CN104717171B - 多色可见光dco‑ofdm通信***的前导设计和信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多色可见光DCO‑OFDM通信***中的前导设计和信道估计方法，采用如下任一方法设计前导序列以完成对各色光链路的信道估计和不同光链路之间的干扰估计：(1)将前导OFDM符号和多色光进行分组，每组选两色光以Alamouti编码方法在2个前导OFDM符号的所有有效子载波上放置ZC序列。(2)将有效子载波等间隔地分为奇数组和偶数组，将多色光分组后每组选两色光分别以Alamouti方法在奇数子载波或偶数子载波上放置ZC序列。(3)取一色光在所有子载波上发送信号，并将子载波等间隔分组，其余色的光链路各自占用一组子载波，在两个前导OFDM符号上以Alamouti方法放置ZC序列。本发明方法支持帧同步、信道和干扰估计功能，支持超帧结构，并可根据实际***需求进行调整。

Description

多色可见光DCO-OFDM通信***的前导设计和信道估计方法

技术领域

本发明涉及可见光通信领域，具体而言涉及室内多色可见光DC Biased OpticalOrthogonal Frequency Division Multiplexing(DCO-OFDM)通信***中的前导设计和信道估计方法。

背景技术

可见光通信技术近年来逐渐成为通信领域研究的热点。其拥有独立于射频频谱的宽带频谱资源，无电磁干扰和辐射，绿色安全，易于隔断信号，保密性好等优点。使用RGB或RGBA LED的多色可见光通信***可以利用不同波段的可见光提供多条链路，配合OFDM可以实现MIMO-OFDM通信***。

考虑到多色光通信***中，在发射机和接收机各色光通道的电路集成在一起，可能存在通道间电信号的串扰。接收端使用的滤光片也可能无法准确对应各色光的波段，导致接收到的光信号中存在串扰。为提高多色光OFDM***的传输性能，需要准确有效的信道和干扰估计方法。

发明内容

本发明目的在于提供室内多色可见光DCO-OFDM(本发明主要涉及DCO-OFDM，为简短起见以下均简称为OFDM)通信***中的前导设计和信道估计方法,为使用OFDM的多色光通信***在有干扰情况下提供信道和干扰估计的解决方案，可针对不同的多色光信道情况和***性能需要，对前导设计进行调整，在前导占用的开销量和信道估计的准确度之间进行权衡，增强***实用性。

为达成上述目的，本发明提出室内多色可见光OFDM通信***中的前导设计和信道估计方法。该方法适用的场景为：多色可见光OFDM***的发射端将多路信号调制到多色LED光源上发送光信号，接收端使用不同波段的滤光片获得不同颜色光路的接收信号，通过对多光路信号的联合处理完成信号接收功能。在多色可见光OFDM通信***中，***帧结构为：一帧包含N_F个OFDM符号，其中前N_P个OFDM符号为前导符号,用于实现同步和信道估计功能。子载波总数为K。设该***中使用M色光信号(M≥2)，k号子载波上的M维发送信号向量为

令k号子载波上从i路光发射到j路光接收的信道系数为k号子载波上的M维接收信号向量为

则有

Y_k＝H_kX_k，

其中

为M×M维信道矩阵。且在室内可见光通信***中，信道条件一般认为是准静态信道，在一帧时间内信道系数基本保持不变。在有干扰情况下，H_k不是对角矩阵，为了提高传输效率，充分利用多色光信道条件，接收端需要对H_k中的各个系数进行估计，以便进行干扰抵消等解调工作。

针对该场景，令第m路光在第n个前导OFDM符号的k号子载波上的频域符号为其中n＝0,1,…,N_P-1，k＝0,1,…,K-1，m＝0,1,…,M-1。本发明提出的前导设计和信道估计方法在前导OFDM符号的频域上放置ZC序列，其周期长度设为与一个OFDM符号中的有效子载波数相同。利用ZC序列良好的频域和时域自相关特性，可以实现帧同步功能。此外，利用该已知的ZC序列s_k作为前导序列，可以完成信道估计。

