一种水下可见光通信系统的盲检测方法技术方案

本发明专利技术提供一种水下可见光通信(简称UVLC)系统的盲检测方法，包括：构建用于光正交频分复用调制的UVLC系统；UVLC系统发射端进行基带信号调制与限幅，得到时域发射信号；建模UVLC系统的信道冲激响应；根据建模结果，建立频域基带信号传输模型；UVLC系统接收端基于神经网络BDNet对频域基带信号传输模型进行盲检测。本发明专利技术提出的盲检测方法，在无导频和无信道先验信息条件下实现UVLC系统的信号盲检测，进一步提高现有UVLC系统的频谱效率；同时，利用基于学习的符号判决门限来恢复发送符号，根据盲信道估计的行为自适应调整判决门限，不仅增强了神经网络的可解释性和可预测性，还提高了系统的误比特率性能。

【技术实现步骤摘要】
一种水下可见光通信系统的盲检测方法
本专利技术涉及面向水下可见光通信(UVLC)领域，提出了一种用于光正交频分复用(OOFDM)调制的UVLC系统的新型盲检测方法。
技术介绍
近年来，水下可见光通信(UVLC)由于具有比水声和水下射频通信更高的带宽，因此成为满足水下无线宽带通信需求的有力竞争者。在UVLC系统中，光正交频分复用(OOFDM)是常用的一种调制技术，能有效抵抗UVLC信道散射效应带来的频率选择性衰落问题，从而提供更高的传输速率，满足水下高速数据业务的需求，例如成像、实时视频传输以及水下传感网络数据交互等应用。针对UVLC场景，文献[1]J.Chen,L.Zhao,M.JiangandZ.Wu,“Sherman-MorrisonFormulaAidedAdaptiveChannelEstimationforUnderwaterVisibleLightCommunicationWithFractionally-SampledOFDM,”inIEEETransactionsonSignalProcessing,vol.68,pp.2784-2798,Apr.2020.提出一种用于OOFDM系统的SMF-CE算法，取得高估计精度和低计算复杂度的性能。但是，SMF-CE是一种基于导频的信道估计(CE)算法，其导频开销会减少数据传输的可用带宽，从而限制UVLC系统的频谱效率。另一方面，SMF-CE的估计性能受到信道先验信息准确程度的限制。而盲检测技术不要求使用导频和信道先验信息，因此可以进一步提高UVLC系统的频谱效率。在现有的盲检测方案中，文献[2]TaoCuiandC.Tellambura,“JointdatadetectionandchannelestimationforOFDMsystems,”inIEEETransactionsonCommunications,vol.54,no.4,pp.670-679,Apr.2006.将盲检测问题转化为复值整数二次规划形式，并分别提出基于球形译码和基于垂直分层空时码的检测算法。文献[3]A.Saci,A.Al-Dweik,A.ShamiandY.Iraqi,“One-ShotBlindChannelEstimationforOFDMSystemsOverFrequency-SelectiveFadingChannels,”inIEEETransactionsonCommunications,vol.65,no.12,pp.5445-5458,Dec.2017.针对盲检测中涉及到的盲信道估计(BCE)问题，提出一种单样本BCE算法。该BCE算法联合利用振幅键控和相移键控来调制特定子载波对，实现在无导频和无信道先验信息条件下信道状态信息(CSI)的恢复，取得与基于导频的CE方案相当的复杂度和估计精度。然而，现有盲检测方案考虑的是瑞利或莱斯衰落信道，没有根据UVLC信道的特点进行改进，因此存在检测性能不佳的缺陷。另一方面，这些方案普遍存在收敛时间过长、子载波调制格式受限等缺点，极大限制了盲检测的应用场景。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有的盲检测方案存在检测性能不佳且应用场景受限的技术缺陷，提供一种水下可见光通信系统的盲检测方法。