基于压缩感知的ACO‑OFDM系统信道估计方法技术方案

本发明专利技术请求保护一种基于压缩感知的ACO‑OFDM无线光通信系统信道估计方法，属于强度调制光通信领域。该信道估计方法是为了解决基于导频的信道估计中，导频符号造成带宽利用率降低的问题。本发明专利技术将基于压缩感知的信道估计技术与ACO‑OFDM系统相结合，首先令导频具有Hermitian对称性，通过最小化DFT子矩阵列互相关平方和来优化导频分配方案，并提出一种ACO‑OFDM系统导频分配优化算法；然后通过一种改进的变步长稀疏度自适应匹配追踪算法来估计信道响应，该改进算法可以提高估计精度与计算速度，并在最后采用一种迭代修正算法进一步提高估计精度。该方法相比于传统基于导频的信道估计方法，可以有效减少导频符号个数，提高系统带宽利用率。

【技术实现步骤摘要】
基于压缩感知的ACO-OFDM系统信道估计方法
本专利技术属于强度调制光通信领域，具体为一种基于压缩感知的ACO-OFDM无线光通信系统信道估计方法。
技术介绍
无线光通信具有免费的频谱资源，极大的可用带宽，系统设备简单、体积小，保密性好且不受电磁干扰等优势。对于通信系统的容量及带宽需求越来越高，无线光通信显示出其在通信系统中的应用价值，见文献：“BoucouvalasA,ChatzimisiosP,GhassemlooyZ,etal.StandardsforindoorOpticalWirelessCommunications[J].IEEECommunicationsMagazine,2015,53(3):24-31.”所述。文献“GonzalezO,Perez-JimenezR,RodriguezS,etal.OFDMoverindoorwirelessopticalchannel[J].IEEProceedings-Optoelectronics,2005,152(4):199-204.”提出的无线光正交频分复用(OFDM)技术，可以有效地提高数据传输速率，是未来无线光通信技术的重要发展方向。当前无线光OFDM通信系统多采用设备简单的强度调制/直接检测(IM/DD)技术，它是将发送的电信号调制为光载波信号的光强度，要求电信号必须为非负实数。常见强度调制光OFDM技术为文献“ArmstrongJ,LoweryAJ.PowerefficientopticalOFDM[J].ElectronicsLetters,2006,42(6):370-372.”中提出的非对称限幅光OFDM(ACO-OFDM)。它对发送端的信号进行Hermitian变换并分配到奇数子载波后进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，然后通过零值限幅得到非负实信号。光信号在传播过程中可能会受信道影响导致误差，因此需要进行信道估计然后对受影响的光信号进行补偿。基于导频的信道估计技术是OFDM技术广泛应用的信道估计方式；文献HashemiSK,GhassemlooyZ,ChaoL,etal.ChannelestimationforindoordiffuseopticalOFDMwirelesscommunications[C].InternationalConferenceonBroadbandCommunications,NetworksandSystems,2008.Broadnets.IEEE,2008:431-434.提出了采用最小二乘(LS)算法的ACO-OFDM系统导频信道估计方法，但是LS算法估计精度不足，并且过多的导频符号将会严重降低系统子载波利用率，不利于数据高速传输。基于压缩感知理论的信道估计方法可以在保证估计精度的同时有效减少导频个数，提高系统子载波利用率。文献“BajwaWU,HauptJ,SayeedAM,etal.CompressedChannelSensing:ANewApproachtoEstimatingSparseMultipathChannels[J].ProceedingsoftheIEEE,2010,98(6):1058-1076.”提出了基于压缩感知的稀疏多径信道估计理论，文献“QiC,WuL.AStudyofDeterministicPilotAllocationforSparseChannelEstimationinOFDMSystems[J].IEEECommunicationsLetters,2012,16(5):742-744.”提出了基于压缩感知的OFDM信道估计方法及导频分配优化方法。国内外学者对基于压缩感知的OFDM信道估计方法研究已有一定成果，但是对于压缩感知理论在ACO-OFDM信道估计中应用的研究尚不充分。由于ACO-OFDM与传统OFDM系统的不同，适用于传统OFDM系统的压缩感知信道估计方法不能直接应用在ACO-OFDM系统中。基于上述问题，本文提出一种基于压缩感知的ACO-OFDM系统信道估计方法，针对导频分配问题，提出一种导频分配算法，并提出一种改进型的稀疏度自适应匹配追踪(SAMP)算法进行信道估计。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：由于ACO-OFDM系统频域信号具有Hermitian对称性，不同于传统OFDM系统，需要解决ACO-OFDM系统的导频分配问题，并且重构算法能否快速准确地恢复信道响应也影响着压缩感知信道估计的性能。针对以上问题提出一种适用于ACO-OFMD系统的导频分配优化方法并改进SAMP算法来提高估计精度与计算效率。本专利技术所采用的技术方案是：一种ACO-OFDM系统的导频分配优化方法与一种改进的SAMP重构算法。在基于压缩感知的信道估计中，测量矩阵由导频符号与导频索引对应DFT矩阵的行组成。导频分配优化可看作压缩感知测量矩阵的构造，其需要满足RIP性质。但是RIP性质比较抽象，在实际应用中实现难度较大，本方案提出采用最小化DFT矩阵列互相关平方和的方法来优化ACO-OFDM系统的导频分配方案。首先为满足ACO-OFDM系统要求，令插入的导频具有Hermitian对称性，由导频符号与其对应的DFT矩阵行组成测量矩阵，导频位置的选取由最小化矩阵列互相关平方和得到，即从DFT矩阵中选取适合的行组成子矩阵，并使该矩阵的列互相关平方和最小，所选取的行对应了导频的插入位置。该方法相比RIP验证更直观、容易应用。在此理论基础上，结合导频的Hermitian对称性得出ACO-OFDM系统导频分配优化算法。在信道估计中，重构算法通常需要保证重构精度及运算速度。SAMP算法可以不依赖信道稀疏度先验条件重构信道响应常在实际中应用。为进一步提高重构算法运算速度，提出一种变步长SAMP算法。室内无线光信道通常具有稀疏性且具有衰减特点，在信道估计重构时具有较大值的元素通常会在最初的迭代次数被重构；随着重构信号越接近真实信号稀疏度，其重构信号能量的变化也趋于平稳。此外SAMP算法精度与步长选取有关，大步长可以减少迭代次数但精度较低；小步长具有较好的重构精度，但也造成计算量增加。变步长SAMP算法根据迭代次数逐渐减小步长，开始以大步长快速重构出较大值的信道响应系数，以小步长逐渐逼近信道稀疏度的方法兼顾计算效率与重构精度。信道估计精度除与重构算法相关外，还与测量矩阵性能有关。虽然采用最小化矩阵列互相关平方和方法优化导频分配方案，但仍会由于测量矩阵性能造成估计误差。所以在变步长SAMP算法进行信道估计后，通过一种迭代修正算法来减少测量矩阵造成的估计误差。附图说明图1ACO-OFDM系统原理图；图2基于压缩感知的ACO-OFDM系统信道估计流程图；图3相同导频个数下本专利技术提出的方法与传统信道估计方法估计精度比较；图4相同导频个数下本专利技术提出的方法与传统信道估计方法系统误码率比较；具体实施方式以下结合附图，对本专利技术的实施作进一步的描述。ACO-OFDM系统原理图如图1所示。本专利技术采用梳状导频，为了满足ACO-OFDM系统要求，导频符号需具有Hermitian对称性且在奇数子载波中插入，具有如下关系：其中NP为导频个数(·)*表示共轭。ACO-OFDM系统信道估计中的测量矩阵是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于压缩感知的ACO‑OFDM无线光通信系统信道估计方法，其步骤在于：首先要求导频符号具有Hermitian对称性且在奇数子载波中插入，并采用最小化DFT矩阵列互相关数平方总和的方法来优化导频分配方案，提出ACO‑OFDM系统导频分配优化算法，并使用该算法得到的导频分配方案插入导频，在接收端使用变步长SAMP算法进行信道响应估计，变步长SAMP算法通过改变常数β

