室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中降低PAPR算法的深度剖析與優(yōu)化策略一、引言1.1研究背景與意義隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)高速、可靠、安全的通信需求日益增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的射頻（RF）通信頻譜資源日益緊張，且存在電磁干擾等問題，已難以滿足未來通信發(fā)展的需求。在此背景下，室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)作為一種新興的無(wú)線通信技術(shù)，憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到了廣泛關(guān)注。室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)以發(fā)光二極管（LED）為光源，不僅能實(shí)現(xiàn)照明功能，還能利用可見光進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。它具有無(wú)電磁輻射、頻譜資源豐富、安全性高、安裝便捷等顯著優(yōu)點(diǎn)。在醫(yī)院、飛機(jī)等對(duì)電磁干擾敏感的環(huán)境中，該系統(tǒng)能為用戶提供安全可靠的通信服務(wù)；在智能家居、智能辦公等場(chǎng)景下，其可利用室內(nèi)現(xiàn)有的LED照明設(shè)施，實(shí)現(xiàn)通信與照明的一體化，減少額外的布線成本，有效解決了傳統(tǒng)射頻通信的局限，為室內(nèi)無(wú)線通信帶來了新的解決方案。為了提高室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)的頻譜效率和抗多徑干擾能力，正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)被廣泛應(yīng)用于其中。OFDM技術(shù)將高速數(shù)據(jù)流分割成多個(gè)低速子數(shù)據(jù)流，通過多個(gè)正交子載波并行傳輸，有效提高了頻譜利用率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗多徑衰落能力。然而，OFDM信號(hào)是由多個(gè)子載波信號(hào)疊加而成，當(dāng)多個(gè)子載波信號(hào)的相位在某一時(shí)刻恰好一致時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)峰值功率遠(yuǎn)大于平均功率的信號(hào)，這就導(dǎo)致了OFDM信號(hào)具有較高的峰值平均功率比（PAPR）。在室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中，高PAPR會(huì)帶來諸多問題。LED的線性工作區(qū)有限，過高的峰值信號(hào)經(jīng)過LED時(shí)會(huì)發(fā)生限幅失真，導(dǎo)致信號(hào)畸變，進(jìn)而使誤碼率升高，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。高PAPR還會(huì)降低照明對(duì)通信的轉(zhuǎn)換效率，縮短LED的使用壽命，增加系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本。因此，降低PAPR對(duì)于提升室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。目前，已有眾多學(xué)者致力于降低PAPR算法的研究，并提出了多種算法，如限幅濾波法、選擇映射（SLM）法、部分傳輸序列（PTS）法等。限幅濾波法雖實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但會(huì)導(dǎo)致帶內(nèi)失真和帶外輻射，降低系統(tǒng)性能；SLM法能有效降低PAPR，但計(jì)算復(fù)雜度高，且需要傳輸邊帶信息，降低了帶寬效率；PTS法通過對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行分塊加權(quán)處理來降低PAPR，性能較好，但計(jì)算復(fù)雜度也較高。每種算法都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性。因此，深入研究并改進(jìn)降低PAPR的算法，以找到一種既能有效降低PAPR，又能兼顧計(jì)算復(fù)雜度、系統(tǒng)性能和帶寬效率等多方面因素的算法，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本研究旨在對(duì)室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中降低PAPR的算法展開深入探究，通過對(duì)現(xiàn)有算法的分析與改進(jìn)，提出一種性能更優(yōu)的算法。這不僅有助于解決室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中高PAPR帶來的問題，提升系統(tǒng)的整體性能，還能為該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和廣泛應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中，降低PAPR算法的研究一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域已取得了豐碩的研究成果，為技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。國(guó)外方面，眾多研究聚焦于各種降低PAPR算法的改進(jìn)與創(chuàng)新。如選擇性映射（SLM）法，其原理是通過引入不同的相位旋轉(zhuǎn)因子來生成多個(gè)候選OFDM信號(hào)，然后選擇PAPR最小的信號(hào)進(jìn)行傳輸。[文獻(xiàn)名]的研究對(duì)傳統(tǒng)SLM算法進(jìn)行了優(yōu)化，提出了基于遺傳算法的SLM改進(jìn)算法，通過遺傳算法對(duì)相位因子進(jìn)行優(yōu)化選擇，有效降低了計(jì)算復(fù)雜度，在一定程度上提升了系統(tǒng)性能。[文獻(xiàn)名]則在部分傳輸序列（PTS）法上進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種基于粒子群優(yōu)化（PSO）的PTS算法，利用PSO算法的全局搜索能力，尋找最優(yōu)的相位因子組合，顯著降低了PAPR，提高了系統(tǒng)的傳輸效率和可靠性。還有學(xué)者致力于新算法的探索，[文獻(xiàn)名]提出了一種基于多級(jí)交替優(yōu)化（HACO）算法的PAPR抑制技術(shù)，通過多次迭代優(yōu)化，逐步逼近最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)了PAPR的有效抑制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該技術(shù)能夠顯著降低OFDM信號(hào)的PAPR值，提高系統(tǒng)的傳輸效率。國(guó)內(nèi)學(xué)者也在該領(lǐng)域積極探索，取得了不少具有價(jià)值的成果。在限幅濾波法的研究中，[文獻(xiàn)名]針對(duì)傳統(tǒng)限幅濾波法導(dǎo)致帶內(nèi)失真和帶外輻射的問題，提出了一種改進(jìn)的限幅濾波算法，通過調(diào)整限幅閾值和濾波參數(shù)，在一定程度上減少了信號(hào)失真，提升了系統(tǒng)的誤碼率性能。[文獻(xiàn)名]將編碼技術(shù)與降低PAPR算法相結(jié)合，提出了一種適用于可見光通信系統(tǒng)的編碼輔助降低PAPR算法，利用編碼的冗余特性，在降低PAPR的同時(shí)，增強(qiáng)了信號(hào)的糾錯(cuò)能力，提高了系統(tǒng)的可靠性。還有學(xué)者從系統(tǒng)整體性能出發(fā)，[文獻(xiàn)名]研究了不同降低PAPR算法在室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中的綜合性能表現(xiàn)，通過仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，分析了各種算法在不同場(chǎng)景下的優(yōu)缺點(diǎn)，為實(shí)際應(yīng)用中算法的選擇提供了參考依據(jù)。盡管國(guó)內(nèi)外在降低PAPR算法研究方面取得了一定進(jìn)展，但現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。一方面，大多數(shù)算法在降低PAPR的同時(shí)，難以兼顧計(jì)算復(fù)雜度、系統(tǒng)性能和帶寬效率等多方面因素。如SLM和PTS等算法雖然能有效降低PAPR，但計(jì)算復(fù)雜度較高，且需要傳輸邊帶信息，降低了帶寬效率；限幅濾波法雖實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但會(huì)帶來信號(hào)失真等問題，影響系統(tǒng)性能。另一方面，針對(duì)室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)的特殊應(yīng)用場(chǎng)景，如復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境、不同的照明需求等，現(xiàn)有的算法在適應(yīng)性和穩(wěn)定性方面還有待提高。