用於光FBMC傳輸系統的低開支信道估計方法及應用系統與流程

2023-12-08 22:45:12 1

本發明涉及光傳輸技術領域，具體地，涉及一種用於光FBMC傳輸系統的低開支信道估計方法及應用系統。

背景技術：

隨著通信技術的發展和對通信要求的不斷提高，光通信表現出兩個明顯的發展趨勢：單信道傳輸的數據速率大大增加，趨近於100Gb/s；網絡必須具備很快的動態調整能力。但當數據速率達到100Gb/s時，傳統的光纖分段補償變得昂貴而耗時，對系統色散的補償很難準確實現，而基於濾波器組多載波調製技術(Filter Bank based Multicarrier,FBMC)，因具有邊模抑制比高、支持異步傳輸、高的頻譜效率、可充分利用數位訊號處理技術等獨特優點，近年來被廣泛應用於光通信系統。FBMC可在較好的繼承傳統的正交頻分復用多載波調製技術(Orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)的頻譜效率高、抗色散能力強、靈活的帶寬分配等優點的基礎上，不僅降低了OFDM對時域和頻域嚴格同步性的要求，對符號間幹擾(Inter Symbol Interference，ISI)和子載波間幹擾(Inter carrier Interference，ICI)有很好的魯棒性和鬆弛性，降低了系統對光電器件線性度的要求。同時，FBMC可採用對子載波級的濾波特性，能夠以很小的信道間隔構建具有高頻譜效率的「超級信道(Super-channel)」，進而「無縫」地融合來自各個用戶的信號帶。在實際系統中，由於多載波信號在光纖中進行傳輸時，會受到光纖本身色散影響和光電器件的本身非線性特性的影響，使信號正交性得到破壞，從而降低信號的質量。因此，在基於多載波調製的光傳輸系統中，需要有效的信號估計方法來提升接收端信號的質量。

為了有效對抗ISI對信號質量的影響，傳統光OFDM信號通過在發射端循環前綴(Cyclic Prefix，CP)，可以補償色散帶來的ISI。因而，在接收端去掉CP，一般利用簡單的LS(Least Square)最小二乘法，然後在利用迫零均衡器便可補償信道的響應。然而，不同於傳統光OFDM信號，光FBMC信號用濾波組來替代CP，並且其正交條件需要在實數域內實現。因而，相比OFDM信號，每個符號內的每個子載波上的信號不僅受到其他符號而且受到相同符號內的不同子載波上的信號點幹擾。此外，在光纖信號中傳輸時，其FBMC信號受到色散影響，將會破壞其FBMC的正交性。因此，採用普通OFDM信號的信道估計算法估計出來的信道特性為信道真實值與周圍點幹擾的疊加，不能較為真實的還原真實的信道特性，一定程度上降低信號的質量，因為普通光OFDM的信道估計方法不能直接應用於光FBMC傳輸系統。

經對現有文獻檢索發現，目前無線通信系統主要從幹擾消除和幹擾利用這兩個思路對FBMC導頻進行研究，提出相應的導頻結構。例如S.Kang,K.Chang等於2007年發表的《A novel channel estimation scheme for OFDM/OQAM-IOTA system》考慮鄰域的影響，通過預留一些時頻格點，用以抵消內部的ISI幹擾，使得所有外圍時頻格點對導頻的總幹擾為零，但由於這種方法需要計算其它數據點對導頻的總幹擾，因而計算量較大，實時性也較差。再如J.Du等於2009年發表《Novel Preamble-Based Channel Estimation for OFDM/OQAM System》，提出基於幹擾利用的IAM「偽」導頻結構，它通過確定導頻周圍的時頻點，計算出已知的ISI幹擾量，並利用於信道估計中，該方法能夠較好地估計出覆信道的響應包絡。在光傳輸系統中，光FBMC信號的帶寬要遠遠高於無線中的傳輸信號，因為需要相對較為簡單、易於實現的基於導頻的信道估計方法。為此，我們在2016年光通信雜誌上(optics communication)提出了一種基於塊狀導頻平均算法的信道估計方法，該方法可以較好的克服鄰道信號幹擾和光傳輸系統的光電器件的非線性度而帶來的高斯加性噪聲的影響。然而，該方法，需要大於5％的導頻開支，一定程度上將會降低系統的頻譜效率。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種用於光FBMC傳輸系統的低開支信道估計方法及應用系統。

