基于交替方向乘子法的OFDM峰均比抑制方法技术

技术编号:18240538 阅读:24 留言:0更新日期:2018-06-17 05:18
本发明专利技术公开了一种基于交替方向乘子法的OFDM峰均比抑制方法,解决现有降低OFDM峰均比优化方法计算复杂度高的问题。实现方案包括:以频域OFDM信号数据载波干扰为目标函数,峰均比和自由载波功率为约束条件,建立非凸的优化模型;用交替方向乘子法ADMM参与优化过程,求最优解,优化过程包含两个方案,方案1直接利用ADMM方法进行求解,若收敛则可保证收敛到优化模型的KKT点。方案2对优化模型进行了松弛得到松弛模型,保证收敛,并且在参数选择适当的情况下无限逼近优化模型的KKT点。与现有的峰均比抑制方法比,本发明专利技术可以得到更小且恒定的峰均比值,提高了系统误码性能,降低了计算复杂度,用于通信技术领域,以提高通信系统信号的传输质量。 1

OFDM peak to average ratio suppression method based on alternating direction multiplier method

The invention discloses a OFDM peak mean ratio suppression method based on alternating direction multiplier method, and solves the problem of high computational complexity for reducing the OFDM peak mean ratio optimization method. The realization scheme includes: using the frequency domain OFDM signal carrier interference as the objective function, the peak to average ratio and the free carrier power as the constraint conditions, the non convex optimization model is set up. The optimization process is involved in the optimization process with the alternating direction multiplier method ADMM, and the optimization process contains two schemes, and the square case 1 is solved by the ADMM method directly. Convergence ensures convergence to the KKT point of the optimization model. Scheme 2 relaxes the optimization model, obtains the relaxation model, guarantees convergence, and optimizes the KKT point of the optimization model in the case of appropriate parameter selection. Compared with the existing peak to average ratio suppression method, the invention can obtain a smaller and constant peak to average ratio, improve the system error performance and reduce the computational complexity, which is used in the communication technology field to improve the transmission quality of the communication system signal. One