【技术特征摘要】
1.一种基于压缩感知的ACO-OFDM无线光通信系统信道估计方法，其步骤在于：首先要求导频符号具有Hermitian对称性且在奇数子载波中插入，并采用最小化DFT矩阵列互相关数平方总和的方法来优化导频分配方案，提出ACO-OFDM系统导频分配优化算法，并使用该算法得到的导频分配方案插入导频，在接收端使用变步长SAMP算法进行信道响应估计，变步长SAMP算法通过改变常数β1和β1来控制步长收敛速度，提高算法效率与估计精度，最后将变步长SAMP算法得到的信道响应通过迭代修正算法结合无线光信道特点进一步改善估计精度。2.根据权利要求1所述的导频符号具有Hermitian对称性且在奇数子载波中插入，并采用最小化DFT矩阵列互相关数平方总和的方法来优化导频位置选择，其特征在于：ACO-OFDM符号的N个子载波中有NP个导频符号，具有Hermitian对称性即：并且通过最小化DFT矩阵列互相关数平方总和来优化导频位置选择，列互相关平方的总和定义为：3.根据权利要求1所述的ACO-OFDM系统导频分配优化算法，并使用该算法得到的导频分配方案插入导频，其特征在于：ACO-OFDM系统导频分配优化算法具体为：(1)初始化这里的k为任意偶数且i＝i+1；(2)通过向中添加一个偶数元素来建立第i次迭代计算的个备选索引集，根据备选索引集得到DFT子矩阵并计算(3)选择获得最小值时的备选索引集作为第i次迭代得到的索引集，即(4)如果返回(2)，否则进行(5)；(5)根据第四步得...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵辉，张浩翀，李红兵，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50