CN105245275A - 一种基于led阵列的室内光通信自适应脉冲幅度调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LED阵列的室内光通信自适应脉冲幅度调制方法，接收端通过导频估计信道信息和接收信噪比，并将估计信息反馈回发送端，发送端依据当前的信道信息和信噪比，在给定的系统误比特率要求下计算其脉冲幅度调制星座点间的最小距离，并根据星座点最小距离确定可达到的最大星座点数以及每个星座点对应于LED阵列不同的开关状态组合，发送端根据对应关系控制LED阵列的开关，接收端接收到不同组合的光信号接收强度不同，完成光信号的收发。本发明方法解决了现有技术中存在的室内光通信幅度调制方法没有考虑室内环境中不同LED到接收端幅值衰减差异的问题，与非自适应的脉冲幅度调制相比可以有效地提高数据速率和频谱利用率。

Description

一种基于LED阵列的室内光通信自适应脉冲幅度调制方法

技术领域

本发明涉及可见光通信领域，尤其涉及一种基于LED阵列的室内光通信自适应脉冲幅度调制方法。

背景技术

近年来，可见光通信已经成为无线通信中的热门领域。与传统无线电通信相比，可见光通信因为其高可靠性，低功耗和使用寿命长的特点成为了照明和通信领域极其重要的组成部分。可见光通信(VLC)系统通过将电信号转化为光照强度信号实现数据的传输，在满足照明的基础上同时实现了数据的传输。相比较于传统的使用天线的无线通信系统，VLC系统无辐射，更绿色更安全。在对传统天线辐射信号敏感的场合，VLC是对现有通信系统的重要补充。

现有的室内无线可见光通信系统在传输数据所用的方案上先后提出了开关键控调制(OOK)，幅度调制(PAM)，正交频分复用(OFDM)，三色光频分复用(RGBFDM)，多输入多输出(MIMO)等方案。其中开关键控调制(OOK)的方案简单易行，不需要复杂的电路结构，也不需要高性能的数模转换器(DAC)，简单的开关电路管就可以实现最基本的电路结构。

室内无线光通信系统正致力于将高速的无线通信和普通室内照明相结合。为了提高足够的照明强度，现有室内LED照明光源多数由很多LED构成的LED阵列组成。为了能够很好的使用多LED相较于单LED系统所带来的空间增益，有研究人员提出使用多个LED协同工作构建PAM调制机制，每一路LED只需要使用简单的开关电路不需要昂贵的高性能DAC。然而过去有研究人员提出使用多LED实现PAM的方案是在发射端的LED相互之间位置相当接近，不同LED到接收端的冲击响应很接近的情况下，毫无疑问，这一系统模型是不适合用在室内无线系统中的。因为室内系统中LED的分布往往是部分集中和总体分散的特征。集中的是几个LED在一起构成一个整体，分散的是不同的整体在空间上分开以实现对整个室内较好的覆盖。因此，过去的PAM调制的方式没有考虑不同LED到接收端幅值衰减的差异的问题，对于室内多LED系统，本发明通过综合考虑不同LED到接收端的不同幅值衰减，设计了一种多LED协同工作构建PAM调制的方案，从而可以充分利用多LED的空间增益，提升了系统速率。

发明内容

发明目的：为了解决现有室内光通信幅度调制方法没有考虑室内环境中不同LED到接收端幅值衰减的差异的问题，本发明提出一种基于LED阵列的室内光通信自适应脉冲幅度调制方法，达到提升频谱利用率的效果。

技术方案：本发明的基于LED阵列的室内光通信自适应脉冲幅度调制方法，包括以下步骤：

(1)接收端根据接收到的导频信号估计信道参数和接收信噪比并反馈给发射端；

(2)发射端根据传输误比特率要求，利用所述信道参数和所述接收信噪比根据幅度调制的误比特率计算公式获取调制星座的最小星座点距离；

(3)根据所述最小星座点距离建立各备选星座点与发射端LED阵列开关组合的对应关系，并根据所述备选星座点的个数最终确定调制阶数和调制星座图；

(4)发射端按照所述调制阶数和所述对应关系控制LED阵列开关发送光信号；

(5)接收端根据所述调制星座图和所述对应关系对接收到的LED光信号进行解调。

其中，步骤(3)中所述确定调制阶数和最终的星座图包括如下步骤：

(31)将幅值为0的点作为第一个星座点，将幅值为所述最小星座点距离的点作为第二星座点，并将第二星座点记为当前星座点；

(32)寻找LED灯组合的接收信号幅值中大于当前星座点对应幅值的最小幅值，若找到符合要求的LED灯组，则记录该LED灯组并将当前星座点对应幅值更新为该LED灯组的接收信号幅值，并进行步骤(33)；若找不到符合要求的LED灯组，转到步骤(34)，结束查找；

