新的降低OFDM系统峰均比的PTS技术
2024-01-24
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Computer Engineering andApplications计算机工程与应用 新的降低OFDM系统峰均比的PTS技术 周建新 ,贾振红‘,何迪 ,覃锡忠 ,李涛 ,赵君凯 ZHOU Jianxin ,JIA Zhenhong ,HE Di ,QIy Xizhong ,LI Tao ,ZHAO Junkai 1.新疆大学信息科学与工程学院,乌鲁木齐830046 2.中国移动通信集团新疆有限公司,乌鲁木齐83009 1 1.College of Information Science&Engineering,Xinjiang University,Urumqi 830046,Chma 2.Xinjiang Co.,Ltd,China Mobile Communication Corporation,Orumqi 83009 1,Chma ZHOU Jianxin,JIA Zhenhong,HE Di,et a1.New PTS technique for PAPR reduction in OFDM system.Computer Engi- neering and AppHcations,2011,47(30):98-100. Abstract:In order to reduce the Peak to Average Power Ratio(PAPR)of 0rcbogona1 Frequency Division Multiplexing(OFDM) system and develop the resource of Power Line Communication(PLC)efectively,this paper proposes a new Partial Transmit Seqence(PTS)technique.The tecnihque presents Microcanonical Annealing(MA)algorithm to optimize phase factor.Simulation result shows that the algorithm can get the excellent phase factor with fast convergence speed,and the PAPR of the OFDM system is reduced remarkably which improves the performance of PLC effectively. Key words:O ̄hogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM);Peak to Average Power Ratio(PAPR);Partial Transmit Se- qence(PTS);microcanonical annea1ing;Power Line Communication(PLC) 摘要:为有效降低OFDM系统峰均功率比,以最大效率开发利用电力线通信资源,提出一种新的降低峰均比的部分传输序列技 术,采用微正则退火算法优化相位因子。仿真结果表明,该算法以较快的收敛速度取得较优的相位因子序列,显著降低了正交频 分复用系统的峰均比,提高了电力线通信系统的性能。 关键词:_fi-交频分复用;峰均比;部分传输序列;微正则退火;电力线通信 DOI:10.3778 ̄.issn.1002.8331.2011.30.027 文章编号:1002—8331(2011)30-0098-03 文献标识码:A 中图分类号:TN919.71 1引言 电力网是当今各种网络中拥有用户最多、最不可少的网 络,若以其为通信媒介进行高速语音、视频、数据传输,无疑是 最为简捷和经济的通信方式。然而,电力线信道严重的信号 算法,如迭代算法 、遗传算法 、模拟退火算法 等,能有效降 低相位因子搜索复杂度。文献[U.12]提出的微正则退火算 法,具有快速收敛的优势,主要应用于图像处理、频率分配等 领域,该算法在降低OFDM系统PAPR方面还未曾见到。