本发明提供的一种多色可见光DCO-OFDM通信***的前导设计和信道估计方法，包括如下步骤：

(1)发射端根据实际信道情况和***性能要求选择采用如下(A)～(C)任一方法产生前导符号；

(A)将前导OFDM符号和多色光分别进行分组，每组分别包括两个前导OFDM符号和两色光，每组两色光以Alamouti编码方法在一组两个前导OFDM符号的所有有效子载波上放置ZC序列；

(B)各色光在首个前导符号的所有有效子载波上放置ZC序列，将其余前导符号的有效子载波等间隔地分为奇数组和偶数组，并将多色光进行分组，每组两色光以Alamouti编码方法在奇数子载波或偶数子载波上放置ZC序列；

(C)取一色光在所有前导符号的所有有效子载波上放置ZC序列，并将每个前导符号的有效子载波等间隔分组，其余色光各自占用一组子载波，分别配合所选取色光以Alamouti编码方法在两个前导OFDM符号的对应的子载波组上放置ZC序列；

(2)接收端接收到多光路信号后，对各子载波上采用Alamouti方法的两色光在两个前导OFDM符号上的接收信号进行合并，计算得到各链路间的信道和干扰系数估计值。

较优地，所述方法(A)中，多色光为四色光，前导OFDM符号数N_P＝4，将4个前导OFDM符号分为两组，并将四色光分为两组，每组两色光分别按Alamouti编码方法在一组前导符号的所有有效子载波上放置ZC序列，具体设置满足：

其中0≤k≤K-1,s_k为k号子载波上的ZC序列值，m₀和m₁表示同一组两色光序号，n₀和n₁表示同一组两个前导符号序号。

该前导设计将不同组中的光信号在时域上进行了隔离，同组信号通过Alamouti方法正交化，因此可以直接估计出H_k中的所有系数。并且由于每个光链路上都保证了在某一个前导OFDM符号中发送了完整的原始ZC序列，使得在任意色的光链路上都可以完成帧同步。

较优地，所述方法(B)中，多色光为四色光，将除首个前导OFDM符号的其余前导OFDM符号的有效子载波等间隔的分为奇数组和偶数组，将四色光也分为两组，每组两色光分别以Alamouti方法在奇数子载波或偶数子载波上放置ZC序列，对于偶数或奇数子载波上的一组两色光，具体设置满足：

其中，s_k为k号子载波上的ZC序列值，m₀和m₁表示占用奇数或偶数子载波的同一组两色光序号，n₁和n₂表示两个前导OFDM符号序号。

该前导设计将子载波分为不重叠的奇数和偶数组，使两组光信号在频域上隔离。所有信号在两个前导符号上以Alamouti方式正交化。该方案可以估计出H_k中每一行或每一列的一半系数，另一半系数通过将相邻子载波上的系数插值产生。

较优地，所述方法(C)中，取一色光在所有前导符号的所有有效子载波上放置ZC序列，设置满足：

其中，0≤k≤K-1，m_i表示所取色光序号，n₀和n₁表示两个前导OFDM符号序号；

再将子载波根据其余色光的数量等间隔分组，其余每色光各自占用一组子载波。每色光在对应的子载波组上的ZC序列设置满足：

其中m_j表示其余色光序号，k_j表示第m_j路色光对应的分组子载波的序号，0≤k_j≤K-1，为k_j号子载波上的ZC序列值。

该前导设计只需较少的前导OFDM符号，其中一路发送信号的信道系数在所有子载波都能估计，其余光路信号的信道系数只在放置ZC序列的子载波上可以直接估计，其余子载波上的系数可由插值产生。

较优地，所述步骤(2)中计算各链路间的信道和干扰系数估计值的具体方法包括：

对于第i,j两路光按Alamouti方法在第n₁和n₂个前导OFDM符号的k号子载波上有发送信号时，则由任意第l路光接收信号和按照如下公式得到信道或干扰系数和的估计值

由此得到任意两条光链路间的信道或干扰系数(i,l相等时为信道系数，不等时为干扰系数)；

对于未放置ZC序列的子载波上的信道值，利用有ZC序列的子载波上的信道系数估计值进行插值得到。

进一步地，本发明还提供了一种多色可见光DCO-OFDM通信***的前导设计和信道估计方法，应用于采用超帧结构的DCO-OFDM通信***，设超帧的长度为N_S个OFDM符号，其中包含多个短帧，每个超帧中包含支持帧同步的前导序列，而在其余每个短帧中只包含支持信道和干扰估计的前导序列。短帧帧长为N_F个OFDM符号，其中前N_P个OFDM符号为前导符号，方法包括如下步骤：