(33)将所述当前星座点的幅值和最小距离的和作为下一个星座点，并将该星座点设为当前星座点，返回步骤(32)；

(34)将所述第一星座点至当前星座点作为备选星座点，并根据备选星座点的总数确定调制阶数和最终的星座图。

其中，步骤(32)中所述寻找LED灯组合的接收信号幅值中大于当前星座点对应幅值的最小幅值，包括以下步骤：

(321)将发射端不同LED灯到接收端的信道衰减值h_i按降序排列得到信道衰减序列H＝{h_i|i＝1,2,...,N}，i表示LED灯的序号，每个h_i在所述信道衰减序列H中均对应一个降序序号j，设当前星座点对应的幅值为stage_now，当前星座点对应幅值所需打开的LED灯的最小数目为N_min；

(322)若发射端所有LED灯均打开，接收端的接收信号幅值小于所述当前星座点对应幅值stage_now，则当前星座点找不到对应的LED灯组合，结束查找；

否则，设置第一中间变量N_now和第二中间变量stage进行LED灯组合的确认，令N_now＝N_min，stage＝stage_now；

用数组u(i),i＝1～N表示LED灯组中每个灯在当前组合下是否被选取使用，u(i)＝0表示i号灯未打开，u(i)＝1表示i号灯已打开，初始化u(i)＝0，N表示发射端LED灯的个数，每个LED灯不能重复打开；

(333)利用二分法从所述信道衰减序列H中选取大于stage/N_now的最小信道衰减值h_i，包括以下循环步骤：

若u(i)＝0，则进入步骤(334)；

若u(i)＝1，判断j的值，若j＝1，进入步骤(335)；

若j＞1，则令j＝j-1，从信道衰减序列H中序号j之前的序列段中继续选取大于stage/N_now的最小信道衰减值h_i，判断u(i)的值；

(334)令stage＝stage-h_i，N_now＝N_now-1，u(i)＝1，若stage＜＝0，则找到当前星座点对应的LED灯组合，结束查找；若stage＞0且N_now＞0，继续执行(333)；若stage＞0且N_now＝0，进入步骤(335)；

(335)令N_min＝N_min+1，跳转至(322)。

其中，步骤(3)中所述根据所述备选星座点的个数最终确定调制阶数和调制星座图，包括以下步骤：

设所述备选星座点的总数为L，k为最大调制阶数，若L＝1，则表明没有满足情况的PAM调制；

若L≥2，则找出满足式2^k≤L＜2^k+1的k值：

若L＝2^k，则所有备选星座点为最终确定的星座点；

若L＞2^k，则选取序号为1～2^k+1-L区间的每个星座点，以及等间隔选取序号为2^k+1-L～L区间的星座点，总共2^k个备选星座点为最终确定的星座点形成调制星座图，所述间隔为2。

有益效果：本发明基于LED阵列的室内光通信自适应脉冲幅度调制方法，综合考虑不同LED到接收端的不同幅值衰减，能够充分利用多LED带来的空间增益，首先根据系统误码率的要求确定了星座点的最小距离要求保证了接收信噪比；再建立星座点与LED组合的对应关系，保证每两个星座点之间的距离大于等于最小距离，充分保障了系统对误码率的要求，同时，星座点与LED组合的对应关系可以根据信道条件进行自适应修改，提升了系统速率，并大大增强了系统的鲁棒性。自适应PAM调制的方案降低了对每个LED的工作功率以及LED的位置要求，与SISO系统相比，降低了系统对LED的功率要求；此外，该方法还提升了传输速率和频谱利用率。

附图说明

图1是本发明的LED阵列光通信模型；

图2是本发明中寻找当前星座点对应幅值的LED灯组合的流程图；

图3是室内无线光通信系统LED阵列的仿真模型；

图4是本发明方法在场景1条件下的性能仿真图；图4(a)是接收信噪比与参考信噪比的仿真对比图；图4(b)是误比特率仿真图；图4(c)是调制阶数的仿真图；图4(d)是频谱效率的性能仿真图；

