一種降低變換域通信系統(tǒng)峰均功率比的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線通信方法技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種降低變換域通信系統(tǒng)峰均功率 比的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 變換域通信系統(tǒng)（TDCS，transformdomaincommunicationsystem)是在認(rèn)知 無(wú)線電（CR，CognitiveRadio)、擴(kuò)頻通信和變換域處理技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的新技術(shù)，憑 借其良好的抗干擾性和其頻譜利用率的有效性，受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。但是，由于TDCS 信號(hào)的高峰均功率比（Peak-to-AveragePowerRatio，PAPR)，在經(jīng)過非線性放大設(shè)備時(shí)， TDCS信號(hào)會(huì)產(chǎn)生帶外輻射及誤碼率下降的問題。
[0003] 針對(duì)TDCS的高峰均比問題，美國(guó)空軍技術(shù)學(xué)院RichardK.Martin教授提出了基 于P0CS的峰均比降低方法（內(nèi)容詳見，RichardK.Martin，MarshallHaker,"Reduction ofPeak-to-AveragePowerRatioinTransformDomainCommunicationSystems'，，IEEE TransactionsonWirelessCommunications，Vol. 8，NO. 9，September2009( "在變換域 通信系統(tǒng)中減小峰值平均功率比"，IEEE無(wú)線通訊，第八卷，第七篇，2009年9月；該方 法首先通過時(shí)域削波然后在頻域把削波后的相位向量映射到復(fù)平面的單位元上，經(jīng)過這 樣數(shù)次循環(huán)迭代得到較好的峰均比抑制效果。隨后，在此基礎(chǔ)上，法國(guó)Toulouse大學(xué)的 GuillaumeFumat等人提出利用數(shù)學(xué)上的集理論估計(jì)方法--D-R(Douglas-Rachford)算 法改變P0CS中映射的步長(zhǎng)，提高算法的收斂速率（內(nèi)容詳見，GuillaumeFumat，Pascal Charge,AhmedZoubir,DanieleFournier-Prunaret，"UsingSetTheoreticEstimation toAddressthePAPRProblemofSpectrum-ConstrainedSignals'，，IEEETransactions onWirelessCommunications，Vol. 11，N0.7,July2012( "米用集理論估計(jì)降低頻譜受限 信號(hào)峰均比問題"，IEEE無(wú)線通訊，第十一卷，第七篇，2012年9月））。電子科技大學(xué)的胡 蘇提出了CPR(ClippingandPhaseReplacement)方法（內(nèi)容詳見，SuHu，GangWu，Yue Xiao,XiaLei，ShaoqianLi，"DesignofLowPAPRFundamentalModulationWaveform forTransformDomainCommunicationSystem'，，WirelessPersonalCommunications, Vol. 71，NO. 8,August2013( "變換域通信系統(tǒng)低峰均比基本調(diào)制波形設(shè)計(jì)"，無(wú)線個(gè)人通 訊，第七十一卷，第八篇，2013年8月）），用原本基函數(shù)在復(fù)平面上的點(diǎn)代替P0CS中映射到 單位元上的點(diǎn)，簡(jiǎn)化了相位生成所需要的量化器。
[0004] 然而上述方法都需要在收發(fā)兩端的時(shí)頻域進(jìn)行反復(fù)迭代，這一過程造成算法計(jì)算 量很大；同時(shí)，上述方法都改變了基函數(shù)中的偽隨機(jī)相位，破壞了基函數(shù)間原有的正交性， 增大多用戶干擾，降低多用戶場(chǎng)景下的系統(tǒng)誤碼率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種降低變換域通信系統(tǒng)峰均功率比的方法，該方法在保 持基函數(shù)正交性的同時(shí)，能降低復(fù)雜度的峰均功率比，解決了現(xiàn)有TDCS峰均比抑制方法存 在的復(fù)雜度高以及正交性減弱的問題。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種降低變換域通信系統(tǒng)峰均功率比的方法，具體 按照以下步驟實(shí)施：
[0007] 步驟1、分別設(shè)定初始種群個(gè)數(shù)S、種群上限up和種群下限low、變異系數(shù)F、罰函 數(shù)因子ε及最大進(jìn)化代數(shù)G;
