低复杂度混合SLM用于ACO OFDM的PAPR抑制

⃝可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICTExpress 8（2022）72www.elsevier.com/locate/icte用于ACO OFDM的PAPR抑制的低复杂度混合SLM作者声明：Robert A.郑玲考克斯南非约翰内斯堡金山大学电气和信息工程学院接收日期：2020年9月9日;接收日期：2021年9月6日;接受日期：2021年10月9日2021年10月27日网上发售摘要高峰均功率比（PAPR）是非对称限幅光（ACO）正交频分复用（OFDM）面临的主要挑战。我们提出了一种新的混合技术，结合了修改的选择性映射（SLM）和压扩称为低复杂度的混合选择性映射（LCHSLM）的峰均比ACO OFDM系统的缓解。通过计算机仿真表明，与传统的SLM或压扩相比，我们提出的系统显着降低了PAPR。此外，LCHSLM实现了显着降低的复杂性相比，传统的SLM没有误码率（BER）的退化。第2021章作者（二）由爱思唯尔公司出版代表韩国通信和信息科学研究所这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：ACO OFDM; CCDF;压扩; PAPR;选择性映射1. 介绍非对称限幅光（ACO）正交频分复用（OFDM）是可见光通信（VLC）系统中的一种有吸引力的调制技术，这是由于其与直流偏置光（DCO）OFDM相比具有高功率效率[1，2]。此外，作为一种OFDM方案，ACO OFDM还具有对抗由色散光信道引起的符号间干扰（ISI）的能力，高频谱效率以及提供更高数据速率而无需在接收器处使用复杂均衡器的能力[3]。尽管有这些优点，但由ACO OFDM信号在时域中相干相加导致高信号峰值的可能性引起的高峰均功率比（PAPR）仍然是一个主要挑战。高PAPR意味着组成光发射机的各种组件必须在其有限的线性动态范围之外操作，从而导致主要的低效率。因此，已经针对OFDM提出了各种PAPR减轻技术这些包括限幅和滤波[4]，预编码[5，6]，非线性压扩[7]和多路复用∗ 通讯作者。电子邮件地址：rniwareeba@ieee.org（R.Niwareeba），mitrium.cox@wits.ac.za（M.A.考克斯），林。程@wits.ac.za（L。Cheng）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2021.10.002信号表示，例如选择性映射（SLM）[8]和部分发送序列（PTS）[9，10]。非线性压扩技术，如μ律和A律，通过增加小幅度峰值和降低大幅度峰值来实现PAPR降低。因此，使小幅度峰值对信道噪声更具弹性。在SLM中，生成表示相同信息的多个候选信号，并且选择具有最低PAPR的候选信号用于传输。这导致由生成这些候选信号所需的大量快速傅里叶逆变换（IFFT）块引起的高复杂度。最近对可持续土地管理的研究集中于降低其复杂性[8、11、12]。在[11]中提出了一种低复杂度SLM，其中使用某些转换矩阵来降低复杂度。然而，由于使用一个转换矩阵，计算复杂度将是传统SLM的一半左右。为了进一步降低复杂度，使用了更多的转换矩阵，这导致误码率（BER）下降。在[12]中，提出了一种基于快速Hartley变换（FHT）的低复杂度SLM。由于这使用FHT，因此在其可以完全适用于当前使用IFFT/FFT的ACOOFDM在[8]中，提出了用于光OFDM的PAPR抑制的低复杂度SLM系统具体来说，系统使用分区2405-9595/2021作者。由爱思唯尔公司出版代表韩国通信和信息科学研究所这是一CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。R. Niwareeba，文学硕士考克斯和L.程ICT Express 8（2022）7273CSL M∑1（m）=≤ ≤−[]2CSL M≤−N/2−1=∈≤在ACO OFDM系统中，仅使用奇数子载波，并且为了确保实时时域信号，频域符号被约束为具有厄米对称性。