本發(fā)明涉及可見光通信技術(shù)，尤其涉及一種可見光通信系統(tǒng)中基于可靠判決反饋的信道估計方法。

背景技術(shù)：

正交頻分復(fù)用技術(shù)(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing,ofdm)應(yīng)用在通信系統(tǒng)中可以有效抵抗碼間干擾(inter-symbolinterference,isi)。同時，通過在符號間插入循環(huán)前綴(cyclicprefix，cp)，可以進一步消除載波間干擾(intercarrierinterference,ici)。

因此將ofdm技術(shù)應(yīng)用在vlc系統(tǒng)中可以有效抵抗isi和ici，同時提高系統(tǒng)的頻譜利用率。在vlc系統(tǒng)中使用的是強度調(diào)制直接檢測(intensitymodulation/directdetection,im/dd)，信號以光強作為載體進行傳播，本系統(tǒng)采用的調(diào)制方式為dco-ofdm(directcurrentoptical-ofdm)。

信道估計是通信系統(tǒng)中非常重要的步驟，只有獲得信道狀態(tài)信息(channelstateinformation，csi)，才可以進行后續(xù)的信道均衡、解調(diào)、譯碼等。對于常見的基于導(dǎo)頻的信道估計算法，通過在發(fā)送端的ofdm符號中插入導(dǎo)頻序列來獲得csi，在發(fā)送傳送數(shù)據(jù)的過程中重復(fù)發(fā)送大量的導(dǎo)頻序列，需要占用一定的頻譜資源，使得系統(tǒng)頻譜利用率下降。因此在此問題的基礎(chǔ)上，有了基于判決反饋的信道估計算法。

判決反饋的基本思想是把接收到的符號進行判決后，將所得到的符號當作發(fā)送的訓(xùn)練符號，得到下一個ofdm符號的信道估計，并且反饋到信道估計器，通過此反饋來不斷優(yōu)化信道估計及均衡。通過此種方法的反饋及迭代，可以減少導(dǎo)頻的數(shù)量，進而發(fā)送更多的有效數(shù)據(jù)，從而可以提高數(shù)據(jù)的發(fā)送速率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種可見光通信系統(tǒng)中基于可靠判決反饋的信道估計方法，可以提高提高在低信噪比時的估計性能。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的可見光通信系統(tǒng)中基于可靠判決反饋的信道估計方法包括：

(1)對初始導(dǎo)頻序列xp進行ml信道估計，得到其中，

式中，xp為np×np的對角矩陣，其對角元素為發(fā)送信號x的n點fft變換值的對應(yīng)導(dǎo)頻位置處的值，yp為導(dǎo)頻位置處的接收信號，bp為np×l的dft變換矩陣，np為導(dǎo)頻個數(shù)，n>0，l>0；

(2)將進行dft變換，得到信道頻域響應(yīng)初始估計值其中，

式中，fn為dft變換矩陣；

(3)對于信道頻域響應(yīng)初始估計值進行信道均衡，得到判決符號其中，

(4)根據(jù)信道頻域響應(yīng)初始估計值選擇信道增益大于門限值的子載波對應(yīng)的作為準導(dǎo)頻符號xpq；

(5)將初始導(dǎo)頻序列xp和準導(dǎo)頻符號xpq一起作為新的導(dǎo)頻符號xqp，再次進行ml信道估計，得到其中，

式中，bqp為dft變換矩陣，yqp為經(jīng)過判決反饋得到的信號，xqp為nqp×nqp的對角矩陣，nqp是包含準導(dǎo)頻和初始導(dǎo)頻的總導(dǎo)頻數(shù)；

(6)將進行dft變換，得到最終信道頻域響應(yīng)估計值其中，

進一步的，步驟(4)中所述準導(dǎo)頻符號xpq具體為：

式中，x1(k)表示在子載波k的值，表示在子載波k的值，snrthreshold表示信噪比門限值，表示發(fā)送信號的功率值，表示高斯白噪聲信號的功率值。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點是：對于本發(fā)明，當增加導(dǎo)頻數(shù)時，可以減小估計的誤差，而且在低信噪比和高信噪比設(shè)置不同的ber門限，可以確保低信噪比時也有一定的反饋導(dǎo)頻數(shù)。因此該算法相對于基于可靠判決反饋的ml信道估計算法來說，該算法可以在低信噪比時也有性能的提升，并沒有帶來額外的復(fù)雜度。

附圖說明

圖1是可見光dco-ofdm基帶系統(tǒng)框圖；

圖2是vlc基帶系統(tǒng)發(fā)射機基本框圖；

圖3是vlc基帶系統(tǒng)接收機基本框圖；

圖4是可見光dco-ofdm系統(tǒng)物理層幀結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明的流程示意圖；

