[发明专利]一种渐进最优的海洋通信系统信道估计方法

权利要求书

1.一种渐进最优的海洋通信系统信道估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：构建基于分数采样的光正交频分复用FS-OOFDM的水下可见光通信UVLC系统，设n、m和k分别表示OOFDM符号、过采样偏移和子载波的下标；

S2：在发射端，每个子载波的调制符号X_n,k表示数据或导频，且满足功率归一化条件E{|X_n,k|²}＝1；导频格式采用梳状结构，相应的子载波下标为p_i，0≤i≤K_p-1，其中K_p表示一个OOFDM符号包含的导频数目；且X_n,k满足埃尔米特对称HS，即1≤k≤K/2-1且X_n,0＝X_n,K/2＝0；对频域符号X_n＝[0,X_n,1,...,X_n,K-1]^T进行快速逆傅里叶变换IFFT、并串转换及循环前缀CP填充、数模转换及成形滤波、直流偏置及零削波操作后，通过发光二极管LED将电信号转换成光信号发射出去；设用户终端UT移动到位置n时接收到第n个OOFDM符号，将位置n的CIR建模成c_n(t,τ)＝ρ_n(t)c_n'(τ)，其中ρ_n(t)表示海水的湍流效应引起的衰落效应，c_n'(τ)表示海水的吸收和散射引起的多径效应；结合成形滤波及匹配滤波的联合冲激响应p(τ)，定义等效CIR为：

h_n(t,τ)＝c_n(t,τ)*p(τ)＝ρ_n(t)μ_h,n(τ) (1)

其中μ_h,n(τ)＝c_n'(τ)*p(τ)；定义FS-OOFDM系统的采样周期为其中M和T_s分别表示过采样因子以及传统OOFDM系统的QAM符号采样周期；当采样周期为T_M时，离散等效CIR为0≤m≤M-1，0≤l≤L-1，其中L表示采样周期T_s下的CIR抽头数目，Δ_d表示相邻位置间隔，v表示UE移动速度；

S3：在接收端进行信号接收，FS-OOFDM对接收到的信号进行分数采样FS处理以获取UVLC信道的多径增益；对FS后的接收信号进行快速傅里叶变换FFT，得到频域信号Y_n,m,k具体为：

Y_n,m,k＝X_n,kH_n,m,k+V_n,m,k，0≤m≤M-1，0＜k≤K-1 (2)

其中H_n,m,k和V_n,m,k分别表示第n个位置、第m个过采样偏移、第k个子载波上的信道传输函数CTF和均值为0、方差为σ²的复高斯噪声；

S4：根据频域信号Y_n,m,k，利用最小二乘法LS估计得到导频位置处的信道估计为具体为：

其中表示均值为0，方差为σ²的复高斯噪声；

S5：设为MK_p×1维复向量，h_n＝[h_n,0,0,...h_n,0,L-1,...h_n,M-1,0,…h_n,M-1,L-1]^T为ML×1维实向量，为MK_p×1维复向量，则表示为：

其中表示克罗内克积；W_p是一个K_p×L矩阵，第i行j列元素表示为0≤i≤K_p-1，0≤j≤L-1；另外，z_n服从均值为0，协方差矩阵为的高斯分布，其中为归一化协方差矩阵；

S6：假设h_n的线性估计具有下列形式：

其中W_n是待优化的矩阵变量；通过最小化的均方误差MSE得到W_n的最优值为：

其中R_h,n表示h_n的自相关矩阵，Ψ_n＝ΦR_h,nΦ^H+C_z； 令μ_h,n表示h_n的均值，R_h,n与μ_h,n具有以下关系：

其中E{·}表示期望，表示湍流的闪烁指数；另外，式(7)的推导利用了式(1)的向量化形式，即h_n＝ρ_nμ_h,n；观察式(7)，可知R_h,n是一个低秩矩阵，并且秩为1；注意到将Sherman-Morrison公式SMF运用到Ψ_n中：

其中将式(8)代入式(6)，经过化简得到次优SMF信道估计SSMF-CE：

另一方面，关于h_n的线性最小均方误差信道估计LMMSE-CE表达式为：

其中C_h,n表示h_n的协方差矩阵；LMMSE-CE是最优线性估计方法，SSMF-CE是一种低复杂度的渐进最优信道估计方法；将得到的SSMF-CE用于UVLC接收机的信号检测过程，完成对UVLC信道的时域估计。