因此，IFFT块的输入将是。X（v）（k）=[0，X（v）]（0），0，X（v）（1）、. . .、X（v）（N/2 −1），CSL MCSL MCSL MCSL M（一）（v）CSL M （N/2 − 1），0，. . . ，X（v）（0）]Fig. 1. 常规选择性映射（CSLM）。其中，X表示X的复共轭。通过对输入频域信号进行N点IFFT和重组，以产生2个V2候选序列，五IFFT。然而，由于SLM是一种概率技术，（五）CSL MN−1Nk=0（五）CSL M（k）预期寿命（−j2πkmN（二）PAPR降低的程度有限。此外，大量的部分候选序列增加了整体复杂度。单一的PAPR抑制技术通常不能满足ACO OFDM系统的所有需求，例如显著的其中0MN1.一、过采样L次的单个时域符号的电PAPR被定义为最大峰值功率与平均功率的比率，并且由下式给出：Max|x（m）|2峰均比降低，无或少的信号失真和低复杂度的同时。因此，PAPR的混合方案P APR0≤m≤N L−1E|x（m）|（三）已经提出了减少，并且与传统方法相比显示出更好的性能。例如，在[13]中，由部分传输序列（PTS）和μ律压扩组成的混合技术在较高的信噪比（SNR）值下显示出更好的PAPR和BER性能。该方案的缺点在于PTS部分的高复杂性。出于降低SLM复杂度和降低PAPR的需要，本文提出了一种低复杂度混合选择性映射（LCHSLM）的混合方法，用于ACO OFDM的PAPR抑制。我们利用IFFT和Hermitian对称性的性质以降低传统SLM的复杂性。然后使用µ律压扩技术进一步降低PAPR。论文的其余部分组织如下：在第2节中介绍了ACOOFDM的对流SLM的综述。第3节提出了用于降低PAPR的建议方案。第4节给出了结果，并进行了详细的分析和讨论，最后在第5节给出了结论。2. ACO OFDM图1示出了使用传统SLM进行PAPR抑制的ACO OFDM传输的框图。令X=X（k）表示输入数据符号序列=其中，E[ ]表示统计期望值。通常使用互补累积分布函数（CCDF）图来说明PAPR的任何缓解。PAPR的CCDF被定义为PAPR超过给定参考值P AP R0的概率，并且它是用于描述PAPR降低的最常用的度量[3]。CCDF=1−Pr{PAPR≤PAPR0}（ 4）在ACO CSLM中，时域信号x（V）（m）， 最低PAPR将被选择、不对称地削波，并且最后在漫射光信道中传输之前将附加循环前缀。3. 拟议方案（LCHSLM）3.1. 低复杂度混合选择映射（LCHSLM）图2示出了LCHSLM。与CSLM相比，LCH-SLM方案是改进的CSLM和μ-Law压扩技术的混合。在我们的方案中，不是减少候选序列的数量，我们可以减少IFFT的数量如下。考虑两个候选序列X0（k）和X1（k），它们根据等式（1）被约束到厄米特对称性（1），则IFFT{X<$0（k）+jX<$1（k）}=IFFT{X<$0（k）}+jIFFT{X1（k）}=x0+jx1因此，两个时域信号x0和x1可以是k0在频域中，其中X（k）<$N（0，σ2）是第k个M-从IFFT的实部和虚部恢复第k个正交幅度调制（QAM）符号具有零均值和方差σ2子载波。在CSLM技术中， V 伪随机相位操作因此，代替将VIFFT用于V候选，序列，我们使用V/2 IFFT。这导致复杂性的显著降低。（五）jθ（v）（五）序列，PCSL MAek，其中θk[0， 2π]， 0vV1乘以输入数据符号，以在频域中生成V个不同的候选序列，所有候选序列都表示相同的信息。10，XX√X）（五）R. Niwareeba，文学硕士考克斯和L.程ICT Express 8（2022）7274类似于CSLM，在IFFT操作之后，将选择具有最低PAPR的候选下一步是使用µ律压扩进一步降低所选候选信号的PAPR。R. Niwareeba，文学硕士考克斯和L.程ICT Express 8（2022）7275−≤||≤= −×=-−−==1−Oye（m）=µexp-1图二、 提出的方法（LCHSLM）的ACO OFDM。µ律压扩是一种用于降低OFDM系统中PAPR的压缩技术。