[0008] 步驟2、經(jīng)步驟1后，先對(duì)設(shè)定的種群進(jìn)行初始化處理，再分別計(jì)算出加權(quán)基函數(shù) b。和適應(yīng)度函數(shù)PAPR。；
[0009] 步驟3、對(duì)步驟2中產(chǎn)生種群個(gè)體隨機(jī)挑選一部分；
[0010] 步驟4、對(duì)步驟3中挑選出的那部分種群個(gè)體進(jìn)行變異：
[0011] 步驟5、對(duì)經(jīng)步驟4變異后的種群中的個(gè)體進(jìn)行交叉互換；
[0012] 步驟6、經(jīng)步驟5后，分別計(jì)算加權(quán)基函數(shù)h和矩陣Ti的適應(yīng)度函數(shù)PAPRi，比較 PAP&和步驟2中PAPR。的大小，并進(jìn)行相應(yīng)的判斷；
[0013] 步驟7、得到最優(yōu)幅度加權(quán)因子向量#&#和最小峰均比Ptest，實(shí)現(xiàn)了變換域通信 系統(tǒng)峰均功率比的降低。
[0014] 本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：
[0015] 步驟2具體按照以下步驟實(shí)施：
[0016] 步驟 2. 1、設(shè)定幅度加權(quán)向量為 (w.j,。，w.u,w.ji2,D;
[0017] 其中，j= 1，2,…，S為一組（low,up)區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)；
[0018] 步驟2. 2、將步驟2. 1中得到的幅度加權(quán)向量代入，分別計(jì)算出加權(quán)基函數(shù)b。和適 應(yīng)度函數(shù)PAPR。，具體計(jì)算方式如下：
[0019]
[0020]
[0021] 其中，N表示總頻點(diǎn)數(shù)，NA表示可利用頻點(diǎn)數(shù)，令i= 1。
[0022] 步驟3具體按照以下方法實(shí)施：
[0023] 在（0，1)區(qū)間內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生兩個(gè)數(shù)a和b，同時(shí)生成一個(gè)記憶矩陣M1;其中，每個(gè)元 素都在（low,up)區(qū)間；
[0024] 若產(chǎn)生的兩個(gè)數(shù)a和b滿足以下條件：
[0025] a<b；
[0026] 則有M1=Pi，并對(duì)％中的元素重新排列順序增強(qiáng)其隨機(jī)性。
[0027] 步驟4具體按照以下方法實(shí)施：
[0028] 令變異矩陣Mutant=PjF· (Mi-Pj;
[0029] 其中，F(xiàn)是變異系數(shù)。
[0030] 步驟5具體按照以下方法實(shí)施：
[0031] 步驟5. 1、生成一個(gè)大小與Pi相同的矩陣map，其中的元素隨機(jī)為0或1 ;
[0032] 步驟5. 2、經(jīng)步驟5. 1后，再生成一個(gè)實(shí)驗(yàn)矩陣T1:
[0033] 若在map相同位置的元素等于1，則元素等于％在該位置的元素；
[0034] 否則等于Pi在該位置的元素。
[0035] 步驟6具體按照以下步驟實(shí)施：
[0036] 步驟6. 1、計(jì)算加權(quán)基函數(shù)b,_，具體的計(jì)算方法如下：
[0037]
[0038] 步驟6. 2、根據(jù)步驟6. 1中的計(jì)算結(jié)果計(jì)算出矩陣?\的適應(yīng)度函數(shù)PAPRi，具體的 計(jì)算方法如下：
[0039]
(即目標(biāo)函數(shù)）；
[0040] 步驟6. 3、將步驟6. 2得到的PAP&與步驟2得到的PAPR。進(jìn)行比較，并作出相應(yīng) 的判斷，具體的判斷方法如下：
[0041] 若PAPt^PAPRp則保持Pi不變；
[0042] 否則，更新PAPRfPAPRi，并將Pi更新為T1;令i=i+Ι。
[0043] 步驟7具體按照以下方法實(shí)施：
[0044] 經(jīng)步驟6后，若i〈G，則返回步驟3,繼續(xù)迭代計(jì)算；
[0045] 否則，終止本計(jì)算；
[0046] 最終得到最優(yōu)幅度加權(quán)因子向量和最小峰均比Ptest，即降低了變換域通信系 統(tǒng)峰均功率比。
[0047] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0048] (1)本發(fā)明降低變換域通信系統(tǒng)峰均功率比的方法，只改變了基函數(shù)頻譜幅度向 量，這樣既可以降低基函數(shù)的峰均比，又不影響基函數(shù)的相關(guān)性能，保證了系統(tǒng)的誤碼性 能。
[0049] (2)由于加權(quán)后的數(shù)據(jù)能量不變，不影響接收端符號(hào)的判決，因此，本發(fā)明降低變 換域通信系統(tǒng)峰均功率比的方法無(wú)需在接收端實(shí)施相同的步驟，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度。
[0050] (3)本發(fā)明降低變換域通信系統(tǒng)峰均功率比的方法中涉及的迭代方法只需要計(jì)算 G步就可以得到最優(yōu)幅度加權(quán)向量，一共只需要G個(gè)IDFT計(jì)算，因此計(jì)算量較小。
【附圖說明】