圖6是基本發(fā)明及ml信道估計算法的nmse對比示意圖。

具體實施方式

1、問題分析

如圖1所示，系統(tǒng)模型根據(jù)dco-ofdm系統(tǒng)設(shè)計，圖2為vlc基帶系統(tǒng)發(fā)射機的基本框圖。從mac層接收到的信息經(jīng)過網(wǎng)口模塊到達fpga的基帶處理部分，對以太幀數(shù)據(jù)進行加擾、信道編碼、交織、星座映射、ifft變換、加cp等操作，獲得時域離散數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)進入dac模塊之前，要加入幀頭數(shù)據(jù)，即短訓(xùn)練序列(shorttrainingsequence，sts)、長訓(xùn)練序列(longtrainingsequence，lts)、物理頭(phyheader)等數(shù)據(jù)，用于接收端的同步、信道估計等。圖3為可見光dco-ofdm系統(tǒng)的接收機主要處理流程。接收機數(shù)據(jù)經(jīng)過ad轉(zhuǎn)換后，首先進行幀檢測、同步等，然后對接收的數(shù)據(jù)去除cp，再經(jīng)過fft操作得到頻域數(shù)據(jù)，通過提取之前的訓(xùn)練序列數(shù)據(jù)和接收到的導(dǎo)頻序列的數(shù)據(jù)進行信道估計，接下來再進行頻域均衡、解調(diào)、解交織、信道解碼、解擾等后續(xù)操作?；鶐У奶幚碓谖锢韺舆M行實現(xiàn)，圖4為可見光dco-ofdm系統(tǒng)的物理層幀結(jié)構(gòu)。vlc系統(tǒng)中幀的設(shè)計方法參考ieee802.11a，一幀數(shù)據(jù)中包含sts、lts、phyheader、物理層載荷(phypayload)和幀間隔(ifs)。其中，sts用于幀檢測和幀同步，lts在sts之后，用于在幀檢測之后進行信道估計。然后是物理頭部分，用于傳輸一些接收端解調(diào)需要的參數(shù)，如調(diào)制階數(shù)等，長度為一個ofdm符號。物理頭之后是傳輸有效數(shù)據(jù)，最后是幀間隔部分，長度為一個或兩個ofdm符號，用于標志物理層一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。

對于dco-ofdm系統(tǒng)，導(dǎo)頻位置處的接收信號可以表示為

yp＝xphp+wp

式中xp為np×np的對角矩陣，其對角元素為發(fā)送信號x的n點fft變換值的對應(yīng)導(dǎo)頻位置處的值，hp為np×1維的信道列向量，wp為np×1維的噪聲向量。導(dǎo)頻個數(shù)為np，由于

hp＝bph

式中bp為np×l的dft矩陣。則有

yp＝xpbph+wp

基于判決反饋的信道估計算法通常應(yīng)用在信道為慢時變的系統(tǒng)中，可以在發(fā)送端插入較少的導(dǎo)頻而用來發(fā)送更多的有效數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，從而提高系統(tǒng)性能。但是該算法存在一個缺點，如果判決后的結(jié)果誤差比較大，則誤差會繼續(xù)傳播下去，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能會持續(xù)惡化，因此該算法對初始信道估計的準確性要求比較高，本發(fā)明將估計精度較高的ml算法應(yīng)用在判決反饋信道估計中。

基于導(dǎo)頻的信道估計即從上式中估計h，當知道xp、yp和bp時，得到ml估計結(jié)果為

接著再進行一次dft變換，得到信道頻域響應(yīng)估計值

式中fn為n×l的dft變換矩陣。

基于可靠的判決反饋的ml信道估計算法就是將包含少量錯誤即使用可靠的判決符號作為準導(dǎo)頻符號反饋到信道估計器，也就是說可靠判決符號位置處具有更低的ber。

由于根據(jù)設(shè)定的ber門限選擇導(dǎo)頻，而子載波的ber計算需要在接收端完全處理之后才能獲得，因此獲得子載波的ber比較復(fù)雜，不適用于系統(tǒng)。但是在不同的調(diào)制方式下，ber與snr之間存在著一定的關(guān)系。因此要選擇低于ber的導(dǎo)頻時，只要選擇高于snr的子載波即可。

對于ofdm系統(tǒng)，第k個子載波上經(jīng)過估計的發(fā)送信號為

此時的信噪比為

由上式可以看出，的信噪比是信道的頻率響應(yīng)增益的函數(shù)，當信道增益比較大時，的信噪比也比較高。如果給定符號的ber門限，那么對應(yīng)的信噪比也是已知的，得到信噪比門限為snrthreshold，則需要滿足

那么信道增益由下式得出

由上式可以看出，當選擇可靠的判決反饋信號時，可以選擇子載波的信道增益大于的值作為準導(dǎo)頻符號即可。

經(jīng)過判決反饋得到的信號可以表示為

yqp＝xqphqp+wqp＝xqpbqph+wqp

其中

上述向量的維數(shù)都是nqp×1，其中nqp是包含準導(dǎo)頻和初始導(dǎo)頻的總導(dǎo)頻數(shù)，同系統(tǒng)一樣，xqp為nqp×nqp的對角矩陣。