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种水下可见光通信系统的盲检测方法，包括以下步骤：S1：构建用于OOFDM调制的UVLC系统，通过UVLC信道进行通信；S2：UVLC系统发射端进行基带信号调制与限幅，得到时域发射信号；S3：在时域发射信号通过UVLC信道传输过程中，对UVLC系统的信道冲激响应CIR进行建模；S4：根据建模结果，建立频域基带信号传输模型；S5：UVLC系统接收端基于神经网络BDNet对频域基带信号传输模型进行盲检测；其中，OOFDM表示光正交频分复用；UVLC表示水下可见光通信。上述方案中，本方案提出的基于深度学习(DL)的水下可见光通信系统盲检测方案，具有以下两个显著优点：在无导频和无信道先验信息条件下实现UVLC系统信号盲检测，进一步提高现有UVLC系统的频谱效率。结合模型驱动DL算法的优势，利用基于学习的符号判决门限来恢复发送符号。在训练过程中，基于学习的判决门限能够根据BCE的行为进行自适应调整，不仅增强了神经网络的可解释性和可预测性，还提高了系统的误比特率(BER)性能。其中，在所述步骤S1中，设sn,k∈S是在第n个OOFDM符号、第k个子载波上发送的信息符号，Xn,k是sn,k对应的频域符号或星座点，其中S＝{0,1,Λ,M-1}表示信息符号集合，M＝|S|是集合S的势，同时也是调制阶数。其中，在所述步骤S2所述的UVLC系统中，所述Xn,k必须满足埃尔米特对称(HS)条件才能保证时域信号为实值信号，于是有0<k<K/2以及Xn,0＝Xn,K/2＝0成立，其中K是子载波个数，同时也是快速傅里叶变换FFT大小；事实上，HS条件把有效数据的子载波个数Ku限制为而不是K，因此频谱效率降低了约50％。接着，对频域符号进行快速傅里叶逆变换IFFT，得到限幅前时域发射信号为：假设该OOFDM系统采用直流偏置光-正交频分复用系统，即DCO-OFDM系统，则要求在xn,m基础上添加直流偏置以保证发射信号的非负性，同时在实际系统中有最大功率约束；将直流偏置和最大值约束分别记为：BDC＝εbiasσx,xmax＝εtopσx(15)其中，εbias和εtop分别是与σx有关的归一化直流偏置和峰值水平[4]Z.Jiang,C.Gong,andZ.Xu,“ClippingnoiseandpowerallocationforOFDM-basedopticalwirelesscommunicationusingphotondetection,”IEEEWirelessCommunicationsLetters,vol.8,no.1,pp.237–240,Feb.2019；于是，经过双向限幅后的时域发射信号zn,m满足：至此，得到时域发射信号zn,m。其中，在所述步骤S3中，在时域发射信号通过UVLC信道传输过程中，假设发射端和接收端保持相对静止，不考虑空间移动引起的衰落，只考虑湍流效应引起的衰落；由于湍流衰落的相干时间远大于一个常规OOFDM符号周期[5]M.V.Jamali,P.Nabavi,andJ.A.Salehi,“MIMOunderwatervisiblelightcommunications:comprehensivechannelstudy,performanceanalysis,andmultiple-symboldetection,”IEEETransactionsonVehicularTechnology,vol.67,no.9,pp.8223–8237,Sep.2018，因此所述的UVLC信道是一种块衰落信道，即UVLC信道在一个OOFDM符号周期内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下可见光通信系统的盲检测方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：构建用于OOFDM调制的UVLC系统，通过UVLC信道进行通信；/nS2：UVLC系统发射端进行基带信号调制与限幅，得到时域发射信号；/nS3：在时域发射信号通过UVLC信道传输过程中，对UVLC系统的信道冲激响应CIR进行建模；/nS4：根据建模结果，建立频域基带信号传输模型；/nS5：UVLC系统接收端基于神经网络BDNet对频域基带信号传输模型进行盲检测；/n其中，OOFDM表示光正交频分复用；UVLC表示水下可见光通信。/n

