CN103929247A - 基于副载波调制的可见光通信多址接入实现方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于可见光通信技术领域，具体为一种基于副载波调制的可见光通信多址接入实现方法和系统。本发明主要是基于副载波调制技术和频带分割技术，利用高频谱效率的多阶编码，通过优化配置的带宽分配方案，实现基于可见光通信的高速多址接入。本发明系统包括：发送端依次连接的高阶编码调制模块、副载波调制模块；接收端依次连接的光电探测器、数字带通滤波器、信道估计模块、解码模块。本发明可以在保证覆盖范围的条件下，实现整个频谱资源全覆盖，高频谱利用率，各用户带宽独享的高速可见光通信多址接入。

Description

基于副载波调制的可见光通信多址接入实现方法和系统

技术领域

本发明属于可见光通信技术领域，具体涉及一种多用户可见光通信多址接入实现方法和系统。

背景技术

随着计算机、智能设备的迅速普及，使移动数字终端的范畴发生革命性的变化，对接入网的带宽要求越来越高。现今的接入技术虽然也在不断的发展以适应众多用户的需求，但光纤到户“最后一里路”的困境，无线接入网频谱资源的紧张，光载无线波（RoF）技术的不成熟和电磁辐射都制约接入速率的进一步突破。因而需要开发一种新的拓宽频谱资源、绿色节能、可移动的接入方式，可见光通信(VLC)技术应运而生。

可见光通信技术，是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的，将高速因特网的电线装置连接在照明装置上，插入电源插头即可使用，其拥有众多优点，首先，由于白光对人眼的安全性，室内白光LED灯的功率之和可以高达十瓦以上，这就使可见光通信具备了非常高的信噪比，为其高速通信打下了良好的基础，非其他技术可比；其次，由于室内表面对光的漫反射，即使在有遮挡的地方，也可以进行高速率的通信；第三，由于白光不可穿透墙壁，甚至窗帘，因此可见光通信具有高度的保密性；第四，由于白光和射频信号不相互干扰，所以它可以应用在电磁敏感环境中，如机舱、医院等；第五，由于频谱无需授权即可使用，所以可见光通信应用灵活，可以单独使用，也可以作为射频无线设备的有效备份。

可见光通信技术技术真正有影响力的开创性研究开始于2000年日本Keio大学。之后，可见光通信技术越来越受到世界各国的重视。可见光通信的技术发展现状可以从三个方面来说明：首先是通信速率，其世界纪录由德国的Heinrich Hertz研究所保持。在2010年春季的OFC会议上，他们报道了基于OOK（On-Off Keying）调制的230Mbits/s的实验系统。同年7月，他们完成了基于正交频分复用调制的513Mbits/s的实验系统。其次是通信距离。由于可见光通信一般用于局域网，所以通信距离一般从几米到数十米，但是也有长距离通信的研究，一般用于交通信号灯和车辆之间的通信或灯塔等系统。这一记录由日本于2008年10月创造，通信距离达2Km，通信速率为1024bits/s。最后是可见光网络，2009年日本Keio大学实现了全双工的100Mbits/s可见光局域网，其下行采用可见光，上行采用850nm的红外波段，其通信距离约为3米。

相对于日本以及欧美，我国可见光通信领域的研究起步较晚，主要研究机构有西安理工大学、浙江大学、暨南大学等。研究方向仅限于提高下行传输速率。为了提高传输性能，各种调制技术也引入到可见光通信系统中。

然而可见光通信的多址接入目前还没有成熟的解决方案，一般一个信道只容纳一个用户进行通话，许多同时通话的用户，互相以信道来区分，如何高效的支持多用户通信，这就需要用到多址接入技术，它关系到系统容量、结构、频谱和信道利用效率以及系统复杂性。一般来讲在无线通信中有三种不同的接入手段，当以传输信号的载波频率不同来区分信道建立多址接入时，称为频分多址方式（FDMA）；当以传输信号存在的时间不同来区分信道建立多址接入时，称为时分多址方式（TDMA）；当以传输信号的码型不同来区分信道建立多址接入时，称为码分多址方式（CDMA）。由于可见光通信系统属于光通信范畴，其特有的高带宽特性使得频分多址方式具有很大的优势，将传输带宽划分成正交的子载波集，通过将不同的子载波集分配给不同的用户，可用带宽资源可灵活的在不同终端之间共享，从而避免了不同用户间的多址干扰，可以通过只将具有高信躁比的子载波分配给每个用户来实现。分配给这多个用户的子载波集中，子载波之间具有最大的不相关性，可以抑制多址干扰，而且信令的开销最小。