本文 采用微正则退火算法优化PTS的相位因子,以较快的收敛速 度,显著地降低了OFDM系统的PAPR性能。 衰减、干扰和不可预测的噪声等影响使高速数据传输受到了 很大限制。正交频分复用技术(OFDM)作为一种频谱利用率 高、抗多径衰落能力强的通信手段,在低压电力线中具有广阔 的应用前景。但是,OFDM信号在传输过程中峰均功率比 2 OFDM系统中PAPR和PTS技术 2.1 OFDM系统的PAPR 在OFDM系统中,假定有Ⅳ个相互正交的子载波,设输入 的基带频域数据为 )(k=0,1,…,N一1),其时域售号为 ( )= IFFT{X(k)}(n=0,1,…,N一1)。于是, ( )的PAPR可表示为: 。 (PAPR)较高的问题已成为限制OFDM技术发展的瓶颈。针 对这个问题国内外学者提出了许多降低OFDM系统峰均比的 方法,其中概率类中的部分传输序列(PTS)技术[1 ,可有效降 低信号的PAPR值,且不对信号产生畸变,只引入较少的冗余 信息,因此是一种非常有效地降低PAPR的方法。 PTS技术降低PAPR性能主要取决于子块分割方法、子块 [ (例:丽0m ̄xN['x(n)l2] 数目以及备选相位因子,而其复杂度取决于相位因子的搜索 算法。一种最优的方式是进行穷尽搜索,但复杂度随着子块 式中max[Ix(n)门是取最大值,E[xI(n)l 】计算平均功率。OFDM 数的增加而成指数增长,因此当子块数很大时系统很难实 信号的PAPR值通常采用互补累计分布函数(CCDF)描述,即 的CCDF为: 现。为降低PTS算法复杂度,在许多文献中提出了各种次优 PAPR值大于某一门限PAPR。基金项日:中国移动新疆分公司研究发展基金项目。 作者简介:周建新(1975一),男,工程师,主要研究方向为OFDM系统中的关键技术;贾振红(1964一),男,教授,博士生导师;何迪(1986一),男,硕 士研究生;覃锡忠(1964一),男,副教授;李涛(1976一),男,工程师;赵君凯(1971一),男,工程师。E—mail:jzhh9009@sohu.tom 收稿日期:2010.05.06;修回日期:2010.07—23 周建新,贾振红,何Pr(PAPR>PAPR。):1一(1一e-PAPRo) 迪,等:新的降低OFDM系统峰均比的PTS技术 (2) 是正值,不合理的状态转移将被拒绝,同时妖的能量也有上界 约束。如此迭代多次后,整个系统的能量将下降。 2.2 PTS技术 PTS技术的原理如图1所示,将输入Ⅳ个子载波的数据向 3-3 MA.PTS算法流程 MA.PTS算法用于优化的流程如下: (1)状态初始化、释放初始能量 =0的妖,并设定妖的能 量 =[ , ,…, 】T分成 个互不重叠的子数据块: V =∑ v:l (3) 量上界E…。 其中,v:1,2,…, 。选择旋转相位因子序列{b :e , [0,2x],v=1,2,…, },将子块 中的每个子载波都乘以相 同的相位因子b一对 个子数据块的相位进行调整叠加,根据 (2)外层循环控制,若达到终止条件则结束算法;否则继续。 (3)内层循环控制,若达到终止条件则转至步骤(7);否则 继续。 IFFT变换的线性特性得到: y=IFFT{ ̄.b }=∑6 胛 { } (4) 根据OFDM信号正交性可看出,相位的调整不会改变信 号功率均值{E[Ix(n)l 】)。因此,PTS技术主要目的就是搜索 满足: -厂 l l、 z,… }= arg max v胛 ㈣I J ) 的相位因子序列。 图1 PTS原理图 3新的MA.PTS算法 3.1数学模型 PTS算法的实质就是通过选择适当的相位因子b ,使得 合并后信号的峰均比值最小,因此PTS算法可以考虑为一个 非线性条件约束的最优化问题,其数学表达式为: Ily 据 (6) 其中,{b =(e ) ,≯ ∈[0,2rt],v=1,2,…, )。 如果给出一个期望的峰均比值. ,则相应的目标函数可 表示为: arinlf(b ) l(v=1,2,…, ) (7) 3.2 MA算法原理 微正则退火源自于文献[1]Creutz提出的微正则蒙特卡罗 仿真方法,与传统模拟退火不同的是,这种仿真技术不再直接 依赖温度。基于这一仿真方法,假设热系统中存在一个具有 能量交换能力的“妖”,这只妖可以在状态空间中随机行走,并 通过改变热系统的状态变量达到调节系统能量的目的,最终 促使系统脱离亚稳态,而系统与妖的能量之和在一定时期内 是定值。