基于可见光DCO-OFDM通信系统前导序列的非线性限幅估计方法与流程

本发明涉及可见光DCO-OFDM通信系统，特别是涉及可见光DCO-OFDM通信系统前导序列、非线性限幅估计方法和信道参数估计方法。

背景技术：

随着社会经济的不断发展，人们对生活的品质的要求也越来越高，与此同时，通信领域开始追求一种“绿色的”和“高速率的”通信技术。可见光通信技术作为上述备选方案正逐渐成为研究领域的热点。它利用激光器件或者LED器件，通过对光照强度的调制来实现信息高速传输，满足了日常工作照明的同时，也满足了人们对信息高速传输的要求。该技术具有独立于射频频谱的免费的宽带频谱资源，无电磁干扰和辐射，绿色安全，保密性好等优点，正好弥补了传统无线通信技术的不足。随着白光LED器件技术方面上的不断发展，白光LED器件逐渐成为可见光通信系统中电光转换器件的首选。

近年来，可见光通信技术得到了迅速的发展，IEEE已经制定了IEEE802.15.7 标准，对其物理层(PHY，Physics)和媒体接入控制层(MAC，Medium Access Control) 实现方法和参数指标进行了标准化。为了提高可见光通信系统的传输速率，对抗多径干扰，OFDM调制方式被引入其中，研究人员从理论及实验中发现OFDM是一种有效提高无线光通信系统性能的方式。由于目前的无线光通信系统普遍采用强度调制/直接检测(IM/DD)，因此要保证OFDM时域信号的正实性。现在被广泛采用的两个光通信OFDM结构是非对称削波光OFDM(ACO-OFDM)和直流偏置光 OFDM(DCO-OFDM)。ACO-OFDM是对传统OFDM在光通信特殊信道传输的改良，由澳大利亚科学家Jean Armstrong在2006年提出，它基本的思路就是用更多的子载波通过Fourier变换的一些性质来换取发射符号在时域满足光信道的特性，它的频域符号满足共轭对称性且偶数子载波上的值全为0，只有1/4的子载波用于发送有效符号，因此频谱利用率比较低；但它不要加直流偏置，可以提高能量利用率。 DCO-OFDM的频域符号也满足共轭对称性，但不要求偶数子载波上的值为0，有 1/2的子载波用于传输有效符号，频谱利用率高，但是其为了使时域信号是正值，需要对IFFT输出的信号加额外的直流偏置。

在DCO-OFDM可见光通信系统中，需要对OFDM信号加额外的直流偏置，以使得时域信号为正值；若加得直流偏置过高，使得时域信号正值超过了LED的线性范围，则会发生上削波，也会影响可见光通信系统的性能。目前在发射端LED 偏置及线性范围未知的可见光通信场景下，没有明确的办法对LED偏置以及发射的OFDM信号的功率进行调节，使得室内可见光通信系统工作在LED的线性工作区。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术存在的缺陷的可见光 DCO-OFDM通信系统前导序列、非线性限幅估计方法和信道参数估计方法。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的可见光DCO-OFDM通信系统前导序列，包括ZC序列和30个 OFDM符号，30个OFDM符号按顺序分为三组；其中，OFDM符号由调制到子载波上的原始比特流经过IFFT变换得到；原始ZC序列由式(1)生成，发射所用DA 为带符号n位，三组OFDM符号分别乘以幅度因子2^n-4、和2^n-3，产生三组分级幅度，原始ZC序列乘以与第一组分级幅度一致的幅度因子后得到ZC序列；

式(1)中，N为子载波的个数，r为XX，k＝0,1,...,N-1，q为XX。

进一步，所述原始比特流由PN序列产生。

本发明所述的可见光DCO-OFDM通信系统前导序列的非线性限幅估计方法，包括以下步骤：

S1：在LED偏置及线性范围未知的可见光通信场景下，发送前导序列；

S2：接收机用本地保存的ZC序列时域信号与接收到的信号序列做滑动相关，从接收到的信号序列中同步出发送的导频序列，并利用发射端幅度因子参数去除 OFDM符号幅度分级因子，得到接收序列yi(n)，下标i表示接收序列中第i个OFDM 符号；

S3：对接收到的yi(n)做快速傅里叶变换得到接收序列的频域信号Yi(k)，利用第一组OFDM符号求出信道的频域值的估计值

式(2)中：为第k个子载波对应的信道系数，Xi(k)和Yi(k)分别表示发射端第i个OFDM符号原始频域序列和接收到的第i个OFDM符号频域序列，E(...)表示对第一组10个OFDM符号计算出的10组信道值求平均；

