CN109274423B - 一种移动性可见光通信信道均衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于OFDM的可见光通信均衡方法，通过在MPSK/MQAM符号判决和OFDM信道均衡之间建立判决反馈链路，根据移动终端运动速度的大小，将之前接收到的OFDM码元中各子载波符号的判决结果及接收到的训练序列的判决结果以加权的方式反馈至当前OFDM码元的信道估计过程中，从而提高对时变可见光信道的估计精度和均衡效果，同时，当信道呈现周期性变化的特性时，将估计结果存储在数据库中，当接收机检测到这种周期性变化时，便直接调用数据库数据，从而简化信道估计过程。

Description

一种移动性可见光通信信道均衡方法
技术领域
本发明属于可见光通信领域，尤其涉及移动性可见光通信系统的信道估计与均衡。
背景技术
可见光通信系统中出于照明考虑，通常含多个光源。各光源发射机同时发射的光信号通过直射的视距链路以及经由墙壁、地面等反射面反射的非视距链路到达接收机，由于到达信号分量时延不同，会产生严重的多径效应，降低了系统传输性能。OFDM技术因其抗多径效应强，频谱利用率高等优势，被广泛采用在可见光通信系统中。同时，OFDM采用单抽头频域均衡纠正信道失真，大大降低了接收机均衡器的复杂度。在传统的可见光信道均衡方案中，通常需要在实际的OFDM数据码元之前发送一段已知的OFDM训练序列，其频域可表示为XT(f)。该训练序列通过可见光信道后，所得到的输出信号可表示为YT(f)＝XT(f)·H(f)+N(f)，其中H(f)为待估计的可见光信道的频域传递函数，N(f)为噪声的频域表示。通过H(f)≈YT(f)/XT(f)，我们可近似估算出可见光信道在OFDM各子载波频点的频域传递函数，并一直以此H(f)为参考，采用迫零算法对后续所有的OFDM数据码元进行均衡。然而，在传统方案中，并没有考虑可见光通信接收机终端的移动性。当接收机移动时，可见光信道实际是在一直不断变化的。此时如果采用接收机在收到训练序列时所估计出来的可见光信道来均衡后续所有的OFDM数据码元，则会因为接收机已离开原有位置而产生估计误差。故对于时变的可见光信道，仅依赖于起始位置的训练序列并不能反映出接收机当前所处位置的真实信道状况，这会大大降低信道均衡的效果，影响系统传输质量，而且，OFDM信号码元长度长，信道极易产生变化，所以相比于单载波系统更需要进行信道的实时跟踪。鉴于此，本专利通过加权的形式将训练序列的判决结果与后续码元的判决结果相结合，提出了移动性可见光通信信道均衡方法。
发明内容
发明目的：本发明提供一种移动性可见光通信信道均衡方法，基于判决反馈和加权形式进行信道估计，该方法可以有效跟踪移动性可见光通信系统中时变的信道，从而获得更为准确的估计结果和均衡效果。同时，当信道呈现周期性变化的特性，且移动接收机匀速运动时，可以将估计结果存入数据库，当接收机再次以相同速度匀速通过该信道时，可直接调用数据库的结果，简化估计过程。
技术方案：本发明的一种移动性可见光通信信道均衡方法位于可见光通信系统的接收机终端，且通过数字信号处理来实现。所述可见光通信系统传输OFDM信号；所述接收机终端，是移动终端，具有移动速度，且具备接收光信号强度的能力；由于所述接收机终端的移动性，所述可见光通信系统经历的信道是时变信道。
本发明的一种移动性可见光通信信道均衡方法，包含以下四个步骤：
步骤一：将M个训练序列通过OFDM解调模块后的值RTS(k)、接收到的L个OFDM码元的各子载波符号Ri(k)输入至OFDM信道估计模块，MPSK/MQAM符号判决模块输出判决估计值
Figure GDA0002307921760000021