【技术实现步骤摘要】
基于交替方向乘子法的OFDM峰均比抑制方法
本专利技术属于通信领域,特别涉及适用于正交频分复用OFDM的发送端技术,具体是一种基于交替方向乘子法的OFDM峰均比抑制方法,可用于无线通信领域。
技术介绍
正交频分复用OFDM是一种重要的多载波调制技术,由于其具有较高的频谱利用率以及抵抗多径衰落的能力,OFDM在现代无线通信系统中得到了非常广泛的应用。然而,由于OFDM是一个多载波调制方式并且不同载波的数据是独立的,频域载波相位相同或者相近会导致时域信号峰值较大,出现较高的峰均比。但是发射机的功率放大器是功率受限的,较大的峰均比会导致功率放大器进入非线性饱和区,使信号出现带内干扰和带外辐射。为了解决这一问题,学者们提出一系列的降低峰均比的方法,在这些方法中,重复切割滤波技术RCF是最简单的方法,它的计算复杂度最低。该方法通过引入干扰信号,使OFDM信号逼近确定的PAPR阈值。但是经典的RCF方法和它的一些变形无法满足更复杂的系统要求,例如使自由载波的功率低于某一门限或者使信号干扰达到最小,这些要求RCF均无法满足。在此基础上,优化方法在近几年得到了广泛的应用,用优化方法降低OFDM信号的峰均比,可以使系统参数达到最优。典型的优化方法,例如二阶锥规划和半正定规划得到了广泛的研究和使用。最开始应用二阶锥规划方法的是Aggarwal,他的模型中,目标函数是最小化时域信号的峰值,约束条件为误差矢量幅度和自由载波功率,Aggarwal证明该模型具有全局最优解,但是它的计算复杂度较高,约为O(N3)。在此之后,不同的二阶锥规划方法被提出用来降低OFDM的峰均比。半正定规划是另一种重要的优化方法,YongchaoWang等利用这一方法,对非凸的二次优化模型进行了松弛,优化后的OFDM信号具有恒定的峰均比,同时得到较优的系统误码率,但是它的计算复杂度也较高。这些方法可以有效降低OFDM信号的峰均比,同时得到较优的系统误码率,但是它们的计算复杂度比较高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足,提出一种复杂度低峰均比更小的基于交替方向乘子法ADMM的OFDM峰均比抑制方法。本专利技术是一种基于交替方向乘子法的OFDM峰均比抑制方法,其特征在于,包括如下步骤:(1)对输入的OFDM信号进行调制,得到频域信号c;(2)对频域信号c进行串并变换后进行lN点傅里叶逆变换,得到时域信号x;(3)对频域信号c和时域信号x用两种优化方案中的方案之一进行优化,方案1为用直接模型进行优化,方案2为用松弛模型进行优化。(3.1)方案1:以数据载波干扰为目标函数,峰均比和自由载波功率为约束条件,建立非凸的直接模型,将ADMM方法直接应用到直接模型中,对频域信号c和时域信号x分别进行求解,最终得到该模型的最优解。(3.2)方案2:以数据载波干扰为目标函数,峰均比和自由载波功率为约束条件的基础上引入两个辅助变量,第一辅助变量u和第二辅助变量w,将u=w作为惩罚项加到目标函数中,建立非凸的松弛模型,继而将ADMM方法应用到松弛模型中,对频域信号c、时域信号x、辅助变量u和w分别进行求解,最终得到模型的最优解。(4)将优化后的最优解中的时域信号xopt添加循环前缀得到x1,完成对OFDM信号峰均比的抑制后,送到数模转换器等后续设备中进行发送。本专利技术以较低的计算复杂度,将OFDM的峰均比优化到一个较小的恒定的值,满足现代无线通信系统的需求。本专利技术与现有技术相比具有以下优点:1.降低了峰均比。与传统的OFDM峰均比抑制方法相比,本专利技术以最小化数据载波干扰为目标函数,峰均比和自由载波功率为约束条件,建立非凸的优化模型;利用ADMM方法参与优化过程,求最优解。由于以峰均比为约束条件,所以该专利技术将OFDM的峰均比降低到一个较小的恒定的值,为4dB。2.降低了误码率。本专利技术提出的方案以最小化数据载波干扰为目标函数,使得信号失真达到最小,所以该方案能够保证得到比其他方法更优的误码性能。3.降低了计算复杂度本专利技术采用的两种优化方案均是用ADMM方法参与优化,求解优化模型的最优解,由于ADMM方法本身计算复杂度较低,所以该专利技术与传统的优化方法相比,复杂度大大降低,它们每次迭代的计算复杂度约为Ο(2lNlog2lN)。附图说明图1是本专利技术的实现流程图;图2是本专利技术中方案1的收敛曲线图;图3是本专利技术中方案2的收敛曲线图;图4是用本专利技术与现有峰均比抑制方法峰均比抑制性能比较图;图5是用本专利技术与现有峰均比抑制方法误码率性能比较图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实例及效果作详细描述。实施例1正交频分复用OFDM是一种重要的多载波调制技术,在现代无线通信系统中得到了非常广泛的应用。OFDM的一个最大缺点是它会导致信号的峰均比较大。但是发射机的功率放大器是功率受限的,较大的峰均比会导致功率放大器进入非线性饱和区,使信号出现带内干扰和带外辐射。现有技术中有些方法可以有效降低OFDM信号的峰均比,同时得到较优的系统误码率,但是它们的计算复杂度比较高,阻碍了实际工程应用。本专利技术对此展开了研究,以最小化数据载波干扰为目标函数,峰均比和自由载波功率为约束条件,建立非凸的优化模型;利用ADMM方法参与优化过程,求解最优解。具体实施方法,参见图1,包括有如下步骤:(1)对输入的OFDM信号的信息比特流进行调制,调制方式包括16QAM、QPSK等,得到正交频分复用OFDM频域信号c。(2)对频域信号c进行串并变换后进行lN点傅里叶逆变换,得到时域信号x。(3)接下来对频域信号c和时域信号x用两种优化方案中的方案之一进行优化,方案1为用直接模型进行优化,具有较好的误码率,即误码率较低;方案2为用松弛模型进行优化,具有较好的收敛特性,即收敛速度较快。(3.1)方案1:以数据载波干扰为目标函数,峰均比和自由载波功率为约束条件,建立非凸的直接模型,将ADMM方法直接应用到直接模型中,对频域信号c和时域信号x分别进行求解,最终得到该模型的最优解。(3.2)方案2:在方案1的直接模型的基础上,即以数据载波干扰为目标函数,峰均比和自由载波功率为约束条件下引入两个辅助变量,第一辅助变量u和第二辅助变量w,将u=w作为惩罚项加到目标函数中,建立非凸的松弛模型,继而将ADMM方法应用到松弛模型中,对频域信号c、时域信号x、辅助变量u和w分别进行求解,最终得到模型的最优解。本专利技术采用的两种优化方案均是用ADMM方法求解非凸模型的最优解,由于ADMM方法本身计算复杂度较低,所以该专利技术与传统的优化方法相比,复杂度大大降低,它们每次迭代的计算复杂度约为Ο(2lNlog2lN)。(4)将优化后的最优解中的时域信号xopt添加循环前缀x1,完成对OFDM信号峰均比的抑制后,送到数模转换器等后续设备中进行发送。本专利技术的基本思路是:以最小化数据载波干扰为目标函数,峰均比和自由载波功率为约束条件,建立非凸的优化模型;利用ADMM方法参与优化过程,求解最优解。与传统的OFDM峰均比抑制方法相比,本专利技术提出的两种方案,均以峰均比为约束条件,进一步降低了OFDM的峰均比,并且能够使OFDM的峰均比达到恒定的值。实施例2基于交替方向乘子法的OFDM峰均比抑制方法同实施例1,步骤(3)中所述的用两种方案中的方案之一进行优化是建本文档来自技高网
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基于交替方向乘子法的OFDM峰均比抑制方法

