利用率高等优势被成功应用在无线通信领域,是第四代移动通信系统(4G)的核心技术之一。而承载OFDM的光纤传输还具有高速数据传输、抗干扰强等优点,通过先进的数字信号处理(DSP)器件,可以承接超高速传输的多种接入业务,同时还能支持混合业务的融合、动态带宽分配等,被认为是下一代无源接入网的最佳方案。然而,较高的峰均功率比(PAPR)限制了OFDM的实际应用。PAPR定义为最大值功率与平均功率的比值,PAPR过高会造成OFDM系统产生很大影响。例如,对于放大器的线性范围会有较高的要求,超过一般功率放大器的线性工作范围造成信号频谱扩展和带内信号畸变,导致整个系统的性能下降。因此,降低系统的PAPR成为研究的热点。
国际以及国内对降低PAPR的研究成果,主要有信号预畸变技术、编码类技术、和概率类三大技术。然而每种方法都存在着各自的缺点。信号畸变类技术最简单,对超出门限值的信号进行非线性畸变,避免超过放大器的动态范围。但是此类方法使得接收端信号失真,降低了系统的误码性能。编码类技术对信号进行线性操作,虽然不会对信号的误码性能造成降低,但提升了系统的冗余,降低了频带利用率,同时增加了系统的复杂度。概率类方法实现效果类似,但主要目的是为了降低高PAPR发生的概率。综上可见,针对降低PAPR的各类方法,无法兼顾降低PAPR的同时,还拥有较高的误码性能和较低系统计算复杂度。
选择映射法(SLM)是一种基础的概率类方法,其核心思想是通过对OFDM的子载波乘以随机的相位序列,降低多个子载波信号相叠加时出现较大峰值的概率。但是,此类方法会进行多次的逆傅里叶变换(IFFT)运算,计算复杂度随子载波数增加而增大,同时需要传递较大的边带信息。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足,基于高PAPR对OFDM技术的现实应用的限制,提供一种基于混沌映射的低复杂度选择映射法改进方法,该方案使用两次混沌映射,生成随机的分组序列以及随机的相位序列,分别用来对OFDM的子载波进行随机分组,以及代替原始传统的SLM中随机相位序列。由于混沌映射对初值的敏感性、结果的随机性等性质,非常适合用于改进SLM,同时还可以提升OFDM系统的安全性。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:基于混沌映射的低复杂度选择映射法改进方法,包括如下步骤:
S1、发射端对需要发送的数据进行符号映射,映射为符号序列;再串并转换为i路并行的低速信号;
S2、使用混沌映射一组混沌序列,该混沌序列为一组分布在区间(-1,1)的随机数;
S3、通过进行单位比特量化,将混沌序列转换成0、1组成的混沌分组序列D1,D1的长度与i相同;
S4、单位比特量化后的混沌分组序列D1进行取逆得到相反序列D2
S5、将符号序列串并转换成i路序列后分别与D1、D2相乘,得到了两组符号序列
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure 371807DEST_PATH_IMAGE002
,完成混沌分组过程;
S6、生成两组随机的相位序列PO和PT,使用混沌序列生成的随机相位序列代替传统的随机相位序列;
S7、将分组后的符号序列XO和XT 分别与混沌随机相位序列PO和PT相乘,然后进行逆傅里叶变换,选择PAPR最小的一段x1和x2,合并作为最后需要发送的信号。
为优化上述技术方案,采取的具体措施还包括:
进一步地,还包括步骤:S8、将步骤S7得到的需要发送的信号x1和x2叠加后送入数模转换器、调制器加载到光源上输入光纤中进行传输;同时生成PO和PT的混沌序列初值的相关信息作为边带信息一同发送出去;
S9、在接收端,将得到的信号送入数字信号处理模块中,通过利用边带信息中混沌序列的初值信息,还原出PO和PT、D1和D2
S10、反向重复发射端的步骤,实现信号的解调。
进一步地,步骤S1中,串并转换为i路并行的低速信号,i路序列对应OFDM中的子载波数。
进一步地,符号映射方法包括QAM、PSK映射。
进一步地,步骤S2中,采用Logistic混沌映射产生随机相位序列。
进一步地,步骤S3中单位比特量化是:数字大于等于0转换成1,数字小于0转换成0。
进一步地,步骤S6中,具体为根据Logistic映射方程,通过设置不同的初值X0生成两组随机的相位序列PO和PT,使用混沌序列生成的随机相位序列代替传统的随机相位序列。
进一步地,步骤S7中,将符号序列XO与混沌随机相位序列PO 相乘;将符号序列XT与混沌随机相位序列PT相乘;在得到的两组相乘结果中分别选择最小PAPR的一段时域信号序列x1和x2
