CN104753849B - Mimo dco‑ofdm通信方法、信号接收装置及系统 - Google Patents
Mimo dco‑ofdm通信方法、信号接收装置及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种MIMO DCO‑OFDM（Multiple‑Input Multiple‑Output Direct‑Current‑Biased Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，多输入多输出直流偏置光正交频分复用）通信方法。该方法针对发送端削波操作所产生的削波噪声，在接收端，首先根据发射端削波操作的线性化模型以及削波噪声的统计特性建立白化滤波器，并利用所述白化滤波器对各子载波上的接收信号以及估计得到的等效无线光MIMO信道矩阵分别进行滤波；然后再利用滤波后的等效无线光MIMO信道矩阵对滤波后的接收信号进行复原。本发明还公开了一种MIMO DCO‑OFDM信号接收装置及一种MIMO DCO‑OFDM通信系统。相比现有技术，本发明可获得显著的误码率性能增益，且易于工程实现。
Description
技术领域
本发明涉及无线光通信技术领域，尤其涉及一种MIMO DCO-OFDM(Multiple-InputMultiple-Output Direct-Current-Biased Optical Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，多输入多输出直流偏置光正交频分复用)通信方法。
背景技术
近年来，无线光通信技术已成为通信学术界和工业界关注的一大研究热点。该技术能够同时实现照明与无线通信功能，具有传输数据率高，保密性强，无需频谱认证，无电磁干扰等优点，是未来无线通信系统中极具潜力的一项关键技术。
多输入多输出(MIMO)和正交频分复用(OFDM)技术是现代无线射频通信系统中的两项核心传输技术。其中，MIMO技术在发射端和接收端配置多根天线，充分利用多维信道带来的空间自由度，在无需增加带宽和发射功率的前提下获得优于单入单出(SISO)系统的信道容量；OFDM技术则将频域信道分成若干存在部分重叠的正交子信道，以并行方式在子信道上传输低速数据流，显著提高系统频谱利用率且有效抑制码间干扰。最近，研究者提出将MIMO和OFDM技术推广到无线光通信系统中，以提升系统信息传输速率。
与无线射频MIMO系统不同，光MIMO信道矩阵的每个元素仅表示信道增益，这一特性往往会导致信道矩阵缺秩，不利于多数据流传输。一种有效解决该问题的方案是在接收端放置一个成像透镜，以提高MIMO等效信道矩阵的秩。
无线光通信系统通常采用强度调制，而该调制方式要求基带发送信号恒为正。为满足该要求，研究者们改进了无线射频通信中的OFDM技术，提出直流偏置光正交频分复用(DCO-OFDM)和非对称限幅光正交频分复用(ACO-OFDM)等方案，其中，DCO-OFDM由于具有较高的频谱利用率，因而受到了广泛关注。
DCO-OFDM技术采用下削波以保证信号的恒正性，与此同时还往往会利用上削波降低OFDM信号的峰均比。然而，削波操作势必会引起发射信号失真，进而导致系统整体性能损失。鉴于此，需要在设计接收机时充分考虑发送端削波操作的影响，以提高MIMO DCO-OFDM系统的传输可靠性。然而，现有MIMO DCO-OFDM通信技术在接收端检测过程中忽略发射端削波噪声，通过在发射端采用更大的直流偏置、使用线性范围更广的放大器以及功率更大的光源来提高上下削波界限以减少削波噪声，使其影响可以忽略不计，但这是以降低功率利用率和提高系统成本为代价的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种MIMO DCO-OFDM通信方法及装置，在接收端利用白化滤波的方式消除削波噪声所产生的不良影响，提高通信效果，同时可大幅降低对发送端的硬件要求。
本发明所采用的技术方案具体如下：
一种MIMO DCO-OFDM通信方法，在发送端对所发送信号进行了削波操作；在接收端，首先根据发射端削波操作的线性化模型以及削波噪声的统计特性建立白化滤波器，并利用所述白化滤波器对各子载波上的接收信号以及估计得到的等效无线光MIMO信道矩阵分别进行滤波；然后再利用滤波后的等效无线光MIMO信道矩阵对滤波后的接收信号进行复原。
优选地，所述白化滤波器的滤波矩阵W具体如下：
其中，为估计得到的等效光MIMO信道矩阵；上标H表示共轭对称运算；
表示第i个接收链路所含噪声的方差，NR为接收端光电检测器的个数；K为削波操作引起的信号衰减系数，其表达式为：
为发射机削波噪声的方差，其计算式为：