S4：根据信道的估计值计算出后两级符号的发送信号频域的估计值

S5：根据后两级发送信号频域的估计值，与原始发送频域序列对比：设置正负门限分别为原始序列正负值的均值的2.5倍，计算得到每组符号超过门限部分的平均误差，epos_1、epos_2和epos_3分别为第一、二、三组符号的正限幅误差，eneg_1、eneg_2和eneg_3分别为第一、二、三组符号的负限幅误差；

S6：根据经验公式，计算每组符号的正负限幅百分比，经验公式由仿真及实测数据拟合得到；经验公式如下：

其中，ppos_1、ppos_2和ppos_3分别为三组符号的正限幅百分比，pneg_1、pneg_2和pneg_3分别为三组符号的负限幅百分比，nZC为由接收到的多组ZC序列处理后得到的信道的平均噪声；

S7：根据正负限幅百分比判断是否限幅，以及判定为下限幅、上限幅或双向限幅；

限幅情况判决方法如下：

a)若p？_3＜10％,p？_2＜40％,p？_1＜60％，则未发生限幅；

b)若p？_3＞10％,p？_2＜40％,p？_1＜60％，则仅第三组符号发生限幅；

c)若p？_3＞10％,p？_2＞40％,p？_1＜60％，则第二、三组符号发生限幅；

d)若p？_3＞10％,p？_2＞40％,p？_1＞60％，则第一、二、三组符号发生限幅；

其中，p？_1为第一组符号的正限幅百分比或负限幅百分比，p？_2为第二组符号的正限幅百分比或负限幅百分比，p？_3为第三组符号的正限幅百分比或负限幅百分比；

S8：将步骤S7判定的限幅情况反馈给发射端，发射机可根据此结果调节发射端偏置以及发射功率，调节后重新发送前导序列，重复步骤S1～S7，直至第三级不发生限幅，则已工作在LED的线性区域。

本发明所述的可见光DCO-OFDM通信系统前导序列的信道参数估计方法，采用式 (5)进行信噪比估计：

其中，如EVM式(6)所示：

式(6)中，Xi(k)表示第i个符号的第k个子载波的发射信号，表示第i个符号的第k个子载波上信号的估计值。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)本发明的前导序列可在时域周期性间断地发送，占用很小的发射功率，能使得可见光通信系统工作在LED的线性工作区，并接近于实时为系统提供精确地信噪比情况；

2)本发明的前导序列有三级明显的幅度分级，通过分级可以明显看出系统目前的限幅情况，并从三组符号计算限幅百分比，以相互验证，确定判断结果的正确性；

3)本发明的前导序列由PN序列产生，各个符号间不存在相关性，因此很适宜于利用EVM的方法，使用前导序列中的数据辅助，估计出更接近实际信道特性的信噪比，反馈至发射端，供其选择合适的码率，以及在各个子载波上调制阶数和发射功率分配。

附图说明

图1为本发明的一个前导序列的时域波形；

图2为使用本发明设计的前导序列调整偏置的流程图；

图3为不同限幅度下各组OFDM符号的正负限幅误差；

图4为发射的一组实际前导序列利用EVM方法测得的信道的信噪比。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本发明公开了一种前导序列，ZC序列+30个OFDM符号。OFDM符号采用 128个子载波，从第一个子载波开始，每16个子载波分为一组，共有8组，分别采用{64QAM,64QAM,64QAM,64QAM,16QAM,16QAM,4QAM，4QAM}的调制方式，同时低端的4个子载波和高端的16个子载波不使用，以保证通信系统的性能，为保证经IFFT后时域信号为实数，增加128个共轭对称子载波，即共使用256个子载波。计算可得，一个OFDM符号需要520个比特。因此一个前导序列共需要ZC 序列加上15600个比特。前导序列中OFDM符号的原始比特流由PN序列产生，以减少不同符号间的相关性，使得不同符号的相同子载波的调制符号不相干。原始比特流调制到每个子载波上，经IFFT后产生OFDM符号。实施例采用PN生成多项式为[14,13,6,5,3,1,0]。ZC序列由下面公式生成

其中，子载波个数N＝128，ZC序列的根指数r＝1，q＝0，k＝0,1,...,127。

30个OFDM符号按顺序分为三组，每组10个。发射所用DA为带符号16位，则三组经IFFT变换得到的OFDM符号分别乘以幅度因子产生了三组分级幅度，ZC序列乘以与第一组分级幅度一致的幅度因子。

