本發(fā)明屬于信道預(yù)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種基于相空間重構(gòu)的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信道預(yù)測(cè)方法。
背景技術(shù):
隨著高清視頻和物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的迅速增長(zhǎng),以lte為主流的4g和未來的5g需要在有限的頻帶內(nèi),實(shí)現(xiàn)更高速率上的可靠數(shù)據(jù)傳輸;而無線信道的惡劣特性和復(fù)雜多變的系統(tǒng)內(nèi)外的干擾,給lte系統(tǒng)中高頻帶利用率和高功率利用率信息傳輸技術(shù)的研究提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了適應(yīng)現(xiàn)在和未來移動(dòng)通信系統(tǒng)所面臨的這些技術(shù)挑戰(zhàn),在lte系統(tǒng)中已開展了大量有關(guān)基于信道信息調(diào)度的鏈路自適應(yīng)技術(shù)(amc)的研究。該技術(shù)是通過自適應(yīng)調(diào)整用戶和基站鏈路的參數(shù),動(dòng)態(tài)地適應(yīng)無線信道和干擾的時(shí)變特性,可有效地提高鏈路傳輸?shù)念l帶利用率。由于lte系統(tǒng)傳輸中存在著固有時(shí)延,因此想要進(jìn)行較為準(zhǔn)確amc必須對(duì)信道質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè),而信道系數(shù)與信道質(zhì)量密切相關(guān),因此,可以通過進(jìn)行信道系數(shù)的預(yù)測(cè),來改善系統(tǒng)自適應(yīng)性能。具體來說:在td-lte上行系統(tǒng)中,為了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)編碼調(diào)制,基站需要根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻以及前一段時(shí)間內(nèi)的信道狀態(tài),對(duì)下一上行時(shí)刻的信道進(jìn)行預(yù)測(cè),并將預(yù)測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)換成mcs反饋到用戶端,從而選擇最佳的編碼調(diào)制方式進(jìn)行上行傳輸。信道預(yù)測(cè)本質(zhì)上屬于統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理中的估計(jì),跟蹤與預(yù)測(cè)理論,相關(guān)的算法主要包括:ar模型。ar模型是一種線性預(yù)測(cè),即已知n個(gè)數(shù)據(jù),可由模型推出第n點(diǎn)前面或后面的數(shù)據(jù),具有計(jì)算量小的特點(diǎn),但是不適合進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。sos模型。在基于sos(sum-of-sinusoids)模型的算法中,主要思想是基于物理信道模型建模
綜上所述,現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是:目前的信道預(yù)測(cè)方法存在信道預(yù)測(cè)時(shí)間較短,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算量較大。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題,本發(fā)明提供了一種基于相空間重構(gòu)的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信道預(yù)測(cè)方法。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的,一種基于相空間重構(gòu)的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信道預(yù)測(cè)方法,所述基于相空間重構(gòu)的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信道預(yù)測(cè)方法包括:獲得信道系數(shù),建立樣本訓(xùn)練數(shù)據(jù)集;求解相空間重構(gòu)參數(shù);對(duì)樣本訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進(jìn)行相空間重構(gòu);在重構(gòu)相空間中選擇鄰域點(diǎn);利用鄰域點(diǎn)進(jìn)行rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練;利用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè);將預(yù)測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)化到原始空間得到預(yù)測(cè)值。
進(jìn)一步,所述基于相空間重構(gòu)的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信道預(yù)測(cè)方法包括以下步驟:
步驟一,獲得lte上行鏈路信道系數(shù),建立訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集及測(cè)試樣本數(shù)據(jù)集;
步驟二,對(duì)訓(xùn)練樣本及測(cè)試樣本進(jìn)行歸一化處理;
步驟三,求解訓(xùn)練樣本的相空間重構(gòu)參數(shù);
步驟四,對(duì)訓(xùn)練樣本進(jìn)行相空間重構(gòu);
步驟五,依據(jù)距離準(zhǔn)則尋找相空間中最后一個(gè)相點(diǎn)的鄰域點(diǎn);
