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
【专利摘要】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。
【专利说明】
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
[0001]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-0FDM 系统峰均功率比的PTS技术。
【背景技术】
[0002] 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 (ISIhlSI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。
[0003] 正交频分复用(0FDM)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， 0FDM调制技术被应用至IjVLC系统中来提高系统的抗多径干扰能力。然而，0FDM技术也有一些 缺陷，比如存在高峰均功率比（PAPRhOFDM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):
[0005] 0FDM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0FDM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):
[0006] CDF = P(PAPR 彡 z)=F(z)N=(l_e-Z)N， (2)
[0007] (XDF与⑶F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):
[0008] CCDF = P(PAPR>z) =卜 F(z)N=l-(l_e-Z)N， (3)
[0009] 式中，z表示PAPR的门限值PAPR〇，N表示子载波个数。
[001 0 ]通常，更多的采用CCDF来衡量0FDM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。
[0011] 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-0FDM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 0FDM信号进入VLC-0FDM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-0FDM系统中不容忽略 的问题之一。降低VLC-0FDM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】
[0012 ]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。
[0013]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-0FDM系统峰均功率比的方法，包括以下步骤：
[0014] 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 0FDM调制信号；
[0015] S2、对0FDM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0FDM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;
[0016] 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；
[0017] 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；
[0018] 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。
[0019] 所述的方法，步骤S2包括以下步骤：
[0020]把0FDM调制信号中的一组0FDM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匕，然后组合子数据块，得到处理过的信号。
[0021] 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。
[0022] 所述的方法，选取加权系数匕的步骤包括：
[0023] 首先设定参数:加权系数bj= { + 1 ,-1}，相位旋转因子可选个数W的取值决定于加 权系数h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;
[0024] (1)从Wv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[bi，b 2. . .bv]，遗传代数被设为g = l，其中Q的取值为不大于Wv的偶数；
[0025] (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;
[0026] (3)对Q种初始种群间进行独立的遗传操作：
[0027] a.任意两两种群进行相互杂交；
[0028] b.单个种群的变异；
[0029] (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；
[0030] (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。
[0031] 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：
[0032] 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;
[0033] 1)根据由遗传算法得到的PAPR最小的加权系数组合[bhh. . .bv]，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;
[0034] 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);
[0035] 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[In， b2. . .bv]中的bj变为_bj，其他加权系数不变，设改变后的系数组合记为[H . .dv];
[0036] 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[cU，d 2. . .dv]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;
[0037] 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[d^cb. . .dv]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匕的组合。
[0038]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-0FDM系统的PAPR。从而，进一步改善VLC-0FDM系统的性能。
【附图说明】
[0039]图1是本发明的方案的流程图；
[0040]图2是本发明的系统框图；
[0041 ] 图3是GAPFA-PTS原理框图；
[0042]图4是峰值反馈算法的流程图；
[0043] 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；
[0044] 图6是本发明处理信号前后波形对比图。
【具体实施方式】
[0045]下面结合附图和实例，对本发明作进一步详细描述。
[0046]本发明提供了一种基于峰值反馈与遗传算法降低VLC-0FDM系统峰均功率比的PTS 技术，具体流程如图1所示，包括以下SI、S2、S3、S4、S5这5个步骤：
[0047] 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 0FDM调制信号。
[0048] S2、得至IjOFDM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部分所不。
[0049] 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0FDM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匕。然后组合子数据 块，得到处理过的信号。由于加权系数组合[b^bs. . .bv]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[bi，b 2. . .bv]。它的具体选取 规则如下：
[0050] 首先，对VLC-0FDM信号进行GA-PTS处理选取出最后一代对应的加权系数组合[b!， b2. . .bv]。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：
[0051 ]设定参数:加权系数匕={ + 1，-1 }，相位旋转因子可选个数W的取值决定于加权系 数匕的可取值个数即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[h，b2. . . bv]的系数组合有Wv=65536种。
[0052] (1)从Wv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[b^bs. . .bv]，此时，遗传代数被设为g = l，Q的取值为不大 于WV的偶数。
[0053] (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。
[0054] (3)对Q种初始种群间进行独立的遗传操作。
[0055] a.任意两两种群进行相互杂交。
[0056] b.单个种群的变异。
[0057] (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。
[0058] (5)进入步骤(3)，遗传代数g自动加1。
[0059] (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。
[0060] 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：
[0061] 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;
[0062] 1)根据由遗传算法得到的PAPR最小的加权系数组合[bhh. . .bv]，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;
[0063] 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);
[0064] 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[In， b2. . .bv]中的bj变为_bj，其他加权系数不变，设改变后的系数组合记为[H . .dv];
[0065] 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[cU，d 2... dv]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;
[0066] 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[d^cb. . .dv]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[b^b. . .bv]。
[0067] 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。
[0068] 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。
[0069] 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部分所不。
[0070] 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。
[0071] 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。 [0072]由以上可以看出本发明能够有效地降低VLC-0FDM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-0FDM系统的PAPR，从而提高VLC-0FDM系统的通信效率，降低系统的非线性失 真。
【主权项】
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： 51、 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； 52、 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; 53、 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； 54、 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； 55、 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匕，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，选取加权系数匕的步骤包括： 首先设定参数:加权系数bj= { + 1 ,-1}，相位旋转因子可选个数W的取值决定于加权系数 bj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Wv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[bi，b 2. . .bv]，遗传代数被设为g = l，其中Q的取值为不大于Wv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[b^bs. . .bv]，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 = l，2,3· · ·ν); 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[b^bs. . .bv]中 的bj变为-bj，其他加权系数不变，设改变后的系数组合记为[d^cb. . .dv]; 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[cU，d2. . . dv]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[d^cb. . .dv]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匕的组合。
【文档编号】H04L27/26GK106027447SQ201610352313
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】邓宏贵, 刘岩, 肖威, 李永陆
【申请人】中南大学