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基于導頻的室內可見光自適應OFDM通信系統信道估計

2014-04-18 18:02:05黃震宇郭樹旭張擇書
現代電子技術 2014年7期

黃震宇+郭樹旭+張擇書

(1.吉林大學 電子科學與工程學院, 吉林 長春 130012; 2.總參通信工程設計研究院, 遼寧 沈陽 110005)

摘 要: 使用自適應OFDM技術改善可見光通信系統性能,需要以準確的信道估計為前提。研究可見光自適應OFDM通信系統的基于導頻的信道估計方法,引入射頻通信中常用的LMS方法,與可見光信道基于LS的估計方法進行了比較,并對其特性進行了分析,仿真實驗結果表明,采用LMS估計方法在BER為10-3水平時,SNR優于LS估計方法2 dB,LMS信道估計方法信道跟蹤能力較強,比LS法抗干擾。

關鍵詞: 可見光通信; 自適應OFDM; 信道估計; LMS方法

中圖分類號: TN929.1?34 文獻標識碼: A 文章編號: 1004?373X(2014)07?0031?04

Pilot?based channel estimation for adaptive OFDM communication

systems of indoor visible light

HUANG Zhen?yu1,2, GUO Shu?xu1, ZHANG Ze?shu1

(1. College of Electronic Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130012, China;

2. Communication Engineering Design Research Institute of the PLA General staff, Shenyang 110005, China)

Abstract: Based on accurate channel estimation, adaptive OFDM technology can be used to improve the visible light communication system performance. The method of pilot?based channel estimation used in visible light adaptive OFDM communication systems is researched by introducing the LMS methods which is commonly used in the RF communication. Through compared with the existing LS?based estimation methods, their characteristics are analyzed. The simulation results show that when BER turns to be 10-3 with LMS estimation method, the SNR can be 2dB better than LS method. So the channel tracking ability of LMS channel estimation method is stronger, and the anti?jamming capability is better than LS method.

Keywords: visible light communication; adaptive OFDM; channel estimation; LMS method

0 引 言

可見光通信(VLC)技術,是以可見光信號為信息載體的寬帶無線接入技術,與傳統無線通信技術相比,安全性高、信息容量大且無電磁干擾,是未來通信發展的一個重要方向。自適應OFDM系統能根據信道估計得到的狀態信息,自適應地調節發送端傳輸參數,從而提高系統性能。2006年,O Gonzalez等人在室內紅外光無線通信研究中提出使用自適應OFDM技術,仿真結果表明,信道的通信能力有所提升并且信道噪聲被有效減弱[1]。同年,Afgani M Z等人提出在可見光通信中使用基于強度調制的OFDM系統,實驗驗證了其可行性[2]。2012年,Svilen Dimitrov等人比較了無線光通信中多種調制方式的性能[3]。這些研究為在VLC中應用自適應OFDM技術奠定了基礎。

在VLC中引入自適應OFDM技術,可以提升系統容量,提高傳輸質量,使系統具有更大的靈活性,改善系統性能。要實現這一目標,首先要解決信道估計的問題,在準確信道估計基礎上,選擇各子信道的調制方式、分配比特及功率。因此信道估計是可見光通信研究中一個重要的課題,而可見光信道的隨機性和多徑傳播特性決定了信道估計是一項充滿挑戰性的工作。相較室外可見光通信而言,室內可見光通信系統目前更具實用價值,本文只討論室內可見光通信系統的信道估計。由于可見光信道是時變的,各種衰落影響信道環境,盲估計無法跟蹤信道特性的變化,因此,采用非盲信道估計較為合適。目前,對于非盲估計中基于訓練序列的估計[4?5]和基于輔助導頻的估計研究,前者更多。對于基于導頻的信道估計方法,目前,文獻[6]只涉及到LS方法及基于LS的變換域方法,沒有對射頻通信領域中廣泛應用的LMS方法進行研究。本文針對LMS方法應用于基于導頻的自適應OFDM可見光通信系統加以研究,并與LS方法進行比較,探討其可行性和信道估計性能。