步驟六,利用步驟五中找到的鄰域點(diǎn)進(jìn)行rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練;
步驟七,將測(cè)試樣本輸入步驟六得到的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),如果預(yù)測(cè)結(jié)果滿足誤差要求,則執(zhí)行步驟八,否則執(zhí)行步驟三和步驟五;
步驟八,對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反歸一化。
進(jìn)一步,所述將訓(xùn)練樣本進(jìn)行歸一化處理,即將其歸一化成為均值為0、方差為1的數(shù)據(jù)。
進(jìn)一步,所述步驟三具體包括:
(1)根據(jù)c-c算法求解出嵌入維m1和最佳時(shí)延τ;c-c算法利用關(guān)聯(lián)積分同時(shí)估計(jì)出時(shí)間延遲τ和嵌入窗寬τω,然后由τω=(m-1)·τ求出嵌入維m1;
(2)如果c-c算法無法得到較為準(zhǔn)確的嵌入維時(shí),則采用假臨近算法求得嵌入維為m2;
(3)根據(jù)步驟七的要求,圍繞m2,對(duì)最佳時(shí)延進(jìn)行重新選擇。
進(jìn)一步,所述步驟四對(duì)訓(xùn)練樣本進(jìn)行相空間重構(gòu);
原始時(shí)間序列為:x={xi|i=1,2,…,n},嵌入維為m,最佳時(shí)延為τ,則得到重構(gòu)后的相空間為:
x={xs|s=1,2,…,m};
xs=(xs,xs+τ,…,xs+(m-1)τ)t;
m=n-(m-1)τ;
其中,m是相空間中的點(diǎn)的個(gè)數(shù),每個(gè)相點(diǎn)xs都是一個(gè)m的矢量。
進(jìn)一步,所述步驟五具體包括:
(1)根據(jù)歐氏距離求出最后一個(gè)相點(diǎn)的鄰域點(diǎn);
||xs-xm||≤k·||xs-xm||,s=1,2,…,m-1;
其中||·||表示兩點(diǎn)的歐氏距離,k∈[0,1]是鄰域點(diǎn)占全部相點(diǎn)的比例;
(2)根據(jù)步驟七的要求,調(diào)整k。
進(jìn)一步,所述步驟六結(jié)合matlab軟件自帶的函數(shù)來解釋rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的輸入輸出:
net=newrbe(r,t,spread);
設(shè)訓(xùn)練樣本中原始時(shí)間序列長(zhǎng)度為10,嵌入維m為3,最佳時(shí)延τ為2;
則輸入矢量為:r=[x1,x2,x3,x4,x5]3×5;
目標(biāo)矢量為:t=[x6,x7,x8,x9,x10]1×5;
net是訓(xùn)練得到的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
進(jìn)一步,所述步驟七包括:
(1)結(jié)合matlab軟件自帶的函數(shù)對(duì)得到的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)net進(jìn)行預(yù)測(cè);原始時(shí)間序列長(zhǎng)度為11,嵌入維m為3,最佳時(shí)延τ為2,要預(yù)測(cè)第11個(gè)數(shù)據(jù):
tpre=sim(net,rpre);
輸入矢量為:rpre=[x6]3×1;
預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為:tpre=[x11]1×1;
net訓(xùn)練得到的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);
將新預(yù)測(cè)的點(diǎn)歸入輸入矢量rpre;
(2)在訓(xùn)練rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的階段,給定系統(tǒng)預(yù)測(cè)目標(biāo)為:mse≤γ;未能滿足時(shí),執(zhí)行步驟三和步驟五,調(diào)整相空間重構(gòu)參數(shù)和鄰域點(diǎn)個(gè)數(shù)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用所述基于相空間重構(gòu)的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信道預(yù)測(cè)方法的lte上行鏈路中的信道預(yù)測(cè)系統(tǒng)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及積極效果為:本發(fā)明的相空間重構(gòu)參數(shù)的選擇結(jié)合了c-c算法和假臨近算法,并且會(huì)根據(jù)預(yù)測(cè)效果對(duì)最佳時(shí)延參數(shù)進(jìn)行選擇;相比只采用一種算法的情況,可以得到更為準(zhǔn)確的重構(gòu)參數(shù)。本發(fā)明中在對(duì)rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練時(shí),使用的是鄰域點(diǎn),而不是全部相點(diǎn),可以減少rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算量,且能保持計(jì)算精度無顯著降低。
附圖說明
圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于相空間重構(gòu)的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信道預(yù)測(cè)方法流程圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于相空間重構(gòu)的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信道預(yù)測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)流程圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的相空間重構(gòu)參數(shù)求解流程圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的預(yù)測(cè)性能(反歸一化前)示意圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的預(yù)測(cè)性能(反歸一化后)示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。