(1)发射端按照权利要求1中所述方法(A)～(C)任一方法生成超帧的第一个短帧的前导符号；

(2)发射端按照权利要求1中所述方法(A)～(C)任一方法或所述方法(B)中生成除首个前导符号外的其余前导符号的方法生成其余每个短帧的前导符号；

(3)接收端接收到多光路信号后，对各子载波上采用Alamouti方法的两色光在两个前导OFDM符号上的接收信号进行合并，计算得到各链路间的信道和干扰系数估计值。

有益效果

由以上本发明的技术方案可知，本发明的室内多色可见光DCO-OFDM通信***中的前导设计和信道估计方法完成了在室内多色可见光OFDM通信中的前导设计工作，实现了信道和干扰估计功能，其有益效果在于：

(1)所设计的前导OFDM符号可以支持帧同步、信道和干扰估计功能，可以得到多色光链路中所有有效子载波上的信道和干扰系数的估计值。

(2)可针对***性能的不同要求，在多种方案之间进行选择调整，以在开销量和信道估计准确度之间进行权衡。

(3)针对不同的多色光链路间的信道和干扰条件可以对方案进行灵活调整，按需要提高某些色光路的信道估计准确度，寻找出适合实际情况的信道估计方法。

附图说明

图1为本发明较优实施例的仿真所用四色光***信干比情况图。

图2为本发明较优实施例下信道估计的归一化均方误差的仿真结果图。

图3为本发明较优实施例下对接收信号直接独立解调和进行串行干扰抵消得到的误帧率的仿真结果图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

本发明实施例提供的一种多色可见光DCO-OFDM通信***的前导设计和信道估计方法，包括如下步骤：

(1)发射端根据实际信道情况和***性能要求选择采用如下(A)～(C)任一方法产生前导符号；

(A)以使用RGBA LED的四色光***为例，令红、绿、蓝、黄光分别为第0、1、2、3路光。取N_P＝4，并将前导OFDM符号分为两组。同时将四色光链路也分为2组，每组2个光链路占用一组即2个前导符号，并在这两个前导OFDM符号中按Alamouti编码(以下简称为Alamouti)方法在所有有效子载波上放置ZC序列。

例如，将{N＝0,1,2,3}四个前导OFDM符号分为{N＝0,2}和{N＝1,3}两组。红光和绿光占用{N＝0,2}两个前导符号，且令 类似的，蓝光和黄光占用{N＝1,3}两个前导符号，且令该前导设计方案如表1所示。

表1前导设计方法(A)示例方案

该前导设计将不同组中的光信号在时域上进行了隔离，同组信号通过Alamouti方法正交化，因此可以直接估计出H_k中的所有系数。并且由于每个光链路上都保证了在某一个前导OFDM符号中发送了完整的原始ZC序列，使得在任意色的光链路上都可以完成帧同步。

(B)以使用RGBA LED的四色光***为例，令红、绿、蓝、黄光分别为第0、1、2、3路光。取N_P＝3，在N＝0时各色光都发送完整的原始ZC序列，使得各个光链路都可以完成帧同步。对于N＝1,2，在频域将子载波等间隔的分为奇数子载波和偶数子载波两组，每组子载波对应两色光路。所有光链路信号都在选定的子载波上以Alamouti方法在N＝1,2两个前导OFDM符号上放置ZC序列。

例如，选择红光和绿光占用偶数号子载波，蓝光和黄光占用奇数号子载波，则有 该前导设计方案如表2所示，此处2k和2k+1分别表示偶数号子载波和奇数号子载波序号，0≤2k,2k+1≤K-1。