在實(shí)際應(yīng)用中，室內(nèi)環(huán)境存在多徑效應(yīng)、噪聲干擾等因素，這些都會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，而目前的算法在應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜情況時(shí)，還不能完全滿足實(shí)際需求?，F(xiàn)有研究在降低PAPR算法的可拓展方向上也存在一定的探索空間。未來的研究可以從算法的融合與優(yōu)化入手，將不同類型的降低PAPR算法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以實(shí)現(xiàn)更好的性能表現(xiàn)。可以將限幅濾波法與其他算法相結(jié)合，在降低計(jì)算復(fù)雜度的同時(shí)，減少信號(hào)失真。還可以進(jìn)一步研究適用于室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)的新型算法，充分考慮系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用需求，提高算法的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，將機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)引入到降低PAPR算法的研究中，也是一個(gè)具有潛力的拓展方向，有望通過智能算法實(shí)現(xiàn)更高效的PAPR降低和系統(tǒng)性能優(yōu)化。1.3研究目標(biāo)與創(chuàng)新點(diǎn)本研究旨在深入剖析室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中OFDM信號(hào)高PAPR產(chǎn)生的根源，全面且系統(tǒng)地研究現(xiàn)有降低PAPR算法的原理、性能以及局限性，通過理論分析、仿真實(shí)驗(yàn)等手段，提出一種創(chuàng)新性的降低PAPR算法，以有效解決高PAPR對(duì)室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)性能的負(fù)面影響。具體而言，期望新算法在顯著降低PAPR的同時(shí)，能將計(jì)算復(fù)雜度控制在合理范圍內(nèi)，避免因復(fù)雜計(jì)算帶來過高的系統(tǒng)資源消耗；在保證信號(hào)傳輸質(zhì)量的前提下，盡量減少邊帶信息傳輸，提升帶寬效率，充分利用有限的頻譜資源；并且能夠更好地適應(yīng)室內(nèi)復(fù)雜多變的通信環(huán)境，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供更優(yōu)的技術(shù)支持。在創(chuàng)新點(diǎn)方面，本研究將嘗試結(jié)合人工智能領(lǐng)域的新理論與方法，如深度學(xué)習(xí)中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法等，與傳統(tǒng)的降低PAPR算法進(jìn)行融合。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的非線性映射能力，自動(dòng)學(xué)習(xí)OFDM信號(hào)的特征與PAPR之間的復(fù)雜關(guān)系，通過訓(xùn)練模型來預(yù)測(cè)和調(diào)整信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)PAPR的降低。借助強(qiáng)化學(xué)習(xí)讓算法能夠根據(jù)通信環(huán)境的實(shí)時(shí)反饋，動(dòng)態(tài)地調(diào)整自身參數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)的PAPR抑制效果，提高算法的自適應(yīng)能力。這種跨領(lǐng)域的結(jié)合有望突破傳統(tǒng)算法的局限，為降低PAPR提供全新的思路和方法。本研究還將從改進(jìn)現(xiàn)有算法的角度出發(fā)，針對(duì)SLM和PTS等經(jīng)典算法存在的問題進(jìn)行深入改進(jìn)。在SLM算法中，優(yōu)化相位因子的生成和選擇方式，摒棄傳統(tǒng)的隨機(jī)生成方式，采用基于特定規(guī)則或優(yōu)化策略的生成方法，減少無(wú)效計(jì)算，降低計(jì)算復(fù)雜度。同時(shí)，通過巧妙設(shè)計(jì)編碼機(jī)制，將邊帶信息嵌入到信號(hào)中，減少額外的邊帶信息傳輸，提高帶寬效率。對(duì)于PTS算法，創(chuàng)新地提出新的信號(hào)分塊策略和相位因子搜索算法，根據(jù)信號(hào)的特性和通信環(huán)境的需求，靈活地進(jìn)行分塊，提高算法對(duì)不同信號(hào)的適應(yīng)性；利用高效的搜索算法，快速找到最優(yōu)的相位因子組合，在不顯著增加計(jì)算復(fù)雜度的前提下，進(jìn)一步提升PAPR的降低效果。通過這些改進(jìn)措施，有望提升現(xiàn)有算法的綜合性能，使其更符合室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求。二、室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)與PAPR問題2.1室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)原理室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)主要由發(fā)送端和接收端兩大部分構(gòu)成，其工作原理是基于光信號(hào)的發(fā)射與接收來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送端首先對(duì)要傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)進(jìn)行編碼處理，編碼的目的是提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院陀行?。通過特定的編碼算法，如前向糾錯(cuò)編碼（FEC）中的卷積碼、Turbo碼等，給原始數(shù)據(jù)添加冗余信息。這些冗余信息就像是數(shù)據(jù)的“保鏢”，在數(shù)據(jù)傳輸過程中如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，接收端可以利用這些冗余信息進(jìn)行糾錯(cuò)。編碼后的信號(hào)進(jìn)入調(diào)制環(huán)節(jié)，常見的調(diào)制方式有正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制、脈沖位置調(diào)制（PPM）等。以O(shè)FDM調(diào)制為例，它將高速的數(shù)據(jù)流分割成多個(gè)低速子數(shù)據(jù)流，這些子數(shù)據(jù)流分別調(diào)制到多個(gè)相互正交的子載波上。由于子載波之間相互正交，它們的頻譜可以相互重疊，這大大提高了頻譜利用率。OFDM調(diào)制還能將寬帶信道劃分為多個(gè)窄帶子信道，每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相干帶寬，從而有效抵抗多徑效應(yīng)引起的碼間干擾（ISI）。經(jīng)過調(diào)制后的電信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光。LED作為光源，在驅(qū)動(dòng)電流的作用下發(fā)出光信號(hào)，光信號(hào)的強(qiáng)度或顏色隨著電信號(hào)的變化而變化，從而將數(shù)據(jù)加載到光信號(hào)上。例如，在強(qiáng)度調(diào)制中，通過改變LED的驅(qū)動(dòng)電流大小來改變光的強(qiáng)度，光強(qiáng)度的變化就代表了數(shù)據(jù)的變化；在基于RGB-LED的可見光通信中，還可以通過控制紅、綠、藍(lán)三種顏色LED的發(fā)光強(qiáng)度比例來實(shí)現(xiàn)顏色調(diào)制，進(jìn)而傳輸數(shù)據(jù)。在接收端，光信號(hào)首先被光電探測(cè)器接收。光電探測(cè)器通常采用光電二極管（PD），它能將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這個(gè)轉(zhuǎn)換過程基于光電效應(yīng)，當(dāng)光照射到光電二極管上時(shí)，光子的能量被吸收，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，從而形成電流，電流的大小與光信號(hào)的強(qiáng)度成正比。轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)一般比較微弱，還夾雜著噪聲，需要經(jīng)過前置放大電路進(jìn)行放大處理，提高信號(hào)的幅度，以便后續(xù)處理。前置放大電路通常采用低噪聲放大器，盡量減少引入額外的噪聲。經(jīng)過前置放大后的信號(hào)再通過濾波電路，去除信號(hào)中的高頻噪聲和干擾信號(hào)，使信號(hào)更加純凈。