本发明涉及一种基于自适应步长的可见光通信系统信道估计方法,属于可见光通信技术领域。
背景技术：
传统的基于压缩感知的信道估计算法需要输入信道时域响应的稀疏度，而实际上接收机很难在估计信道响应之前获得信道时域响应的稀疏度，将压缩感知理论应用到dco-ofdm(directcurrentbiasedopticalofdm，直流偏置光正交频分复用)可见光通信系统的信道估计中会遇到一定的阻碍。
目前有许多学者已经对估计过程中进行稀疏度估计的方法进行了研究。现有的基于固定步长的samp(sparsityadaptivematchingpursuit，稀疏度自适应匹配追踪)方法和基于可变步长的vssamp(variablestepsizeadaptivematchingpursuit。变步长自适应匹配追踪)方法均存在依赖初始步长的不足，初始步长过大或过小都会造成稀疏度的估计偏差。现有的步长调整策略没能自适应地根据估计进度来调整步长，对于稀疏度的估计可以进一步提高。
技术实现要素：
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于自适应步长的可见光通信系统信道估计方法。该方法利用了在信道冲激响应的估计过程中，信道冲激响应的能量差会随着估计的进行不断减小的特点，自适应的调整稀疏度的更新步长，能够以更快的速度和更高的准确度进行稀疏度和信道响应的估计。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于自适应步长的可见光通信系统信道估计方法，包含如下步骤：
步骤1：计算内积向量
步骤2：将内积向量p按内积值大小排列，取l个最大的内积值对应的θi的下标i作为初始集合ik，其中l为稀疏度，初始值为s，s为稀疏度更新步长。
步骤3：令候选集合ck＝ik∪fk-1，其中∪表示取并集，fk-1为第k-1次迭代的信号支撑集。
步骤4：若传感矩阵θ中列向量下标在候选集合ck，则取对应的列向量组成矩阵
其中
步骤5：将信道冲激响应的初步估计值
步骤6：利用最小二乘法得第k次迭代信道冲激响应的二次估计值：
其中
步骤7：判断是否满足迭代停止条件||rtemp||2≤ε，若满足迭代停止条件，则
步骤8：判断是否满足条件||rtemp||2≥||rk-1||2，若满足条件，则执行步骤9，否则执行步骤12。
步骤9：判断是否满足步长微调条件
步骤10：自适应调整稀疏度更新步长s为原来的一半，再将稀疏度l调整为l s，返回步骤1。
步骤11：调整稀疏度l为l s，返回步骤1。
步骤12：将临时残差向量rtemp作为第k次迭代的残差向量rk，返回步骤1。
优选的：步骤2中将内积向量p按内积值大小降序排列，取前l个内积值对应的θi的下标i作为初始集合ik。
优选的：步骤5中将信道冲激响应的初步估计值
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明利用了在信道冲激响应的估计过程中，信道冲激响应的能量差会随着估计的进行不断减小的特点，自适应的调整稀疏度的更新步长，能够以更快的速度和更高的准确度进行稀疏度和信道响应的估计。本发明所提出的方法利用dco-ofdm可见光通信系统的信道冲激响应的稀疏特性，将压缩感知理论应用于可见光通信的信道估计中，采用自适应调整稀疏度更新步长的策略能够快速准确地估计稀疏度和信道响应。
附图说明
图1是dco-ofdm可见光通信系统框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种基于自适应步长的可见光通信系统信道估计方法，如图1所示的dco-ofdm可见光通信系统，其中np个子载波用作导频传输，ofdm子载波数为n，np＜n，假设导频放置的位置为第n1,n2,l,
假设dco-ofdm系统的频域接收信号矢量y＝[y(0),y(1),k,y(n-1)]t可以表示为
y＝xh w＝xbh w
其中x是一个n×n维对角矩阵，具有如下表示：
h＝[h(0),h(1),k,h(n-1)]t和h＝[h(0),h(1),k,h(l-1)]t分别为信道的频域响应矢量和时域响应矢量，它们之间具有如下关系
h＝bh
其中矩阵b是n×l的dft矩阵，即
w＝[w(0),w(1),k,w(n-1)]t表示信道频域高斯白噪声矢量，其功率谱密度为一个常数，记作n0，平均功率为σ2。
记s是np×n维的分量选择矩阵，具有如下表示：
显然它满足
sst＝i
i为n×n维单位矩阵。
接收端的导频估计接收信号可表示为
yp＝xphp wp