根據本發明提供的用於光FBMC傳輸系統的低開支信道估計方法，包括如下步驟：

步驟1：在生成的電FBMC信號中插入導頻信息，並將包含導頻信息的電FBMC信號轉換成光FBMC信號；

步驟2：將光FBMC信號通過光纖傳輸至接收端，並利用光電探測器將接收到的光FBMC信號轉化為電FBMC信號；

步驟3：對電FBMC信號進行解調，從中抽取出相應的導頻信息；

步驟4：利用LS估算平均法估計出導頻子載波的平均頻率響應；

步驟5：利用線性插值法估計出信道中數據子載波的頻率響應。

優選地，所述步驟1包括：在生成的L幀FBMC信號過程中，在每幀的FBMC信號中的有效子載波的頻帶內，每隔T子載波插入一個導頻信息，所述導頻信息是經過符號映射後的數據，該導頻信息和經過符號映射的有效子載波數據一起進入IFFT、並最終生成電FBMC信號；該FBMC信號連接至光調製器，從而生成包含導頻信息的光FBMC信號。

優選地，步驟1中所述的IFFT，用於將導頻信息和經過符號映射後的有效數據信號進行IFFT運算，從而完成信號從頻域到時域的轉換，得到轉換信號。

優選地，所述步驟2中的光電探測器包括：光電二極體或者雪崩二極體；光纖為單模光纖。

優選地，所述步驟3包括：將電FBMC信號通過串並轉換後傳輸至FFT模塊，實現FBMC信號中的導頻信息抽取；所述FFT模塊用於信號的FFT運算，實現信號從頻域到時域的轉換。

優選地，所述步驟4包括：將步驟3獲得的導頻信息，先經過LS估計，即最小二乘法得到每個導頻位置的信道響應，基於該信道響應實現不同幀在同一個子載波位置處的平均操作，實現有效的導頻信道的估計數據。

優選地，所述步驟5包括：將步驟4中獲得有效導頻的信道估計數據進行擴展，即實現L數據幀上的導頻信道估計的擴展；基於擴展的信道數據，在每個幀內的相鄰兩個導頻子載波間進行插值，實現每個FBMC幀內的有效數據子載波數據的信道特性估計數據；利用該估計數據通過迫零均衡方法，實現接收信號的補償。

根據本發明提供的用於光FBMC傳輸系統的低開支信道估計方法的應用系統，包括：光FBMC發射模塊、FBMC接收模塊以及光纖，所述光FBMC發射模塊將包含導頻信息的光FBMC信號通過光纖發送至FBMC接收模塊，由所述FBMC接收模塊將光FBMC信號轉化為相應的電FBMC信號，並提取出包含的導頻信息，獲取導頻信息的估計數據以及有效數據信道特性的估計數據。

優選地，所述光FBMC發射模塊包括：由雷射器與調製器組成的光調製模塊、電FBMC信號生成模塊；

所述光調製模塊包括：雷射器與調製器，其中，電FBMC信號生成模塊的輸出端連接至由雷射器驅動的光調製器，實現光FBMC信號的產生；

所述電FBMC信號生成模塊包括：數位訊號模塊、第一S/P模塊、符號映射模塊、基於梳狀導頻的插入模塊、IFFT模塊、第一濾波器組、DAC模塊、P/S模塊、導頻信號產生模塊；所述數位訊號模塊連接至第一S/P模塊用於實現信號的串並轉換，第一S/P模塊輸出通過符號映射後的信號至基於梳狀導頻的插入模塊，所述基於梳狀導頻的插入模塊的輸出端與IFFT模塊相連，所述IFFT模塊將包含導頻信息的信號發送至第一濾波器組，第一濾波器組的輸出連接至P/S模塊，由P/S模塊完成信號的並串轉換；所述P/S模塊的輸出信號進入DAC模塊，由所述DAC模塊輸出電FBMC信號。

優選地，所述FBMC接收模塊包括：光電探測器、ADC模塊、第二S/P模塊、第二濾波器組、FFT模塊、導頻抽取模塊、先平均後插值的估計模塊、均衡模塊、符號解映射模塊、0,1數據輸出單元；

其中，光電探測器將接收到的FBMC信號依次傳輸至ADC模塊、第二S/P模塊，所述第二S/P模塊連接至第二濾波器組，第二濾波器組的輸出端連接至FFT模塊；FFT模塊的輸出信號通過導頻抽取模塊後進入先平均後插值的估計模塊，實現信道估計；所述均衡模塊接收估計後的信號，實現對接收FBMC信號的補償；補償後的FBMC信號通過符號解映射模塊、0,1數據輸出單元後輸出，實現用戶數據的接收。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：

