用于光FBMC传输系统的低开支信道估计方法及应用系统与流程

本发明涉及光传输技术领域，具体地，涉及一种用于光FBMC传输系统的低开支信道估计方法及应用系统。

背景技术：

随着通信技术的发展和对通信要求的不断提高，光通信表现出两个明显的发展趋势：单信道传输的数据速率大大增加，趋近于100Gb/s；网络必须具备很快的动态调整能力。但当数据速率达到100Gb/s时，传统的光纤分段补偿变得昂贵而耗时，对系统色散的补偿很难准确实现，而基于滤波器组多载波调制技术(Filter Bank based Multicarrier,FBMC)，因具有边模抑制比高、支持异步传输、高的频谱效率、可充分利用数字信号处理技术等独特优点，近年来被广泛应用于光通信系统。FBMC可在较好的继承传统的正交频分复用多载波调制技术(Orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)的频谱效率高、抗色散能力强、灵活的带宽分配等优点的基础上，不仅降低了OFDM对时域和频域严格同步性的要求，对符号间干扰(Inter Symbol Interference，ISI)和子载波间干扰(Inter carrier Interference，ICI)有很好的鲁棒性和松弛性，降低了系统对光电器件线性度的要求。同时，FBMC可采用对子载波级的滤波特性，能够以很小的信道间隔构建具有高频谱效率的“超级信道(Super-channel)”，进而“无缝”地融合来自各个用户的信号带。在实际系统中，由于多载波信号在光纤中进行传输时，会受到光纤本身色散影响和光电器件的本身非线性特性的影响，使信号正交性得到破坏，从而降低信号的质量。因此，在基于多载波调制的光传输系统中，需要有效的信号估计方法来提升接收端信号的质量。

为了有效对抗ISI对信号质量的影响，传统光OFDM信号通过在发射端循环前缀(Cyclic Prefix，CP)，可以补偿色散带来的ISI。因而，在接收端去掉CP，一般利用简单的LS(Least Square)最小二乘法，然后在利用迫零均衡器便可补偿信道的响应。然而，不同于传统光OFDM信号，光FBMC信号用滤波组来替代CP，并且其正交条件需要在实数域内实现。因而，相比OFDM信号，每个符号内的每个子载波上的信号不仅受到其他符号而且受到相同符号内的不同子载波上的信号点干扰。此外，在光纤信号中传输时，其FBMC信号受到色散影响，将会破坏其FBMC的正交性。因此，采用普通OFDM信号的信道估计算法估计出来的信道特性为信道真实值与周围点干扰的叠加，不能较为真实的还原真实的信道特性，一定程度上降低信号的质量，因为普通光OFDM的信道估计方法不能直接应用于光FBMC传输系统。

经对现有文献检索发现，目前无线通信系统主要从干扰消除和干扰利用这两个思路对FBMC导频进行研究，提出相应的导频结构。例如S.Kang,K.Chang等于2007年发表的《A novel channel estimation scheme for OFDM/OQAM-IOTA system》考虑邻域的影响，通过预留一些时频格点，用以抵消内部的ISI干扰，使得所有外围时频格点对导频的总干扰为零，但由于这种方法需要计算其它数据点对导频的总干扰，因而计算量较大，实时性也较差。再如J.Du等于2009年发表《Novel Preamble-Based Channel Estimation for OFDM/OQAM System》，提出基于干扰利用的IAM“伪”导频结构，它通过确定导频周围的时频点，计算出已知的ISI干扰量，并利用于信道估计中，该方法能够较好地估计出复信道的响应包络。在光传输系统中，光FBMC信号的带宽要远远高于无线中的传输信号，因为需要相对较为简单、易于实现的基于导频的信道估计方法。为此，我们在2016年光通信杂志上(optics communication)提出了一种基于块状导频平均算法的信道估计方法，该方法可以较好的克服邻道信号干扰和光传输系统的光电器件的非线性度而带来的高斯加性噪声的影响。然而，该方法，需要大于5％的导频开支，一定程度上将会降低系统的频谱效率。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于光FBMC传输系统的低开支信道估计方法及应用系统。

