一種基于壓縮感知的ofdm稀疏信道估計(jì)中的導(dǎo)頻優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于壓縮感知的OFDM稀疏信道估計(jì)中的導(dǎo)頻優(yōu)化方法,屬于移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括以下步驟:S1:把測(cè)量矩陣互相關(guān)值最小(MIP)準(zhǔn)則作為二進(jìn)制粒子群算法的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù),然后確定二進(jìn)制粒子群算法的基本參數(shù);S2:利用混沌初始化對(duì)粒子的速度和位置進(jìn)行初始化;S3:求出對(duì)應(yīng)的粒子的適應(yīng)度函數(shù),并且根據(jù)適應(yīng)度計(jì)算出粒子群的個(gè)體最優(yōu)值和全局最優(yōu)值;檢查結(jié)束條件是否滿足,滿足則結(jié)束,否則繼續(xù)對(duì)粒子的速度和位置進(jìn)行更新;S4:對(duì)更新之后的粒子中,對(duì)不符合要求的粒子進(jìn)行變異,然后返回步驟S3進(jìn)行迭代。本發(fā)明提供的方法能夠有效的節(jié)省導(dǎo)頻的開(kāi)銷(xiāo),提高了頻譜利用率,具有更好的信道估計(jì)性能。
【專利說(shuō)明】
-種基于壓縮感知的OFDM稀疏信道估計(jì)中的導(dǎo)頻優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域,設(shè)及一種基于壓縮感知的OFDM稀疏信道估計(jì)中的 導(dǎo)頻優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)具有良好的抗頻率選擇性衰落性能和較高的頻帶利用 率的優(yōu)點(diǎn),被廣泛的應(yīng)用到無(wú)線通信中。OFDM技術(shù)是當(dāng)今無(wú)線通信中的重要技術(shù),在其進(jìn)行 實(shí)現(xiàn)時(shí),信道估計(jì)是進(jìn)行相關(guān)檢測(cè),解調(diào),均衡的基礎(chǔ)。信道估計(jì)的質(zhì)量對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)的 性能起著重要的作用。
[0003] 目前最常用的信道估計(jì)方法是基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)方法。常用的基于導(dǎo)頻的信道 估計(jì)方法有最小二乘法化S)和線性最小均方誤差法(LMMSE)等等。但是運(yùn)些傳統(tǒng)的信道估 計(jì)方法適應(yīng)于稠密信道的信道估計(jì)。研究表明無(wú)線信道往往呈現(xiàn)稀疏性。對(duì)于稀疏信道,運(yùn) 些傳統(tǒng)的信道估計(jì)的性能與準(zhǔn)確度不夠高。
[0004] 壓縮感知(Compressive Sensing:CS)理論展示了一種全新的信號(hào)采集處理方法, 對(duì)可壓縮的稀疏信號(hào)W遠(yuǎn)低于奈奎斯特速率的方式進(jìn)行采樣,仍能夠精確的恢復(fù)出原始信 號(hào)。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn),基于壓縮感知的信道估計(jì)可W利用無(wú)線信道的固有的稀疏性,提高 信道估計(jì)的性能。