1 系統和信道模型

1.1 可見光自適應OFDM系統模型

可見光自適應OFDM系統模型如圖1所示,對輸入數據先進行串/并轉換,然后進行調制并插入導頻信號,經快速傅里葉逆變換(IFFT)后,在信號中插入循環前綴(CP),完成并/串轉換,將串行數據經過白光LED光源發送出去。在接收端,利用光電檢測器PD將接收到的光信號進行光電轉換,然后進行相應的OFDM解調,用獲得的信號進行信道估計,并根據估計結果選擇合適的傳輸參數給發射端反饋,以便發射端在下一時隙正確選擇各載波調制方式,保證系統的最佳工作狀態,同時接收端接收的信號經過并/串變換完成信號的恢復,從而實現數據信息的傳輸。

本文采用基于信噪比門限切換的自適應OFDM系統[1]。即根據子載波的平均信噪與設定門比限的比較結果, 發射端選擇該子載波的相應調制模式。所選擇的調制模式要確保瞬時誤碼率總是低于目標誤碼率。如果子載波的SNR過低,系統就會盡量降低此信道的信息發送量,而選用具有較高SNR的子載波承載更多信息[7],從而有效地改善OFDM傳輸系統的性能。

1.2 可見光無線信道模型

對于可見光信道,目前仍未有確定的模型。由于VLC與紅外通信的相似特性,目前,大多參考紅外通信模型采用光線追跡法進行研究[8]。將室內可見光無線光信道分為直射視距光信道和漫射光信道。直射視距光信道中,接收機直接指向光源,信道損耗低,但受陰影效應影響大。漫射光信道對指向的要求低,不易受陰影效應影響,但受多徑效應和背景光影響較大。接收信號可表示為[9]:

[yr(n)=?s(n)?h(n)+w(n)] (1)

式中:[?]為光電檢測效率;[s(n)]為發射光信號;[h(n)]為可見光信道的脈沖響應;[w(n)]為背景噪聲信號;符號[?]表示卷積。

信道的沖激響應表示為[9]:

[h(t;S,R)=h(0)(t;S,R)+k=1∞h(k)(t;S,R)] (2)

式中:[S]代表發射器;[R]表示接收器;[h(0)]表示直射信道的沖激響應;[h(k)]表示漫反射信道的沖激響應,其上標[k]代表經過反射的次數,[k=1]為一次反射響應,[k=2]為二次反射響應,依此類推。直射響應表示為:

[h(0)(t;S,R)≈m+12πcosm(θ)Ad2Rcos(φ)rectφFOVδt-dc] (3)

式中:[d]為從發射器到接收器的距離;[θ]為光線出射方向與表面法線方向的夾角;[φ]是接收器的入射角;[δ(t-dc)]反映的是信號的延時情況。在可見光信道沖激響應中直射沖激響應分量最大;漫射沖激響應分量所占比例較小,且隨反射次數增加而減小,本文只考慮直射和一次反射沖激響應。

2 信道估計方法

基于導頻的信道估計方法流程為:發射端在適當位置插入導頻,接收端利用導頻恢復出導頻位置的信道信息,然后利用某種處理手段(如內插、濾波、變換等)獲得所有時段的信道信息。室內可見光通信信道是慢時變信道,基于其低移動性的特征,導頻估計所帶來的額外開銷對系統影響很小。

2.1 基于LS的信道估計

基于最小二乘法(LS)的信道估計描述為:將[Np]個導頻信號[Xp(m)]均勻的插入發送數據[Xd(k)]中。既將[N]個子載波被分成[Np]組,每一組有[L=NNp]個相鄰的子載波。在每一組里,第一個子載波用于傳輸導頻信號。已調的OFDM信號[X(k)={Xp(0),Xd(0),…,Xd(L-1),Xp(1),Xd(L),…};][Xp(1),Xd(L),…};]導頻子載波的信道響應[Hp=[Hp(0),Hp(1),…,Hp(Np-1)]T;]接收導頻信號向量[Yp=[Yp(0),Yp(1),…,Yp(Np-1)]T。]