它的工作原理是扩展小信号幅度，使其对信道噪声更具弹性，并降低大幅度[7]。用于在发射机由给出。Aln[1 + µ |x（m）|]的一种其中N是子载波的总数。在LCHSLM中，对于V个候选信号，我们需要V/2个4N点IFFT运算。因此，我们建议的计划在条款上的复杂性复数乘法和复数加法的计算公式如下：（10）和（11）复数乘法=VNlog24N（ 10）复数加法=2V N log2 4N+V N/ 2（11）xc（m）=一ln（1+µ）sgn[x（m）]（6）计算复杂度降低比（CCRR）其中sgn[x（m）]是正负号函数。A是归一化常数，使得0x（m）/A1。在我们的LCHSLM中，在FFT操作之前的接收器侧，将使用由等式的逆给出的表达式来执行逆过程（信号的扩展）。（6）由Eq. （7）。A[|y（m）|ln（1 + µ）] ]一我们的LCHSLM over CSLM由[8]给出CC RR1Complexity of LCHSLM100%（12）Complexity of CSLM例如，考虑N16个候选信号和N64个子载波。对于CSLM，通过等式计算的复数乘法的数目。（8）是16，384，而对于LCHSLM，计算的复数乘法的等效数目是由等式（8）为8192，CCRR为50%。考虑同一个例子，对于CSLM，复数加法的数量在FFT操作之后，频域符号被在解调之前提取以获得原始数据的估计。3.2. 复杂性分析在本节中，我们将分析LCHSLM与CSLM相比的复杂性。我们首先分析不含µlaw压扩部分的复杂度，然后讨论该部分引入的时间复杂度CSLM的复杂性由Eq. 式（9）的值为32，762，而对于LCHSLM，由式（9）给出的复数加法的等效数目为16，896。（11）导致CCRR为48.4%。因此，将LCHSLM用于ACO OFDM导致显著的复杂度降低。µ律压扩引入的复杂度可以根据本节介绍的时间复杂度进行分析。当量（6）可以简化为x c（m）= k1ln（1 + k2|x（m）|）sign[x（m）]（13），其中m = 1，2，. . . ，n一种考虑无过采样的方法可以用下式给出：复数加法和复数乘法。为了其中n4N，kAln（1+µ） sign[x（m）]和k2=μ/A。产生V个候选信号，ACO OFDM中需要V4N因此，在复数乘法和复数加法方面的复杂度由等式2给出。（8）和（9）[8]。复数乘法=2VNlog24N（ 8）复数加法=4VNlog24N（ 9）[y（m）]（7）R. Niwareeba，文学硕士考克斯和L.程ICT Express 8（2022）7276−×O=O从等式（13）考虑一个时域样本，可以观察到，实数加法和实数乘法的数量是固定的，因此，时间复杂度为（1）。考虑到所有时域样本，时间复杂度变为n（1）（n）。µlaw压扩引入的时间复杂度随n的增加而线性增加，但对于较低的n值，时间复杂度相当小。R. Niwareeba，文学硕士考克斯和L.程ICT Express 8（2022）7277===−−=−−−−=−−−−−=−- -表1模拟参数。模拟参数值子载波数N 128过采样系数L 4候选信号的数量V8用于CSLM，16用于LCHSLM调制方案16 QAM压扩µ律类型压扩参数µ数据块数量10二、四见图4。CSLM与µ律压扩和LCHSLM的PAPR降低性能。图三. LCHSLM与CSLM和µ律压扩技术的PAPR降低性能比较。4. 结果和讨论通过计算机仿真比较了LCH-SLM与CSLM、µlaw压扩以及CSLM结合µlaw压扩技术的PAPR降低性能。表1显示了模拟参数。随机生成104个数据块，对每个数据块进行过采样，过采样因子为L4，以逼近真实的PAPR值。所考虑的信道是适用于VLC的加性高斯白噪声（AWGN）信道。图图3和图4显示了LCHSLM与CSLM、µlaw压扩以及CSLM结合µlaw压扩技术在ACO OFDM系统中降低PAPR的性能比较。表2显示了CCDF为10−2时上述技术的PAPR比较。如图3、4和表2，对于给定阈值，LCHSLM的性能优于CSLM、µlaw压缩和CSLM结合µlaw压缩扩展技术。为便于比较，考虑了相同数量的综合财务报表。