[0005] 全球無(wú)線通信市場(chǎng)的猛增對(duì)日益緊缺的頻譜資源的需求逐漸增大。合理設(shè)計(jì)導(dǎo)頻 放置方式不僅可W提高信道估計(jì)性能,而且能夠有效節(jié)省所需導(dǎo)頻符號(hào),從而具有更高的 頻帶利用率。傳統(tǒng)的信道估計(jì)的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)有塊狀、梳狀和格狀。研究發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)的LS算法采 用均勻的梳狀導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)時(shí)可W獲得最佳的信道估計(jì)性能?;趬嚎s感知的信道估計(jì)常采用 隨機(jī)導(dǎo)頻,但是隨機(jī)導(dǎo)頻并不是最優(yōu)的導(dǎo)頻。因此,目前需要設(shè)計(jì)一種合適的導(dǎo)頻優(yōu)化方 案,得到最佳的導(dǎo)頻放置方式,從而使得基于壓縮感知的信道估計(jì)性能得W改善。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 有鑒于此,本發(fā)明的目的在于提供一種基于壓縮感知的OFDM稀疏信道估計(jì)中的導(dǎo) 頻優(yōu)化方法,該方法W壓縮感知理論中的測(cè)量矩陣的互相關(guān)最小化作為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)子載 波進(jìn)行二進(jìn)制編碼,用來(lái)傳送導(dǎo)頻的子載波用數(shù)值"Γ表示,用來(lái)傳送數(shù)據(jù)的子載波用數(shù)值 "0"表示;同時(shí),引入了混濁初始化過(guò)程和粒子變異機(jī)制,通過(guò)混濁初始化來(lái)保證初始粒子 均勻的分散在解空間里,通過(guò)粒子變異機(jī)制用來(lái)保證種群的快速收斂。
[0007] 為達(dá)到上述目的,本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[000引一種基于壓縮感知的OFDM稀疏信道估計(jì)中的導(dǎo)頻優(yōu)化方法,該方法包括W下步 驟:
[0009] S1:把測(cè)量矩陣互相關(guān)值最小(MIP)準(zhǔn)則作為二進(jìn)制粒子群算法的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù), 然后確定二進(jìn)制粒子群算法的基本參數(shù);
[0010] S2:利用混濁初始化對(duì)粒子的速度和位置進(jìn)行初始化;
[0011] S3:求出對(duì)應(yīng)的粒子的適應(yīng)度函數(shù),并且根據(jù)適應(yīng)度計(jì)算出粒子群的個(gè)體最優(yōu)值 和全局最優(yōu)值;檢查結(jié)束條件是否滿足,滿足則結(jié)束,否則繼續(xù)對(duì)粒子的速度和位置進(jìn)行更 新;
[0012] S4:對(duì)更新之后的粒子中,對(duì)不符合要求的粒子進(jìn)行變異,然后返回步驟S3進(jìn)行迭 代。
[0013] 進(jìn)一步,在步驟S1中:
[0014]在基于壓縮感知的OFDM稀疏信道估計(jì)中,假設(shè)當(dāng)前所有子載波的構(gòu)成的集合為C = kl,C2,C3, . . .,cn},其中N表示子載波的總數(shù),從C中的N個(gè)子載波中選擇出P個(gè)子載波用 于發(fā)送導(dǎo)頻符號(hào),則導(dǎo)頻子載波構(gòu)成的信號(hào)/>=>、.,
[001引 PXP維矩陣Xpx康^導(dǎo)頻處發(fā)送的信號(hào),PXL維矩陣
是對(duì)應(yīng)的P個(gè)導(dǎo)頻處的快速傅里葉變換矩陣;根據(jù)測(cè)量矩陣互相關(guān)值最小(MIP)準(zhǔn)則,測(cè)量 矩陣T的互相關(guān)值
越小,稀疏信號(hào)的重構(gòu)精度越 高;則μ{Τ}的最小值是該二進(jìn)制粒子群算法的優(yōu)化目標(biāo),其中,Tm和τη分別表示測(cè)量矩陣T的 第m列和第η列元素,L表示信道的長(zhǎng)度,則可W得:
[0016]
[0017]上式中的Ρ表示導(dǎo)頻總數(shù),Cl表示從Ν個(gè)子載波中選擇出的第i個(gè)子載波用于發(fā)送 導(dǎo)頻符號(hào),II Xi II2表示第i個(gè)導(dǎo)頻對(duì)應(yīng)的信號(hào)的功率;