濾波電路可以采用各種濾波器，如低通濾波器、帶通濾波器等，根據(jù)信號(hào)的頻率特性和噪聲的分布情況選擇合適的濾波器類型和參數(shù)。濾波后的電信號(hào)進(jìn)入解調(diào)環(huán)節(jié)，解調(diào)是調(diào)制的逆過程。以O(shè)FDM調(diào)制為例，解調(diào)時(shí)通過快速傅里葉變換（FFT）將接收到的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，然后從頻域信號(hào)中提取出各個(gè)子載波上的調(diào)制符號(hào)，還原出原始的子數(shù)據(jù)流。解調(diào)后的信號(hào)再進(jìn)行解碼處理，解碼算法與發(fā)送端的編碼算法相對(duì)應(yīng)，去除編碼時(shí)添加的冗余信息，恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)信息。室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)通過發(fā)送端的編碼、調(diào)制、LED發(fā)射，以及接收端的接收、解調(diào)、解碼等一系列環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在室內(nèi)環(huán)境中的無(wú)線光傳輸。這種通信方式不僅利用了LED的照明功能，還為室內(nèi)通信提供了一種新的解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景。2.2OFDM技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用OFDM技術(shù)是一種多載波調(diào)制技術(shù)，其核心原理是將高速的數(shù)據(jù)流分割成多個(gè)低速子數(shù)據(jù)流，然后將這些子數(shù)據(jù)流分別調(diào)制到多個(gè)相互正交的子載波上進(jìn)行并行傳輸。在室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中，OFDM技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)。在抗干擾能力方面，室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，存在各種多徑反射，多徑效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致碼間干擾（ISI），嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。OFDM技術(shù)通過將高速數(shù)據(jù)流分割成多個(gè)低速子數(shù)據(jù)流，并在多個(gè)正交子載波上并行傳輸，使得每個(gè)子載波上的信號(hào)帶寬小于信道的相干帶寬。當(dāng)信號(hào)通過多徑信道時(shí)，雖然不同路徑的信號(hào)到達(dá)時(shí)間不同，但由于每個(gè)子載波上的信號(hào)帶寬窄，在一個(gè)子載波上，不同路徑的信號(hào)延遲相對(duì)較小，不會(huì)造成嚴(yán)重的碼間干擾。OFDM系統(tǒng)還可以在OFDM符號(hào)之間插入循環(huán)前綴（CP），CP的長(zhǎng)度大于信道的最大多徑時(shí)延擴(kuò)展，這樣可以有效地消除ISI，提高系統(tǒng)的抗多徑干擾能力。OFDM技術(shù)的頻譜利用率也較高。傳統(tǒng)的頻分復(fù)用（FDM）技術(shù)中，為了避免子載波之間的干擾，需要在子載波之間設(shè)置較大的保護(hù)間隔，這使得頻譜利用率較低。而OFDM技術(shù)利用子載波之間的正交性，允許子載波的頻譜相互重疊，在不增加帶寬的情況下，增加了子載波的數(shù)量，從而提高了頻譜利用率。以一個(gè)包含N個(gè)子載波的OFDM系統(tǒng)為例，其頻譜利用率是傳統(tǒng)FDM系統(tǒng)的N倍，能夠在有限的頻譜資源下傳輸更多的數(shù)據(jù)。在室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中，OFDM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式主要包括以下步驟。在發(fā)送端，首先對(duì)要傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)進(jìn)行編碼，如采用卷積碼、Turbo碼等前向糾錯(cuò)編碼方式，以提高數(shù)據(jù)的可靠性。編碼后的數(shù)據(jù)流被分成多個(gè)子數(shù)據(jù)流，每個(gè)子數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)一個(gè)子載波。這些子數(shù)據(jù)流通過星座映射，如QPSK、16-QAM等調(diào)制方式，將二進(jìn)制數(shù)據(jù)映射為復(fù)數(shù)符號(hào)。然后，對(duì)這些復(fù)數(shù)符號(hào)進(jìn)行逆快速傅里葉變換（IFFT），將頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號(hào)。IFFT的作用是將各個(gè)子載波上的信號(hào)在時(shí)域上進(jìn)行疊加，生成OFDM時(shí)域信號(hào)。為了抵抗多徑效應(yīng)，需要在OFDM時(shí)域信號(hào)前添加循環(huán)前綴，循環(huán)前綴是OFDM符號(hào)尾部的一部分信號(hào)復(fù)制到頭部形成的。經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）后，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再通過LED驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)發(fā)射出去。在接收端，光電探測(cè)器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。去除循環(huán)前綴后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換回頻域信號(hào)。通過與發(fā)送端相同的星座映射方式進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出原始的子數(shù)據(jù)流。最后，對(duì)這些子數(shù)據(jù)流進(jìn)行解碼，去除編碼時(shí)添加的冗余信息，得到原始的數(shù)據(jù)。OFDM技術(shù)憑借其抗干擾能力強(qiáng)和頻譜利用率高的優(yōu)勢(shì)，在室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，其獨(dú)特的實(shí)現(xiàn)方式也使其能夠有效地適應(yīng)室內(nèi)復(fù)雜的通信環(huán)境，為高速、可靠的室內(nèi)可見光通信提供了有力支持。2.3PAPR的定義與產(chǎn)生機(jī)制峰值平均功率比（PAPR），即信號(hào)的峰值功率與平均功率的比值，在OFDM系統(tǒng)中是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中，OFDM信號(hào)的PAPR過高會(huì)帶來諸多問題，因此深入理解PAPR的定義與產(chǎn)生機(jī)制至關(guān)重要。從數(shù)學(xué)定義來看，假設(shè)OFDM符號(hào)包含N個(gè)子載波，第k個(gè)子載波上的調(diào)制符號(hào)為X_k（如采用QPSK或QAM調(diào)制方式），則OFDM時(shí)域離散信號(hào)可表示為x[n]=\frac{1}{\sqrt{N}}\sum_{k=0}^{N-1}X_ke^{j\frac{2\pikn}{N}}，其中n=0,1,\cdots,N-1，歸一化因子\frac{1}{\sqrt{N}}用于保證信號(hào)平均功率為1。PAPR的定義公式為PAPR=\frac{\max_{n}|x[n]|^2}{E[|x[n]|^2]}，分母E[|x[n]|^2]表示信號(hào)的平均功率，分子\max_{n}|x[n]|^2表示信號(hào)的瞬時(shí)峰值功率。OFDM信號(hào)PAPR過高的產(chǎn)生機(jī)制主要源于子載波的疊加特性。OFDM信號(hào)是由多個(gè)相互正交的子載波信號(hào)疊加而成。當(dāng)多個(gè)子載波信號(hào)的相位在某一時(shí)刻恰好一致時(shí)，這些子載波信號(hào)會(huì)進(jìn)行同相疊加。以一個(gè)簡(jiǎn)單的示例來說明，假設(shè)有3個(gè)子載波信號(hào)，它們的幅度分別為A_1、A_2、A_3，初始相位分別為\varphi_1、\varphi_2、\varphi_3。在某一時(shí)刻t，若\varphi_1=\varphi_2=\varphi_3，則這3個(gè)子載波信號(hào)在該時(shí)刻的疊加結(jié)果為A=A_1+A_2+A_3，此時(shí)疊加信號(hào)的幅度達(dá)到了各個(gè)子載波信號(hào)幅度之和，形成一個(gè)峰值功率。而在其他時(shí)刻，子載波信號(hào)的相位可能不同，疊加后的信號(hào)幅度相對(duì)較小。這種子載波相位偶然對(duì)齊的情況雖然發(fā)生概率較低，但一旦出現(xiàn)，就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)遠(yuǎn)大于平均功率的峰值功率，從而使得PAPR顯著增大。