CN107018098A - 一种无线光通信无需信道估计的环境光消除逐符号检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线光通信无需信道估计的环境光消除逐符号检测方法，在无信道估计和环境光估计的情况下，该判决反馈逐符号检测方法能自动消除环境光的影响，并可基于判决反馈进行信道估计和环境光估计。该方法也适用于其他信道除了乘性信道系数外，含有加性不变或缓慢变化干扰的通信领域。该方法继承了序列检测性能随序列长度提高的优势，但系统复杂度不随序列长呈指数增长。另外，以选择性存储方法组成序列，可进一步降低算法复杂度和所需存储器容量，避免判决和估计失败。

Description

一种无线光通信无需信道估计的环境光消除逐符号检测方法
技术领域
本发明适用于无线光通信领域，具体涉及一种无线光通信无需信道估计的环境光消除逐符号检测方法。在无信道估计和环境光估计的情况下，该逐符号检测方法能自动消除环境光的影响，并可基于检测结果进行信道估计和环境光估计。该方法也适用于其他信道除了乘性信道系数外、含有加性不变或缓慢变化干扰的通信领域。
背景技术
相比传统的射频和红外通信，无线光通信具有发射功率高、无电磁干扰、绿色节能等优点。无线光通信系统一般采用无线信道作为传输媒介，无线信道中的粒子散射和物体表面反射会引起多径衰落。同时，日光及人工照明设备造成环境光干扰。因此，信号检测需消除信道状态和环境光的影响。常用的环境光消除方法包括滤光器等光学滤波技术，但滤光器只能消除与本系统光源频谱不同的环境光。另一种方法是在光电转换后，基于电信号进行信道估计和环境光估计，再对消除信道和环境光影响的信号进行检测。由于信道估计和环境光估计需要大量导频符号，此类方法不仅增加能量和带宽的开销，也增大了系统时延。信号逐块序列检测的性能优于逐符号检测，性能随着序列长度提高，但系统复杂度也随序列长度呈指数增长。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明基于广义似然比检测原理，提出一种适用于多阶调制的无线光通信无需信道估计的环境光消除逐符号检测方法。该方法不仅能在无信道估计和环境光估计的情况下直接检测，也能基于检测结果进行信道估计和环境光估计。该方法继承了序列检测性能随序列长度提高的优势，但大大降低了系统复杂度。
本发明的原理是：基于观测窗口的广义似然比条件，对信号进行序列检测，并可基于序列检测值进行信道估计和环境光估计。由于假设序列的数量随序列长度呈指数增长，因此将判决结果和当前时刻的符号组成序列进行序列检测。假设序列的数量仅为调制阶数，因此系统复杂度不随序列长呈指数增长。另外，采用选择性存储方法组成序列，进一步降低算法复杂度和所需存储器容量。
本发明提供的技术方案是：
无线光通信系统采用调制阶数为M的调制方法，所述方法将接收采样的一个离散电信号和观测窗口内之前的判决信号组成一序列，通过广义似然比度量和判决条件，对当前时刻的单个信号进行判决，即逐符号检测，并可基于检测值进行该观测窗口内的信道估计和环境光估计。该方法包括以下步骤：
(1)接收端根据信道相关时间和系统存储容量确定观测窗口长度为L个符号周期，假设观测窗口内信道和环境光状态不变；
(2)发射端先发射Lp个接收端已知的导频符号，其中Lp<L，之后发射接收机未知的数据符号；
(3)接收端将时刻k的假设符号xm(k)和选择的最多L-1个前序判决符号或导频符号组成一序列，共计M个假设序列；
(4)接收端通过广义似然比检测方法，对M个假设序列进行判决，判定时刻k的数据符号
此外，还可以包括步骤(5)，即：
(5)可基于步骤(4)累积所得观测窗口的所有检测值，进行基于广义似然比检测原理的信道估计和环境光估计。
步骤(4)中的广义似然比判决通过式(1)或数学等效式得到：
其中u为长L的全1单位向量，y(k,L)为对应时刻的接收序列。在系统已获得前序信道估计和环境光估计并且两者在连续两个符号周期内变化可忽略不计的情况下，即式(1)简化为
当系统采用M阶IM/DD调制方式时，判决条件通过式(3)得到：
步骤(5)中的广义似然比检测信道估计利用判决序列通过式(4)或数学等效式得到：
步骤(5)中的广义似然比检测环境光估计通过式(5)或数学等效式得到：
广义似然比路径度量、信道估计和环境光估计中y(k,L)·u、等向量点乘的计算，可通过加第k项、减第k-L+1项的累加方式计算，因此计算量并不随序列长度L增大。
步骤(3)中选择性存储组成序列的方法为：按时间顺序选择包括初始导频符号的判决序列中Li个M阶调制符号mi，共计个确定的符号，后附当前时刻k的假设符号xm(k)，组成一长为的序列，表示为共计M个假设序列。未被选择的判决符号以及对应的接收信号无需储存，因此系统存储长度从L-1减小为可选择的策略如：
(1)对于星座图含符号0的调制方式，选择性存储方法不储存判决为0时刻的信号，即L0＝0，可使得减小计算量和储存容量。
(2)当判决序列出现大量连续相同符号时，式(1)、式(4)、式(5)的分母为0，导致数据判决和信道、环境光估计失败。为避免判决和估计失败，可设置至少两个Li>0。
本发明不仅适用于IM/DD系统的多阶调制，也适用于相位调制系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)在未进行信道状态和环境光估计的情况下，可直接实现信号的序列检测，算法简单；
(2)在信号检测之后仍可基于序列检测结果估计信道状态和环境光；
(3)判决反馈方法将序列检测简化为逐符号检测，计算复杂度与序列长度无关；
(4)选择性储存方法进一步降低了系统复杂度和存储容量。
附图说明
图1是本发明的算法原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实例作详细说明。本实例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实例。
实例1以无线光通信OOK系统为例，提供一种无需信道估计的环境光消除逐符号检测方法。所述方法将接收采样的一个离散电信号和观测窗口内之前的判决信号组成一序列，通过广义似然比度量和判决条件，对当前时刻的单个信号进行判决，即逐符号检测。该方法包括以下步骤：
(1)建立信道模型：根据信道相关时间和系统存储容量确定观测窗口长度为L个符号周期，观测窗口内信道和环境光状态不变。观测窗口内的信号表示如下：发送序列为x(k,L)＝[x(k-L+1),...,x(k)]，接收序列为y(k,L)＝[y(k-L+1),...,y(k)]，噪声序列为n(k,L)＝[n(k-L+1),...,n(k)]。接收信号可以表示为：
y(k,L)＝Rc(k)x(k,L)+RPambu+n(k,L)
其中，R为光电探测器的响应率，c(k)为信道增益，Pamb为环境光入射到光电探测器的光功率，u为L长的全1单位向量。为简化表示，用h(k)＝Rc(k)表示信道状态信息，B(k)＝RPamb表示环境光。h(k)和B(k)缓慢变化，在一个观测窗口长度内的取值变化可忽略不计，但h(k)≠h(k-1),B(k)≠B(k-1)，因此接收机在检测前不估计信道状态信息，即本实例采用图1中实线部分。
(2)发射端先发射Lp个接收端已知的导频符号1，其中Lp<L，之后发射接收机未知的数据符号；
(3)接收端在观测窗口的包括初始导频符号的判决序列中，选择最靠近当前时刻k的L0＝1个调制符号0，丢弃其他符号0，按时间顺序选择所有调制符号1，后附当前时刻k的假设符号xm(k)，组成序列
(4)由于本实例的信道估状态和环境光随时间缓慢变化，即h(k)≠h(k-1),B(k)≠B(k-1)。因此接收端采用式(1)的广义似然比检测方法，对M个假设序列进行判决，判定时刻k的数据符号
本实例不进行步骤(5)。
实例2无线光通信四进制IM/DD系统，h(k)和B(k)在数个观测窗口长度内的取值变化可忽略不计，其余与实例1相同。以下仅详述实例2方法与实例1不同之处：
(1)建立信道模型：可假设h(k)＝h(k-1),B(k)＝B(k-1)。因此接收机在k-1时刻估计信道状态和环境光，作为k时刻的估计值，即实例2采用图1中实线以及虚线部分。
(2)发射端先发射Lp个接收端已知的导频符号3，其中Lp<L，之后发射接收机未知的数据符号；
(3)接收端在包括初始导频符号的判决序列中,按时间顺序选择个调制符号1/2/3，丢弃所有调制符号0，即L0＝0，生成
(4)基于累积所得的判决序列通过式(4)和式(5)求得基于广义似然比检测原理的信道估计和环境光估计
(5)接收端采用针对IM/DD的式(3)，判定当前时刻k的数据符号

