無線光通信ook數字調製方式的信道估計及軟解調方法
2023-06-12 16:04:01 2
專利名稱：無線光通信 ook 數字調製方式的信道估計及軟解調方法
技術領域：
本發明涉及無線光通信系統的信道估計方法以及在此方法基礎上實現的軟解調方法，屬於無線光通信技術領域。
背景技術：
無線光通信系統採用大氣信道作為傳輸媒介，而大氣不均勻性造成的湍流現象會導致大氣折射率隨機起伏。這種折射率的起伏現象又會導致接收端接收到的比特信號強度的隨機起伏，使接收信號受到嚴重幹擾，造成通信誤碼率的上升，這嚴重影響了無線光通信的可靠性和穩定性。但由於安全要求(如人眼安全)和可移動性等方面的考慮，無線光通信系統的發射功率受到很多限制。要在功率受限的條件下保證正常的通信，就需要提高功率效率並結合信道編碼技術(Turbo、RS、LDPC等)來儘可能的降低系統的誤碼率。開關鍵控調製(OOK)技術是目前最常用的無線光通信調製技術，與其他調試技術相比，OOK比較簡單，容易實現，是比較理想的調製方式。同時，對光無線信道的預測、估計和跟蹤能力，將直接影響和決定無線信道的傳輸能力和利用效率。目前，已經提出的信道估計方法可以大致分類為盲估計，這類方法利用調製信號本身固有的、與具體承載信息比特無關的一些特徵(如子空間、有限符號集、循環平穩等)，或是採用判決反饋的方法來進行信道特徵估計；基於訓練序列的估計，這類方法按一定估計準則確定待估參數值，或者按某些準則進行逐步跟蹤和調整待估參數的估計值，其特點是需要藉助參考信號(導頻或訓練序列)；半盲估計，這類方法是介於盲估計與基於訓練序列估計這兩種方法之間的信道估計方法。在上述的各種信道估計方法中，盲估計不需要訓練序列，只利用接收信號本身的特性來完成信道參數估計，從而避免了訓練序列導致的系統傳輸效率的降低和對原有數據透明性的破壞，非常具有應用價值。在接收端，通常的解調方式分為硬解調和軟解調。硬解調是指通過判決門限或者其他方法把含噪聲的信號判定為相應的調製比特，技術簡單、比較容易實現，但性能往往不夠理想；軟解調是指對於接收到的信號，不急於做判決，而是通過計算相應比特的軟信息，來提高判決的準確性，降低系統誤碼率。對於OOK調製系統來說，在具有完善的信道狀態信息(CSI)的條件下，其最佳解調
門限為&=￥+/6，即接收信號幅度(Is)的一半加上背景噪聲的均值(Ib)。但在實際應用
中，接收端一般不知道CSI信息，所以判決門限的選擇會極大的影響系統的誤碼性能。另夕卜，由於無線信道的複雜性，實際應用中信道編碼往往成為保證通信質量必要的技術手段，而軟判決解碼的性能遠遠優於硬判決解碼，所以為了適應實際的無線光通信系統需要，設計出一種可以計算比特軟信息的OOK軟解調方式是非常必要的。
發明內容
本發明的目的是提供一種無線光通信OOK數字調製方式的信道估計及軟解調方法。
本發明是無線光通信OOK數字調製方式的信道估計及軟解調方法，其步驟為(I)建立無線光通信大氣信道數學模型；(2)根據步驟⑴建立的無線光通信大氣信道數學模型，建立信道估計的接收序列有限符號子集，即的數據觀察窗口，以其均值為初次判決門限，對窗口內接收到的OOK信號進行檢測判決，分離出『O』、『I』信號所在時隙的接收值序列；(3)為提高判決的準確性，分別統計『O』、『I』符號的個數，調整判決門限，作二次判決；(4)利用步驟3得到的『0』序列估計信道噪聲方差，利用『I』序列和『0』序列之間
的數學運算估計接收信號的強度；(5)根據步驟4得到的噪聲方差和接收信號強度數據計算OOK下一比特的對數似然比。本發明利用接收序列有限符號子集完成了信道狀態信息的盲估計，為後續信道編碼的軟判決提供了基礎。該方法主要使用數字序列求和與求積計算，算法的複雜度低，軟硬體實現比較容易。雖然在性能上不如使用導頻的信道估計算法，但系統複雜度的降低和性能的損失相比是值得的。
圖I是無線光OOK調製解調系統模型，圖2是OOK數字序列信號波形，圖3是本發明所述方法的流程示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖以具體實施例來詳細說明本發明。本實施例僅表示對本發明的原理性說明，不代表對本發明的任何限制。本發明無線光通信OOK數字調製方式的信道估計及軟解調方法，如圖I所示，首先建立大氣信道的數學模型並分析湍流等造成信號幹擾的噪聲特性。無線光通信大氣信道數學模型按以下方式建立由大氣湍流引起的光強閃爍現象產生的噪聲，因為其頻率遠遠低於信號頻率，所以可假設為乘性噪聲，將背景光噪聲和通信系統內產生的電子噪聲假設為加性高斯白噪聲。設s(k)為發送信號序列，r(k)為接收信號序列，則信道的數字模型為r (k) =s (k) I (k) +Ib (k) +n (k)I(k)為大氣信道的乘性噪聲，Ib (k)表示背景光噪聲，且有Ib (k)≥O。