黃震宇+郭樹旭+張擇書

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

摘 要： 使用自適應(yīng)OFDM技術(shù)改善可見光通信系統(tǒng)性能，需要以準(zhǔn)確的信道估計為前提。研究可見光自適應(yīng)OFDM通信系統(tǒng)的基于導(dǎo)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(jìn)行了比較，并對其特性進(jìn)行了分析，仿真實驗結(jié)果表明，采用LMS估計方法在BER為10-3水平時，SNR優(yōu)于LS估計方法2 dB，LMS信道估計方法信道跟蹤能力較強(qiáng)，比LS法抗干擾。

關(guān)鍵詞： 可見光通信； 自適應(yīng)OFDM； 信道估計； LMS方法

中圖分類號： TN929.1?34 文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)，是以可見光信號為信息載體的寬帶無線接入技術(shù)，與傳統(tǒng)無線通信技術(shù)相比，安全性高、信息容量大且無電磁干擾，是未來通信發(fā)展的一個重要方向。自適應(yīng)OFDM系統(tǒng)能根據(jù)信道估計得到的狀態(tài)信息，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)發(fā)送端傳輸參數(shù)，從而提高系統(tǒng)性能。2006年，O Gonzalez等人在室內(nèi)紅外光無線通信研究中提出使用自適應(yīng)OFDM技術(shù)，仿真結(jié)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(qiáng)度調(diào)制的OFDM系統(tǒng)，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(diào)制方式的性能[3]。這些研究為在VLC中應(yīng)用自適應(yīng)OFDM技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

在VLC中引入自適應(yīng)OFDM技術(shù)，可以提升系統(tǒng)容量，提高傳輸質(zhì)量，使系統(tǒng)具有更大的靈活性，改善系統(tǒng)性能。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，首先要解決信道估計的問題，在準(zhǔn)確信道估計基礎(chǔ)上，選擇各子信道的調(diào)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(jī)性和多徑傳播特性決定了信道估計是一項充滿挑戰(zhàn)性的工作。相較室外可見光通信而言，室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)目前更具實用價值，本文只討論室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)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(huán)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(xùn)練序列的估計[4?5]和基于輔助導(dǎo)頻的估計研究，前者更多。對于基于導(dǎo)頻的信道估計方法，目前，文獻(xiàn)[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(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的LMS方法進(jìn)行研究。本文針對LMS方法應(yīng)用于基于導(dǎo)頻的自適應(yīng)OFDM可見光通信系統(tǒng)加以研究，并與LS方法進(jìn)行比較，探討其可行性和信道估計性能。

1 系統(tǒng)和信道模型

1.1 可見光自適應(yīng)OFDM系統(tǒng)模型

可見光自適應(yīng)OFDM系統(tǒng)模型如圖1所示，對輸入數(shù)據(jù)先進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行調(diào)制并插入導(dǎo)頻信號，經(jīng)快速傅里葉逆變換（IFFT）后，在信號中插入循環(huán)前綴（CP），完成并/串轉(zhuǎn)換，將串行數(shù)據(jù)經(jīng)過白光LED光源發(fā)送出去。在接收端，利用光電檢測器PD將接收到的光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行相應(yīng)的OFDM解調(diào)，用獲得的信號進(jìn)行信道估計，并根據(jù)估計結(jié)果選擇合適的傳輸參數(shù)給發(fā)射端反饋，以便發(fā)射端在下一時隙正確選擇各載波調(diào)制方式，保證系統(tǒng)的最佳工作狀態(tài)，同時接收端接收的信號經(jīng)過并/串變換完成信號的恢復(fù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。

本文采用基于信噪比門限切換的自適應(yīng)OFDM系統(tǒng)[1]。即根據(jù)子載波的平均信噪與設(shè)定門比限的比較結(jié)果， 發(fā)射端選擇該子載波的相應(yīng)調(diào)制模式。所選擇的調(diào)制模式要確保瞬時誤碼率總是低于目標(biāo)誤碼率。如果子載波的SNR過低，系統(tǒng)就會盡量降低此信道的信息發(fā)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(tǒng)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(jìn)行研究[8]。將室內(nèi)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(jī)直接指向光源，信道損耗低，但受陰影效應(yīng)影響大。漫射光信道對指向的要求低，不易受陰影效應(yīng)影響，但受多徑效應(yīng)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(fā)射光信號；[h（n）]為可見光信道的脈沖響應(yīng)；[w（n）]為背景噪聲信號；符號[?]表示卷積。

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

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

式中：[d]為從發(fā)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(yīng)中直射沖激響應(yīng)分量最大；漫射沖激響應(yīng)分量所占比例較小，且隨反射次數(shù)增加而減小，本文只考慮直射和一次反射沖激響應(yīng)。