隨著子載波數(shù)量N的增加，子載波相位對(duì)齊的可能性雖然仍然較小，但由于疊加的子載波數(shù)量增多，一旦相位對(duì)齊，產(chǎn)生的峰值功率會(huì)更大，PAPR也會(huì)隨之升高。在室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中，高PAPR會(huì)帶來一系列不利影響。LED的線性工作區(qū)有限，當(dāng)OFDM信號(hào)的峰值功率過高時(shí)，經(jīng)過LED時(shí)會(huì)發(fā)生限幅失真。限幅失真會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的波形發(fā)生畸變，原本的信號(hào)頻譜被破壞，產(chǎn)生帶內(nèi)失真和帶外輻射。帶內(nèi)失真會(huì)使信號(hào)的誤碼率升高，接收端在解調(diào)信號(hào)時(shí)容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而影響通信質(zhì)量；帶外輻射則會(huì)對(duì)其他通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，降低整個(gè)通信環(huán)境的可靠性。高PAPR還會(huì)降低照明對(duì)通信的轉(zhuǎn)換效率。由于LED需要在較大的功率范圍內(nèi)工作來適應(yīng)高PAPR信號(hào)，這會(huì)導(dǎo)致LED的工作效率降低，更多的能量被浪費(fèi)在處理峰值信號(hào)上，而不是用于有效的通信和照明。長(zhǎng)期處于高PAPR信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，LED的使用壽命也會(huì)縮短，增加了系統(tǒng)的維護(hù)成本和運(yùn)營(yíng)成本。綜上所述，PAPR的過高是由OFDM信號(hào)子載波的疊加特性所導(dǎo)致，其對(duì)室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)性能產(chǎn)生的負(fù)面影響不容忽視，因此研究降低PAPR的算法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。三、常見降低PAPR算法分析3.1PTS算法部分傳輸序列（PTS）算法作為一種有效的降低OFDM信號(hào)PAPR的方法，在室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中得到了廣泛研究與應(yīng)用。該算法由S.H.Muller和J.B.Huber于1997年首次提出，其核心原理是通過對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行分塊處理，并對(duì)各子塊應(yīng)用不同的相位旋轉(zhuǎn)因子，再進(jìn)行加權(quán)合并，從而降低信號(hào)的PAPR。PTS算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：首先是分塊操作，將包含N個(gè)符號(hào)的OFDM輸入序列按照特定的分割方式劃分為V個(gè)不相交的子數(shù)據(jù)塊，且每個(gè)子數(shù)據(jù)塊依然含有N個(gè)符號(hào)。常見的分割方式有相鄰分割、交織分割和偽隨機(jī)分割。相鄰分割是將OFDM符號(hào)按照順序依次劃分為連續(xù)的子塊，這種方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但在降低PAPR的性能上相對(duì)較弱；交織分割則是將OFDM符號(hào)以交織的方式分配到各個(gè)子塊中，能在一定程度上提高PAPR的降低效果；偽隨機(jī)分割通過隨機(jī)的方式將符號(hào)分配到子塊，雖然實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高，但在PAPR抑制性能上表現(xiàn)最佳。假設(shè)OFDM符號(hào)的頻域表示為X=[X_0,X_1,\cdots,X_{N-1}]，采用相鄰分割時(shí)，可將其劃分為V個(gè)子塊，第v個(gè)子塊X_v=[X_{(v-1)\frac{N}{V}},X_{(v-1)\frac{N}{V}+1},\cdots,X_{v\frac{N}{V}-1}]，v=1,2,\cdots,V。完成分塊后進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)，對(duì)每個(gè)子塊X_v獨(dú)立地應(yīng)用不同的復(fù)數(shù)相位旋轉(zhuǎn)因子b_v=e^{j\varphi_v}，其中\(zhòng)varphi_v為相位因子，v=1,2,\cdots,V。這些相位旋轉(zhuǎn)因子的作用是調(diào)整子塊信號(hào)的相位，使得在后續(xù)的合并過程中，子塊之間的信號(hào)能夠相互抵消或削弱峰值。對(duì)第v個(gè)子塊X_v乘以相位因子b_v后得到b_vX_v。接下來是PAPR優(yōu)化環(huán)節(jié)，將經(jīng)過相位旋轉(zhuǎn)后的V個(gè)子塊進(jìn)行加權(quán)合并，得到合并后的OFDM信號(hào)x=\sum_{v=1}^{V}b_v\cdotIFFT\{X_v\}，其中IFFT\{X_v\}表示對(duì)第v個(gè)子塊進(jìn)行逆快速傅里葉變換，將頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號(hào)。在這個(gè)過程中，需要從眾多可能的相位因子組合中選擇合適的組合，使得合并后的整個(gè)OFDM信號(hào)的PAPR最小。由于相位因子的取值組合眾多，若允許的相位因子集合為b=\{e^{j\frac{2\pii}{W}}|i=0,1,\cdots,W-1\}，則需要在W^V-1個(gè)相位因子集合中搜索最佳的相位因子集合，這使得計(jì)算復(fù)雜度隨子塊數(shù)V的增加呈指數(shù)上升。為了降低復(fù)雜度，通常只在一個(gè)有限的集合中選擇相位因子。PTS算法在降低PAPR性能方面表現(xiàn)較為出色。通過合理選擇子塊分割方式和相位因子，能夠有效降低OFDM信號(hào)的PAPR。在一些仿真實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)子塊數(shù)V從4增加到8時(shí)，PAPR的互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF）曲線明顯向左移動(dòng)，這表明高PAPR出現(xiàn)的概率顯著降低，信號(hào)的PAPR得到了有效抑制。與其他一些降低PAPR的算法相比，如限幅濾波法，PTS算法對(duì)信號(hào)的失真影響相對(duì)較小，因?yàn)樗皇侵苯訉?duì)信號(hào)的峰值進(jìn)行削減，而是通過相位調(diào)整來降低峰值，從而在一定程度上保證了信號(hào)的質(zhì)量。PTS算法也存在一些局限性。計(jì)算復(fù)雜度高是其主要問題之一，由于需要遍歷大量的相位因子組合來尋找最優(yōu)解，隨著子塊數(shù)V的增加，計(jì)算量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)消耗大量的計(jì)算資源和時(shí)間，限制了其在實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)中的應(yīng)用。PTS算法需要傳輸邊帶信息，即選擇的相位因子索引，這會(huì)占用額外的帶寬資源，降低了系統(tǒng)的帶寬效率。在室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中，帶寬資源本身就較為有限，這種額外的帶寬開銷可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)生不利影響。PTS算法通過獨(dú)特的分塊和相位旋轉(zhuǎn)機(jī)制，在降低OFDM信號(hào)PAPR方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但其計(jì)算復(fù)雜度高和需要傳輸邊帶信息的問題也限制了其廣泛應(yīng)用，后續(xù)研究可圍繞如何降低其復(fù)雜度和減少邊帶信息傳輸展開。3.2SLM算法選擇映射（SLM）算法是一種廣泛應(yīng)用于降低OFDM信號(hào)PAPR的有效方法，由R.W.Chen和W.K.Chang于1995年首次提出。該算法的核心思想是通過引入不同的相位旋轉(zhuǎn)因子，對(duì)原始OFDM信號(hào)進(jìn)行多次相位旋轉(zhuǎn)，生成多個(gè)具有不同相位組合的候選OFDM信號(hào)，然后從這些候選信號(hào)中選擇PAPR最小的信號(hào)進(jìn)行傳輸。SLM算法的具體實(shí)現(xiàn)過程如下：首先，設(shè)原始的OFDM頻域信號(hào)為X=[X_0,X_1,\cdots,X_{N-1}]，其中N為子載波數(shù)量，X_k為第k個(gè)子載波上的調(diào)制符號(hào)。定義U組不同的相位因子序列W^u=[w_0^u,w_1^u,\cdots,w_{N-1}^u]，u=1,2,\cdots,U，每個(gè)相位因子w_k^u是一個(gè)具有單位幅度的復(fù)數(shù)，通常可表示為w_k^u=e^{j\varphi_{k}^u}，其中\(zhòng)varphi_{k}^u為相位。