【技术特征摘要】
1.一种水下可见光通信系统的盲检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：构建用于OOFDM调制的UVLC系统，通过UVLC信道进行通信；
S2：UVLC系统发射端进行基带信号调制与限幅，得到时域发射信号；
S3：在时域发射信号通过UVLC信道传输过程中，对UVLC系统的信道冲激响应CIR进行建模；
S4：根据建模结果，建立频域基带信号传输模型；
S5：UVLC系统接收端基于神经网络BDNet对频域基带信号传输模型进行盲检测；
其中，OOFDM表示光正交频分复用；UVLC表示水下可见光通信。


2.根据权利要求1所述的一种水下可见光通信系统的盲检测方法，其特征在于，在所述步骤S1中，设sn,k∈S是在第n个OOFDM符号、第k个子载波上发送的信息符号，Xn,k是sn,k对应的频域符号或星座点，其中S＝{0,1,Λ,M-1}表示信息符号集合，M＝|S|是集合S的势，同时也是调制阶数。


3.根据权利要求2所述的一种水下可见光通信系统的盲检测方法，其特征在于，在所述步骤S2所述的UVLC系统中，所述Xn,k必须满足埃尔米特对称条件才能保证时域信号为实值信号，于是有以及Xn,0＝Xn,K/2＝0成立，其中K是子载波个数，同时也是快速傅里叶变换FFT大小；
接着，对频域符号进行快速傅里叶逆变换IFFT，得到限幅前时域发射信号为：



假设该OOFDM系统采用直流偏置光-正交频分复用系统，即DCO-OFDM系统，则要求在xn,m基础上添加直流偏置以保证发射信号的非负性，同时在实际系统中有最大功率约束；将直流偏置和最大值约束分别记为：
BDC＝εbiasσx,xmax＝εtopσx(2)
其中，εbias和εtop分别是与σx有关的归一化直流偏置和峰值水平；于是，经过双向限幅后的时域发射信号zn,m满足：



至此，得到时域发射信号zn,m。


4.根据权利要求3所述的一种水下可见光通信系统的盲检测方法，其特征在于，在所述步骤S3中，在时域发射信号通过UVLC信道传输过程中，假设发射端和接收端保持相对静止，不考虑空间移动引起的衰落，只考虑湍流效应引起的衰落；由于湍流衰落的相干时间远大于一个常规OOFDM符号周期，因此所述的UVLC信道是一种块衰落信道，即UVLC信道在一个OOFDM符号周期内保持不变，但是在不同的OOFDM符号周期会发生变化。


5.根据权利要求4所述的一种水下可见光通信系统的盲检测方法，其特征在于，在所述步骤S3中，令hn＝[hn,0,Λ,hn,L-1]T表示UVLC信道的采样间隔CIR，其中，n和l∈{0,Λ,L-1}分别表示OOFDM符号和抽头索引；并对信道冲激响应hn,l进行建模，具体为：



其中，表示由蒙特卡洛方法生成的无湍流CIR；ρn表示湍流衰落系数，在弱湍流环境下服从对数正态分布：



其中，μρ和分别是服从高斯分布的对数幅度因子的均值和方差。


6.根据权利要求5所述的一种水下可见光通信系统的盲检测方法，其特征在于，在所述步骤S4中，为了保证湍流衰落即不放大也不衰减光平均功率，令E{ρn}＝1，从而得出此外，定义描述湍流强度的闪烁指数令Hn,k表示第n个OOFDM符号、第k个子载波上的UVLC信道传输函数，即式(4)的FFT，那么频域基带信号传输模型为：
Yn,k＝Zn,kHn,k+Wn,k,1≤k≤Ku(6)
其中，Wn,k是独立同分布的复加性高斯白噪声，记为N(0,σ2)；定义信噪比SNR为基于Bussgan...

【专利技术属性】
技术研发人员：江明，陈俊羽，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44