1、本發明與傳統的基於塊狀導頻平均算法相比，在同等導頻開支下，本發明的算法降低了誤碼率，提高了估計精度。

2、本發明的算法誤碼率受導頻開支影響小，即使用較小的導頻開支也能保證低誤碼率，提高了頻帶利用率。

3、本發明通過時域平均的方法，很好地對抗系統隨機分布高斯噪聲影響，使接收數據噪聲均值趨近於零。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：

圖1為梳狀導頻插入結構示意圖。

圖2為基於濾波器組多載波調製的光傳輸系統的信道估計方法原理示意圖。

圖3為基於梳狀導頻的先平均後插值的信道估計方法的原理示意圖；

圖4為基於濾波器組多載波調製的光傳輸系統在不同信道估計條件下的BER性能對比圖，圖中：橫軸為接收端的光功率，縱軸是BER表示誤碼率大小，OH是指導頻開支，IAFA為塊狀導頻平均算法；CPFAL是指梳狀導頻先平均後線性插值，是本發明中的一個實例；BP-FFT為塊狀導頻FFT插值；BPL為塊狀導頻線性插值。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。

根據本發明提供的用於光FBMC傳輸系統的低開支信道估計方法，先用LS信道估計算法平均法估計出導頻子載波的頻率響應，後在導頻子載波的頻率響應的基礎上通過線性插值估計出數據子載波的頻率響應；具體地，包括以下步驟：

步驟1：導頻信號的插入，包含導頻FBMC數據信號的產生，並進行電光轉換，生成光FBMC信號；

步驟2：光FBMC信號通過光纖傳輸，到達接收端，通過光電探測器完成電FBMC的轉換；

步驟3：電FBMC信號的解調，實現導頻信號的解調，並抽取FBMC信號中的導頻信息；

步驟4：利用LS估算平均法估計出導頻子載波的平均頻率響應；

步驟5：利用線性插值法估計出信道中數據子載波的頻率響應。

更進一步地，對下文需使用的術語先進行介紹：

1)、IFFT快速離散逆傅立葉變換，為頻率信號X(k)到時域信號x(t)的傅立葉逆變換，即：其中N為子載波數；

2)、FFT為快速離散傅立葉變換，為時域信號x(t)到頻率信號X(k)的傅立葉變換，即：

3)、S/P和P/S是指為串並和並串轉換；

4)、DAC、ADC為數模轉換與模數轉換；

5)、OH是指導頻開支，IAFA為塊狀導頻平均算法；

6)、CPFAL是指梳狀導頻先平均後線性插值，BP-FFT為塊狀導頻FFT插值；BPL為塊狀導頻線性插值；

7)、LS是指最小二乘法。

所述的步驟1在生成L幀FBMC數據過程中，在每幀的FBMC數據中的有效子載波的頻帶內，每隔T子載波插入一個導頻數據，插入該導頻數據是經過符號映射後的數據，插入導頻的數據和經過符號映射的有效子載波數據一起進入IFFT、串並轉換模塊和數模轉換模塊後，生成電FBMC信號；該FBMC信號連接至光調製器，從而實現光FBMC信號的產生。

FBMC數據能夠基於傳輸M-QAM符號映射，或者基於M-Offfet-QAM符號映射；

光調製器，可以為直接光調製器，也可以為基於光載波的外調製模塊(雷射作為光載波驅動外調製器)。

步驟1中所述的IFFT，用於將所述導頻和經過符號映射後的有效數據信號進行IFFT運算，從而完成信號從頻域到時域的轉換生成轉換信號。

所述步驟2包括：將步驟1輸出的光FBMC信號通過光纖傳輸達到接收端，光纖輸出端連接至光電探測器，光電探測器輸出電FBMC信號。

光電探測器包括：光電二極體，也可以為雪崩二極體；光纖一般為普通的單模光纖。

所述步驟3為步驟2轉換的電FBMC信號通過信號產生的逆過程，先通過串並轉換，然後經過FFT；FFT輸出後經過導頻信號的抽取模塊，實現FBMC信號中的導頻信息抽取；