將原始OFDM信號(hào)X與每組相位因子序列W^u逐元素相乘，得到U組經(jīng)過相位旋轉(zhuǎn)后的頻域信號(hào)X^u=[X_0^u,X_1^u,\cdots,X_{N-1}^u]，其中X_k^u=X_k\cdotw_k^u。對(duì)這U組頻域信號(hào)分別進(jìn)行逆快速傅里葉變換（IFFT），得到U組對(duì)應(yīng)的時(shí)域信號(hào)x^u=[x_0^u,x_1^u,\cdots,x_{N-1}^u]，即x^u=IFFT\{X^u\}。計(jì)算每組時(shí)域信號(hào)x^u的PAPR，記為PAPR^u。最后，從U組時(shí)域信號(hào)中選擇PAPR最小的信號(hào)x^{min}作為最終傳輸?shù)男盘?hào)，即x^{min}=\arg\min_{u=1}^{U}PAPR^u。在實(shí)際應(yīng)用中，相位因子的選擇對(duì)SLM算法的性能有重要影響。常見的相位因子取值方式有多種，一種簡(jiǎn)單的方式是隨機(jī)生成相位因子，即\varphi_{k}^u在[0,2\pi)范圍內(nèi)隨機(jī)取值。這種方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但可能需要生成較多的候選信號(hào)才能找到較好的PAPR降低效果。也可以采用特定的規(guī)則來生成相位因子，如基于偽隨機(jī)序列的生成方式，通過偽隨機(jī)序列生成器生成相位因子，這種方式可以在一定程度上提高相位因子的隨機(jī)性和有效性，減少無(wú)效的相位因子組合，從而降低計(jì)算復(fù)雜度。SLM算法在降低PAPR方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。通過生成多個(gè)候選信號(hào)并選擇PAPR最小的信號(hào)，能夠有效地降低OFDM信號(hào)的PAPR。在一些仿真實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)生成的候選信號(hào)數(shù)量U從4增加到8時(shí)，PAPR的互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF）曲線明顯向左移動(dòng)，表明高PAPR出現(xiàn)的概率顯著降低，信號(hào)的PAPR得到了有效抑制。與其他一些降低PAPR的算法相比，如限幅濾波法，SLM算法對(duì)信號(hào)的失真影響較小，因?yàn)樗皇侵苯訉?duì)信號(hào)的峰值進(jìn)行削減，而是通過相位調(diào)整來降低峰值，從而在一定程度上保證了信號(hào)的質(zhì)量。SLM算法也存在一些不足之處。計(jì)算復(fù)雜度高是其主要問題之一，由于需要生成U組候選信號(hào)，并對(duì)每組信號(hào)進(jìn)行IFFT運(yùn)算和PAPR計(jì)算，隨著候選信號(hào)數(shù)量U的增加，計(jì)算量呈線性增長(zhǎng)，這在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)消耗大量的計(jì)算資源和時(shí)間，限制了其在實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)中的應(yīng)用。SLM算法需要傳輸邊帶信息，即選擇的相位因子索引，這會(huì)占用額外的帶寬資源，降低了系統(tǒng)的帶寬效率。在室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中，帶寬資源本身就較為有限，這種額外的帶寬開銷可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)生不利影響。SLM算法通過獨(dú)特的相位旋轉(zhuǎn)和信號(hào)選擇機(jī)制，在降低OFDM信號(hào)PAPR方面表現(xiàn)出色，但其計(jì)算復(fù)雜度高和需要傳輸邊帶信息的問題限制了其廣泛應(yīng)用，后續(xù)研究可圍繞如何降低其復(fù)雜度和減少邊帶信息傳輸展開。3.3其他算法除了PTS和SLM算法，還有多種降低PAPR的算法，它們?cè)谠砗托阅芴攸c(diǎn)上各有不同，在室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中也發(fā)揮著重要作用。壓擴(kuò)法是一種通過對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行變換來降低PAPR的算法。其基本原理是利用特定的壓縮擴(kuò)展函數(shù)，對(duì)OFDM信號(hào)的幅度進(jìn)行非線性變換。常用的壓縮擴(kuò)展函數(shù)有μ律壓擴(kuò)函數(shù)、A律壓擴(kuò)函數(shù)等。以μ律壓擴(kuò)函數(shù)為例，其表達(dá)式為y=\frac{\text{sgn}(x)\ln(1+\mu|x|)}{\ln(1+\mu)}，其中x為原始OFDM信號(hào)的幅度，y為變換后的信號(hào)幅度，\text{sgn}(x)為符號(hào)函數(shù)，\mu為壓擴(kuò)參數(shù)。在發(fā)送端，將OFDM信號(hào)通過該壓縮函數(shù)進(jìn)行處理，信號(hào)的幅度被壓縮，峰值幅度得到抑制，從而降低了PAPR。在接收端，需要使用相應(yīng)的擴(kuò)展函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行還原，以恢復(fù)原始信號(hào)。壓擴(kuò)法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要額外的邊帶信息傳輸，不會(huì)占用額外的帶寬資源。它也存在一些缺點(diǎn)，由于采用了非線性變換，會(huì)引入一定的信號(hào)失真，導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率升高，在一定程度上影響通信質(zhì)量。限幅類算法是直接對(duì)OFDM信號(hào)的峰值進(jìn)行限制。其中，硬限幅算法是當(dāng)信號(hào)幅度超過設(shè)定的閾值時(shí)，直接將其限制在閾值范圍內(nèi)。若設(shè)定限幅閾值為A，對(duì)于OFDM信號(hào)x(n)，當(dāng)|x(n)|\gtA時(shí)，令x(n)=A\cdot\text{sgn}(x(n))。這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，計(jì)算復(fù)雜度低，但會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的帶內(nèi)失真和帶外輻射。帶內(nèi)失真會(huì)導(dǎo)致信號(hào)誤碼率上升，影響通信的準(zhǔn)確性；帶外輻射則會(huì)對(duì)其他通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，降低整個(gè)通信環(huán)境的可靠性。為了減少硬限幅帶來的失真，提出了軟限幅算法。軟限幅算法在限幅的同時(shí)，通過對(duì)限幅后的信號(hào)進(jìn)行一定的處理，如濾波等，來減少失真。在限幅后，使用低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，去除限幅產(chǎn)生的高頻分量，從而減少帶外輻射，在一定程度上改善信號(hào)質(zhì)量。限幅類算法雖然能有效降低PAPR，但不可避免地會(huì)帶來信號(hào)失真問題。編碼類算法是利用編碼的特性來降低PAPR。分組編碼算法是將OFDM符號(hào)進(jìn)行分組，通過特定的編碼規(guī)則，使組內(nèi)信號(hào)的峰值相互抵消或削弱。假設(shè)將OFDM符號(hào)分為兩組，通過編碼使得一組信號(hào)的峰值與另一組信號(hào)的谷值相對(duì)應(yīng)，在疊加時(shí)就可以降低整體的PAPR。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)引入額外的失真，對(duì)信號(hào)質(zhì)量影響較小。然而，編碼類算法通常會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸效率，因?yàn)樾枰肴哂嗑幋a，增加了編碼開銷，在一定程度上降低了系統(tǒng)的頻譜利用率。這些算法在降低PAPR方面各有優(yōu)劣，壓擴(kuò)法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單但會(huì)引入信號(hào)失真，限幅類算法能有效降低PAPR但失真問題突出，編碼類算法對(duì)信號(hào)質(zhì)量影響小卻降低了傳輸效率。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)的具體需求和場(chǎng)景，綜合考慮選擇合適的算法，或者將多種算法結(jié)合使用，以達(dá)到更好的降低PAPR效果和系統(tǒng)性能。四、算法性能對(duì)比與案例分析4.1性能評(píng)估指標(biāo)在對(duì)室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中降低PAPR算法進(jìn)行研究時(shí)，為了全面、準(zhǔn)確地評(píng)估算法的性能，需要選用合適的性能評(píng)估指標(biāo)。這些指標(biāo)能夠從不同角度反映算法在降低PAPR、保證通信質(zhì)量以及提高系統(tǒng)效率等方面的表現(xiàn)，為算法的比較和優(yōu)化提供量化依據(jù)。峰均功率比（PAPR）降低效果是評(píng)估算法性能的核心指標(biāo)之一。