目前一些通用的可见光通信系统的调制方式还是直接调制，经研究发现，上述技术至少存在如下缺点：

现今的可见光系统直接调制方式不能有效的利用可见光系统中的频带资源，不能实现多个用户之间的有效的带宽分配，因而在高速可见光通信多址接入系统中的应用受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可见光通信中多用户通信实现方法和系统，以实现有效的用户带宽分配和高速的多用户接入。

本发明提出的基于副载波调制技术的可见光通信多址接入实现方法，具体步骤如下：

（1）首先，对各用户的信号进行多阶编码调制，以提高传输的比特率； 

（2）然后，采用副载波调制技术，进行复数信号的调制，并且对用户传输频带进行划分；通过设定不同副载波的中心频率，将用户信号调制到不同的子信号频带上；根据接入网用户端数目，设定不同数目的副载波，实现多用户分配；

（3）在接收端，根据不同用户，设定中心频率不同的滤波器进行信号接收，实现高速可见光通信多址接入；

（4）最后，对信号进行信道估计和多阶编码的解调，实现原始数据的恢复。 

基于上述方法的可见光通信多址接入系统，如图2所示，系统包括：发送端依次连接的高阶编码调制模块、副载波调制模块；接收端依次连接的光电探测器、数字带通滤波器、信道估计模块、解码模块；

各用户的信号首先送入高阶编码调制模块（编码模块），进行多阶编码，以提高传输的比特率，然后进行I、Q两路信号的分离；接下来信号进入副载波调制模块。

所述副载波调制模块中，采用副载波调制技术，具体是将信号和对应的副载波相乘，进行负载波调制。通过设定不同副载波的中心频率，将用户信号调制不同的子信号频带上；根据接入网用户端数目，设定不同数目的副载波，实现多用户分配；最后将副载波调制信号加载到LED上发射出去。

本发明中，高速可见光通信多址接入系统发射机可以由多个用户信号一起驱动单个LED发光实现，也可以各用户信号分别驱动LED阵列的一路发光实现。由于各用户信号在频带上是分离的，所以两种驱动LED发光的方式均可实现多址接入的LED发射机。

在系统接收端，LED发射的光信号由光电探测器进行接收；然后将信号被送入接数字带通滤波器中，进行信号解调。对于每个用户端，只需要将数字带通滤波器的中心频率设定在与发射端副载波相同的频率，就可以实现不同副载波调制信号的解调，也就是实现频谱搬移。

经副载波解调后的信号，送入信道估计模块；在信道估计模块中，信道均衡方案是采用训练序列的迫零算法，直接对信道进行频域的估计，再利用其逆矩阵进行信道补偿。

最后，将信道均衡后的数据信号送入解码模块，进行多阶信号解码，恢复出原始的数据流。

本发明利用副载波调制技术，具有以下的优越性：

（1）利用副载波调制技术，可以方便进行系统的频带划分，实现多用户系统的带宽分配，从而实现高速多用户接入。

（2）该副载波调制技术适用于多种高阶编码调制技术，如正交幅度调制，正交频分复用调制，从而可以增大频谱的利用率，提高了单用户的接入速率。

（3）由于副载波调制技术的使用，可以保证在子载波频率间隔一定的情况下，降低系统地PAPR。

本发明适用于可见光通信领域，可用于解决可见光通信中多用户接入的问题，最大限度利用系统的有效带宽资源，实现稳定可靠、高谱效率、高速的多用户可见光通信接入。

附图说明

图1  基于副载波调制的可见光通信多址接入系统示意图。

图2  基于副载波调制的可见光通信多址接入编码调制与接收流程图。

图3  基于副载波调制的带宽、时隙和调制格式阶数的分配图。

图 4  基于副载波调制模拟多用户通信的正交频分复用调制的可见光通信系统结构图。

图 5  接收到的OFDM信号电频谱图。其中，（a）是第一个和第二个副载波组合，（b）是第一个和第三个副载波组合，（c）是第二个和第三个副载波组合。

图 6  不同用户接收信号的误码率图。其中，(a)模拟用户一和用户二传输情况，(b)模拟用户一和用户三传输情况，(c)模拟用户二和用户三传输情况。

图中标号：1-高阶编码调制模块，2-副载波调制模块，3-白光发光二极管，4-白光探测接收器，5-基于副载波调制的多用户信号频谱图。

具体实施方式

下面将根据本发明提出的基于副载波调制的多用户可见光通信多址接入实现方法，完整的描述副载波编码调制方案和频带分配实施过程。同时为了体现本方案的效果，将给出实际的多用户多址接入实验结果。

本发明提出的副载波调制方案描述如下。

各用户的信号首先进行多阶编码，以提高传输的比特率。设一般可见光通信传输的基带信号表示如下：

               （1）

这里，表示调制到可见光上之后的基带中心频率，为了简化表示，用单一频率来表示，表示可见光的相位，表示调制上的幅度变化的信号，j是单位虚数，t是时间。

通过副载波调制之后的传输信号可以表示如下：

 