其中yp、xp、hp和wp表示np×1维的导频处的接收频域信号，np×np维的发送频域信号，np×1维的信道频域响应和np×1维的信道频域噪声，并且它们有如下表示：
设n×1维的列向量h＝[h(0),h(1),k,h(l-1),01×(n-l)]t表示信道的时域冲激响应，l为信道的有效长度，则导频处的接收信号可以写为
yp＝xpbph wp
其中，bp表示如下np×n维dft变换矩阵
由于bp为部分傅里叶变换矩阵，已经被证明满足rip(restrictedisometryproperty，限制等容性条件)。xp为发送端插入导频位置处的数据的对角矩阵，且其幅度值均为1，因此矩阵xpbp也满足rip条件。所以xpbp可以看作是np×n维传感矩阵，令
θ＝xpbp
导频处的接收信号模型可以改写为
yp＝θh wp
上式yp可以看作稀疏信号h在传感矩阵θ下的带噪声测量值。信道估计问题就是要通过接收信号估计信道冲激响应h。
将导频处的接收信号yp，传感矩阵θ，初始步长s作为基于自适应步长的可见光通信系统信道估计方法的输入，步骤如下：
步骤1：计算内积向量p＝θhrk-1＝[θ1hrk-1,…,θnhrk-1]，其中θ为np×n维的传感矩阵，np为导频子载波数，n为ofdm子载波数，θh为θ的共轭转置矩阵，θi为θ的列向量，rk-1为第k-1次迭代的残差向量，r0＝yp，yp为导频接收信号，k为迭代次数。
步骤2：将内积向量p按内积值大小降序排列，取前l个内积值对应的θi的下标i作为初始集合ik，其中l为稀疏度，初始值为s，s为稀疏度更新步长。
步骤3：令候选集合ck＝ik∪fk-1，其中∪表示取并集，fk-1为第k-1次迭代的信号支撑集。
步骤4：若矩阵θ中列向量下标在候选集合ck，则取对应的列向量组成矩阵
其中
步骤5：将信道冲激响应的初步估计值
步骤6：利用最小二乘法得第k次迭代信道冲激响应的二次估计值
其中
步骤7：判断是否满足迭代停止条件||rtemp||2≤ε，若满足迭代停止条件，则
步骤8：判断是否满足条件||rtemp||2≥||rk-1||2，若满足条件，则执行步骤9，否则执行步骤12。
步骤9：判断是否满足步长微调条件
步骤10：自适应调整稀疏度更新步长s为原来的一半，再将稀疏度l调整为l s，返回步骤1。
步骤11：调整稀疏度l为l s，返回步骤1。
步骤12：将临时残差向量rtemp作为第k次迭代的残差向量rk，返回步骤1。
本发明利用dco-ofdm可见光通信系统的信道冲激响应的稀疏特性，将压缩感知理论应用于可见光通信的信道估计中，采用自适应调整稀疏度更新步长的策略能够快速准确地估计稀疏度和信道响应。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
1.一种基于自适应步长的可见光通信系统信道估计方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤1：计算内积向量p＝θhrk-1＝[θ1hrk-1,…,θihrk-1,…,θnhrk-1]，其中θ为np×n维的传感矩阵，np为导频子载波数，n为ofdm子载波数，θh为θ的共轭转置矩阵，θi为θ的列向量，rk-1为第k-1次迭代的残差向量，r0＝yp，yp为导频接收信号，k为迭代次数；
步骤2：将内积向量p按内积值大小排列，取l个最大的内积值对应的θi的下标i作为初始集合ik，其中l为稀疏度，初始值为s，s为稀疏度更新步长；
步骤3：令候选集合
步骤4：若传感矩阵θ中列向量下标在候选集合ck，则取对应的列向量组成矩阵
其中
步骤5：将信道冲激响应的初步估计值
步骤6：利用最小二乘法得第k次迭代信道冲激响应的二次估计值：
其中
步骤7：判断是否满足迭代停止条件||rtemp||2≤ε，若满足迭代停止条件，则
步骤8：判断是否满足条件||rtemp||2≥||rk-1||2，若满足条件，则执行步骤9，否则执行步骤12；
步骤9：判断是否满足步长微调条件
步骤10：自适应调整稀疏度更新步长s为原来的一半，再将稀疏度l调整为l s，返回步骤1；
步骤11：调整稀疏度l为l s，返回步骤1；
步骤12：将临时残差向量rtemp作为第k次迭代的残差向量rk，返回步骤1。
2.根据权利要求1所述基于自适应步长的可见光通信系统信道估计方法，其特征在于：步骤2中将内积向量p按内积值大小降序排列，取前l个内积值对应的θi的下标i作为初始集合ik。
3.根据权利要求2所述基于自适应步长的可见光通信系统信道估计方法，其特征在于：步骤5中将信道冲激响应的初步估计值