[001引其中影響矩陣XpxpFpxl取值的共有兩個(gè)因素,一個(gè)是導(dǎo)頻符號(hào)在子載波中的位置, 另一個(gè)是導(dǎo)頻符號(hào)的信號(hào)功率;假定所有的導(dǎo)頻符號(hào)的信號(hào)功率都相同,都等于1,則
[0019]
[0020] 此時(shí)μ{Τ}的大小只與導(dǎo)頻的位置有關(guān),那么問(wèn)題就是如何從N個(gè)子載波中選擇出P 個(gè)子載波作為導(dǎo)頻進(jìn)行傳輸,使得μ{Τ}最小,設(shè)a = n-m,y{T}用目標(biāo)函數(shù)f(p)表示,貝U
[0021]
[0022] 求最優(yōu)導(dǎo)頻序列問(wèn)題可W表示為求的值,然后得出對(duì)應(yīng)的導(dǎo)頻。
[0023] 進(jìn)一步,在步驟S2中:選用混濁初始化方法,利用Logistic映射的方法,公式如下
[0024] Zk+i=]iZk(l-Zk)
[0025] 其中Zk是Logistic映射的混濁變量,μ是混濁因子,其中μ取值為4。
[0026] 進(jìn)一步,在步驟S3中:由于每個(gè)粒子都由二進(jìn)制編碼表示,速度則決定在[0,1]區(qū) 間上的轉(zhuǎn)變概率參數(shù),該參數(shù)的取值就是位變量取數(shù)值"Γ的概率,為了將速度的值映射到
[0,1]區(qū)間內(nèi),利用sigmod函數(shù),表示如下:
[0027]
[002引 BPS0中粒子的速度和位置更新可W表示:
[0031] 在式中,說(shuō)I和端1分別表示粒子i在第t+1代的第m維空間的速度和位置,rand是一 個(gè)0與1之間的隨機(jī)數(shù),C1,C2是學(xué)習(xí)因子,ri,r2是0和1之間的隨機(jī)數(shù);W是慣性權(quán)重,成6W表 示第i個(gè)粒子進(jìn)化到第t代的最好位置,誠(chéng)表示整個(gè)種群進(jìn)化到第t代的最好位置。
[0032] 進(jìn)一步,在步驟S4中:為了保證粒子的快速收斂,引入了一種粒子的變異機(jī)制;具 體包括:如果每一代的粒子群迭代后經(jīng)過(guò)粒子位置更新之后,運(yùn)一代粒子群中若發(fā)現(xiàn)某個(gè) 粒子的取值為數(shù)值"Γ的維數(shù)之和Q大于規(guī)定的導(dǎo)頻個(gè)數(shù)即寸,則對(duì)該粒子進(jìn)行變異,變異的 機(jī)制是:從該粒子的Q維取值為數(shù)值"Γ的元素中隨機(jī)選取Q-P維元素,將其都突變?yōu)?,則突 變后的該粒子取值為數(shù)值"Γ的維數(shù)之和變?yōu)镻。
[0033] 本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提供的方法能夠有效的節(jié)省導(dǎo)頻的開(kāi)銷(xiāo),提高了 頻譜利用率,具有更好的信道估計(jì)性能。
【附圖說(shuō)明】
[0034] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚,本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行 說(shuō)明:
[0035] 圖1為本發(fā)明的基于二進(jìn)制粒子群算法的稀疏信道估計(jì)流程圖;
[0036] 圖2為OFDM系統(tǒng)圖;
[0037] 圖3為本發(fā)明用于信道估計(jì)的正交匹配追蹤算法流程圖;
[0038] 圖4為本發(fā)明所述方法的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面將結(jié)合附圖,對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0040] 圖4為本發(fā)明所述方法的流程示意圖,如圖所示,本發(fā)明提供的基于壓縮感知的 OFDM稀疏信道估計(jì)中的導(dǎo)頻優(yōu)化方法包括W下步驟:
[0041] S1:把測(cè)量矩陣互相關(guān)值最小(MIP)準(zhǔn)則作為二進(jìn)制粒子群算法的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù), 然后確定二進(jìn)制粒子群算法的基本參數(shù);
[0042] S2:利用混濁初始化對(duì)粒子的速度和位置進(jìn)行初始化;
[0043] S3:求出對(duì)應(yīng)的粒子的適應(yīng)度函數(shù),并且根據(jù)適應(yīng)度計(jì)算出粒子群的個(gè)體最優(yōu)值 和全局最優(yōu)值;檢查結(jié)束條件是否滿足,滿足則結(jié)束,否則繼續(xù)對(duì)粒子的速度和位置進(jìn)行更 新;
[0044] S4:對(duì)更新之后的粒子中,對(duì)不符合要求的粒子進(jìn)行變異,然后返回步驟S3進(jìn)行迭 代。
[0045] 本發(fā)明的信道狀況參數(shù)為:子載波個(gè)數(shù)為N,導(dǎo)頻的載波個(gè)數(shù)為Np,循環(huán)前綴碼長(zhǎng) 度為Ng,帶寬為B,信號(hào)調(diào)制方式QPSK,稀疏度為K,信道總抽頭數(shù)目L。
[0046] 圖1為本發(fā)明的基于二進(jìn)制粒子群算法的稀疏信道估計(jì)流程圖,參見(jiàn)圖1,主要步 驟如下所示:
[0047] 步驟1、確定算法的基本參數(shù),設(shè)定種群的規(guī)模為size,最大的迭代次數(shù)iterator。 粒子的維數(shù)為子載波總數(shù)N,慣性權(quán)重W,W及學(xué)習(xí)因子C1,C2。
[0048] 步驟2、在一個(gè)N維子載波中,隨機(jī)選取任意的P維子載波作為導(dǎo)頻,對(duì)選取的P維導(dǎo) 頻的位置,線性映射到[0,1]區(qū)間內(nèi),然后利用Logistic映射的方法,公式zk+i=yzk(l-zk)進(jìn) 行size-1次的混濁映射,最后分別將產(chǎn)生的混濁映射序列恢復(fù)到區(qū)間[1,N]之間,對(duì)于非整 數(shù)的采用四舍五入的方法。將通過(guò)混濁映射產(chǎn)生的size個(gè)導(dǎo)頻的位置作為初始化的size個(gè) 粒子的導(dǎo)頻,并將每一個(gè)粒子的導(dǎo)頻位置取值為數(shù)值"Γ,其他的N-P維子載波取值取值為 數(shù)值"0"。其中初始化的第i個(gè)粒子的位置可W表示為-V-," = ,Λ-,I.….Λ-,.、i ],i = 0,1,2 ..., size-1 ο
[0049] 步驟3、隨機(jī)初始化某一個(gè)粒子的速度在區(qū)間[0,1]內(nèi),進(jìn)行size-1次的種群混濁 映射,并且四舍五入的方法,產(chǎn)生size個(gè)粒子的速度初始化,其中初始化的第i個(gè)粒子的速 度表示為K。=[嗎。巧ι,.·',ν泌-1],i = 0,1,2. . .,size-1。
[0050] 步驟4、W測(cè)量矩陣的互相關(guān)作為目標(biāo)函數(shù)求的粒子的適應(yīng)度,并且根據(jù)適應(yīng)度計(jì) 算出粒子群的個(gè)體最優(yōu)值和全局最優(yōu)值。若到達(dá)設(shè)定的迭代次數(shù),停止迭代。
[0051 ] 步驟5、對(duì)粒子的速度和位置進(jìn)行更新,引入了函數(shù)即sigmod函數(shù),表示如下:
[0化2]
[0053] BPS0中粒子的速度和位置更新可W表示:
[0化6] 在式中,<;1和苗:1分別表示粒子i在第t+1代的第m維空間的速度和位置,rand是一 個(gè)0與1之間的隨機(jī)數(shù),ci,C2是學(xué)習(xí)因子,ri,r2是0和1之間的隨機(jī)數(shù)。W是慣性權(quán)重。據(jù)表 示第i個(gè)粒子進(jìn)化到第t代的最好位置,式表示整個(gè)種群進(jìn)化到第t代的最好位置。