本发明的有益效果是:本发明基于混沌映射对选择映射法进行了改进,首先使用混沌序列对原始数据进行随机分组,缩短数据进行逆傅里叶变换(IFFT)的计算长度,增加随机性的同时降低系统的复杂度。使用混沌序列作为相位旋转矢量与频域符号进行点乘,代替原始的随机相位因子序列,解决相位序列不足问题的同时,降低了边带信息冗余的信息量,降低PAPR的同时提高了传输效率。
附图说明
图1是本发明Logistic映射相图。
图2是本发明方法的流程图。
图3是本发明使用改进后的SLM方案与原始SLM方案以及未经操作的OFDM信号的CCDF曲线对比图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是,发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语,亦仅为便于叙述的明了,而非用以限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容下,当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1-图3所示,本发明基于高PAPR对OFDM技术的现实应用的限制,提供一种基于混沌映射的低复杂度选择映射法改进方法,本专利在抑制OFDM系统的高PAPR缺点的同时,实现了SLM方法复杂度的降低,同时降低了边带信息冗余长度,提升系统频谱利用率,并增强了OFDM系统的安全性。本发明方法发生在发射端的数字信号处理过程中,其整个基础方案的整个系统基础流程为:
首先,在发射端的数字信号处理模块,对需要发送的原始比特数据流B进行QAM或PSK映射,从数字比特流序列映射成一个QAM或PSK的符号序列X;此外,使用Logistic混沌映射一组混沌序列,该序列是一组分布在区间(-1,1)的随机数,通过进行单位比特量化(数字大于等于0转换成1,数字小于0转换成0),将混沌序列转换成0,1组成的混沌分组序列D1,D1的长度与串并转换的i路相等。单位比特量化后的混沌分组序列D1进行取逆得到相反序列D2,将符号序列串并转换成i路序列(对应OFDM中的子载波数)后与D1、D2相乘,便得到了两组符号序列
Figure 920600DEST_PATH_IMAGE001
Figure 274221DEST_PATH_IMAGE002
,即完成了混沌分组过程;根据Logistic映射方程,通过设置不同的初值X0生成两组随机的相位序列PO和PT(μ值取值处于混沌时),使用混沌序列生成的随机相位序列代替传统的随机相位序列,本发明使用混沌序列生成的随机相位序列,代替传统的随机相位序列,这样可以使得相位序列具备更高的随机性,有益于降低PAPR的效果。将分组后的符号序列XO和XT与随机相位序列PO和PT相乘,然后进行IFFT(逆傅里叶变换),得到两大组的候选的时域信号序列中选择最小PAPR的一段x1和x2,作为最后需要发送的信号,叠加后送入数模转换器、调制器加载到光源上输入光纤中进行传输;同时,生成PO和PT的混沌序列初值等相关信息作为边带信息一同发送出去;经过信道传输,在接收端,通过光电转换、模数转换后,将得到的信号送入数字信号处理模块中,通过利用边带信息中混沌序列的初值信息,还原出PO和PT、D1和D2,反向重复发射端的步骤,即可实现信号的解调。
传统的SLM虽然在降低PAPR方面实现较为简单,但是缺点是计算复杂度高,需要进行多次的IFFT运算而增加运算成本。通过对SLM方案中进行分组后IFFT可以有效减小复杂度,应为IFFT的计算量与数据长度正相关,数据越长计算量越大。而分组后就可以达到缩短数据计算长度的目的。使用混沌序列进行随机分组,可以有效增加随机性而减小大PAPR产生的概率,同时可以增加数据破解难度而提升数据安全性。
在对数据进行分组之后,需要点乘一个随机相位序列降低产生大PAPR的概率,使用基于混沌序列产生的随机相位序列可以解决SLM算法候选序列数量少的缺点。同时,使用混沌序列只需要一个映射公式和初始值就可以产生混沌序列,不必存储各个序列点的值,传输更少的边带信息,有效减少传输冗余信息量。
本发明选取最简单的非线性差分方程Logistic映射,其数学表达式为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
,当X0一定,对于不同的μ值可以得到如图1所示的范围,可以看出,当在μ的取值符合3.5699456<μ<=4的条件,特别是比较靠近4时,迭代生成的值是出于一种伪随机分布的状态。
在本发明的一个实施例中,首先,对需要发送的数据进行需要的符号映射,再串并转换为i路并行的低速信号。使用Logistic映射,在给定的μ值和序列初始值
Figure 243052DEST_PATH_IMAGE004