反馈至OFDM信道估计模块，同时输出到后续MPSK/MQAM符号解映射模块，仅利用M个训练序列得到第j个OFDM码元第k个子载波信道的频率传递函数HTSj(k)，仅利用之前接收到的L个OFDM码元的各子载波符号以及MPSK/MQAM符号判决模块输出判决估计值进行估计的信道估计值记为Hi(k)，两者加权后的信道估计值H’i(k)作为所述OFDM信道均衡模块的输入；
步骤二：将OFDM信道均衡模块的输出值输入至MPSK/MQAM符号判决模块；
步骤三：实时检测接收机的运动速度，当检测到接收机匀速运动，且其经历的信道为周期性变化信道，则对信道进行估计得到信道估计值，并将加权后的的信道估计值H’i(k)存储到数据库中；
步骤四：当检测到接收机匀速运动时，在数据库中查找是否记录了此速度下的信道估计值，若有，则直接进行调用，若无，则进行信道估计，并将加权后的信道估计值H’i(k)保存到数据库中。
进一步地，步骤一具体为：记录M个训练序列，仅根据训练序列估计得到第j个OFDM码元第k个子载波信道的频率传递函数HTSj(k)，仅通过观测之前接收到的L个OFDM码元的各子载波符号以及MPSK/MQAM符号判决模块输出判决估计值估计的第i个OFDM码元第k个子载波信道估计值为：
Figure GDA0002307921760000031
其中L是观测区间长度，即计算Hi(k)所需观测的之前的OFDM码元的总数，当接收机运动速度快时，L的长度短；当接收机运动速度相对较慢时，L的长度长；m为之前接收到的OFDM码元的序号，范围为i-L≤m≤i-1；wm为之前第m个OFDM码元的加权系数；Rm(k)为当前第m个OFDM码元第k个子载波所接收到的MPSK或MQAM符号，即FFT的输出值；
Figure GDA0002307921760000032
为根据L个OFDM码元进行判决时，之前的第m个OFDM码元第k个子载波的判决估计值；
当加权系数wm随OFDM码元序号m(i-L≤m≤i-1)增加时，即离当前第i个码元的距离越近，权重越大；当wm保持相同时，Hi(k)应表示为：
Figure GDA0002307921760000033
然后将两部分的估计结果以加权的形式结合，得到最终的信道估计值，即H’i(k)＝αHTSj(k)+(1-α)Hi(k)，其中α的范围是0至1，其大小随接收机速度的增大而递减，且速度越快，递减越快，当速度保持不变时，α也保持不变，其大小根据此时接收机匀速运动的大小而定。
进一步地，L范围在5至50之间。
进一步地，加权系数wm采用指数形式，wm＝ai-m,(0<a<1)。
进一步地，采用迫零算法，得到当前第i个OFDM码元第k个子载波的未经判决的中间变量Ei(k)，Ei(k)＝Ri(k)/Hi(k)，并将其输入给MPSK/MQAM符号判决模块。
进一步地，根据最大似然准则对Ei(k)进行星座点判决，得到判决估计值
Figure GDA0002307921760000034
进一步地，步骤三中，当接收机匀速运动且信道为周期性变化信道时，可将信道估计值存储在数据库中，当接收机检测到周期性变化时，可直接调用数据库数据进行信道估计。
进一步地，所述周期性变化信道为时变可见光信道且每隔一段距离其变化特性相同，
进一步地，检测接收机的运动速度，若接收机处于匀速运动，在数据库中查找该速度下对应的信道估计值进行调用。
进一步地，根据接收机的运动速度划分码元时隙数，接收机匀速运动的速度越快，划分的码元时隙数则越少。
有益效果：
本文提出基于判决反馈和加权形式的信道估计方法，可有效跟踪移动性可见光通信系统中的时变信道，从而获得更为准确的估计效果和均衡效果；同时，将估计结果保存在数据库中用于下次调用，可简化周期性信道的估计过程。
附图说明
图1是本专利所提出的均衡方法的应用场景；
图2是仅根据前L个OFDM码元进行信道估计时的实施方案；
图3是将训练序列与前L个OFDM码元同时用于信道估计时的实施方案；
图4是本专利所提出的均衡方案的总体步骤；
