一种无线光通信基于广义似然比检测原理的序列检测方法

摘要

本发明公开了一种无线光通信基于广义似然比检测原理的序列检测方法，针对多阶调制系统，通过全连接网格图搜索方法和选择性储存方法，基于观测窗口的广义似然比路径度量和判决条件，对信号进行序列检测，并可基于序列检测值进行信道估计和环境光估计。本发明设计的网格图为全连接图，不要求了解信道的记忆长度。网格图搜索算法的复杂度接近调制阶数的平方，不随序列长度、观测窗口长度、信道记忆长度增长。选择性储存方法进一步降低了系统复杂度和存储容量，避免判决失败和差错平层问题。

说明书

技术领域

本发明适用于无线光通信领域，具体涉及一种基于广义似然比检测原理的序列检测方法。在无信道估计和环境光估计的情况下，该序列检测方法能自动消除环境光的影响，并可基于序列检测结果进行信道估计和环境光估计。该方法也适用于其他信道除了乘性信道系数外，含有加性不变或缓慢变化干扰的通信领域。

背景技术

相比传统的射频和红外通信，无线光通信具有发射功率高、无电磁干扰、绿色节能等优点。无线光通信系统一般采用无线信道作为传输媒介，无线信道中的粒子散射和物体表面反射会引起多径衰落。同时，日光及人工照明设备造成环境光干扰。因此，信号检测需消除信道状态和环境光的影响。常用的环境光消除方法包括滤光器等光学滤波技术，但滤光器只能消除与本系统光源频谱不同的环境光。另一种方法是在光电转换后，基于电信号进行信道估计和环境光估计，再对消除信道和环境光影响的信号进行检测。由于信道估计和环境光估计需要大量导频符号，此类方法不仅增加能量和带宽的开销，也增大了系统时延。信号逐块序列检测的性能优于逐符号检测，性能随序列长度提高，但系统复杂度也随序列长度呈指数增长。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种无线光通信基于广义似然比检测原理的序列检测方法。该方法不仅能在无信道估计和环境光估计的情况下，直接检测序列，也能基于序列检测结果进行信道估计和环境光估计。该方法大大降低了序列检测的系统复杂度，避免差错平层问题。

本发明的原理是：基于观测窗口的广义似然比条件，对信号进行序列检测，并可基于序列检测值进行信道估计和环境光估计。由于序列检测算法的复杂度随序列长度的增加呈指数增长，因此采用全连接网格图搜索算法降低系统复杂度，降低后的复杂度接近调制阶数的平方。此外，针对数据流出现连续多位相同的符号时无法判决的问题，采用选择性储存方法，同时降低算法复杂度和所需存储器容量。

本发明提供的技术方案是：

无线光通信系统采用调制阶数为M的调制方式，所述方法将接收采样的离散电信号序列，通过全连接网格图搜索方法和选择性储存方法，基于观测窗口的广义似然比路径度量和判决条件，对信号进行序列检测。该方法包括以下步骤：

(1)根据信道相关时间和存储容量确定观测窗口长度L，假设观测窗口内信道和环境光状态不变；

(2)通过全连接网格图搜索算法，采用基于广义似然比检测原理和选择性储存方法的路径度量和判决条件，对接收序列进行检测和储存。；

此外，该方法还包括如下步骤(3)来进行信道估计和环境光估计。

(3)可基于步骤(2)所得序列检测值，进行基于广义似然比检测原理的信道估计和环境光估计。

本发明设计的全连接网格图搜索方法类似Viterbi算法，包括以下步骤：

(1)构建每个时刻具有M个节点的全连接网格图，时刻k的每个节点带有M个支路，每个节点的第i个支路连接k+1时刻的第i个节点，其中i∈{0,1,...,M-1}。每个时刻的第i个节点和每个节点的第i个支路均代表当前时刻k假设的M阶调制信号m_i。与用于传统Viterbi算法的网格图不同的是，本发明设计的网格图为全连接图，非系统模型的网格图，不要求了解系统模型，而且网格图的节点不含有以前时刻的假设调制信号；

(2)对于时刻k的每个节点，基于观测窗口内的信号和幸存路径，通过广义似然比路径度量和判决条件，在汇合到每个节点的M条假设路径中选出一条作为幸存路径。当两个序列为整数倍关系时，相应的广义似然比路径度量值相同导致判决错误，性能出现差错平层。由于汇合到每个节点的M条假设路径最后一个值相同，因此这些假设路径不可能互为整数倍关系，避免了差错平层问题。由于该搜索算法在每个时刻只需计算和比较M²条假设路径的路径度量，该数量与序列长度、观测窗口长度或信道记忆长度无关，从而大大降低了系统复杂度；