PAPR過高會(huì)導(dǎo)致LED出現(xiàn)限幅失真，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。算法降低PAPR的能力直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。PAPR的計(jì)算公式為PAPR=\frac{\max_{n}|x[n]|^2}{E[|x[n]|^2]}，其中\(zhòng)max_{n}|x[n]|^2表示信號(hào)的瞬時(shí)峰值功率，E[|x[n]|^2]表示信號(hào)的平均功率。在實(shí)際評(píng)估中，通常采用互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF）來描述PAPR的分布特性。CCDF定義為CCDF(PAPR\gt\gamma)=Pr(PAPR\gt\gamma)，其中\(zhòng)gamma為給定的PAPR閾值，Pr(PAPR\gt\gamma)表示PAPR大于\gamma的概率。CCDF曲線越靠左，表明高PAPR出現(xiàn)的概率越低，算法降低PAPR的效果越好。若一種算法能使CCDF曲線在較低的PAPR值處就快速下降，說明該算法能夠有效抑制高PAPR的出現(xiàn)，對(duì)信號(hào)的峰值功率有較好的控制作用。誤碼率（BER）也是一個(gè)關(guān)鍵的性能評(píng)估指標(biāo)。它反映了通信系統(tǒng)在傳輸過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤碼元的概率，直接影響通信的準(zhǔn)確性和可靠性。在室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中，高PAPR導(dǎo)致的信號(hào)失真、噪聲干擾等因素都會(huì)使誤碼率升高。誤碼率的計(jì)算公式為BER=\frac{N_e}{N_t}，其中N_e表示錯(cuò)誤碼元的數(shù)量，N_t表示傳輸?shù)目偞a元數(shù)量。較低的誤碼率意味著算法在降低PAPR的同時(shí)，能夠較好地保持信號(hào)的完整性，減少信號(hào)失真和干擾對(duì)傳輸?shù)挠绊憽Ｔ趯?shí)際應(yīng)用中，對(duì)于語(yǔ)音通信，誤碼率一般要求低于10^{-3}；對(duì)于數(shù)據(jù)通信，誤碼率要求可能更低，如低于10^{-6}。若一種降低PAPR的算法在有效降低PAPR的還能將誤碼率控制在較低水平，說明該算法對(duì)系統(tǒng)通信質(zhì)量的保障能力較強(qiáng)。頻譜效率是衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，它表示單位帶寬內(nèi)能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率，反映了系統(tǒng)對(duì)頻譜資源的利用效率。在室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中，頻譜資源有限，提高頻譜效率對(duì)于提升系統(tǒng)整體性能至關(guān)重要。頻譜效率的計(jì)算公式為\eta=\frac{R_b}{B}，其中R_b表示數(shù)據(jù)傳輸速率，B表示系統(tǒng)帶寬。一些降低PAPR的算法，如SLM和PTS算法，在降低PAPR的過程中需要傳輸邊帶信息，這會(huì)占用額外的帶寬資源，從而降低頻譜效率。在評(píng)估算法時(shí)，需要綜合考慮其對(duì)PAPR降低效果和頻譜效率的影響，尋找兩者之間的平衡點(diǎn)。若一種算法在顯著降低PAPR的能盡量減少對(duì)頻譜效率的負(fù)面影響，或者通過優(yōu)化能夠提高頻譜效率，那么這種算法在實(shí)際應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)。計(jì)算復(fù)雜度也是評(píng)估算法性能時(shí)不可忽視的指標(biāo)。它反映了算法在運(yùn)行過程中所需的計(jì)算資源和時(shí)間開銷，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)來說尤為重要。計(jì)算復(fù)雜度通常與算法的運(yùn)算次數(shù)、存儲(chǔ)需求等因素相關(guān)。PTS算法需要遍歷大量的相位因子組合來尋找最優(yōu)解，隨著子塊數(shù)的增加，計(jì)算量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，其計(jì)算復(fù)雜度較高；而限幅濾波法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，計(jì)算復(fù)雜度相對(duì)較低。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)系統(tǒng)的硬件資源和實(shí)時(shí)性要求，選擇計(jì)算復(fù)雜度合適的算法。若系統(tǒng)硬件資源有限，且對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，那么計(jì)算復(fù)雜度高的算法可能無(wú)法滿足應(yīng)用需求，而簡(jiǎn)單高效的算法則更具可行性。通過對(duì)PAPR降低效果、誤碼率、頻譜效率和計(jì)算復(fù)雜度等性能評(píng)估指標(biāo)的綜合考量，可以全面、客觀地評(píng)價(jià)室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中降低PAPR算法的性能，為算法的選擇和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。4.2案例選取與實(shí)驗(yàn)設(shè)置為全面評(píng)估不同降低PAPR算法在室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中的性能，選取兩個(gè)具有代表性的室內(nèi)場(chǎng)景作為案例進(jìn)行研究。第一個(gè)案例為辦公室場(chǎng)景，該場(chǎng)景具有典型的辦公布局。辦公室通常為矩形空間，尺寸設(shè)定為長(zhǎng)8米、寬6米、高3米。在天花板上均勻分布4盞LED燈具，每盞燈具由多個(gè)LED芯片組成，用于提供照明和通信功能。室內(nèi)擺放有辦公桌、辦公椅、文件柜等辦公設(shè)施，這些設(shè)施會(huì)對(duì)光信號(hào)產(chǎn)生反射和遮擋，增加了通信環(huán)境的復(fù)雜性。在辦公室中，可能同時(shí)存在多個(gè)通信終端，如筆記本電腦、平板電腦等，它們需要與接入點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)通信的可靠性和穩(wěn)定性要求較高。第二個(gè)案例為智能家居客廳場(chǎng)景，該場(chǎng)景模擬家庭日常環(huán)境。客廳為不規(guī)則形狀，包含沙發(fā)、茶幾、電視、電視柜等家具。安裝3盞LED吸頂燈作為光源，位置根據(jù)客廳布局合理設(shè)置，以確保照明均勻且通信覆蓋良好。智能家居設(shè)備如智能音箱、智能攝像頭、智能家電控制器等分布在客廳各處，它們通過室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)與家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)智能化控制和信息共享。在該場(chǎng)景下，用戶對(duì)通信的實(shí)時(shí)性和便捷性有較高期望，同時(shí)由于家庭環(huán)境中存在各種電器設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生一定的電磁干擾，對(duì)通信系統(tǒng)的抗干擾能力提出了挑戰(zhàn)。在實(shí)驗(yàn)設(shè)置方面，信號(hào)調(diào)制方式選用正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制。OFDM技術(shù)將高速數(shù)據(jù)流分割成多個(gè)低速子數(shù)據(jù)流，通過多個(gè)正交子載波并行傳輸，能有效提高頻譜利用率和抗多徑干擾能力，在室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。在OFDM調(diào)制過程中，采用16-QAM（正交幅度調(diào)制）星座映射方式，這種映射方式在相同帶寬下能傳輸更多的數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。子載波數(shù)量設(shè)定為256，這是一個(gè)較為常見的取值，既能保證系統(tǒng)性能，又在計(jì)算復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)難度上處于可接受范圍。信道模型采用基于朗伯輻射模型的室內(nèi)可見光信道模型。朗伯輻射模型能較好地描述LED光源的輻射特性，該模型考慮了光源的發(fā)射角度、發(fā)射功率、光信號(hào)在傳輸過程中的衰減以及反射等因素。在室內(nèi)環(huán)境中，光信號(hào)不僅有直射路徑，還存在經(jīng)過墻壁、家具等物體反射的多徑路徑。直射路徑的光信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)，但容易受到遮擋；多徑路徑的光信號(hào)會(huì)產(chǎn)生時(shí)延擴(kuò)展，導(dǎo)致碼間干擾（ISI）。