所述步驟3中的FFT，用於信號的FFT運算，實現信號從頻域到時域的轉換。

所述步驟4包括：將步驟3獲得的導頻信息，先經過LS估計模塊得到每個導頻位置的信道響應，基於該信道響應實現不同幀能夠在同一個子載波位置處的平均操作，從而實現有效的導頻信道的估計。

所述步驟4中的LS估計模塊，用於完成導頻信號信道的初估計。

所述步驟5包括：將步驟4中獲得有效導頻的信道估計數據，通過信道數據的擴展模塊實現L數據幀上的導頻信道估計的擴展；基於擴展信道數據，在每個幀內的相鄰兩個導頻子載波間進行插值，實現每個FBMC幀內的有效數據子載波數據的信道特性估計；利用該估計數據通過迫零均衡方法，實現接收信號的補償，在進一步完成信號的解映射和數位訊號的輸出。

接收轉換模塊包括順次相連的串並轉換模塊、接收端濾波器組和FFT運算單元。

本發明基於梳狀導頻，其信道估計方法主要涉及FBMC信號的收發單元。如圖1所示，光FBMC的發射機主要包括電FBMC模塊和由雷射器與調製器組成的光調製模塊。其中，電FBMC產生模塊包括0，1數位訊號，第一S/P、符號映射、基於梳狀導頻的插入、IFFT、第一濾波器組、DAC、P/S、導頻信號產生；0，1數位訊號連接至第一S/P實現信號的串並轉換，S/P輸出通過符號映射後與導頻信號產生模塊一起進入基於梳狀導頻的插入模塊，由經該模塊進入IFFT模塊經過第一濾波器組模塊，第一濾波器組模塊的輸出連接至P/S模塊，完成信號的並串轉換；經過該P/S模塊後，信號進入DAC模塊，從而完成電FBMC的產生；電FBMC模塊輸出連接至有雷射器驅動的光調製器，實現光FBMC信號的產生。產生的光FBMC信號通過光纖傳輸到達FBMC信號的接收機。

所述的光調製模塊，由光調製器、電驅動數據和雷射器構成或者由直接調製器和電驅動數據構成；

所述的雷射器，可以分布反饋式雷射器，也可以為普通其他類型雷射器；

所述的光調製器是外調製器，可以為馬赫曾德調製器，也可以為電致吸收調製器；

通過標準單模光纖傳輸後的光FBMC信號先進入光電探測器實現信號的光電轉換，進而產生電FBMC信號，該信號先通過ADC進入第二S/P，由第二S/P連接至第二濾波器組，第二濾波器組的輸出連接至FFT模塊。FFT模塊輸出信號通過導頻抽取模塊進入先平均後插值的估計模塊後實現信道估計。估計後的信號通過均衡模塊後，實現對接收FBMC信號的補償。補償後的FBMC信號再通過符號解映射模塊後，進入0,1數據輸出單元，實現用戶數據的接收。

所述的先平均後插值的估計模塊，包含以下幾個步驟：

步驟S1：提取出來的導頻數據，通過基於LS方法，得到導頻信道Hl,k；

步驟S2：在得到的Hl,k基礎上(是指第l個符號的第k個子載波)，在同一個子載波位置k處求L個符號的均值，從而得到Hk；

步驟S3：在得到Hk的基礎上，將每個Hk對應位置處的擴展至整個幀內，即擴展L個符號，即得到H1l,k；

步驟S4：在得到的H1l,k基礎上，對一個固定的符號l中，相鄰兩個導頻子載波之間的數據信號的新道特性，通過對相鄰導頻子載波的信道特性H1l,k進行插值可得到每個符號內的數據信號的信道特性，即實現有效數據的信道估計。

本實施例的驗證實驗參數為子載波個數N＝256，採用16QAM調製，信號屬性為厄密共軛對稱，導頻符號間隔T＝50幀，採用6階PN碼幀同步方法，SRRC濾波函數滾降係數α為1，存儲深度為2等設置，進行比較算法性能。

圖4為基於濾波器組多載波調製的光傳輸系統在不同信道估計條件下的BER性能對比圖，橫軸為接收端的光功率，表示接收靈敏度，單位是dBm，縱軸是BER表示誤碼率大小，單位是dB。

綜上所述，採用本發明的基於梳狀導頻先平均後插值的信道估計方法，可以較為明顯的提升光FBMC系統的性能，降低系統的導頻開支，更能較好應用於大容量、長距離的光傳輸網絡的需求。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變化或修改，這並不影響本發明的實質內容。在不衝突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特徵可以任意相互組合。