图1给出了方案设计的一个前导序列的时域波形，从图中可看出方案设计的三组幅度分级。

使用本发明设计的前导序列的结构和性质，它给光通信系统提供两种功能：一是非线性限幅估计，方案中给出了计算正负限幅误差的方法，并给出一种计算限幅百分比的公式。根据计算得到的正负限幅百分比以及方案的判决规则，可判断前导序列是否发生了限幅，以及判定为下限幅、上限幅或双向限幅。接收机将此结果反馈给发射端，发射机可根据此结果调节发射端偏置以及发射功率，使得室内可见光通信系统工作在合理的线性工作区；二是信道参数估计，方案设计的前导序列适宜于使用EVM方法，使用前导序列中的数据辅助，估计出更接近实际信道特性的信噪比，反馈至发射端，供其选择合适的码率，以及在各个子载波上调制阶数和发射功率分配。

本发明设计的前导序列，可应用于LED偏置及线性范围未知的可见光通信场景下的非线性限幅估计。方法流程图如图2所示，该方法具体包括以下步骤：

S1：在LED偏置及线性范围未知的可见光通信场景下，发送前导序列；

S2：接收机用本地保存的ZC序列时域信号与接收到的信号序列做滑动相关，从接收到的信号序列中同步出发送的导频序列，并利用发射端幅度因子参数去除 OFDM符号幅度分级因子，得到接收序列yi(n)，下标i表示接收序列中第i个OFDM 符号；

S3：对接收到的yi(n)做快速傅里叶变换得到接收序列的频域信号Yi(k)，利用第一组OFDM符号求出信道的频域值的估计值

式(2)中：为第k个子载波对应的信道系数，Xi(k)和Yi(k)分别表示发射端第i个OFDM符号原始频域序列和接收到的第i个OFDM符号频域序列，E(...)表示对第一组10个OFDM符号计算出的10组信道值求平均；

S4：根据信道的估计值计算出后两级符号的发送信号频域的估计值

S5：根据后两级发送信号频域的估计值，与原始发送频域序列对比：设置正负门限分别为原始序列正负值的均值的2.5倍，计算得到每组符号超过门限部分的平均误差，epos_1、epos_2和epos_3分别为第一、二、三组符号的正限幅误差，eneg_1、eneg_2和eneg_3分别为第一、二、三组符号的负限幅误差；不同限幅度下各组OFDM符号的正负限幅误差如图3所示。

S6：根据经验公式，计算每组符号的正负限幅百分比，经验公式由仿真及实测数据拟合得到；经验公式如下：

其中，ppos_1、ppos_2和ppos_3分别为三组符号的正限幅百分比，pneg_1、pneg_2和pneg_3分别为三组符号的负限幅百分比，nZC为由接收到的多组ZC序列处理后得到的信道的平均噪声；

S7：根据正负限幅百分比判断是否限幅，以及判定为下限幅、上限幅或双向限幅；

限幅情况判决方法如下：

a)若p？_3＜10％,p？_2＜40％,p？_1＜60％，则未发生限幅；

b)若p？_3＞10％,p？_2＜40％,p？_1＜60％，则仅第三组符号发生限幅；

c)若p？_3＞10％,p？_2＞40％,p？_1＜60％，则第二、三组符号发生限幅；

d)若p？_3＞10％,p？_2＞40％,p？_1＞60％，则第一、二、三组符号发生限幅；

其中，p？_1为第一组符号的正限幅百分比或负限幅百分比，p？_2为第二组符号的正限幅百分比或负限幅百分比，p？_3为第三组符号的正限幅百分比或负限幅百分比；

S8：将步骤S7判定的限幅情况反馈给发射端，发射机可根据此结果调节发射端偏置以及发射功率，调节后重新发送前导序列，重复步骤S1～S7，直至第三级不发生限幅，则已工作在LED的线性区域。

本发明设计的前导序列，还可应用于LED偏置及线性范围未知的可见光通信场景下的信道信噪比估计。数据比特使用的是PN序列，各个子载波调制符号的随机化使得前导序列适宜于使用EVM方法进行信噪比估计，EVM定义如下：

式中Xi(k)表示第i个符号的第k个子载波的发射信号，表示第i个符号的第k 个子载波上信号的估计值，EVMi(k)与SNRi(k)关系如下：

使用EVM方法估计得到的各个子载波上面的信噪比为：

SNR(k)＝E(SNRi(k))(7)

其中，E(...)表示对不同符号得到的信噪比取平均。

该方法估计得到的信噪比更接近实际信道特性，图4所示为发射的一组实际前导序列利用EVM方法测得的信道的信噪比。