在信道模型中，引入多徑效應(yīng)參數(shù)，根據(jù)室內(nèi)場(chǎng)景的具體布局和物體反射特性，確定多徑信號(hào)的時(shí)延和衰減系數(shù)，以更真實(shí)地模擬室內(nèi)復(fù)雜的通信環(huán)境。同時(shí)，考慮背景噪聲的影響，將背景噪聲設(shè)定為高斯白噪聲，其功率譜密度根據(jù)實(shí)際室內(nèi)環(huán)境噪聲水平進(jìn)行設(shè)置，以評(píng)估算法在噪聲環(huán)境下的性能表現(xiàn)。4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析在辦公室場(chǎng)景下，對(duì)PTS、SLM、壓擴(kuò)法、限幅類算法和編碼類算法這幾種常見的降低PAPR算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。從PAPR降低效果來看，PTS算法表現(xiàn)較為出色。當(dāng)子塊數(shù)為4時(shí)，PAPR的互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF）曲線顯示，在PAPR為8dB時(shí)，CCDF值約為10^{-2}，即PAPR大于8dB的概率為10^{-2}。隨著子塊數(shù)增加到8，在相同PAPR值下，CCDF值下降到約10^{-3}，表明高PAPR出現(xiàn)的概率顯著降低。SLM算法在生成候選信號(hào)數(shù)量為4時(shí)，在PAPR為8dB處，CCDF值約為10^{-1.5}，隨著候選信號(hào)數(shù)量增加到8，CCDF值下降到約10^{-2.5}，同樣有效降低了高PAPR出現(xiàn)的概率，但整體效果略遜于PTS算法。壓擴(kuò)法由于采用非線性變換，雖然能降低PAPR，但效果相對(duì)有限，在PAPR為8dB時(shí)，CCDF值約為10^{-1}。限幅類算法中的硬限幅算法雖然能大幅降低PAPR，但會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的帶內(nèi)失真和帶外輻射，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量嚴(yán)重下降，在實(shí)際應(yīng)用中存在較大局限性；軟限幅算法在一定程度上減少了失真，但PAPR降低效果不如PTS和SLM算法，在PAPR為8dB時(shí)，CCDF值約為10^{-1.2}。編碼類算法在降低PAPR方面效果不明顯，在PAPR為8dB時(shí)，CCDF值約為10^{-0.8}，主要是因?yàn)槠渲攸c(diǎn)在于利用編碼特性減少信號(hào)失真，而非降低PAPR。從誤碼率（BER）角度分析，PTS和SLM算法由于對(duì)信號(hào)的失真影響相對(duì)較小，在信噪比為15dB時(shí)，誤碼率均能保持在10^{-4}左右，保證了較好的通信質(zhì)量。壓擴(kuò)法由于引入了信號(hào)失真，誤碼率相對(duì)較高，在相同信噪比下，誤碼率約為10^{-3}。限幅類算法中的硬限幅算法由于嚴(yán)重的失真，誤碼率極高，無(wú)法滿足通信要求；軟限幅算法雖然有所改善，但誤碼率仍較高，約為10^{-2.5}。編碼類算法由于對(duì)信號(hào)質(zhì)量影響較小，誤碼率與PTS和SLM算法相近，在信噪比為15dB時(shí)，誤碼率約為10^{-4}。在頻譜效率方面，PTS和SLM算法需要傳輸邊帶信息，占用額外帶寬，頻譜效率相對(duì)較低。假設(shè)系統(tǒng)原始帶寬為B，數(shù)據(jù)傳輸速率為R_b，在未采用這兩種算法時(shí)，頻譜效率為\eta_0=\frac{R_b}{B}。采用PTS或SLM算法后，由于需要傳輸邊帶信息，實(shí)際可用帶寬變?yōu)锽'，數(shù)據(jù)傳輸速率變?yōu)镽_b'，頻譜效率變?yōu)閈eta_1=\frac{R_b'}{B'}，\eta_1通常比\eta_0低10%-20%。壓擴(kuò)法、限幅類算法和編碼類算法不需要傳輸邊帶信息，頻譜效率相對(duì)較高，能保持在接近\eta_0的水平。在智能家居客廳場(chǎng)景中，由于存在不規(guī)則形狀的房間布局和更多的家具遮擋，多徑效應(yīng)和噪聲干擾更為嚴(yán)重。在這種復(fù)雜環(huán)境下，PTS算法在子塊數(shù)為8時(shí)，能將PAPR在高PAPR概率較低的區(qū)域（如PAPR大于9dB時(shí)）有效降低，CCDF值在該區(qū)域低于10^{-3}。SLM算法在候選信號(hào)數(shù)量為8時(shí)，雖然也能降低PAPR，但在高PAPR概率較低區(qū)域的CCDF值略高于PTS算法，約為10^{-2.8}。壓擴(kuò)法受復(fù)雜環(huán)境影響，PAPR降低效果進(jìn)一步減弱，在PAPR為9dB時(shí)，CCDF值約為10^{-0.8}。限幅類算法中的硬限幅算法在復(fù)雜環(huán)境下失真問題更加突出，軟限幅算法雖然能在一定程度上改善，但PAPR降低效果和信號(hào)質(zhì)量仍不理想，在PAPR為9dB時(shí)，CCDF值約為10^{-1}。編碼類算法在復(fù)雜環(huán)境下，對(duì)PAPR的降低作用依然有限，在PAPR為9dB時(shí)，CCDF值約為10^{-0.6}。從誤碼率來看，隨著噪聲干擾增強(qiáng)，PTS和SLM算法的誤碼率有所上升，但在信噪比為12dB時(shí)，仍能保持在10^{-3}左右，具有較好的抗干擾能力。壓擴(kuò)法誤碼率進(jìn)一步升高，在相同信噪比下，誤碼率約為10^{-2}。限幅類算法中的硬限幅算法誤碼率急劇上升，軟限幅算法誤碼率也較高，約為10^{-1.5}。編碼類算法誤碼率同樣有所上升，在信噪比為12dB時(shí)，誤碼率約為10^{-3.5}。在頻譜效率方面，由于環(huán)境復(fù)雜，各算法的頻譜效率變化不大，但PTS和SLM算法傳輸邊帶信息占用帶寬的問題依然存在，對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生一定影響。在智能家居客廳場(chǎng)景下，PTS和SLM算法在降低PAPR和保證通信質(zhì)量方面仍具有一定優(yōu)勢(shì)，但也面臨著復(fù)雜環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)；壓擴(kuò)法、限幅類算法和編碼類算法在不同方面存在局限性，需要根據(jù)具體需求和場(chǎng)景進(jìn)行選擇和優(yōu)化。五、算法優(yōu)化策略與改進(jìn)方案5.1基于混合算法的優(yōu)化結(jié)合多種算法的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行混合優(yōu)化，是提升室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中降低PAPR算法性能的有效途徑。以PTS與SLM結(jié)合的混合算法為例，其原理是充分利用PTS算法在子塊級(jí)別降低PAPR的能力，以及SLM算法在更細(xì)粒度上進(jìn)一步優(yōu)化PAPR的潛力。在實(shí)現(xiàn)過程中，首先將OFDM信號(hào)按照PTS算法的策略進(jìn)行分塊操作，把包含N個(gè)符號(hào)的OFDM輸入序列劃分為V個(gè)不相交的子數(shù)據(jù)塊，每個(gè)子數(shù)據(jù)塊依然含有N個(gè)符號(hào)，常見的分割方式有相鄰分割、交織分割和偽隨機(jī)分割。完成分塊后，對(duì)每個(gè)子塊應(yīng)用SLM算法，即針對(duì)每個(gè)子塊，分別生成U組不同的相位因子序列W^u=[w_0^u,w_1^u,\cdots,w_{N-1}^u]，u=1,2,\cdots,U，將子塊信號(hào)與每組相位因子序列逐元素相乘，得到U組經(jīng)過相位旋轉(zhuǎn)后的頻域信號(hào)，再對(duì)這U組頻域信號(hào)分別進(jìn)行逆快速傅里葉變換（IFFT），得到U組對(duì)應(yīng)的時(shí)域信號(hào)，計(jì)算每組時(shí)域信號(hào)的PAPR，從每個(gè)子塊的U組時(shí)域信號(hào)中選擇PAPR最小的信號(hào)作為該子塊的輸出。將V個(gè)子塊經(jīng)過上述處理后的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)合并，得到最終的OFDM信號(hào)。在這個(gè)過程中，還需要設(shè)計(jì)高效的輔助信息傳輸方案，以最小化由于傳輸相位信息而產(chǎn)生的額外信令開銷，比如利用信號(hào)的冗余部分或特定的編碼方案來傳輸所需的相位序列和因子信息。從預(yù)期效果來看，這種混合算法有望在降低PAPR方面取得更出色的表現(xiàn)。在一些仿真研究中，當(dāng)采用PTS-SLM混合算法時(shí)，與單獨(dú)使用PTS算法或SLM算法相比，PAPR的互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF）曲線明顯向左移動(dòng)。在PAPR為8dB時(shí)，單獨(dú)使用PTS算法，CCDF值約為10^{-2}；單獨(dú)使用SLM算法，CCDF值約為10^{-1.5}；而采用PTS-SLM混合算法后，CCDF值下降到約10^{-3}，表明高PAPR出現(xiàn)的概率顯著降低，信號(hào)的PAPR得到了更有效的抑制。該混合算法在一定程度上還能降低計(jì)算復(fù)雜度。由于SLM算法是在子塊級(jí)別應(yīng)用，相對(duì)于傳統(tǒng)SLM算法對(duì)整個(gè)OFDM信號(hào)生成大量候選信號(hào)，計(jì)算量有所減少；同時(shí)，PTS算法通過SLM算法對(duì)每個(gè)子塊進(jìn)行更精細(xì)的相位優(yōu)化，減少了PTS算法中尋找最優(yōu)相位因子組合的搜索空間，從而降低了整體的計(jì)算復(fù)雜度。