如圖1所示,本發(fā)明實(shí)施例提供的基于相空間重構(gòu)的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信道預(yù)測(cè)方法包括以下步驟:
s101:獲得lte上行鏈路信道系數(shù),建立訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集及測(cè)試樣本數(shù)據(jù)集;
s102:對(duì)訓(xùn)練樣本及測(cè)試樣本進(jìn)行歸一化處理;
s103:求解訓(xùn)練樣本的相空間重構(gòu)參數(shù);
s104:對(duì)訓(xùn)練樣本進(jìn)行相空間重構(gòu);
s105:依據(jù)距離準(zhǔn)則尋找相空間中最后一個(gè)相點(diǎn)的鄰域點(diǎn);
s106:利用步驟s105中找到的鄰域點(diǎn)進(jìn)行rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練;
s107:將測(cè)試樣本輸入步驟s106得到的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),如果預(yù)測(cè)結(jié)果滿足誤差要求,則執(zhí)行步驟s108,否則執(zhí)行步驟s103和步驟s105;
s108:對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反歸一化。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步的描述。
本發(fā)明是對(duì)td-lte上行鏈路中信道系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)的算法。信道系數(shù)獲得的仿真環(huán)境是:veha信道,帶寬1.4mhz,有6條多徑的快衰落信道,每個(gè)時(shí)隙有3個(gè)rb即36個(gè)子載波。
如圖2所示,本發(fā)明實(shí)施例提供的基于相空間重構(gòu)的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信道預(yù)測(cè)方法包括以下步驟:
步驟1:獲得lte上行鏈路信道系數(shù),建立訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集及測(cè)試樣本數(shù)據(jù)集;
選擇第一個(gè)子載波,保存每隔子幀內(nèi)的第一個(gè)符號(hào)上的信道系數(shù)(即第4和第11個(gè)符號(hào)上的信道系數(shù)),共13000次子幀上的數(shù)據(jù)。為了確保該事件序列進(jìn)入了混沌狀態(tài),選擇最后的310個(gè)數(shù)據(jù)作為樣本。其中前300個(gè)是訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集,后10個(gè)是測(cè)試樣本數(shù)據(jù)集。
步驟2:對(duì)訓(xùn)練樣本及測(cè)試樣本進(jìn)行歸一化處理;
將訓(xùn)練樣本進(jìn)行歸一化處理,即將其歸一化成為均值為0、方差為1的數(shù)據(jù)。
步驟3:求解訓(xùn)練樣本的相空間重構(gòu)參數(shù);
如圖3所示,實(shí)現(xiàn)對(duì)相空間重構(gòu)參數(shù)嵌入維m和最佳時(shí)延τ的選擇。c-c算法認(rèn)為兩個(gè)參數(shù)之間是有關(guān)聯(lián)的,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)二者的聯(lián)合選取。已有的理論研究表明,重構(gòu)空間的維數(shù)m的取值范圍為:2≤m≤5。
步驟3.1:根據(jù)c-c算法求解出嵌入維m1和最佳時(shí)延τ;
c-c算法利用關(guān)聯(lián)積分同時(shí)估計(jì)出時(shí)間延遲τ和嵌入窗寬τω,然后由τω=(m-1)·τ求出嵌入維m1。
步驟3.2:如果c-c算法無法得到較為準(zhǔn)確的嵌入維時(shí),則采用假臨近算法求得嵌入維為m2;
當(dāng)訓(xùn)練樣本存在異常數(shù)據(jù)或混沌特性不明顯時(shí),得到的嵌入窗寬τω較大,使得m遠(yuǎn)大于5,此時(shí)對(duì)相空間的重構(gòu)存在偏差。此外,c-c算法計(jì)算過程中假設(shè)混沌系統(tǒng)具有平均軌道周期,但嚴(yán)格來講混沌系統(tǒng)不存在周期性,因此c-c算法求解出的參數(shù)并不是完全正確的。
如果c-c求得的嵌入維數(shù)太大,就采用假臨近法對(duì)嵌入維進(jìn)行重新求解,得到m2。
步驟3.3:根據(jù)步驟7的要求,圍繞m2,對(duì)最佳時(shí)延進(jìn)行重新選擇。
在訓(xùn)練rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的階段,在給定系統(tǒng)預(yù)測(cè)目標(biāo)(如要求mse≤γ)未能滿足時(shí),則在m2附近重新選擇嵌入維數(shù)。
步驟4:對(duì)訓(xùn)練樣本進(jìn)行相空間重構(gòu);
如果原始時(shí)間序列為:x={xi|i=1,2,…,n}。嵌入維為m,最佳時(shí)延為τ。則依據(jù)takens提出的延遲坐標(biāo)法進(jìn)行相空間重構(gòu),可得到重構(gòu)后的相空間為:
x={xs|s=1,2,…,m};
xs=(xs,xs+τ,…,xs+(m-1)τ)t;