導頻信號估計值:

[Hp(m)=Yp(m)Xp(m), m=0,1,…,Np-1] (4)

估計誤差的平方和:

[ξ(H)=Yp-XpH2=(Yp-XpH)H(Yp-XpH)] (5)

基于LS的信道估計算法可表示為:

[Hp=min{(Yp-XpHp)H(Yp-XpHp)}] (6)

[Hp=[Hp(0),Hp(1),…,Hp(Np-1)]T=Yp(0)Xp(0),Yp(1)Xp(1),Yp(2)Xp(2),…,Yp(Np-1)Xp(Np-1)] (7)

2.2 基于LMS的信道估計

最小均方(LMS)算法是基于最小均方誤差(MMSE)算法和最陡下降(SD)法提出的一種自適應方法,其過程可描述為:

首先初始化,令[ω(m)=0。]

數據位置的時域沖激響應的估計值為:

[h(m+1)=ωH(m)h(m), m≥0] (8)

式中:[ω(m)]為濾波器權系數;[ωH(m)]表示共軛轉置運算。

沖激響應的估計誤差為:

[ξ(m)=h(m+1)-h(m)] (9)

權系數的自適應更新過程為:[ω(m+1)=ω(m)+μh(m)ξ(m), 0<μ<2Mh(m)] (10)

式中:收斂因子[μ]是用來控制穩定性和收斂速度的步長參數;[M]為濾波器抽頭數;[h(m)]為信道時域響應的幅值。

得到所有時刻的信道時域響應向量[h]之后,再經過FFT變換可以得到頻域信道傳輸函數的估計向量如下:

[H(m,k)=l=0L-1h(m)e-jπ2klN,k=0,1,…,N-1] (11)

3 仿真實驗結果分析

仿真采用空間環境為5 m×5 m×3 m的空間,LED光源中心坐標為(0,0,3),接收機中心坐標為(0,0,0.85)。假設系統有良好的同步。

具體仿真參數設置見表1,表2。

一般把均方誤差(MSE)和誤碼率(BER)作為信道估計性能評價標準,MSE代表了信道估計的相對偏離程度,表示為:[MSE=E{H[m,k]-H[m,k]2}];BER用來描述信道估計的誤差。

按照上文參數對兩種信道估計方法的性能進行仿真,分別得到BER和MSE性能曲線如圖2,圖3所示。由圖2可以看出,隨著信噪比的增加,兩種估計方法的誤碼率下降,且LMS的誤碼率性能改善幅度更大,在BER=0.001時,LMS方法SNR性能優于LS方法2 dB。由圖3可以看出,隨著信噪比的增加,LS和LMS信道估計方法的最小均方誤差都逐漸減小。在相同信噪比條件下,LMS估計方法的MSE性能優于LS方法。在信噪比較小時,LMS估計方法的估計性能較LS方法優勢明顯。隨著信號功率的增加,LS估計方法的估計準確性提升,逐漸呈逼近LMS方法的性能趨勢。這種現象表明LS估計方法對噪聲敏感,因而LMS估計方法比LS方法抗干擾。比較而言LS法比較簡潔,但LMS實現復雜度也不高,同樣適合于工程實際應用。

表1 可見光信道主要仿真參數

[參數名稱\&取值\&發

器\&LED中心發光功率 /W\&1\&LED中心照明強度 /cd\&45\&LED視角 /(°)\&100\&LED陣列\&60×60\&朗伯輻射模數\&1\&\&接

器\&FOV /(°)\&70\&光電檢測器表面積 /cm2\&1\&光電轉換效率 /(A/W)\&0.45\&\&空

境\&房間規格 /m3\&5×5×3\&墻面反射率\&0.8\&天花板反射率\&0.8\&]