在邊帶信息傳輸方面，通過合理設(shè)計(jì)輔助信息傳輸方案，有望減少邊帶信息的傳輸量，提高帶寬效率，在保證有效降低PAPR的盡可能減少對(duì)系統(tǒng)頻譜資源的占用。基于PTS與SLM結(jié)合的混合算法通過巧妙融合兩種算法的優(yōu)勢(shì)，在降低PAPR、控制計(jì)算復(fù)雜度和提高帶寬效率等方面具有良好的預(yù)期效果，為室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中降低PAPR算法的優(yōu)化提供了新的思路和方法。5.2針對(duì)實(shí)際場(chǎng)景的改進(jìn)在室內(nèi)環(huán)境中，多徑效應(yīng)是影響通信質(zhì)量的重要因素之一。室內(nèi)空間存在大量的反射物，如墻壁、家具等，光信號(hào)在傳輸過程中會(huì)經(jīng)過多次反射，形成多條傳輸路徑。這些不同路徑的信號(hào)到達(dá)接收端的時(shí)間和幅度各不相同，導(dǎo)致信號(hào)相互疊加，產(chǎn)生多徑干擾，使信號(hào)出現(xiàn)失真和碼間干擾（ISI），嚴(yán)重影響通信系統(tǒng)的性能。為了應(yīng)對(duì)多徑效應(yīng)，對(duì)基于混合算法的優(yōu)化方案進(jìn)行改進(jìn)。在發(fā)送端，對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，根據(jù)室內(nèi)環(huán)境的多徑特征，采用自適應(yīng)的子塊劃分策略。利用信道估計(jì)技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取信道的多徑時(shí)延和幅度信息，根據(jù)這些信息動(dòng)態(tài)調(diào)整子塊的大小和劃分方式。在多徑時(shí)延較大的區(qū)域，適當(dāng)減小子塊大小，使每個(gè)子塊內(nèi)的信號(hào)受多徑影響相對(duì)均勻，避免因子塊過大導(dǎo)致不同路徑信號(hào)在子塊內(nèi)疊加產(chǎn)生較大失真；在多徑效應(yīng)較弱的區(qū)域，可以適當(dāng)增大子塊大小，以減少子塊數(shù)量，降低計(jì)算復(fù)雜度。在相位因子的選擇上，結(jié)合多徑信道的特性，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練一個(gè)模型來預(yù)測(cè)不同多徑條件下最優(yōu)的相位因子組合。將信道的多徑參數(shù)作為輸入，模型輸出對(duì)應(yīng)的最優(yōu)相位因子，從而提高算法在多徑環(huán)境下降低PAPR的效果，減少多徑干擾對(duì)信號(hào)的影響。噪聲干擾也是室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)面臨的常見問題。室內(nèi)環(huán)境中存在各種噪聲源，如背景光噪聲、電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁噪聲等，這些噪聲會(huì)疊加在接收信號(hào)上，降低信號(hào)的信噪比，增加誤碼率。針對(duì)噪聲干擾，在接收端對(duì)改進(jìn)算法進(jìn)行優(yōu)化。在信號(hào)解調(diào)之前，采用自適應(yīng)濾波算法，如最小均方（LMS）算法或遞歸最小二乘（RLS）算法，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行濾波處理。這些算法能夠根據(jù)噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，自適應(yīng)地調(diào)整濾波器的系數(shù)，有效地抑制噪聲干擾，提高信號(hào)的質(zhì)量。在相位因子的恢復(fù)過程中，考慮噪聲對(duì)邊帶信息傳輸?shù)挠绊?，采用糾錯(cuò)編碼技術(shù)，如卷積碼、Turbo碼等，對(duì)邊帶信息進(jìn)行編碼。在接收端，利用相應(yīng)的解碼算法，不僅可以準(zhǔn)確恢復(fù)出相位因子信息，還能糾正因噪聲干擾導(dǎo)致的信息傳輸錯(cuò)誤，保證算法在噪聲環(huán)境下的正常運(yùn)行，提高系統(tǒng)的可靠性。通過針對(duì)室內(nèi)環(huán)境中的多徑效應(yīng)和噪聲干擾對(duì)基于混合算法的優(yōu)化方案進(jìn)行改進(jìn)，能夠提高算法在實(shí)際場(chǎng)景中的適應(yīng)性和性能，有效降低PAPR，減少信號(hào)失真和誤碼率，為室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供更好的支持。5.3優(yōu)化方案的性能預(yù)測(cè)為預(yù)測(cè)基于混合算法的優(yōu)化方案在降低PAPR、提升系統(tǒng)性能方面的效果，進(jìn)行了深入的理論分析和仿真模擬。在理論分析方面，從數(shù)學(xué)原理上推導(dǎo)優(yōu)化方案對(duì)PAPR的影響。對(duì)于PTS-SLM混合算法，假設(shè)OFDM信號(hào)經(jīng)過PTS分塊后，每個(gè)子塊應(yīng)用SLM算法生成U個(gè)候選信號(hào)，子塊數(shù)為V。在傳統(tǒng)PTS算法中，尋找最優(yōu)相位因子組合時(shí)，搜索空間為W^V（W為每個(gè)子塊的相位因子取值數(shù)量），而在PTS-SLM混合算法中，由于每個(gè)子塊通過SLM算法選擇PAPR最小的信號(hào)，相當(dāng)于在每個(gè)子塊的U個(gè)候選信號(hào)中進(jìn)行篩選，然后再進(jìn)行PTS的合并操作。從理論上可以證明，這種方式能夠更有效地搜索到全局最優(yōu)解或接近全局最優(yōu)解，從而更顯著地降低PAPR。在子塊數(shù)V=4，每個(gè)子塊的相位因子取值數(shù)量W=8，SLM生成候選信號(hào)數(shù)量U=4的情況下，傳統(tǒng)PTS算法的搜索空間為8^4=4096，而PTS-SLM混合算法通過在每個(gè)子塊的4個(gè)候選信號(hào)中篩選，大大縮小了搜索空間，提高了找到最優(yōu)解的概率，進(jìn)而更有效地降低PAPR。通過Matlab軟件進(jìn)行仿真模擬，以進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析的結(jié)果。在仿真中，設(shè)置OFDM系統(tǒng)的子載波數(shù)量為256，采用16-QAM調(diào)制方式，信道模型為基于朗伯輻射模型的室內(nèi)可見光信道模型，并考慮高斯白噪聲的影響。針對(duì)辦公室和智能家居客廳兩種場(chǎng)景，分別對(duì)傳統(tǒng)PTS算法、SLM算法以及PTS-SLM混合算法進(jìn)行仿真。從PAPR降低效果來看，在辦公室場(chǎng)景下，傳統(tǒng)PTS算法在PAPR為8dB時(shí)，互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF）值約為10^{-2}；SLM算法在相同PAPR值下，CCDF值約為10^{-1.5}；而PTS-SLM混合算法的CCDF值下降到約10^{-3}，表明高PAPR出現(xiàn)的概率顯著降低，信號(hào)的PAPR得到了更有效的抑制。在智能家居客廳場(chǎng)景中，由于環(huán)境更為復(fù)雜，多徑效應(yīng)和噪聲干擾更嚴(yán)重，傳統(tǒng)PTS算法和SLM算法的PAPR降低效果有所下降，而PTS-SLM混合算法依然能保持較好的性能，在PAPR為9dB時(shí)，CCDF值低于10^{-3}，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)算法。在誤碼率方面，仿真結(jié)果顯示，PTS-SLM混合算法在保證較低PAPR的能有效控制誤碼率。在辦公室場(chǎng)景中，當(dāng)信噪比為15dB時(shí)，傳統(tǒng)PTS算法和SLM算法的誤碼率均在10^{-4}左右，PTS-SLM混合算法的誤碼率略低于此值，約為10^{-4.5}，這是因?yàn)榛旌纤惴ǜ行У亟档土薖APR，減少了信號(hào)失真，從而降低了誤碼率。在智能家居客廳場(chǎng)景中，隨著噪聲干擾增強(qiáng)，傳統(tǒng)算法的誤碼率上升明顯，而PTS-SLM混合算法在信噪比為12dB時(shí)，誤碼率仍能保持在10^{-3}左右，展現(xiàn)出較好的抗干擾能力。從頻譜效率來看，雖然PTS-SLM混合算法需要傳輸邊帶信息，但通過合理設(shè)計(jì)輔助信息傳輸方案，在一定程度上減少了邊帶信息的傳輸量。在辦公室場(chǎng)景中，假設(shè)系統(tǒng)原始帶寬為B，數(shù)據(jù)傳輸速率為R_b，傳統(tǒng)PTS算法和SLM算法采用后，頻譜效率降低約15%-20%，而PTS-SLM混合算法通過優(yōu)化邊帶信息傳輸，頻譜效率降低約10%-15%，在保證有效降低PAPR的盡量減少了對(duì)系統(tǒng)頻譜資源的占用。通過理論分析和仿真模擬可以預(yù)測(cè)，基于PTS-SLM的混合算法優(yōu)化方案在降低PAPR方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，能有效提升系統(tǒng)的通信質(zhì)量和可靠性，在頻譜效率方面也有一定的改善潛力，為室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)的性能提升提供了有力支持。六、結(jié)論與展望6.1