m=n-(m-1)τ;
其中,m是相空間中的點(diǎn)(相點(diǎn))的個(gè)數(shù),每個(gè)相點(diǎn)xs都是一個(gè)m的矢量。重構(gòu)系統(tǒng)與原動(dòng)力系統(tǒng)在拓?fù)湟饬x上等價(jià)。
步驟5:依據(jù)距離準(zhǔn)則尋找相空間中最后一個(gè)相點(diǎn)的鄰域點(diǎn);
步驟5.1:根據(jù)歐氏距離求出最后一個(gè)相點(diǎn)的鄰域點(diǎn);
步驟4中最后一個(gè)相點(diǎn)xm=(xm,xm+τ,…,xn)t中有原始時(shí)間序列中的最后一點(diǎn)xn,也因此該相點(diǎn)被認(rèn)為是用于時(shí)間序列的中心點(diǎn)。如果利用全部相點(diǎn)進(jìn)行rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練,則計(jì)算量較大。因此采用距離最近的原則選擇進(jìn)行預(yù)測(cè)的相點(diǎn)。符合下面條件的相點(diǎn)被選作鄰域點(diǎn),用于進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè):
||xs-xm||≤k·||xs-xm||,s=1,2,…,m-1;
其中||·||表示兩點(diǎn)的歐氏距離,k∈[0,1]是鄰域點(diǎn)占全部相點(diǎn)的比例。
步驟5.2:根據(jù)步驟7的要求,調(diào)整k,重復(fù)步驟5.1。
在訓(xùn)練rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的階段,在給定系統(tǒng)預(yù)測(cè)目標(biāo)(如要求mse≤γ)未能滿足時(shí),調(diào)整k,重新求解中心點(diǎn)的鄰域點(diǎn)。
步驟6:利用步驟5中找到的鄰域點(diǎn)進(jìn)行rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練;
rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只有三層:其輸入層由把網(wǎng)絡(luò)和它的環(huán)境連接起其輸入層由把網(wǎng)絡(luò)和它的環(huán)境連結(jié)起來的源節(jié)點(diǎn)組成;中間層是網(wǎng)絡(luò)里的唯一的隱藏層;輸出層是線性的,提供對(duì)應(yīng)用于輸入層的活動(dòng)樣本的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)。rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)克服了bp神經(jīng)網(wǎng)路的很多缺點(diǎn),只要有足夠多的隱藏神經(jīng)元,則rbf能以任意精度近似任何連續(xù)函數(shù)。
結(jié)合matlab軟件自帶的函數(shù)來解釋rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的輸入輸出:
net=newrbe(r,t,spread);
設(shè)訓(xùn)練樣本中原始時(shí)間序列長(zhǎng)度為10,嵌入維m為3,最佳時(shí)延τ為2。
則輸入矢量為:r=[x1,x2,x3,x4,x5]3×5;
目標(biāo)矢量為:t=[x6,x7,x8,x9,x10]1×5;
net就是訓(xùn)練得到的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
步驟7:將測(cè)試樣本輸入步驟6得到的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),如果預(yù)測(cè)結(jié)果滿足誤差要求,則執(zhí)行步驟8,否則執(zhí)行步驟3和步驟5;
步驟7.1:利用步驟6得到的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè);
結(jié)合matlab軟件自帶的函數(shù)來解釋如何用步驟6得到的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)net進(jìn)行預(yù)測(cè)。仍設(shè)原始時(shí)間序列長(zhǎng)度為11,嵌入維m為3,最佳時(shí)延τ為2,要預(yù)測(cè)第11個(gè)數(shù)據(jù)。
tpre=sim(net,rpre);
輸入矢量為:rpre=[x6]3×1;
預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為:tpre=[x11]1×1;
net就是步驟6訓(xùn)練得到的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
將新預(yù)測(cè)的點(diǎn)歸入輸入矢量rpre,則可以實(shí)現(xiàn)多步預(yù)測(cè)。圖4是多步預(yù)測(cè)后的數(shù)據(jù)。
步驟7.2:當(dāng)預(yù)測(cè)結(jié)果不滿足要求時(shí),調(diào)整相空間重構(gòu)參數(shù)和鄰域點(diǎn)個(gè)數(shù)。
在訓(xùn)練rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的階段,給定系統(tǒng)預(yù)測(cè)目標(biāo)為:mse≤γ。未能滿足時(shí),執(zhí)行步驟3和步驟5,調(diào)整相空間重構(gòu)參數(shù)和鄰域點(diǎn)個(gè)數(shù)。
步驟8:對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反歸一化。
步驟2將訓(xùn)練樣本進(jìn)行歸一化處理,即將其歸一化成為均值為0、方差為1的數(shù)據(jù)。此處進(jìn)行反歸一化處理,回復(fù)數(shù)據(jù)的原始大小及量綱。圖5是反歸一化后的數(shù)據(jù)。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。