We consider a free-space optical (FSO) communication link for packet-based transmissions over a turbulence fading channel. The modulation format is on-off keying (OOK) and a unique-word (UW) composed by a known synch pattern is periodically inserted in the data stream to identify the start of frame. Since an avalanche photo-diode (APD) is used for direct detection of the OOK symbols, the photocurrent signal provided by the APD is plagued by a mixture of thermal and shot noise with signal-dependent power. Our goal is the detection of the UW position in the received stream, along with the estimation of the unknown channel attenuation and noise variances. The aforementioned problem has recently been studied by ignoring any information conveyed by data symbols surrounding the UW. In this work, further investigation is conducted in order to determine the maximum likelihood (ML) solution that, in addition to the UW, exploits all the information-bearing symbols belonging to the observation window. The relevant Cramér-Rao bound (CRB) is also evaluated to establish the ultimate accuracy achievable in the estimation process. Since the true ML estimator leads to a computationally intractable multi-dimensional optimization problem, we develop suitable approximations that enable accurate frame synchronization with affordable complexity. We also present an iterative solution to refine the channel and noise power estimates provided by the UW detection procedure. Numerical simulations demonstrate the superiority of the proposed synchronization and estimation schemes with respect to existing alternatives.

中文翻译：

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OOK 自由空间光通信的联合帧检测和信道参数估计

我们考虑了一种自由空间光 (FSO) 通信链路，用于在湍流衰落信道上进行基于分组的传输。调制格式为开关键控 (OOK)，由已知同步模式组成的唯一字 (UW) 定期插入数据流中以识别帧的开始。由于雪崩光电二极管 (APD) 用于直接检测 OOK 符号，因此 APD 提供的光电流信号受到热噪声和散粒噪声以及信号相关功率混合的困扰。我们的目标是检测接收流中的 UW 位置，以及未知信道衰减和噪声方差的估计。最近通过忽略 UW 周围的数据符号传达的任何信息来研究上述问题。在这项工作中，进行进一步调查以确定最大似然 (ML) 解决方案，除了 UW 之外，该解决方案还利用了属于观察窗口的所有信息承载符号。还评估了相关的 Cramér-Rao 界 (CRB) 以确定在估计过程中可达到的最终精度。由于真正的 ML 估计器会导致计算上难以处理的多维优化问题，因此我们开发了合适​​的近似值，能够以可承受的复杂度实现精确的帧同步。我们还提出了一种迭代解决方案，以改进 UW 检测程序提供的信道和噪声功率估计。数值模拟证明了所提出的同步和估计方案相对于现有替代方案的优越性。除了 UW，还利用了属于观察窗口的所有信息承载符号。还评估了相关的 Cramér-Rao 界 (CRB) 以确定在估计过程中可达到的最终精度。由于真正的 ML 估计器会导致计算上难以处理的多维优化问题，因此我们开发了合适​​的近似值，能够以可承受的复杂度实现精确的帧同步。我们还提出了一种迭代解决方案，以改进 UW 检测程序提供的信道和噪声功率估计。数值模拟证明了所提出的同步和估计方案相对于现有替代方案的优越性。除了 UW，还利用了属于观察窗口的所有信息承载符号。还评估了相关的 Cramér-Rao 界 (CRB) 以确定在估计过程中可达到的最终精度。由于真正的 ML 估计器会导致计算上难以处理的多维优化问题，因此我们开发了合适​​的近似值，能够以可承受的复杂度实现精确的帧同步。我们还提出了一种迭代解决方案，以改进 UW 检测程序提供的信道和噪声功率估计。数值模拟证明了所提出的同步和估计方案相对于现有替代方案的优越性。还评估了相关的 Cramér-Rao 界 (CRB) 以确定在估计过程中可达到的最终精度。由于真正的 ML 估计器会导致计算上难以处理的多维优化问题，因此我们开发了合适​​的近似值，能够以可承受的复杂度实现精确的帧同步。我们还提出了一种迭代解决方案，以改进 UW 检测程序提供的信道和噪声功率估计。数值模拟证明了所提出的同步和估计方案相对于现有替代方案的优越性。还评估了相关的 Cramér-Rao 界 (CRB) 以确定在估计过程中可达到的最终精度。由于真正的 ML 估计器会导致计算上难以处理的多维优化问题，因此我们开发了合适​​的近似值，能够以可承受的复杂度实现精确的帧同步。我们还提出了一种迭代解决方案，以改进 UW 检测程序提供的信道和噪声功率估计。数值模拟证明了所提出的同步和估计方案相对于现有替代方案的优越性。我们开发了合适​​的近似值，能够以可承受的复杂性实现精确的帧同步。我们还提出了一种迭代解决方案，以改进 UW 检测程序提供的信道和噪声功率估计。数值模拟证明了所提出的同步和估计方案相对于现有替代方案的优越性。我们开发了合适​​的近似值，能够以可承受的复杂性实现精确的帧同步。我们还提出了一种迭代解决方案，以改进 UW 检测程序提供的信道和噪声功率估计。数值模拟证明了所提出的同步和估计方案相对于现有替代方案的优越性。