表2 自適應OFDM主要仿真參數

[參數名稱\&取值\&FFT數\&256\&子載波數\&128\&導頻數\&16\&CP比值\&[18]\&保護間隔\&[14]信號時長\&信號采樣頻率 /MHz\&10\&信號調制方式\&MPSK\&光調制方式\&IM-DD\&]

圖2 誤碼率性能比較

圖3 均方誤差性能比較

4 結 語

在室內可見光自適應OFDM通信系統中,針對基于導頻的信道估計,比較研究了LMS信道估計方法與LS信道估計方法。仿真實驗結果表明,兩種方法的誤碼率都隨著信噪比的增加而下降,在BER為10-3時,LMS估計方法比LS估計方法SNR低2 dB;LMS信道估計方法的MSE值低于LS方法,LMS信道估計方法信道跟蹤能力較強,比LS法抗干擾。LMS法比LS法計算稍微復雜,但總體復雜度不高,可以適用于工程實踐。

參考文獻

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表1 可見光信道主要仿真參數

[參數名稱\&取值\&發

器\&LED中心發光功率 /W\&1\&LED中心照明強度 /cd\&45\&LED視角 /(°)\&100\&LED陣列\&60×60\&朗伯輻射模數\&1\&\&接

器\&FOV /(°)\&70\&光電檢測器表面積 /cm2\&1\&光電轉換效率 /(A/W)\&0.45\&\&空

境\&房間規格 /m3\&5×5×3\&墻面反射率\&0.8\&天花板反射率\&0.8\&]

表2 自適應OFDM主要仿真參數

[參數名稱\&取值\&FFT數\&256\&子載波數\&128\&導頻數\&16\&CP比值\&[18]\&保護間隔\&[14]信號時長\&信號采樣頻率 /MHz\&10\&信號調制方式\&MPSK\&光調制方式\&IM-DD\&]

圖2 誤碼率性能比較

圖3 均方誤差性能比較

4 結 語

在室內可見光自適應OFDM通信系統中,針對基于導頻的信道估計,比較研究了LMS信道估計方法與LS信道估計方法。仿真實驗結果表明,兩種方法的誤碼率都隨著信噪比的增加而下降,在BER為10-3時,LMS估計方法比LS估計方法SNR低2 dB;LMS信道估計方法的MSE值低于LS方法,LMS信道估計方法信道跟蹤能力較強,比LS法抗干擾。LMS法比LS法計算稍微復雜,但總體復雜度不高,可以適用于工程實踐。

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表1 可見光信道主要仿真參數

[參數名稱\&取值\&發

器\&LED中心發光功率 /W\&1\&LED中心照明強度 /cd\&45\&LED視角 /(°)\&100\&LED陣列\&60×60\&朗伯輻射模數\&1\&\&接

器\&FOV /(°)\&70\&光電檢測器表面積 /cm2\&1\&光電轉換效率 /(A/W)\&0.45\&\&空

境\&房間規格 /m3\&5×5×3\&墻面反射率\&0.8\&天花板反射率\&0.8\&]

表2 自適應OFDM主要仿真參數

[參數名稱\&取值\&FFT數\&256\&子載波數\&128\&導頻數\&16\&CP比值\&[18]\&保護間隔\&[14]信號時長\&信號采樣頻率 /MHz\&10\&信號調制方式\&MPSK\&光調制方式\&IM-DD\&]

圖2 誤碼率性能比較

圖3 均方誤差性能比較

4 結 語

在室內可見光自適應OFDM通信系統中,針對基于導頻的信道估計,比較研究了LMS信道估計方法與LS信道估計方法。仿真實驗結果表明,兩種方法的誤碼率都隨著信噪比的增加而下降,在BER為10-3時,LMS估計方法比LS估計方法SNR低2 dB;LMS信道估計方法的MSE值低于LS方法,LMS信道估計方法信道跟蹤能力較強,比LS法抗干擾。LMS法比LS法計算稍微復雜,但總體復雜度不高,可以適用于工程實踐。

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