表2前导设计方法(B)示例方案

该方案将子载波分为不重叠的奇数和偶数组，使两组光信号在频域上隔离。所有信号在N＝1,2两个符号上以Alamouti方式正交化。该方案可以估计出H_k中每一行或每一列的一半系数，另一半系数通过将相邻子载波上的系数插值产生。相比于方案(A),方案(B)减少了前导符号数量，使***传输效率更高。但通过插值获得的一些信道和干扰系数可能具有更大的信道估计误差。此外，N＝0时刻的前导OFDM符号只用于了帧同步，在单一接收端同时接收所有光链路的情况下，可以作如下改进：在N＝0只选择一路光信号在全部有效子载波发送ZC序列，依靠这一路信号完成帧同步，同时可以利用LS估计或LMMSE估计方法得到H_k中对应这路信号的列向量信道系数。N＝1,2的前导符号可仍按上述方案设计，由此得到的信道估计结果可以进一步和N＝0的符号上得到的结果进行平均，从而使一些系数估计得更准。

(C)以使用RGBA LED的四色光***为例，取N_P＝2，取某一路光如红光在所有子载波上发送信号，且对于另外三路光，将子载波等间隔分为三组，每路光占用其中一组子载波，在两个前导OFDM符号上配合第一路光以Alamouti方法放置ZC序列(使每个子载波能在两色光和两个时域符号上按Alamouti方法放置序列)。例如，令 其中k₁，k₂，k₃为等间隔分组的子载波序号，0≤k₁,k₂,k₃≤K-1。该前导设计方案如表3所示。

表3前导设计方法(C)示例方案

该方案与方案(A)、(B)相比，所需的前导OFDM符号更少，但除了一路发送信号的信道系数在所有子载波都能估计外，其余光路信号的信道系数只在三分之一的子载波上可以直接估计，其余子载波上的系数由插值产生。

(2)接收端接收到多光路信号后，对各子载波上采用Alamouti方法的两色光在两个前导OFDM符号上的接收信号进行合并，计算得到各链路间的信道和干扰系数估计值。

本发明在进行前导设计时，利用了Alamouti编码方法，以两色光信号为一组在指定子载波和两个前导OFDM符号上发送正交信号。在接收端进行信道系数和干扰系数估计时，对这两个前导OFDM符号上的接收信号进行合并，以利用Alamouti方法带来的分集增益。具体而言，若配置的i,j两路光信号满足在n＝n₁,n₂两个前导OFDM符号上有 则对于任意的第l路光接收信号和有

由此可得到信道系数和的估计值和为

由于在上述各方案中各组按Alamouti方法使用的光信号在频域子载波上是隔离的，则在相应子载波上可以估计出所发送的光链路信号到任意光路的信道或干扰系数。在方案(B)和(C)中一些光路存在未放置发送信号的子载波，这些子载波上的信道或干扰系数可以将相邻子载波的估计结果插值得到。

上述方案描述中的前导符号设计可根据实际***的信道情况和性能要求进行变化。例如，在方案(C)中，可以优先选择信干噪比条件较好的一色光在全部有效子载波上安放ZC序列，得到其较准确的信道估计值，从而在后续的干扰抵消操作中较为准确地消除这色光信号对其它色信号的干扰。方案(B)和(C)中子载波组和不同色光路的对应关系也可以在每帧中轮流更替，并通过将相邻帧的信道估计结果平均，提高整体的信道估计准确度。

本发明提供的前导设计方案也可以运用在使用超帧结构的OFDM通信***中，并根据需要进行调整。设一个超帧的长度为N_S个OFDM符号，且一个超帧中含有多个短帧。对于具有准静态信道的室内可见光通信***，同步可以在周期较长的每个超帧中进行，而在每个短帧中只需进行信道和干扰的估计。因此在每个超帧中需要包含支持帧同步的前导序列，而在其余的每个短帧中只需要包含支持信道和干扰估计的前导序列。针对这种情况可以在上述3种方案中进行选择搭配，从而提高***效率。例如：选取方案(B)，取超帧中的第一个短帧的前导OFDM符号个数为3，并放置方案(B)所述的{n＝0,1,2}三个OFDM符号以同时完成同步和信道估计功能。而后续短帧的前导OFDM符号个数取为2，只发送方案(B)中的{n＝1,2}两个符号以完成信道和干扰系数的估计。也可以将三种前导方案混合使用，例如超帧中第一个短帧的前导符号按方案(C)设计，而后续短帧的前导符号取方案(B)中的{n＝1,2}两个符号，这样可使得各短帧长度保持一致。