条件下,求得一组分布在区间(-1,1)的随机数,再单位比特量化得到一个混沌序列。例如得到的混沌序列为:0001100100011111,其翻转序列即为:1110011011100000。串并后的数据d i i=0,1,…,15,其中i与混沌序列长度相同)分别与两组按位相乘就可以得到两组随机分割的数据序列:v 1000d 3 d 4 00d 7 000d 11 d 12 d 13 d 14 d 15 v 2d 0 d 1 d 2 00d 5 d 6 0d 8 d 9 d 10 00000。混沌序列中0,1的数量相同,保证了分组的随机性。假设分为两组待发送序列X0、XT,分别对其乘以M组随机混沌相位序列P。本发明中使用Logistic混沌映射产生M个长度为i/2的随机相位序列,第m个相位矢量序列为P(m)。为提升随机性,X0、XT两组相乘的随机相位序列不同,每组中的第m个随机相位矢量分别表示为P(O,m) 以及P(T,m)。将原始数据X0、XT与随机相位序列P(O,m) 以及P(T ,m)点乘后得到的序列进行IFFT运算,选出PAPR最小的两组SO、ST合并后最终输出发送。随机相位序列的信息记录为Logistic映射的初值作为边带信息一同发送,接收端根据相应的初值进行逆操作便可以还原出原始信息。
为了对比对PAPR的抑制效果,我们对比传统SLM方案与改进后方案的互补累积分布函数(CCDF)分布情况。本发明使用MALTAB软件,对128个子载波,10000个OFDM符号,子载波采用QPSK调制的IMDD-OFDM系统进行了仿真,两种方案对比的CCDF曲线如图3所示。可以看出,本发明提出的方案可以实现PAPR降低性能优于传统方案,不仅具备更低的复杂度,同时可以获得更好的PAPR抑制效果。更重要的是,该方案使用更少的IFFT计算次数,大大简化了计算复杂度,并且相比传统选择映射法需要传输的边带信息更少,频谱的利用率更高,在复杂度、误码性能、PAPR三个方面觉得到了改善,具有一定的实用前景。
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于混沌映射的低复杂度选择映射法改进方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、发射端对需要发送的数据进行符号映射,映射为符号序列;再串并转换为i路并行的低速信号;
S2、使用混沌映射一组混沌序列,该混沌序列为一组分布在区间(-1,1)的随机数;
S3、通过进行单位比特量化,将混沌序列转换成0、1组成的混沌分组序列D1,D1的长度与i相同;
S4、单位比特量化后的混沌分组序列D1进行取逆得到相反序列D2
S5、将符号序列串并转换成i路序列后分别与D1、D2相乘,得到了两组符号序列
Figure DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE004
,完成混沌分组过程;
S6、生成两组随机的相位序列PO和PT,使用混沌序列生成的随机相位序列代替传统的随机相位序列;
S7、将分组后的符号序列XO和XT 分别与混沌随机相位序列PO和PT相乘,然后进行逆傅里叶变换,选择PAPR最小的一段x1和x2,合并作为最后需要发送的信号。
2.根据权利要求1所述的基于混沌映射的低复杂度选择映射法改进方法,其特征在于,还包括步骤:
S8、将步骤S7得到的需要发送的信号x1和x2叠加后送入数模转换器、调制器加载到光源上输入光纤中进行传输;同时生成PO和PT的混沌序列初值的相关信息作为边带信息一同发送出去;
S9、在接收端,将得到的信号送入数字信号处理模块中,通过利用边带信息中混沌序列的初值信息,还原出PO和PT、D1和D2
S10、反向重复发射端的步骤,实现信号的解调。
3.根据权利要求1所述的基于混沌映射的低复杂度选择映射法改进方法,其特征在于,步骤S1中,串并转换为i路并行的低速信号,i路序列对应OFDM中的子载波数。
4.根据权利要求1所述的基于混沌映射的低复杂度选择映射法改进方法,其特征在于,符号映射方法包括QAM、PSK映射。
5.根据权利要求1所述的基于混沌映射的低复杂度选择映射法改进方法,其特征在于,步骤S2中,采用Logistic混沌映射产生随机相位序列。
6.根据权利要求1所述的基于混沌映射的低复杂度选择映射法改进方法,其特征在于,步骤S3中单位比特量化是:数字大于等于0转换成1,数字小于0转换成0。
7.根据权利要求1所述的基于混沌映射的低复杂度选择映射法改进方法,其特征在于,步骤S6中,具体为根据Logistic映射方程,通过设置不同的初值X0生成两组随机的相位序列PO和PT,使用混沌序列生成的随机相位序列代替传统的随机相位序列。
8. 根据权利要求1所述的基于混沌映射的低复杂度选择映射法改进方法,其特征在于,步骤S7中,将符号序列XO与混沌随机相位序列PO 相乘;将符号序列XT与混沌随机相位序列PT相乘;在得到的两组相乘结果中分别选择最小PAPR的一段时域信号序列x1和x2
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