[0057] 步驟6、更新位置和速度之后,若粒子護(hù)1(其中i = l,2…,size)中取值為數(shù)值"Γ 的維數(shù)之和Q大于規(guī)定的導(dǎo)頻個(gè)數(shù)即寸,則對(duì)為"進(jìn)行變異,從粒子Λf的Q維取值為數(shù)值"Γ 的元素中隨機(jī)選取Q-P維元素,將其都突變?yōu)閿?shù)值"0"。則突變后的該粒子取值為數(shù)值"Γ的 維數(shù)之和變?yōu)镻。否則返回步驟4繼續(xù)進(jìn)行迭代。
[0058] 經(jīng)過(guò)W上步驟之后,獲得的測(cè)量矩陣互相關(guān)的最小值對(duì)應(yīng)的導(dǎo)頻就是所要求的最 優(yōu)導(dǎo)頻。
[0059] 參見(jiàn)圖2,為OFDM系統(tǒng)圖。數(shù)據(jù)流在發(fā)送端經(jīng)過(guò)調(diào)制,串并轉(zhuǎn)換,插入導(dǎo)頻,IFFTW 及插入CP和并串轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入信道,然后信號(hào)經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換,去掉CP,F(xiàn)FT,繼續(xù)進(jìn)行信道估 計(jì)之后,經(jīng)過(guò)并串轉(zhuǎn)換,解調(diào)之后恢復(fù)出數(shù)據(jù)流。圖3為本發(fā)明用于信道估計(jì)的正交匹配追 蹤算法流程圖。
[0060]最后說(shuō)明的是,W上優(yōu)選實(shí)施例僅用W說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制,盡管通 過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述,但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解,可W在 形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變,而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于壓縮感知的OFDM稀疏信道估計(jì)中的導(dǎo)頻優(yōu)化方法,其特征在于:該方法包 括以下步驟: S1:把測(cè)量矩陣互相關(guān)值最小(MIP)準(zhǔn)則作為二進(jìn)制粒子群算法的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù),然后 確定二進(jìn)制粒子群算法的基本參數(shù); S2:利用混沌初始化對(duì)粒子的速度和位置進(jìn)行初始化; S3:求出對(duì)應(yīng)的粒子的適應(yīng)度函數(shù),并且根據(jù)適應(yīng)度計(jì)算出粒子群的個(gè)體最優(yōu)值和全 局最優(yōu)值;檢查結(jié)束條件是否滿足,滿足則結(jié)束,否則繼續(xù)對(duì)粒子的速度和位置進(jìn)行更新; S4:對(duì)更新之后的粒子中,對(duì)不符合要求的粒子進(jìn)行變異,然后返回步驟S3進(jìn)行迭代。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓縮感知的OFDM稀疏信道估計(jì)中的導(dǎo)頻優(yōu)化方法, 其特征在于:在步驟S1中: 在基于壓縮感知的OFDM稀疏信道估計(jì)中,假設(shè)當(dāng)前所有子載波的構(gòu)成的集合為c= {C1, C2,C3, . . .,CN},其中N表示子載波的總數(shù),從c中的N個(gè)子載波中選擇出P個(gè)子載波用于發(fā)送 導(dǎo)頻符號(hào)肩導(dǎo)頻子載波構(gòu)成的信號(hào)^^^,,%,%^…,^}; P X P維矩陣Χρχρ表示導(dǎo)頻處發(fā)送的信號(hào),P X