              （2）

这里， 分别表示各个用户的传输数据，，，表示第一，二，三个传输频带的中心频率。通过副载波调制，可以将用户信号调制到中心频率为（i=1，2，3…）的载波上，从而实现了上变频变换（即如上式所示，从基带搬移到射频），同时保留用户信号的全部信息。其中（i=1，2，3…）和（i=1，2，3…）表示不同传输频带调制的幅度信息和相位信息。如图3所示,对于不同的传输频带，时隙的长度可以变化，调制格式可以变化，中心频率和频带宽度也可以变化。

本发明提出的基于副载波调制的多用户可见光通信实现方法描述如下。

其结构与算法流程如图1和2和图4，各用户的信号首先进行高阶编码调制，以提高传输的比特率，需要利用到上变频变换技术，也就是副载波调制技术。通过设定不同的副载波频率，可以将用户信号调制到中心频率不同的载波上。根据接入网用户端数和带宽需求设定不同数目的副载波数目和带宽，并让其排列在LED有效的响应带宽上，从而实现多用户数据的分配，然后将各用户的信号混频起来调制同一个LED源，通过其实现空间传输。

在接收端，主要目的是实现单用户数据提取。由于接收到的白光信号是多用户数据并受到一些杂散光的干扰，经过探测器处的光电转换之后，首先需要进行用户载波提取，这里本发明利用数字带通滤波器来实现的如图4所示。经过数字带通滤波器选出对应的信号频带之后，利用本振源拍频技术先将副载波信号变换到基带，然后进行傅里叶变换，最后解码以实现用户信号的传输。 

下面以如图4所示的基于副载波调制的正交频分复用信号的可见光通信多址接入实验系统为例，对本发明的可行性进行验证。

图5所示为两个用户不同副载波频点处调制的OFDM信号的电谱图，三个副载波的频点为f₁=6.25MHz，f₂=12.5MHz，f₃=18.75MHz，带宽均为6.25MHz,其中，（a）是第一个和第二个副载波组合，（b）是第一个和第三个副载波组合，（c）是第二个和第三个副载波组合。

图6所示不同副载波频点处调制的OFDM信号的BER性能。三个副载波的频点为f₁=6.25MHz，f₂=12.5MHz，f₃=18.75MHz。OFDM信号带宽为6.25MHz，采用的是32QAM（正交幅度调制）编码，白光传输的距离为1m。该结果可以模拟不同用户的通信情况。其中，(a)模拟用户一和用户二传输情况，(b)模拟用户一和用户三传输情况，(c)模拟用户二和用户三传输情况，可以发现当多个用户通信通信时，能够实现单用户信号的提取，误码率性能符合要求，实现稳定可靠的下行传输。

Claims (2)

1. 一种基于副载波调制的可见光通信多址接入实现方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）首先，对各用户的信号进行多阶编码调制，以提高传输的比特率；

（2）然后，采用副载波调制技术，进行复数信号的调制，并且对用户传输频带进行划分；通过设定不同副载波的中心频率，将用户信号调制到不同的子信号频带上；根据接入网用户端数目，设定不同数目的副载波，实现多用户分配；

（3）在接收端，根据不同用户，设定中心频率不同的滤波器进行信号接收，实现高速可见光通信多址接入；

（4）最后，对信号进行信道估计和多阶编码的解调，实现原始数据的恢复。

2. 一种基于权利要求1所述方法的可见光通信多址接入实现系统，其特征在于包括：发送端依次连接的高阶编码调制模块、副载波调制模块；接收端依次连接的光电探测器、数字带通滤波器、信道估计模块、解码模块；

各用户的信号首先送入高阶编码调制模块，进行多阶编码，以提高传输的比特率，然后进行I、Q两路信号的分离；接下来信号进入副载波调制模块；在副载波调制模块中，采用副载波调制技术，即将信号和对应的副载波相乘，进行负载波调制，其中通过设定不同副载波的中心频率，将用户信号调制到不同的子信号频带上；根据接入网用户端数目，设定不同数目的副载波，实现多用户分配；最后将副载波调制信号加载到LED上发射出去；

在系统接收端，LED发射的光信号由光电探测器进行接收；然后将信号被送入数字带通滤波器中，进行信号解调，对于每个用户端，将数字带通滤波器的中心频率设定在与发射端副载波相同的频率，以实现不同副载波调制信号的解调，也就是实现频谱搬移；

经副载波解调后的信号，送入信道估计模块；在信道估计模块中，信道均衡方案是采用训练序列的迫零算法，直接对信道进行频域的估计，再利用其逆矩阵进行信道补偿；

最后，将信道均衡后的数据信号送入解码模块，进行多阶信号解码，恢复出原始的数据流。