下面结合具体仿真实例来说明本发明方法的效果，考虑一个使用RGBA LED的四色光OFDM通信***，使用128个子载波，其中有效子载波为4～123号共计120个。信号带宽为50MHz。

图1所示的是仿真中使用的信道条件产生的各光路信号的信干比。

仿真中设定四色光的发送信号采用相同的调制方式，其中4～31号子载波采用256-QAM调制，32～79号子载波采用64-QAM调制，80～123号子载波采用16-QAM调制，其余子载波不发送数据。数据采用相同的3/4码率的低密度奇偶校验码进行编码。发送端产生随机的4路独立数据流，经过编码、QAM调制、OFDM调制等一系列工作后，产生4路时域发送信号，通过RGBA LED以四色光信号发送。光信号经过多色信道后，加上高斯白噪声，在接收端得到有噪的受干扰的4路接收信号。

仿真中分别比较本发明提出的三种示例前导设计方案的性能。三种方案的具体实现如下：

(1)取N_P＝4。将四个前导OFDM符号分为{N＝0,2}和{N＝1,3}两组。红光和绿光占用{N＝0,2}两个前导OFDM符号，蓝光和黄光占用{N＝1,3}两个前导OFDM符号。ZC序列的放置方式参见表1。

(2)取N_P＝3。在N＝0时各色光都发送完整的原始ZC序列。对于N＝1,2，选择红光和绿光占用偶数号子载波，蓝光和黄光占用奇数号子载波。ZC序列的放置方式参见表2。插值时使用三次多项式插值方法。

(3)取N_P＝2。红光在两个前导OFDM符号的所有子载波上发送信号。同时将子载波等间隔分为三组，绿、蓝、黄每色光占用其中一组子载波。ZC序列的放置方式参见表3。插值时使用三次多项式插值方法。

仿真中，在图1给定的信干比条件下，调整信道中的加性高斯白噪声的功率，在接收端得到不同的信干噪比条件，比较不同的信干噪比下的接收性能。

接收端对接收信号按本发明给出的信道估计方法对各链路的信道参数进行估计，并与仿真中设定的信道理论值进行比较，观察信道估计的归一化均方误差(NMSE)，其计算公式为：

其中L为仿真的总帧数，为第l帧中的信道估计值，h为信道理论值。

图2给出了本发明给出的前导设计和信道估计方法在不同信噪比条件下信道估计的归一化均方误差。由于仿真中所用信道对于四色光而言增益不同，各路信号得到的接收信噪比也不相同。总体而言，信道估计的误差随着接收信噪比的增高而减小。在三种前导设计方案间比较看来，方案(2)和(3)中由于使用插值带来了一定程度上信道估计误差的增长。

接收端在进行信道估计后，需要对接收信号进行解调和译码等处理，以得到接收数据。在仿真中比较以下两种解调方案下***的误帧率性能：方案一是直接对四路光信号进行独立的软解调，得到软量信息后送入译码器译码；方案二是先对四路光信号按照信噪比从高到低的顺序进行串行干扰抵消，抵消后再进行独立的解调译码处理。图3给出了利用本发明给出的前导设计和信道估计方法，在获得信道和干扰系数的估计值后，在接收端分别使用上述两种方案进行处理后得到的误帧率仿真结果。可以看出，方案(2)和(3)由于信道估计误差较大，会带来一定程度上错误概率的上升，但3种方案在进行了串行干扰抵消处理后的整体性能非常接近。因此，在信噪比条件足够和对传输效率要求较高的场景下，可以考虑使用开销较小的方案。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (5)

1.多色可见光DCO-OFDM通信***的前导设计和信道估计方法，设多色可见光DCO-OFDM通信***中帧长为N_F个OFDM符号，其中前N_P个OFDM符号为前导符号，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)发射端根据实际信道情况和***性能要求选择采用如下(A)～(C)任一方法产生前导符号；

(A)将前导OFDM符号和多色光分别进行分组，每组分别包括两个前导OFDM符号和两色光，每组两色光以Alamouti编码方法在一组两个前导OFDM符号的所有有效子载波上放置ZC序列；