根据本发明提供的用于光FBMC传输系统的低开支信道估计方法，包括如下步骤：

步骤1：在生成的电FBMC信号中插入导频信息，并将包含导频信息的电FBMC信号转换成光FBMC信号；

步骤2：将光FBMC信号通过光纤传输至接收端，并利用光电探测器将接收到的光FBMC信号转化为电FBMC信号；

步骤3：对电FBMC信号进行解调，从中抽取出相应的导频信息；

步骤4：利用LS估算平均法估计出导频子载波的平均频率响应；

步骤5：利用线性插值法估计出信道中数据子载波的频率响应。

优选地，所述步骤1包括：在生成的L帧FBMC信号过程中，在每帧的FBMC信号中的有效子载波的频带内，每隔T子载波插入一个导频信息，所述导频信息是经过符号映射后的数据，该导频信息和经过符号映射的有效子载波数据一起进入IFFT、并最终生成电FBMC信号；该FBMC信号连接至光调制器，从而生成包含导频信息的光FBMC信号。

优选地，步骤1中所述的IFFT，用于将导频信息和经过符号映射后的有效数据信号进行IFFT运算，从而完成信号从频域到时域的转换，得到转换信号。

优选地，所述步骤2中的光电探测器包括：光电二极管或者雪崩二极管；光纤为单模光纤。

优选地，所述步骤3包括：将电FBMC信号通过串并转换后传输至FFT模块，实现FBMC信号中的导频信息抽取；所述FFT模块用于信号的FFT运算，实现信号从频域到时域的转换。

优选地，所述步骤4包括：将步骤3获得的导频信息，先经过LS估计，即最小二乘法得到每个导频位置的信道响应，基于该信道响应实现不同帧在同一个子载波位置处的平均操作，实现有效的导频信道的估计数据。

优选地，所述步骤5包括：将步骤4中获得有效导频的信道估计数据进行扩展，即实现L数据帧上的导频信道估计的扩展；基于扩展的信道数据，在每个帧内的相邻两个导频子载波间进行插值，实现每个FBMC帧内的有效数据子载波数据的信道特性估计数据；利用该估计数据通过迫零均衡方法，实现接收信号的补偿。

根据本发明提供的用于光FBMC传输系统的低开支信道估计方法的应用系统，包括：光FBMC发射模块、FBMC接收模块以及光纤，所述光FBMC发射模块将包含导频信息的光FBMC信号通过光纤发送至FBMC接收模块，由所述FBMC接收模块将光FBMC信号转化为相应的电FBMC信号，并提取出包含的导频信息，获取导频信息的估计数据以及有效数据信道特性的估计数据。

优选地，所述光FBMC发射模块包括：由激光器与调制器组成的光调制模块、电FBMC信号生成模块；

所述光调制模块包括：激光器与调制器，其中，电FBMC信号生成模块的输出端连接至由激光器驱动的光调制器，实现光FBMC信号的产生；

所述电FBMC信号生成模块包括：数字信号模块、第一S/P模块、符号映射模块、基于梳状导频的插入模块、IFFT模块、第一滤波器组、DAC模块、P/S模块、导频信号产生模块；所述数字信号模块连接至第一S/P模块用于实现信号的串并转换，第一S/P模块输出通过符号映射后的信号至基于梳状导频的插入模块，所述基于梳状导频的插入模块的输出端与IFFT模块相连，所述IFFT模块将包含导频信息的信号发送至第一滤波器组，第一滤波器组的输出连接至P/S模块，由P/S模块完成信号的并串转换；所述P/S模块的输出信号进入DAC模块，由所述DAC模块输出电FBMC信号。

优选地，所述FBMC接收模块包括：光电探测器、ADC模块、第二S/P模块、第二滤波器组、FFT模块、导频抽取模块、先平均后插值的估计模块、均衡模块、符号解映射模块、0,1数据输出单元；