式中，π为圆周率；e表示自然常数；erfc()为余补误差函数；μ、γ分别为归一化下、上削波界限，amin、amax分别为所述削波操作的下削波界限、上削波界限，表示削波前信号的标准差，M为正交振幅调制阶数，N为OFDM子载波数。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种MIMO DCO-OFDM信号接收装置，包括滤波器构建单元、滤波单元、信号复原单元，滤波器构建单元用于根据发射端削波操作的线性化模型以及削波噪声的统计特性建立白化滤波器，滤波单元用于利用所建立的白化滤波器对各子载波上的接收信号以及估计得到的等效无线光MIMO信道矩阵分别进行滤波，信号复原单元用于利用滤波后的等效无线光MIMO信道矩阵对滤波后的接收信号进行复原。
优选地，所述白化滤波器的滤波矩阵W具体如下：
其中，为估计得到的等效光MIMO信道矩阵；上标H表示共轭对称运算；
表示第i个接收链路所含噪声的方差，NR为接收端光电检测器的个数；K为削波操作引起的信号衰减系数，其表达式为：
为发射机削波噪声的方差，其计算式为：
式中，π为圆周率；e表示自然常数；erfc()为余补误差函数；μ、γ分别为归一化下、上削波界限，amin、amax分别为所述削波操作的下削波界限、上削波界限，表示削波前信号的标准差，M为正交振幅调制阶数，N为OFDM子载波数。
一种MIMO DCO-OFDM通信系统，包括发送端和接收端，所述发送端包括用于对所发送信号进行削波操作的削波单元；所述接收端包括如上任一技术方案所述信号接收装置。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
1)本发明可以有效减少削波噪声对接收机性能造成的不利影响，与忽略削波噪声的传统接收机方案相比，能够获得显著的误码率性能增益；
2)本发明仅需要对接收机进行改进，且改进后接收机与传统接收机具有相当的计算复杂度，因而易于工程实现，且能够大幅降低对发送端的硬件要求。
附图说明
图1为本发明通信装置中接收端的信号处理流程；
图2为本发明方法与传统方法的接收信号误码率(BER)对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明的思路是针对发送端的削波操作所产生的削波噪声，在接收端利用白化滤波的方式消除削波噪声所产生的不良影响。
虽然削波本质上属于非线性操作，但是为了简化理论分析，通常使用线性近似模型(参见文献[S.Dimitrov,S.Sinanovic,and H.Haas,“Clipping Noise in OFDM-BasedOptical Wireless Communication Systems,”Communications,IEEE Transactions on,vol.60,no.4,pp.1072-1081,Apr.2012])刻画削波噪声。在该模型下，MIMO DCO-OFDM系统的等效接收噪声将不再是白噪声，即噪声向量的相关矩阵是非对角矩阵。因此，接收机应当先对噪声进行白化后再使用针对白噪声设计的检测器恢复发射信号。
具体地，本发明通信系统的接收端的信号处理流程如图1所示，包括以下步骤：
(1)针对当前子载波，依据发射端削波操作的线性化模型以及削波噪声的统计特性计算白化滤波矩阵W，其计算式为：
其中K为双向削波引起的衰减系数，其表达式为
式中π为圆周率，e表示自然常数，erfc()为余补误差函数，其定义式为
μ为归一化下削波界限，其计算式为其中amin为下削波界限，表示削波前信号的标准差，M为正交振幅调制(QAM)阶数，N为OFDM子载波数；γ为归一化上削波界限，其计算式为其中amax为上削波界限；
为发射机削波噪声的方差，其计算式为
式中
为估计得到的等效无线光MIMO信道矩阵，H表示共轭对称运算；表示第i个接收链路所含噪声的方差，NR为接收端光电检测器的个数；
(2)对当前子载波上的频域接收信号r进行白化滤波，得到不含有色噪声的频域信号rw，其运算式为rw＝W r；
(3)根据rw和白化滤波后得到的等效光MIMO信道矩阵采用现有或将有的各种针对白噪声设计的MIMO检测算法，得到当前子载波上发送符号向量s的估计值例如，当采用现有的最小均方误差(MMSE)检测算法时，估计值其中dec{}表示对大括号内向量的每个元素进行硬判决，I表示单位矩阵；对于最大似然检测(MLD)算法，估计值应使得最小。
为了验证本发明的效果，利用仿真实验对本发明方法和传统方法进行了比对。仿真实验所涉及的参数见表1。
表1
| 参数 | 取值 |
| 房间尺寸(长×宽×高) | 5m×5m×3m |
| 发光二极管(LED)阵列数量 | 4 |
| 每个阵列的LED数量 | 3600(60×60) |
| LED阵列间距 | 2.5m |
| 天花板与接收平面的垂直距离 | 2.15m |