Claims (5)

1.一种无线光通信无需信道估计的环境光消除逐符号检测方法，其特征在于，无线光通信系统采用调制阶数为M的调制方法，所述方法为将接收采样的一个离散电信号和观测窗口内之前的判决信号组成一序列，通过广义似然比度量和判决条件，对当前时刻的单个信号进行判决，即逐符号检测，该方法包括以下步骤：
(1)接收端根据信道相关时间和系统存储容量确定观测窗口长度为L个符号周期，假设观测窗口内信道和环境光状态不变；
(2)发射端先发射Lp个接收端已知的导频符号，其中Lp<L，之后发射接收机未知的数据符号；
(3)接收端将时刻k的假设符号xm(k)和选择的最多L-1个前序判决符号或导频符号组成一序列，共计M个假设序列；
(4)接收端通过广义似然比检测方法，对M个假设序列进行判决，判定时刻k的数据符号
2.根据权利要求1所述的无线光通信无需信道估计的环境光消除逐符号检测方法，其特征是，该方法还包括：步骤(5)基于步骤(4)累积所得观测窗口的所有检测值，进行基于广义似然比检测原理的信道估计和环境光估计。
3.根据权利要求1所述的无线光通信无需信道估计的环境光消除逐符号检测方法，其特征是，步骤(3)具体方法为：按时间顺序选择包括初始导频符号的判决序列中Li个M阶调制符号mi，共计个确定的符号，后附当前时刻k的假设符号xm(k)，组成一长为的序列，表示为共计M个假设序列，不储存未被选择的判决符号以及对应的接收信号。
4.根据权利要求1所述的无线光通信无需信道估计的环境光消除逐符号检测方法，其特征是，步骤(4)中的广义似然比判决条件通过式(1)或其数学等效式得到：
其中u为长L的全1单位向量，y(k,L)为对应时刻的接收序列，在系统已获得前序信道估计和环境光估计并且两者在连续两个符号周期内变化可忽略不计的情况下，即式(1)简化为
当系统采用M阶IM/DD调制方式时，判决条件通过式(3)得到：
5.根据权利要求2所述的无线光通信无需信道估计的环境光消除逐符号检测方法，其特征是，步骤(5)中的广义似然比检测信道估计利用判决序列通过式(4)或其数学等效式得到：
步骤(5)中的广义似然比检测环境光估计通过式(5)或其数学等效式得到：
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