其中，光电探测器将接收到的FBMC信号依次传输至ADC模块、第二S/P模块，所述第二S/P模块连接至第二滤波器组，第二滤波器组的输出端连接至FFT模块；FFT模块的输出信号通过导频抽取模块后进入先平均后插值的估计模块，实现信道估计；所述均衡模块接收估计后的信号，实现对接收FBMC信号的补偿；补偿后的FBMC信号通过符号解映射模块、0,1数据输出单元后输出，实现用户数据的接收。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明与传统的基于块状导频平均算法相比，在同等导频开支下，本发明的算法降低了误码率，提高了估计精度。

2、本发明的算法误码率受导频开支影响小，即使用较小的导频开支也能保证低误码率，提高了频带利用率。

3、本发明通过时域平均的方法，很好地对抗系统随机分布高斯噪声影响，使接收数据噪声均值趋近于零。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为梳状导频插入结构示意图。

图2为基于滤波器组多载波调制的光传输系统的信道估计方法原理示意图。

图3为基于梳状导频的先平均后插值的信道估计方法的原理示意图；

图4为基于滤波器组多载波调制的光传输系统在不同信道估计条件下的BER性能对比图，图中：横轴为接收端的光功率，纵轴是BER表示误码率大小，OH是指导频开支，IAFA为块状导频平均算法；CPFAL是指梳状导频先平均后线性插值，是本发明中的一个实例；BP-FFT为块状导频FFT插值；BPL为块状导频线性插值。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的用于光FBMC传输系统的低开支信道估计方法，先用LS信道估计算法平均法估计出导频子载波的频率响应，后在导频子载波的频率响应的基础上通过线性插值估计出数据子载波的频率响应；具体地，包括以下步骤：

步骤1：导频信号的插入，包含导频FBMC数据信号的产生，并进行电光转换，生成光FBMC信号；

步骤2：光FBMC信号通过光纤传输，到达接收端，通过光电探测器完成电FBMC的转换；

步骤3：电FBMC信号的解调，实现导频信号的解调，并抽取FBMC信号中的导频信息；

步骤4：利用LS估算平均法估计出导频子载波的平均频率响应；

步骤5：利用线性插值法估计出信道中数据子载波的频率响应。

更进一步地，对下文需使用的术语先进行介绍：

1)、IFFT快速离散逆傅里叶变换，为频率信号X(k)到时域信号x(t)的傅里叶逆变换，即：其中N为子载波数；

2)、FFT为快速离散傅里叶变换，为时域信号x(t)到频率信号X(k)的傅里叶变换，即：

3)、S/P和P/S是指为串并和并串转换；

4)、DAC、ADC为数模转换与模数转换；

5)、OH是指导频开支，IAFA为块状导频平均算法；

6)、CPFAL是指梳状导频先平均后线性插值，BP-FFT为块状导频FFT插值；BPL为块状导频线性插值；

7)、LS是指最小二乘法。

所述的步骤1在生成L帧FBMC数据过程中，在每帧的FBMC数据中的有效子载波的频带内，每隔T子载波插入一个导频数据，插入该导频数据是经过符号映射后的数据，插入导频的数据和经过符号映射的有效子载波数据一起进入IFFT、串并转换模块和数模转换模块后，生成电FBMC信号；该FBMC信号连接至光调制器，从而实现光FBMC信号的产生。

FBMC数据能够基于传输M-QAM符号映射，或者基于M-Offfet-QAM符号映射；

光调制器，可以为直接光调制器，也可以为基于光载波的外调制模块(激光作为光载波驱动外调制器)。

步骤1中所述的IFFT，用于将所述导频和经过符号映射后的有效数据信号进行IFFT运算，从而完成信号从频域到时域的转换生成转换信号。

所述步骤2包括：将步骤1输出的光FBMC信号通过光纤传输达到接收端，光纤输出端连接至光电探测器，光电探测器输出电FBMC信号。

光电探测器包括：光电二极管，也可以为雪崩二极管；光纤一般为普通的单模光纤。

所述步骤3为步骤2转换的电FBMC信号通过信号产生的逆过程，先通过串并转换，然后经过FFT；FFT输出后经过导频信号的抽取模块，实现FBMC信号中的导频信息抽取；