L維矩陣:是對(duì)應(yīng)的Ρ個(gè)導(dǎo)頻處的快速傅里葉變換矩陣;根據(jù)測(cè)量矩陣互相關(guān)值最小(ΜΙΡ)準(zhǔn)則,測(cè)量 矩陣Τ的互,稀疏信號(hào)的重構(gòu)精度越 高;則μ{Τ}的最小值是該二進(jìn)制粒子群算法的優(yōu)化目標(biāo),其中,分別表示測(cè)量矩陣Τ的 第m列和第η列元素,L表示信道的長(zhǎng)度,則可以得:上式中的Ρ表示導(dǎo)頻總數(shù),Cl表示從Ν個(gè)子載波中選擇出的第i個(gè)子載波用于發(fā)送導(dǎo)頻符 號(hào),I |Xd I2表示第i個(gè)導(dǎo)頻對(duì)應(yīng)的信號(hào)的功率; 其中影響矩陣XpxpFpa取值的共有兩個(gè)因素 ,一個(gè)是導(dǎo)頻符號(hào)在子載波中的位置,另一 個(gè)是導(dǎo)頻符號(hào)的信號(hào)功率;假定所有的導(dǎo)頻符號(hào)的信號(hào)功率都相同,都等于1,則此時(shí)μ{Τ}的大小只與導(dǎo)頻的位置有關(guān),那么問(wèn)題就是如何從N個(gè)子載波中選擇出P個(gè)子 載波作為導(dǎo)頻進(jìn)行傳輸,使得μ{Τ}最小,設(shè)a = n-m,y{T}用目標(biāo)函數(shù)f(p)表示,則求最優(yōu)導(dǎo)頻序列問(wèn)題可以表示為然后得出對(duì)應(yīng)的導(dǎo)頻。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓縮感知的OFDM稀疏信道估計(jì)中的導(dǎo)頻優(yōu)化方法, 其特征在于:在步驟S2中:選用混沌初始化方法,利用Logistic映射的方法,公式如下 Zk+l - 14Zk( 1-Zk) 其中Zk是Log i st i c映射的混沌變量,μ是混沌因子,其中μ取值為4。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓縮感知的OFDM稀疏信道估計(jì)中的導(dǎo)頻優(yōu)化方法, 其特征在于:在步驟S3中:由于每個(gè)粒子都由二進(jìn)制編碼表示,速度則決定在[0,1]區(qū)間上 的轉(zhuǎn)變概率參數(shù),該參數(shù)的取值就是位變量取數(shù)值"Γ的概率,為了將速度的值映射到[0, 1]區(qū)間內(nèi),利用sigmod函數(shù),表示如下:BPS0中粒子的速度和位置更新可以表示:在式中,V::1和分別表示粒子i在第t+Ι代的第m維空間的速度和位置,rand是一個(gè)0與 1之間的隨機(jī)數(shù),C1,C2是學(xué)習(xí)因子,n,r^0和1之間的隨機(jī)數(shù);w是慣性權(quán)重乂 表示第i 個(gè)粒子進(jìn)化到第t代的最好位置,表示整個(gè)種群進(jìn)化到第t代的最好位置。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓縮感知的OFDM稀疏信道估計(jì)中的導(dǎo)頻優(yōu)化方法, 其特征在于:在步驟S4中:為了保證粒子的快速收斂,引入了一種粒子的變異機(jī)制;具體包 括:如果每一代的粒子群迭代后經(jīng)過(guò)粒子位置更新之后,這一代粒子群中若發(fā)現(xiàn)某個(gè)粒子 的取值為數(shù)值"Γ的維數(shù)之和Q大于規(guī)定的導(dǎo)頻個(gè)數(shù)P時(shí),則對(duì)該粒子進(jìn)行變異,變異的機(jī)制 是:從該粒子的Q維取值為數(shù)值"Γ的元素中隨機(jī)選取Q-P維元素,將其都突變?yōu)?,則突變后 的該粒子取值為數(shù)值"Γ的維數(shù)之和變?yōu)镻。
【文檔編號(hào)】H04L5/00GK106059732SQ201610357668
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月26日
【發(fā)明人】唐宏, 劉遠(yuǎn)航, 黃祥, 葉宗剛, 趙迎芝
【申請(qǐng)人】重慶郵電大學(xué)