令妖的能量为 , 。为正数且初始值一般等于0, 当初始能量为0的妖被释放后,它在状态空间中每随机行走一 步,就会尝试改变当前的状态,若此举能降低能量,则妖会转 移到新的位置,并吸收相应的能量差值。为保证妖的能量总 (4)妖在状态空间中随机行走一步,改变相位因子b..,计 算可能的相邻状态能量差△E,即AE=f(b )-f(6 )。 (5)判断是否接收能量转移操作,如果 >△E,接受新状 态并转移能量,即E。= 一 ,f(b )= (6 )+ ;否则放 弃。当妖的能量变化时,则算法同时检查E 是否越界,如果 > 一,则ED=6c E一,a为缩减系数,且a∈(0,1 o (6)返回步骤(3)。 (7)E…在同一个内层循环中保持不变,随着外层循环逐 渐按比例减小,即E (f+1)=6c E一(j)。 (8)返回步骤(2)。 由于MA算法采用了确定性的状态转移规则,无需生成随 机数来判断接受或拒绝新状态,因此相同参数配置下比SA算 法cs 更有时间效率。 4仿真结果与分析 本文仿真中,假定OFDM系统子载波个数为128,QPSK调 制,4倍过采样,相位因子权重W=2、4,即相位集合为b {1,一1} 和b {1,一1,,,-j},采用顺序分割,取10 000个随机独立OFDM 符号,互补累计分布函数CCDF=O.1%,子载波分割块数V=8、 16,用MA—PTS算法进行相位因子优化,得到最小的系统PAPR 值,给出PAPR的仿真CCDF统计曲线,并与穷尽最优算法 (0.PTS)进行了比较,如图2(a)所示。 在MA.PTS算法仿真中,a=0.95,妖的能量上界E =8。 当相位权重W=2,分块数V=8、16时,微正则算法的系统峰均 比分别为:7_3 dB、6.4 dB,而穷尽最优法为6.2 dB。当W=4、V-- 4和8时,微正则算法的系统峰均比为:5 dB、6 dB。可见,本文 提出次优微正则算法能较好地改善PAPR性能,且计算复杂度 在分块数较大( 8)时,明显低于穷尽最优算法。 为进一步验证MA.PTS算法性能,相位因子权重取W=2, 即b {1,一1),将其与模挖腿火算法(SA.PTS)、迭代算法(I-PTS) 进行比较,CCDF统计曲线如图2(b)所示。当子载波分割数 V=8、16时,得到OFDM系统PAPR值分别为:7_3 dB、7.0 dB、 7.5 dB和6.5 dB、6.4 dB、6.9 dB。 显然,I-PTS算法降低OFDM系统PAPR性能较差,而 MA.PTS算法与SA.PTS算法相比,在分块数V--8和16时,系统 PAPR值仅差0-3 dB和0.1 dB。在计算复杂度方面,相同条件下, 10 000个0FDM符号MA.PTS算法运行时间为680 s,而SA-PTS 算法运行852 S,时间效率可降低20.18%。可见,MA算法比SA 算法计算复杂度更低,收敛速度更快,在硬件上更易实现。 5结束语 本文为解决低压电力线通信中OFDM系统高峰均功率比 100 2011,47(30) ComputerEngineering andApplications计算机工程与应用 喜 营 A A 耋 耋 喜 § PRddB PAPR√dB 图2(a)系统仿真图 图2(b)三种算法系统仿真比较图 问题,提出了一种新的基于微正则退火的PTS相位因子优化算 [6】Nguyen T T,Lampe L.On partial transmit sequences for PAR 法。该算法性能略低于模拟退火算法,但计算复杂度明显低于 reduction in OFDM systems[J].IEEE Trnas on Commun,2008,7 模拟退火和穷尽算法。因此,该算法能在复杂度和性能之间获 (2):746.755. 得更好的折衷,目.适合在分块数较大的OFDM系统中使用。 [7]Gh ̄semi A,Gulliver T A.A low-complexiyt PTS-b ̄ed radix FFT method for PAPR reduction in OFDM systems[J].IEEE Trans on 参考文献: Singal Processing,2008,56(3):1161—1166. 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