如第3.2节所示，对于相同数量的IFFT，LCHSLM产生的候选信号数量是CSLM的两倍。在我们的情况下，我们考虑16个候选信号LCHSLM和8个可以-这些候选信号由相同数目的IFFT产生。从图如图3、4和表2所示，我们注意到，我们提出的LCHSLM（µ 2）对于原始ACO OFDM分别实现了9.7 dB、2.7 dB、2.3 dB和1.4 dB的显著PAPR降低增益，而没有任何PAPR降低，CSLM，µ律压扩（µ2）和CSLM结合µ律压扩（µ=2）压扩技术，CCDF为10−2。这是由于LCHSLM是一种利用CSLM和µ法压扩技术。换句话说，除此之外，为了将CSLM的复杂度降低几乎50%，如第3.2节所示，所提出的方案在相同数量的IFFT的PAPR降低方面也表现得更好。因此，给定由生成候选信号所需的IFFT块的数量确定的相同复杂度水平，LCHSLM在PAPR降低方面比CSLM表现得更好，因为将生成两倍数量的候选信号。此外，通过适当应用µlaw压扩，可进一步降低PAPR。尽管µlaw压扩引入了第3.2节所述的额外时间复杂度，但这种组合带来的额外PAPR降低在大多数要求低PAPR的实际应用中是有利的µlaw压扩对BER性能的影响是一个应该仔细研究的方面。这是因为µlaw压扩是一种基于失真的PAPR降低技术，如果压扩参数选择不当，可能会导致BER下降。图5示出了所提出的LCH-SLM、CSLM、μlaw压扩和ACO OFDM在没有应用任何PAPR抑制技术的情况下的BER的比较。虽然误码性能几乎相同，但结果表明，LCHSLMCSLM的扩张信号请注意，在这两个场景中，和µ−律压扩性能优于CSLM，=4个R. Niwareeba，文学硕士考克斯和L.程ICT Express 8（2022）7278−−−=−表2CSLM、µ−律压扩、CSLM结合µ−律压扩和拟议LCHSLM的PAPR降低比较。PAPR降低方法PAPR（dB）原始ACO OFDM 15.8CSLM 8.8µlaw companding（µ=2）8.4带µ的CSLMlaw companding（µ=2）7.5拟议LCHSLM（µ=2）6.1图五. LCHSLM、CSLM和µ律压扩技术的误码率比较。ACO OFDM没有应用任何PAPR降低技术。这是因为在µlaw压扩中，小信号幅度被放大，使其对通道噪声更具弹性。此外，信号的平均功率通过压扩增加，从而获得更好的BER性能。此外，µ的值越高，PAPR降低得越好，但要以BER下降为代价。因此，需要为LCHSLM考虑适当的µ选择，在这种情况下，µ2值被认为是适当的。5. 结论我们提出并验证了一种新的混合PAPR降低方案ACOOFDM称为LCH-SLM的性能。与CSLM和µlaw压扩技术相比，该方案实现了更好的PAPR降低，同时CSLM的复杂度降低了近50%。此外，由于采用了压扩技术，适当选择压扩参数µ，BER性能会有所提高，这是因为小幅度信号被放大，从而使其对信道噪声更具弹性。CRediT作者贡献声明Roland Niwareeba：概念化，可视化，方法论，软件，写作-草稿准备，形式分析。米切尔A.考克斯：监督，可视化，软件，验证，写作-审查编辑，结果分析&。程凌：监督，软件，验证，写作竞合利益作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作致谢这项工作是基于部分由南非国家研究基金会（NRF）（授权号：121776，132651和129311）支持的研究。引用[1] J. Armstrong ， A.J. Lowery ， Power efficient optical OFDM ，Electronic. Lett. 42（6）（2006）370-372。[2] Y.孙氏F.扬湖，澳-地Cheng，从能源效率与频谱效率的角度概述基于 OFDM 的 可 见 光 通 信 系 统 ， IEEE Access 6 （ 2018 ） 60824-60833。[3] Z. Ghassemlooy ， W. Popoola ， S. 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