而要估計h，乘以判決反饋符號的共軛轉(zhuǎn)置其中是判決反饋符號，e是由于準導(dǎo)頻可能判決錯誤而引起的誤差，同xqp一樣，也是對角矩陣，則

式中其統(tǒng)計特性同e。

代入ml估計表達式得到

由上式可以看出，與ml估計算法不同的是，該算法多了一項其與判決反饋符號的誤差e有關(guān)。要減小的影響，需要選取可靠的導(dǎo)頻符號作為準導(dǎo)頻。

上述算法也有一定的缺陷，該算法的準導(dǎo)頻是根據(jù)ber的大小確定的，而不是人為確定準導(dǎo)頻的位置，需要根據(jù)不同的通信環(huán)境確定不同的ber門限。在低信噪比情況下，ber比較大，選擇較小ber作為準導(dǎo)頻，滿足該條件的導(dǎo)頻數(shù)比較少，信道估計的性能并沒有得到提升。

2、技術(shù)方法

對于基于可靠判決反饋的ml信道估計算法，由于增加了用于信道估計的導(dǎo)頻數(shù)，因此相比傳統(tǒng)的ml信道估計算法有性能的提高。但是對于基于可靠判決反饋的ml信道估計算法來說，由于使用可靠的符號作為反饋的準導(dǎo)頻，在低信噪比時，ber比較大，符合條件的導(dǎo)頻數(shù)比較少，信道估計性能并沒有得到提升。如果可以在低信噪比時增加反饋的導(dǎo)頻數(shù)，就能提高估計的性能，本發(fā)明對原方法進行改進。

基于可靠判決反饋的ml信道估計的改進算法的思想是：在不同的信噪比條件下設(shè)置不同的ber門限將反饋符號作為準導(dǎo)頻，例如在較小的信噪比范圍0db～10db，可以設(shè)置較大的ber門限，在10db～20db設(shè)置較小的ber門限，而在20db～30db設(shè)置更小的ber門限。通過在不同的信噪比條件下設(shè)置合適的ber門限，從而確保即使在低信噪比時也有用于反饋的準導(dǎo)頻數(shù)，提高信道估計的性能。

如圖5所示，基于可靠判決反饋的ml信道估計的改進算法的具體步驟如下：

(1)對初始導(dǎo)頻序列xp進行ml信道估計，得到其中，

式中，xp為np×np的對角矩陣，其對角元素為發(fā)送信號x的n點fft變換值的對應(yīng)導(dǎo)頻位置處的值，yp為導(dǎo)頻位置處的接收信號，bp為np×l的dft變換矩陣，np為導(dǎo)頻個數(shù)，n>0，l>0；

(2)將進行dft變換，得到信道頻域響應(yīng)初始估計值其中，

式中，fn為dft變換矩陣；

(3)對于信道頻域響應(yīng)初始估計值進行信道均衡，得到判決符號其中，

(4)根據(jù)信道頻域響應(yīng)初始估計值選擇信道增益大于門限值的子載波對應(yīng)的作為準導(dǎo)頻符號xpq；

其中，準導(dǎo)頻符號xpq具體為：

式中，x1(k)表示在子載波k的值，表示在子載波k的值，snrthreshold表示信噪比門限值，表示發(fā)送信號的功率值，表示高斯白噪聲信號的功率值。

(5)將初始導(dǎo)頻序列xp和準導(dǎo)頻符號xpq一起作為新的導(dǎo)頻符號xqp，再次進行ml信道估計，得到其中，

式中，bqp為dft變換矩陣，yqp為經(jīng)過判決反饋得到的信號，xqp為nqp×nqp的對角矩陣，nqp是包含準導(dǎo)頻和初始導(dǎo)頻的總導(dǎo)頻數(shù)；

(6)將進行dft變換，得到最終信道頻域響應(yīng)估計值其中，

3、仿真分析

對于本發(fā)明在matlab上進行浮點仿真分析比較，對于此算法可以增加導(dǎo)頻數(shù)提高估計性能，因此初始導(dǎo)頻圖案為梳狀導(dǎo)頻。主要的仿真參數(shù)為：fft/ifft點數(shù)n＝512，初始導(dǎo)頻個數(shù)為34，初始導(dǎo)頻子載波位置k＝[2173247627792107122137152167182197212227242272287302317332347362377392407422437452467482497512]，虛擬子載波位置k＝1,243～271，cp長度ncp＝64，cir長度ncir＝25，一幀數(shù)據(jù)中ofdm符號數(shù)nofdm＝32。仿真中以歸一化均方誤差(normalizedmeansquareerror，nmse)作為信道估計算法的性能指標，nmse定義如下

式中h表示信道的實際響應(yīng)值，表示信道的估計值。

圖6給出了本發(fā)明的nmse仿真結(jié)果，經(jīng)過大量的仿真實驗比較，本次仿真的ber門限分配為：在0db～10db時，ber門限為0.3；在10db～20db時，ber門限為0.2；在20db～40db時，ber門限為0.05。由仿真結(jié)果可以看出，在低信噪比時設(shè)置較低的ber門限，有較多的用于反饋的導(dǎo)頻數(shù)，提高了估計的性能，比沒有改進的算法要提高2db左右。

以上所揭露的僅為本發(fā)明一種較佳實施例而已，不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。