(3)当M条幸存路径在t时刻(t<k)汇聚时，即可检测即确定t时刻及之前时刻的序列；

(4)储存未检测时刻(即t时刻之后)的幸存路径和接收序列。按时间顺序选择和储存检测序列中L_i个M阶调制信号m_i，以及对应时刻的接收信号。如式(1)所示，当假设路径中出现超过L个连续相同的符号时，路径度量会出现零分母的情况，导致判决失败。只要两个或以上L_i>0，假设路径便不与u平行，即可避免判决失败。同时，该方法还降低了算法复杂度和所需存储器容量；

(5)在接收序列结束时，以步骤(2)的方法从M条幸存路径中检测序列。

广义似然比路径度量、信道估计和环境光估计需要计算y(k,L)·u和y(k,L)·x_m(k,L)，其中u为长L的全1单位向量，可通过加最新项、减最旧项的累加方式减小计算量。

本发明不仅适用于IM/DD系统的多阶调制，也适用于相位调制系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)在未进行信道状态和环境光估计的情况下，直接实现信号的序列检测；

(2)在信号检测之后仍可基于序列检测结果估计信道状态和环境光；

(3)设计的网格图为全连接图，不要求了解信道的记忆长度；

(4)网格图搜索算法的复杂度接近调制阶数的平方，不随序列长度、观测窗口长度、信道记忆长度增长；

(5)选择性储存方法进一步降低了系统复杂度和存储容量，避免了判决失败和差错平层问题。

附图说明

图1是全连接网格图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实例作详细说明。本实例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实例。

本发明提供一种无线光通信广义似然比检测序列接收机的方法，针对IM/DD系统M阶调制，采用广义似然比检测原理对接收序列进行判决，结合全连接网格图搜索算法和选择性储存方法降低序列检测复杂度，避免了广义似然比检测的判决失败和差错平层问题，检测后可基于序列检测结果估计信道状态和环境光。包含如下步骤：

(1)建立信道模型：根据信道相关时间和系统存储容量确定观测窗口长度L，假设观测窗口内信道和环境光状态不变。观测窗口内的信号表示如下：发送序列为x(k,L)＝[x(k-L+1),...,x(k)]，接收序列为y(k,L)＝[y(k-L+1),...,y(k)]，噪声序列为n(k,L)＝[n(k-L+1),...,n(k)]。x_m(k,L)表示汇聚到同一节点的M条假设序列的第m条，m∈{0,1,...,M-1}，为检测信号。接收信号可以表示为：

y(k,L)＝Rc(k)x(k,L)+RP_ambu+n(k,L)

其中，R为光电探测器的响应率，c(k)为信道增益，P_amb为环境光入射到光电探测器的光功率，u为L长的全1单位向量。c(k)缓慢变化，假设在一个观测窗口长度内的取值变化可忽略不计。接收机在检测前不估计信道状态信息，可能的码间串扰分量合并在n(k,L)里。为简化表示，用h(k)＝Rc(k)表示信道状态信息，B(k)＝RP_amb表示环境光。

(2)搜索网格图图1，采用基于广义似然比检测原理和选择性储存方法的路径度量和判决条件，对接收序列进行检测和储存；

(3)基于步骤(2)所得序列检测值进行基于广义似然比检测原理的信道估计和环境光估计。

由于广义似然比检测原理的判决复杂度为M^L-1，本发明设计全连接的网格图搜索方法，降低系统复杂度。实施方式如下：

(1)构建每个时刻具有M个节点的全连接网格图，如图1；

(2)对于时刻k的每个节点，基于观测窗口内的信号和幸存路径，通过广义似然比路径度量

或

和判决条件

在汇合到每个节点的M条假设路径中选出一条作为幸存路径；

(3)当M条幸存路径在t时刻(t<k)汇聚时，即可检测即确定t时刻及之前时刻的序列；

(4)储存未检测时刻(即t时刻之后)的幸存路径和接收序列。按时间顺序选择和储存检测序列中L_i个M阶调制信号m_i，以及对应时刻的接收信号。由于本实例在检测后进行信道估计和环境光估计，值为0的检测值仍对估计有效，因此不需丢弃为0的检测值。例如，取L_i＝L/2M，假设路径便不可能与u平行，即避免了判决失败的情况。

(5)在接收序列结束时，以步骤(2)的方法从M条幸存路径中检测序列。检测后，广义似然比检测信道估计利用检测序列通过式(4)或式(5)得到：

或

环境光估计通过式(6)或式(7)得到：

或