图5是本发明方法与非自适应幅度调制在不同场景条件下的性能比较图；图5(a)是本发明方法在场景1条件下与非自适应幅度调制的频谱效率比较图；图5(b)是本发明方法在场景2条件下与非自适应幅度调制的频谱效率比较图；图5(c)是本发明方法在场景3条件下与非自适应幅度调制的频谱效率比较图；图5(d)是本发明方法在场景4条件下与非自适应幅度调制的频谱效率比较图。

具体实施方式

图1中的LED阵列光通信模型包括：发射端、信道和接收端，发射端设有LED阵列，采用幅度调制，每一个LED发出的光信号在接收端都有一个接收强度与之相对应，将该接收强度称为光信号强度，利用光信号强度直接叠加的特性，利用不同的光信号强度表示数据信息。打开的LED的数目越多，接收信号的幅值越大；此外打开相同数目的LED，如果选取的LED组合情形不同也会使得接收信号的幅值不同，从而通过控制LED灯组中灯的开光状态的组合可以使得接收端上接收到的信号幅值不同，用来表示调制符号信息位。将上述模型应用与室内进行光通信，并对幅度调制的阶数进行自适应调整，包括以下步骤：

(1)发射端利用LED阵列发送导频信号，接收端根据接收到的导频信号估计信道参数和接收信噪比，并将估计结果反馈给发射端，便于发射端控制LED阵列的开关；

(2)发射端根据传输误比特率要求，通常可以认为误比特率要求BER<＝10^-5，系统根据经典幅度调制的误比特率(BER)计算公式获得传输中调制星座所需要满足的最小星座点距离；最小星座点距离的获取，包括以下步骤：

设调制的星座点数为M，平均比特能量E_b，噪声能量为N₀，调制信号为s_m(t)＝A_mg(t)，其中g(t)为脉冲信号，d为幅值递增值，幅值A_m＝0,d,2d,...,(M-1)d，则信噪比SNR的表达式如下：

$SNR=\frac{E_b}{N_0}=\frac{(M-1)(2M-1)}{6{\log }_{2}M}\frac{d^2}{N_0}.$

由蒙特卡洛仿真得到上述调制方式的BER和SNR的关系曲线，在每一特定误比特率BER下，通过曲线找到各调制阶数M所对应的SNR的值。

发射端根据接收端反馈回来的接收信噪比SNR_r、信道信息h和发送功率计算出噪声能量N₀：对于一路LED到接收机而言，接收信号r＝hx+n，其中x为发送的导频信息，n为接收机噪声，h为信道信息，则接收信噪比E_n＝E_hx/SNR_r，其中E_hx表示有效接收信号hx的能量，E_n表示噪声能量。令N₀＝E_n，再由公式计算出不同调制阶数M下d的大小，选取其中的最大值作为最小距离。

接收端接收信号的能量E_r为每一路接收信号幅值的叠加，则接收信噪比的最大值其中，E_rmax为接收端接收信号能量的最大值，A表示发送信号的幅度大小，对每一路LED灯发射信号的幅度均相同，h_i表示第i号LED到接收机的信道衰减，N表示LED灯的总数，即：接收信噪比取最大值时，所有LED灯处于打开状态。其中不同调制阶数M可选择的区间为1～X阶，X为最大调制阶数，即调制阶数为X阶时，误比特率BER所对应的SNR需大于SNR_rmax。

(3)依据最小距离确定调制阶数和最终的星座图，包括以下步骤：

(31)将幅值为0的点作为第一个星座点，将幅值为所述最小星座点距离的点作为第二星座点，并将第二星座点记为当前星座点；定义所述当前星座点对应幅值所需打开的LED灯的最小数目N_min，令N_min初始化为1；

(32)寻找LED灯组合的接收信号幅值中大于当前星座点对应幅值的最小幅值，若找到符合要求的LED灯组，则记录该LED灯组并将当前星座点对应幅值更新为该LED灯组的接收信号幅值，并进行步骤(33)；若找不到符合要求的LED灯组，转到步骤(34)，结束查找；