(B)各色光在首个前导符号的所有有效子载波上放置ZC序列，将其余前导符号的有效子载波等间隔地分为奇数组和偶数组，并将多色光进行分组，每组两色光以Alamouti编码方法在奇数子载波或偶数子载波上放置ZC序列；

(C)选取一色光在所有前导符号的所有有效子载波上放置ZC序列，并将每个前导符号的有效子载波等间隔分组，其余色光各自占用一组子载波，分别配合所选取色光以Alamouti编码方法在两个前导OFDM符号的对应的子载波组上放置ZC序列；

(2)接收端接收到多光路信号后，对各子载波上采用Alamouti方法的两色光在两个前导OFDM符号上的接收信号进行合并，计算得到各链路间的信道和干扰系数估计值；包括：

对于第i,j两路光按Alamouti方法在第n₁和n₂个前导OFDM符号的k号子载波上有发送信号时，则由任意第l路光接收信号和按照如下公式得到信道或干扰系数和的估计值

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由此得到任意两条光链路间的信道或干扰系数；s_k为k号子载波上的ZC序列值，n₁和n₂表示两个前导OFDM符号序号；

对于未放置ZC序列的子载波上的信道值，利用有ZC序列的子载波上的信道系数估计值进行插值得到。

2.根据权利要求1所述的多色可见光DCO-OFDM通信***的前导设计和信道估计方法，其特征在于，所述方法(A)中，多色光为四色光，前导OFDM符号数N_P＝4，将4个前导OFDM符号分为两组，并将四色光分为两组，每组两色光分别按Alamouti编码方法在一组前导符号的所有有效子载波上放置ZC序列，具体设置满足：

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其中s_k为k号子载波上的ZC序列值，m₀和m₁表示同一组两色光序号，n₀和n₁表示同一组两个前导符号序号。

3.根据权利要求1所述的多色可见光DCO-OFDM通信***的前导设计和信道估计方法，其特征在于，所述方法(B)中，多色光为四色光，将除首个前导OFDM符号的其余前导OFDM符号的有效子载波等间隔的分为奇数组和偶数组，将四色光也分为两组，每组两色光分别以Alamouti方法在奇数子载波或偶数子载波上放置ZC序列,对于偶数或奇数子载波上的一组两色光，具体设置满足：

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其中，s_k为k号子载波上的ZC序列值，m₀和m₁表示占用奇数或偶数子载波的同一组两色光序号，n₁和n₂表示两个前导OFDM符号序号。

4.根据权利要求1所述的多色可见光DCO-OFDM通信***的前导设计和信道估计方法，其特征在于，所述方法(C)中，取一色光在所有前导符号的所有有效子载波上放置ZC序列，设置满足：

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其中，m_i表示所取色光序号，n₀和n₁表示两个前导OFDM符号序号；

将子载波根据其余色光的数量等间隔分组，每色光占用一组子载波，在每组子载波上ZC序列的设置满足：

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其中，m_j表示其余色光序号，k_j表示第m_j路色光对应分组的子载波序号，为k_j号子载波上的ZC序列值。

5.多色可见光DCO-OFDM通信***的前导设计和信道估计方法，设多色可见光DCO-OFDM通信***中采用超帧结构，超帧的长度为N_S个OFDM符号，其中包含多个短帧，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)发射端按照权利要求1中所述方法(A)～(C)任一方法生成超帧的第一个短帧的前导符号；

(2)发射端按照权利要求1中所述方法(A)～(C)任一方法或所述方法(B)中生成除首个前导符号外的其余前导符号的方法生成其余每个短帧的前导符号；

(3)接收端接收到多光路信号后，对各子载波上采用Alamouti方法的两色光在两个前导OFDM符号上的接收信号进行合并，计算得到各链路间的信道和干扰系数估计值；包括：

对于第i,j两路光按Alamouti方法在第n₁和n₂个前导OFDM符号的k号子载波上有发送信号时，则由任意第l路光接收信号和按照如下公式得到信道或干扰系数和的估计值

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由此得到任意两条光链路间的信道或干扰系数；s_k为k号子载波上的ZC序列值，n₁和n₂表示两个前导OFDM符号序号；

对于未放置ZC序列的子载波上的信道值，利用有ZC序列的子载波上的信道系数估计值进行插值得到。