图5是本专利所提出的均衡方法在实际移动性可见光通信系统中所处的位置；
图6是本专利所提出的均衡方法的一个应用场景。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，由多光源和反射所引起的OFDM多径信号被移动的接收机终端所接收，移动速度为v，导致多径效应和码间干扰，降低了系统传输性能。
如图2和图3所示，假定观测区间的长度为L，则通过判决反馈，可以有效利用之前L个OFDM码元各子载波的接收值及其判决值来估计当前接收的OFDM码元各子载波信道，然后与M长的训练序列的判决结果以加权的形式相结合，并进一步进行均衡。假设当前收到第i个OFDM码元，i为任意值，对它进行解调，假设观测区间长度L为10，训练序列的长度为M，则：
通过观测之前接收到的10个OFDM码元的各子载波符号及其判决结果，来估计当前收到的OFDM码元各子载波信道的频率传递函数，则第k个子载波信道频率传递函数Hi(k)被估计为：
Figure GDA0002307921760000051
其中，加权系数wm采用指数形式时，wm＝0.5i-m；即其加权序列可表示为：0.5，0.25，0.125，……，0.510；
若采用等权重形式时，Hi(k)可表示为：
Figure GDA0002307921760000052
然后与M长的训练序列的估计结果按权重α相加得H’i(k)＝αHTSj(k)+(1-α)Hi(k)。
通过采用迫零算法：Ei(k)＝Ri(k)/H’i(k)，得到当前OFDM码元第k个子载波的未经判决的中间变量Ei(k)，并将其输入给MPSK/MQAM符号判决模块。
根据最大似然准则首先对Ei(k)进行星座点判决，得到判决估计值
Figure GDA0002307921760000053
将
Figure GDA0002307921760000054
分为两路，第一路反馈至OFDM信道估计模块，用于估计后续OFDM码元的子载波信道频域传递函数，如H’i+1(k)；第二路输出到后续步骤以进行MPSK/MQAM符号解映射与解调，从而进一步恢复信源所发送的比特流。
如图5所示，判决反馈位于接收机端OFDM解调之后、MPSK/MQAM符号解映射之前。
如图6所示，汽车匀速行驶在直线道路上，路旁的路灯等间距分布。此时的信道满足周期性信道的特性，可进行数据库的调用。首先检测汽车此时的运动速度，然后查找数据库中的数据表，查找是否具有此速度下的信道估计值，若有，则直接周期性调用数据库，若无，则按上述所述的信道估计方法进行信道估计，并将结果保存在数据库中。
表1为本发明所提出的均衡方法中在信道周期性变化场景下所调用的一个周期的数据库。
表1
Figure GDA0002307921760000061
如表1所示，假设信道为周期性变化的信道，则在图6所示的场景中，第一个路灯与第二个路灯之间的距离可以看作一个周期，将该周期均分成n个码元时隙，n≤50，频域均衡系数数组存储每个OFDM码元各子载波的信道估计值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种移动性可见光通信信道均衡方法，其特征在于，包含以下四个步骤：
步骤一：将M个训练序列通过OFDM解调模块后的值RTS(k)、接收到的L个OFDM码元的各子载波符号Ri(k)输入至OFDM信道估计模块，MPSK/MQAM符号判决模块输出判决估计值
Figure FDA0002358956490000011
i表示OFDM码元的序号，
Figure FDA0002358956490000012
反馈至OFDM信道估计模块，同时输出到后续MPSK/MQAM符号解映射模块，仅利用M个训练序列得到第j个OFDM码元第k个子载波信道的频率传递函数HTSj(k)，仅利用之前接收到的L个OFDM码元的各子载波符号以及MPSK/MQAM符号判决模块输出判决估计值进行估计的信道估计值记为Hi(k)，两者加权后的信道估计值H’i(k)作为OFDM信道均衡模块的输入；