【技术保护点】
1.一种基于交替方向乘子法的OFDM峰均比抑制方法,其特征在于,包括如下步骤:

【技术特征摘要】
1.一种基于交替方向乘子法的OFDM峰均比抑制方法,其特征在于,包括如下步骤:(1)对输入的OFDM信号进行调制,得到频域信号c;(2)对频域信号c进行串并变换后进行lN点傅里叶逆变换,得到时域信号x;(3)对频域信号c和时域信号x用两种优化方案中的方案之一进行优化,方案1为用直接模型进行优化,方案2为用松弛模型进行优化;(3.1)方案1:以数据载波干扰为目标函数,峰均比和自由载波功率为约束条件,建立非凸的直接模型,将ADMM方法直接应用到直接模型中,对频域信号c和时域信号x分别进行求解,最终得到该模型的最优解;(3.2)方案2:以数据载波干扰为目标函数,峰均比和自由载波功率为约束条件的基础上引入两个辅助变量,第一辅助变量u和第二辅助变量w,将u=w作为惩罚项加到目标函数中,建立非凸的松弛模型,继而将ADMM方法应用到松弛模型中,对频域信号c、时域信号x、辅助变量u和w分别进行求解,最终得到模型的最优解;(4)将优化后的最优解中的时域信号xopt添加循环前缀得到x1,完成对OFDM信号峰均比的抑制后,送到数模转换器等后续设备中进行发送。2.根据权利要求1所述的基于交替方向乘子法的OFDM峰均比抑制方法,其特征在于,步骤(3)中所述的用两种方案中的方案之一进行优化是建模、求解,得到最优解,其中方案1的建模求解过程包括如下步骤:(3.1.a)建立直接模型:目标函数设置为最小化数据载波干扰,以峰均比和自由载波功率为约束条件建立如下直接模型:目标函数:约束条件:其中,N为子载波个数,l为过采样因子,c∈CN表示OFDM频域信号,x∈ClN表示对应的时域信号。目标函数中,c表示优化的OFDM信号,co是原始的OFDM信号;SD是一个二进制对角阵,对应的集合D={im|m=1,…,M},im表示第m个数据载波,并且当i∈D时,SDii=1,否则,SDii=0;矩阵SF和对应的集合F具有类似的定义,区别在于其对应的是自由载波;根据SD和SF的定义可以得到,SD+SF=I,SDSF=0,I表示单位阵,0表示零矩阵;第一个约束和第二个约束分别表示峰均比和自由载波功率约束,α和β是预先设置的门限值,且满足α>1,β>0;A∈ClN×N表示傅里叶逆变换旋转因子矩阵的前N列;(3.1.b)将ADMM方法应用于直接模型,得到直接ADMM模型:将ADMM方法直接应用到(3.1.a)得到的直接模型中,得到如下直接ADMM模型:yk+1=yk+ρ(Ack+1-xk+1)在上述模型中,Lρ(·)表示拉格朗日函数,x∈χ,c∈C分别表示峰均比约束和自由载波约束,y∈ClN是拉格朗日乘子,k表示迭代次数。建立直接ADMM模型的增广拉格朗日函数如下:其中,ρ>0表示惩罚参数,Re表示取实部,H表示求向量的共轭转置;(3.1.c)建立频域信号c的求解模型:根据直接ADMM模型的增广拉格朗日函数,得到直接ADMM模型中求解频域信号c的具体模型c1模型:目标函数:约束条件:(3.1.d)建立时域信号x的求解模型:根据直接ADMM模型的增广拉格朗日函数,得到直接ADMM模型中求解时域信号x的具体模型x1模型:目标函数:约束条件:(3.1.e)更新拉格朗日乘子:用更新的直接ADMM模型的拉格朗日乘子参与频域信号c和时域信号x的求解;(3.1.f)迭代求解:重复执行步骤(3.1.c)-(3.1.e),得到直接模型的最优解。3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员:王勇超王艳娇
申请(专利权)人:西安电子科技大学西安中电科西电科大雷达技术协同创新研究院有限公司
类型:发明
国别省市:陕西,61

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