所述步骤3中的FFT，用于信号的FFT运算，实现信号从频域到时域的转换。

所述步骤4包括：将步骤3获得的导频信息，先经过LS估计模块得到每个导频位置的信道响应，基于该信道响应实现不同帧能够在同一个子载波位置处的平均操作，从而实现有效的导频信道的估计。

所述步骤4中的LS估计模块，用于完成导频信号信道的初估计。

所述步骤5包括：将步骤4中获得有效导频的信道估计数据，通过信道数据的扩展模块实现L数据帧上的导频信道估计的扩展；基于扩展信道数据，在每个帧内的相邻两个导频子载波间进行插值，实现每个FBMC帧内的有效数据子载波数据的信道特性估计；利用该估计数据通过迫零均衡方法，实现接收信号的补偿，在进一步完成信号的解映射和数字信号的输出。

接收转换模块包括顺次相连的串并转换模块、接收端滤波器组和FFT运算单元。

本发明基于梳状导频，其信道估计方法主要涉及FBMC信号的收发单元。如图1所示，光FBMC的发射机主要包括电FBMC模块和由激光器与调制器组成的光调制模块。其中，电FBMC产生模块包括0，1数字信号，第一S/P、符号映射、基于梳状导频的插入、IFFT、第一滤波器组、DAC、P/S、导频信号产生；0，1数字信号连接至第一S/P实现信号的串并转换，S/P输出通过符号映射后与导频信号产生模块一起进入基于梳状导频的插入模块，由经该模块进入IFFT模块经过第一滤波器组模块，第一滤波器组模块的输出连接至P/S模块，完成信号的并串转换；经过该P/S模块后，信号进入DAC模块，从而完成电FBMC的产生；电FBMC模块输出连接至有激光器驱动的光调制器，实现光FBMC信号的产生。产生的光FBMC信号通过光纤传输到达FBMC信号的接收机。

所述的光调制模块，由光调制器、电驱动数据和激光器构成或者由直接调制器和电驱动数据构成；

所述的激光器，可以分布反馈式激光器，也可以为普通其他类型激光器；

所述的光调制器是外调制器，可以为马赫曾德调制器，也可以为电致吸收调制器；

通过标准单模光纤传输后的光FBMC信号先进入光电探测器实现信号的光电转换，进而产生电FBMC信号，该信号先通过ADC进入第二S/P，由第二S/P连接至第二滤波器组，第二滤波器组的输出连接至FFT模块。FFT模块输出信号通过导频抽取模块进入先平均后插值的估计模块后实现信道估计。估计后的信号通过均衡模块后，实现对接收FBMC信号的补偿。补偿后的FBMC信号再通过符号解映射模块后，进入0,1数据输出单元，实现用户数据的接收。

所述的先平均后插值的估计模块，包含以下几个步骤：

步骤S1：提取出来的导频数据，通过基于LS方法，得到导频信道H_l,k；

步骤S2：在得到的H_l,k基础上(是指第l个符号的第k个子载波)，在同一个子载波位置k处求L个符号的均值，从而得到H_k；

步骤S3：在得到H_k的基础上，将每个H_k对应位置处的扩展至整个帧内，即扩展L个符号，即得到H¹_l,k；

步骤S4：在得到的H¹_l,k基础上，对一个固定的符号l中，相邻两个导频子载波之间的数据信号的新道特性，通过对相邻导频子载波的信道特性H¹_l,k进行插值可得到每个符号内的数据信号的信道特性，即实现有效数据的信道估计。

本实施例的验证实验参数为子载波个数N＝256，采用16QAM调制，信号属性为厄密共轭对称，导频符号间隔T＝50帧，采用6阶PN码帧同步方法，SRRC滤波函数滚降系数α为1，存储深度为2等设置，进行比较算法性能。

图4为基于滤波器组多载波调制的光传输系统在不同信道估计条件下的BER性能对比图，横轴为接收端的光功率，表示接收灵敏度，单位是dBm，纵轴是BER表示误码率大小，单位是dB。

综上所述，采用本发明的基于梳状导频先平均后插值的信道估计方法，可以较为明显的提升光FBMC系统的性能，降低系统的导频开支，更能较好应用于大容量、长距离的光传输网络的需求。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。