[0051] 圖1是降低峰值平均功率比的TDCS系統(tǒng)收發(fā)的原理框圖；
[0052] 圖2是計(jì)算圖1中幅度加權(quán)向量的流程圖；
[0053]圖3是本發(fā)明降低變換域通信系統(tǒng)峰均功率比的方法與其他峰值平均功率比降 低方法的(XDF比較圖；
[0054]圖4是本發(fā)明降低變換域通信系統(tǒng)峰均功率比的方法與其他峰值平均功率比降 低方法的多用戶誤碼率比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0055] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0056] 變換域通信系統(tǒng)TDCS通常用來(lái)實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)群之間的通信，一般設(shè)定系統(tǒng)收發(fā)兩 端的電磁環(huán)境是相同的，即頻譜估計(jì)生成的幅度譜向量At= (AyApA^AH)在收發(fā)兩端是 相等的，并且其對(duì)應(yīng)的偽隨機(jī)相位向量$ = 〇7>(()>，6^(1),6#(2>...￡^^ 1:)>也通過相 同的偽隨機(jī)相位發(fā)生器生成且收發(fā)兩端同步；其中，爐(々）（k= 0，l，...，N-l)在[0,2π] 內(nèi)均勻分布，這樣的幅度譜向量與偽隨機(jī)相位向量構(gòu)成的基函數(shù)頻域向量Bt =At · ?1在收 發(fā)兩端是一樣的；
[0057] 經(jīng)過離散傅里葉反變換（IDFT變換）后，得到時(shí)域基函數(shù)，具體如下：
[0058]
[0059] 變換域通信系統(tǒng)TDCS采用基函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)CCSK調(diào)制，在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)域波形包絡(luò) 與基函數(shù)的時(shí)域包絡(luò)一致，則TDCS信號(hào)峰均比表示為如下形式：
[0060]
[0061] 由上式可以看出：降低基函數(shù)的峰均比能降低TDCS信號(hào)的峰均比。
[0062] 為了防止改變基函數(shù)中偽隨機(jī)相位向量帶來(lái)的正交性破壞，本發(fā)明降低變換域通 信系統(tǒng)峰均功率比的方法，通過改變基函數(shù)的幅度譜向量，即對(duì)其進(jìn)行幅度加權(quán)，通過BSA 算法求得最優(yōu)的幅度加權(quán)向量，最終降低TDCS信號(hào)的峰均比。
[0063] 現(xiàn)有的TDCS通信系統(tǒng)模型，如圖1中虛線所標(biāo)注的框圖，具體按照以下步驟構(gòu) 建：
[0064] 步驟a、令w= (w。，Wuw2，…wN ^，并將其作為幅度加權(quán)向量；
[0065] 步驟b、將步驟a中的幅度加權(quán)向量w= (w。，Wpw2，…wND分別與基函數(shù)原始幅度 譜向量A= (A。，A。A2，…AND中的每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)相乘，即怎=為· 14^.，k= 0, 2,…，N-1， 得到優(yōu)化后的幅度譜向量i二為…烏^)·,
[0066] 步驟c、經(jīng)IDFT變換后，得到優(yōu)化后的時(shí)域基函數(shù)，該時(shí)域基函數(shù)為：
[0067]
[0068] 根據(jù)峰值平均功率比PAPR的定義，若要降低峰值平均功率比PAPR，則要解決優(yōu)化 問題，具體如下：
[0069]
[0070] 其中，翁是優(yōu)化后的幅度加權(quán)向量；
[0071] 對(duì)于幅度加權(quán)向量的求解，有如下三個(gè)約束條件：
[0072] 第一個(gè)約束條件：為了保證頻譜估計(jì)結(jié)果的一致性，加權(quán)后的幅度向量中零元素 的位置與個(gè)數(shù)與加權(quán)前保持不變，即Wk# 0,keφA，其中，ΦΑ為原幅度向量中元素1位置 的集合；
[0073] 第二個(gè)約束條件：為了保證加權(quán)后與加權(quán)前基函數(shù)功率相同，即就有I|w| |2=Να， 其中，Να為加權(quán)前幅度譜向量中元素1的總數(shù)；
[0074] 第三個(gè)約束條件：幅度加權(quán)必須為實(shí)數(shù)且有一定的取值范圍，即 〇< ^ ^ , Wmin ^；
[0075]由于加權(quán)后的數(shù)據(jù)能量不變，不影響接收端符號(hào)的判決，因此，本發(fā)明的方法無(wú)需 在接收端實(shí)施相同的步驟，相較于現(xiàn)有算法簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度。
[0076] 上述的三個(gè)約束條件構(gòu)成了最終的非線性優(yōu)化問題。
[0077] 目前，有很多種智能算法能用來(lái)解決這類問題，由于Backtrackingsearch optimizationalgorithm(BSA)算法同時(shí)具有差分進(jìn)化算法與遺傳算法的優(yōu)點(diǎn)（內(nèi)容詳