步骤二：将OFDM信道均衡模块的输出值输入至MPSK/MQAM符号判决模块；
步骤三：实时检测接收机的运动速度，当检测到接收机匀速运动，且其经历的信道为周期性变化信道，则对信道进行估计得到信道估计值，并将加权后的的信道估计值H’i(k)存储到数据库中；
步骤四：当检测到接收机匀速运动时，在数据库中查找是否记录了此速度下的信道估计值，若有，则直接进行调用，若无，则进行信道估计，并将加权后的信道估计值H’i(k)保存到数据库中。
2.根据权利要求1所述的移动性可见光通信信道均衡方法，其特征在于，步骤一具体为：记录M个训练序列，仅根据训练序列估计得到第j个OFDM码元第k个子载波信道的频率传递函数HTSj(k)，仅通过观测之前接收到的L个OFDM码元的各子载波符号以及MPSK/MQAM符号判决模块输出判决估计值估计的第i个OFDM码元第k个子载波信道估计值为：
Figure FDA0002358956490000013
其中L是观测区间长度，即计算Hi(k)所需观测的之前的OFDM码元的总数，当接收机运动速度快时，L的长度短；当接收机运动速度相对较慢时，L的长度长；m为之前接收到的OFDM码元的序号，范围为i-L≤m≤i-1；wm为之前第m个OFDM码元的加权系数；Rm(k)为当前第m个OFDM码元第k个子载波所接收到的MPSK或MQAM符号，即FFT的输出值；
Figure FDA0002358956490000021
为根据L个OFDM码元进行判决时，之前的第m个OFDM码元第k个子载波的判决估计值；
当加权系数wm随OFDM码元序号m增加时，即离当前第i个码元的距离越近，权重越大；当wm保持相同时，Hi(k)应表示为：
Figure FDA0002358956490000022
然后将两部分的估计结果以加权的形式结合，得到最终的信道估计值，即H’i(k)＝αHTSj(k)+(1-α)Hi(k)，其中α的范围是0至1，其大小随接收机速度的增大而递减，且速度越快，递减越快，当速度保持不变时，α也保持不变，其大小根据此时接收机匀速运动的大小而定。
3.根据权利要求2所述的移动性可见光通信信道均衡方法，其特征在于，L范围在5至50之间。
4.根据权利要求2所述的移动性可见光通信信道均衡方法，其特征在于，加权系数wm采用指数形式，wm＝ai-m,0<a<1。
5.根据权利要求2所述的移动性可见光通信信道均衡方法，其特征在于，采用迫零算法，得到当前第i个OFDM码元第k个子载波的未经判决的中间变量Ei(k)，Ei(k)＝Ri(k)/Hi(k)，并将其输入给MPSK/MQAM符号判决模块。
6.根据权利要求5所述的移动性可见光通信信道均衡方法，其特征在于，根据最大似然准则对Ei(k)进行星座点判决，得到判决估计值
Figure FDA0002358956490000023
7.根据权利要求1所述的移动性可见光通信信道均衡方法，其特征在于，步骤三中，当接收机匀速运动且信道为周期性变化信道时，可将信道估计值存储在数据库中，当接收机检测到周期性变化时，可直接调用数据库数据进行信道估计。
8.根据权利要求7所述的移动性可见光通信信道均衡方法，其特征在于，所述周期性变化信道为时变可见光信道且每隔一段距离其变化特性相同。
9.根据权利要求7所述的移动性可见光通信信道均衡方法，其特征在于，检测接收机的运动速度，若接收机处于匀速运动，在数据库中查找该速度下对应的信道估计值进行调用。
10.根据权利要求7所述的移动性可见光通信信道均衡方法，其特征在于，根据接收机的运动速度划分码元时隙数，接收机匀速运动的速度越快，划分的码元时隙数则越少。
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