n(k)表示均值為O、方差為σ2的加性高斯噪聲。大氣信道的乘性噪聲I (k)為信道狀態信息，可以表徵為大氣湍流強度，弱湍流表徵為對數正態分布、中等湍流表徵為雙gamma分布、強瑞流標準為負指數分布。依據已建立的無線光通信大氣信道數學模型，利用接收到的信號信息建立一個接收數據觀察窗口。需要說明的是，觀察窗口中數據的更新採用滑動窗口機制，即在完成了一個碼字的判決後，將該碼字加入到觀察窗口當中，而將窗口中最早的一個碼字從窗口中刪除。以保證窗口序列與要判決碼字保持較強的信道相關性。設窗口的大小為N = 50個時隙，假定湍流的相干時間為I毫秒，那麼在一個發送速率為100兆比特每秒的無線光通信系統中，每毫秒可發送IOOk比特，那麼可以假設在8個時隙的觀察窗口中，I (k)保持不變，設為Is，其背景噪聲的均值設為Ib。這時信道的數字模型表示為
權利要求
1.無線光通信OOK數字調製方式的信道估計及軟解調方法，其步驟為 (1)建立無線光通信大氣信道數學模型； (2)根據步驟(I)建立的無線光通信大氣信道數學模型，建立信道估計的接收序列有限符號子集，即數據觀察窗ロ，以其均值為初次判決門限，對窗口內接收到的OOK信號進行檢測判決，分離出『O』、『I』信號所在時隙的接收值序列； (3)為提高判決的準確性，分別統計『O』、『I』符號的個數，調整判決門限，作二次判決； (4)利用步驟3得到的『0』序列估計信道噪聲方差，利用『I』序列和『0』序列之間的數學運算估計接收信號的強度； (5)根據步驟4得到的噪聲方差和接收信號強度數據計算OOK下一比特的對數似然比。
2.根據權利要求I所述的無線光通信OOK數字調製方式的信道估計及軟解調方法，其特徵在於，所述步驟(I)建立的無線光通信大氣信道數字模型，具體按以下過程實施把大氣湍流引起的噪聲假設為乘性噪聲，把背景光噪聲和通信系統內產生的電子噪聲假設為加性高斯白噪聲。設s(k)為發送信號序列，！'(k)為接收信號序列，則信道的數字模型為 r (k) =s (k) I (k) +Ib+n (k) I(k)為大氣信道的乘性噪聲，Ib表示加性噪聲的均值，n(k)表示均值為O、方差為σ2的加性高斯噪聲；大氣信道的乘性噪聲I (k)為信道狀態信息，表徵為大氣湍流強度，弱湍流表徵為對數正態分布、中等瑞流表徵為雙gamma分布、強瑞流標準為負指數分布。
3.根據權利要求I所述的無線光通信OOK數字調製方式的信道估計及軟解調方法，其特徵在於，所述步驟(2)建立觀察窗ロ，確定初次判決門限，具體按以下過程實施設窗ロ的大小為N個時隙；湍流的相干時間一般在I至100毫秒數量級，那麼在一個發送速率在數百至數千兆比特每秒的無線光通信系統中，能夠假設在N的取值很小的時候，I(k)保持不變，設為Is ;這時信道的數字模型表示為r(k) = s(k) Is+Ib+n (k) 將窗口中的OOK信號作算木平均，SP
4.根據權利要求I所述的無線光通信OOK數字調製方式的信道估計及軟解調方法，其特徵在於，所述步驟(3)提高接收端判決的準確性，需調整判決門限作二次判決，具體按以下過程實施在經過初次判決後，利用得到的『
5.根據權利要求I所述的無線光通信OOK數字調製方式的信道估計及軟解調方法，其特徵在於，所述步驟⑷通過步驟⑶得到的rM1(k)和rMCI(k)來估計信號接收強度和噪聲方差，具體按以下過程實施無線光通信信道信號接收強度用/^表示，按下式計算 無線光通信信道的噪聲方差用表示，按下式計算
6.根據權利要求I所述的無線光通信OOK數字調製方式的信道估計及軟解調方法，其特徵在於，所述步驟(5)通過步驟⑷得到的/來計算OOK下一比特的對數似然比，具體按以下過程實施設第k個比特為bk，則其對數似然比可分別按下式計算
全文摘要
無線光通信OOK數字調製方式的信道估計及軟解調方法，首先建立無線光通信大氣信道數學模型，通過接收信號有限符號子集，即數據觀察窗口，以其均值為判決門限，對窗口內接收到的OOK信號序列做初次檢測判決，分離出『0』、『1』信號所在時隙的接收值序列。之後為提高判決的準確性，分別統計『0』、『1』符號的個數，調整判決門限，作二次判決。再利用得到的『0』序列估計信道噪聲方差，利用『1』序列和『0』序列之間的數學運算估計接收信號的強度。最後根據得到的噪聲方差和接收信號強度數據計算OOK下一比特的對數似然比，並將該似然比結果送入後續的信道解碼單元。
文檔編號H04L27/38GK102664838SQ20121010892
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月14日 優先權日2012年4月14日
發明者曹明華, 王惠琴 申請人:蘭州理工大學