2 信道估計方法

基于導(dǎo)頻的信道估計方法流程為：發(fā)射端在適當(dāng)位置插入導(dǎo)頻，接收端利用導(dǎo)頻恢復(fù)出導(dǎo)頻位置的信道信息，然后利用某種處理手段（如內(nèi)插、濾波、變換等）獲得所有時段的信道信息。室內(nèi)可見光通信信道是慢時變信道，基于其低移動性的特征，導(dǎo)頻估計所帶來的額外開銷對系統(tǒng)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(dǎo)頻信號[Xp（m）]均勻的插入發(fā)送數(shù)據(jù)[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(dǎo)頻信號。已調(diào)的OFDM信號[X（k）={Xp（0），Xd（0），…，Xd（L-1），Xp（1），Xd（L），…}；][Xp（1），Xd（L），…}；]導(dǎo)頻子載波的信道響應(yīng)[Hp=[Hp（0），Hp（1），…，Hp（Np-1）]T；]接收導(dǎo)頻信號向量[Yp=[Yp（0），Yp（1），…，Yp（Np-1）]T。]

導(dǎo)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(yīng)方法，其過程可描述為：

首先初始化，令[ω（m）=0。]

數(shù)據(jù)位置的時域沖激響應(yīng)的估計值為：

[h（m+1）=ωH（m）h（m）， m≥0] （8）

式中：[ω（m）]為濾波器權(quán)系數(shù)；[ωH（m）]表示共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算。

沖激響應(yīng)的估計誤差為：

[ξ（m）=h（m+1）-h（m）] （9）

權(quán)系數(shù)的自適應(yīng)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(wěn)定性和收斂速度的步長參數(shù)；[M]為濾波器抽頭數(shù)；[h（m）]為信道時域響應(yīng)的幅值。

得到所有時刻的信道時域響應(yīng)向量[h]之后，再經(jīng)過FFT變換可以得到頻域信道傳輸函數(shù)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(jié)果分析

仿真采用空間環(huán)境為5 m×5 m×3 m的空間，LED光源中心坐標(biāo)為（0，0，3），接收機(jī)中心坐標(biāo)為（0，0，0.85）。假設(shè)系統(tǒng)有良好的同步。

具體仿真參數(shù)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，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(shù)對兩種信道估計方法的性能進(jìn)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(yōu)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(yōu)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(yōu)勢明顯。隨著信號功率的增加，LS估計方法的估計準(zhǔn)確性提升，逐漸呈逼近LMS方法的性能趨勢。這種現(xiàn)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(xiàn)復(fù)雜度也不高，同樣適合于工程實際應(yīng)用。

表1 可見光信道主要仿真參數(shù)

[參數(shù)名稱＼&取值＼&發(fā)

射

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

收

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

間

環(huán)

境＼&房間規(guī)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(yīng)OFDM主要仿真參數(shù)

[參數(shù)名稱＼&取值＼&FFT數(shù)＼&256＼&子載波數(shù)＼&128＼&導(dǎo)頻數(shù)＼&16＼&CP比值＼&[18]＼&保護(hù)間隔＼&[14]信號時長＼&信號采樣頻率 /MHz＼&10＼&信號調(diào)制方式＼&MPSK＼&光調(diào)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(jié) 語

在室內(nèi)可見光自適應(yīng)OFDM通信系統(tǒng)中，針對基于導(dǎo)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(jié)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(qiáng)，比LS法抗干擾。LMS法比LS法計算稍微復(fù)雜，但總體復(fù)雜度不高，可以適用于工程實踐。

參考文獻(xiàn)

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表1 可見光信道主要仿真參數(shù)

[參數(shù)名稱＼&取值＼&發(fā)

射

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

收

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

間

環(huán)

境＼&房間規(guī)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(yīng)OFDM主要仿真參數(shù)

[參數(shù)名稱＼&取值＼&FFT數(shù)＼&256＼&子載波數(shù)＼&128＼&導(dǎo)頻數(shù)＼&16＼&CP比值＼&[18]＼&保護(hù)間隔＼&[14]信號時長＼&信號采樣頻率 /MHz＼&10＼&信號調(diào)制方式＼&MPSK＼&光調(diào)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(jié) 語

在室內(nèi)可見光自適應(yīng)OFDM通信系統(tǒng)中，針對基于導(dǎo)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(jié)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(qiáng)，比LS法抗干擾。LMS法比LS法計算稍微復(fù)雜，但總體復(fù)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(shù)

[參數(shù)名稱＼&取值＼&發(fā)

射

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

收

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

間

環(huán)

境＼&房間規(guī)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(yīng)OFDM主要仿真參數(shù)

[參數(shù)名稱＼&取值＼&FFT數(shù)＼&256＼&子載波數(shù)＼&128＼&導(dǎo)頻數(shù)＼&16＼&CP比值＼&[18]＼&保護(hù)間隔＼&[14]信號時長＼&信號采樣頻率 /MHz＼&10＼&信號調(diào)制方式＼&MPSK＼&光調(diào)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(jié) 語

在室內(nèi)可見光自適應(yīng)OFDM通信系統(tǒng)中，針對基于導(dǎo)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(jié)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(qiáng)，比LS法抗干擾。LMS法比LS法計算稍微復(fù)雜，但總體復(fù)雜度不高，可以適用于工程實踐。

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