| LED间距 | 0.01m |
| 发射机发射半角 | 62° |
| 光电探测器响应率 | 1A/W |
| 接收机视场(FOV)(半角) | 62° |
| 光学集中器的折射率 | 1.5 |
| 前置放大器噪声密度 | 5pA/Hz-1/2 |
| 环境光光电流 | 10.93A/m2/Sr |
| 接收机数量 | 4 |
| 接收机带宽 | 100MHz |
| 接收机阵列间距 | 0.1m |
| 接收机面积 | 1cm2 |
| 子载波数 | 256 |
| 调制方式 | 16QAM |
| 归一化上削波界限 | 1.5 |
| 归一化下削波界限 | 1.5 |
图2为实验得到的本发明所提出MIMO DCO-OFDM通信方法与传统方法的接收信号误码率(BER)曲线对比图。其中使用了两种传统方法：传统MMSE算法和传统MLD算法(两种算法的详细内容可参见文献[A.Paulraj,R.Nabar,and D.Gore,Introduction to Space-Time Wireless Communications.Cambridge University Press,2003])，改进MMSE算法和改进MLD算法分别表示利用本发明方法在接收端先进行削波噪声的消除，然后采用传统MMSE算法和传统MLD算法进行信号复原。从图中可以看出，相对于传统MIMO DCO-OFDM接收机方案，本发明可以提供显著的误码率性能增益。
Claims (3)
1.一种MIMO DCO-OFDM通信方法，在发送端对所发送信号进行了削波操作；其特征在于，在接收端，首先根据发射端削波操作的线性化模型以及削波噪声的统计特性建立白化滤波器，并利用所述白化滤波器对各子载波上的接收信号以及估计得到的等效无线光MIMO信道矩阵分别进行滤波；然后再利用滤波后的等效无线光MIMO信道矩阵对滤波后的接收信号进行复原；所述白化滤波器的滤波矩阵W具体如下：
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其中，为估计得到的等效光MIMO信道矩阵；上标H表示共轭对称运算；
表示第i个接收链路所含噪声的方差，NR为接收端光电检测器的个数；K为削波操作引起的信号衰减系数，其表达式为：
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式中，π为圆周率；e表示自然常数；erfc()为余补误差函数；μ、γ分别为归一化下、上削波界限，amin、amax分别为所述削波操作的下削波界限、上削波界限，表示削波前信号的标准差，M为正交振幅调制阶数，N为OFDM子载波数。
2.一种MIMO DCO-OFDM信号接收装置，其特征在于，所述信号接收装置包括滤波器构建单元、滤波单元、信号复原单元，滤波器构建单元用于根据发射端削波操作的线性化模型以及削波噪声的统计特性建立白化滤波器，滤波单元用于利用所建立的白化滤波器对各子载波上的接收信号以及估计得到的等效无线光MIMO信道矩阵分别进行滤波，信号复原单元用于利用滤波后的等效无线光MIMO信道矩阵对滤波后的接收信号进行复原；所述白化滤波器的滤波矩阵W具体如下：
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其中，为估计得到的等效光MIMO信道矩阵；上标H表示共轭对称运算；
表示第i个接收链路所含噪声的方差，NR为接收端光电检测器的个数；K为削波操作引起的信号衰减系数，其表达式为：
<mrow>
<mtable>
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<mtd>
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<mi>K</mi>
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为发射机削波噪声的方差，其计算式为：
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<mo>,</mo>
</mrow>
式中，π为圆周率；e表示自然常数；erfc()为余补误差函数；μ、γ分别为归一化下、上削波界限，amin、amax分别为所述削波操作的下削波界限、上削波界限，表示削波前信号的标准差，M为正交振幅调制阶数，N为OFDM子载波数。
3.一种MIMO DCO-OFDM通信系统，包括发送端和接收端，其特征在于，所述发送端包括用于对所发送信号进行削波操作的削波单元；所述接收端包括如权利要求2所述信号接收装置。
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