(33)将所述当前星座点的幅值和最小距离的和作为下一个星座点，并将该星座点设为当前星座点，返回步骤(32)；

(34)将所述第一星座点至当前星座点作为备选星座点，并根据备选星座点的总数确定调制阶数和最终的星座图。

(4)将调制星座点的信息发送给接收端；

(5)发射端完成自适应调制星座点设计并采用设计的调制星座图传输数据，即按照所选择的调制星座图以及所建立的对应关系控制LED阵列开关发送光信号；

(6)接收端根据调制星座信息对接收到的光信号解调接收。

上述步骤(32)中所述寻找LED灯组合的接收信号幅值中大于当前星座点对应幅值的最小幅值，如图2所示，包括以下步骤：

(321)将发射端不同LED灯到接收端的信道衰减值h_i按降序排列得到信道衰减序列H＝{h_i|i＝1,2,...,N}，定义所述当前星座点对应幅值所需打开的LED灯的最小数目N_min和当前星座点对应的幅值stage_now，i表示LED灯的序号；

(322)若发射端所有LED灯打开时，接收端的接收信号幅值小于所述当前星座点对应幅值stage_now，则表示对于当前星座点，无法找到符合要求的LED灯组合，结束寻找；

否则，设置第一中间变量N_now和第二中间变量stage进行LED灯组合的确认，令N_now＝N_min，stage＝stage_now；

用数组u(i),i＝1～N表示LED灯组中每个灯在当前组合下是否被选取使用，u(i)＝0表示i号灯未打开，u(i)＝1表示i号灯已打开，初始化u(i)＝0，N表示发射端LED灯的个数，每个LED灯不能重复打开；

(333)利用二分法从所述信道衰减序列H中选取大于stage/N_now的最小信道衰减值h_i；

若u(i)＝1，则进入步骤(335)；

若u(i)＝0，则令stage＝stage-h_i，N_now＝N_now-1，u(i)＝1；

(334)若stage＜＝0，表示对于当前星座点，已经找到符合要求的LED灯组合，结束寻找；若stage＞0且N_now＞0，继续执行(333)；若stage＞0且N_now＝0，进入步骤(335)；

(335)令N_min＝N_min+1，跳转至(322)。

步骤(34)中所述根据备选星座点的总数确定调制阶数和星座图的过程中，对于备选星座点的总数L，若L＝1，则表明此时没有满足情况的PAM调制；若L≥2，依据给出的规则确定调制阶数和最终的星座图：找出满足式2^k≤L＜2^k+1的最大调制阶数k的值；若L＝2^k，则所有备选星座点为最终确定的星座点；若L＞2^k，实际调制中使用的星座点数为2^k，所以这L个星座点不能全部用上，则选取序号为1～2^k+1-L区间的每个星座点，以及以2为间隔等间隔选取序号为2^k+1-L～L区间的星座点，总共2^k+1-L+(L-(2^k+1-L+2))/2+1＝2^k个备选星座点为最终确定的星座点。

以L＝7为例，共有1，2，3，4，5，6，7共7个星座点，则k＝2，即使用二阶调制，选取其中1，3，5，7作为最终星座点；以L＝6为例，共有1，2，3，4，5，6共6个星座点，则k＝2，即调制阶数为2，选取其中1，2，4，6作为最终星座点。

图3的仿真模型中，LED灯在天花板x轴和y轴上都是均匀分布的，其中X轴和Y轴的两边区间不放置灯，将LED按照图中坐标轴的指示方向的进行顺序编号。将X，Y轴等分9份，两边点不放置灯，中间八个点放置灯组得到表1中64盏LED灯的参数信息。

表1仿真参数表

空间大小(X×Y×Z)	5m×5m×3m
		接收端感光片大小	1.0cm2
LED数目	64
		滤光片增益	1.0
折射率n	1.5
		传输半角	60deg

依据表1的参数按照上述方法进行自适应PAM调制，通过改变接收端(即图中的接收机)的位置来模拟不同场景进行仿真实验。取阵列中靠近中间的位置，取第37盏灯(X轴位置为5，Y轴位置为5)到接收端的信噪比作为参考信噪比。本发明中所有LED灯发射的光信号幅度相同且LED灯不移动，则在接收端位置不变的情况下，每个LED灯到接收端所对应的信道衰减基本不变，所以，当一个LED灯的信噪比确定以后，其他的LED灯的信噪比也就基本确定了，因此，为了仿真图的简单清晰，本实施例的所有仿真图均以参考信噪比作为横坐标。选取分别室内空间的四个典型的位置作为仿真场景，4种场景的接收端位置列表如下表2所示。

表24种场景的接收端位置列表

场景	接收端位置(x,y,z)
		1	(2.0m,2.0m,0.85m)
2	(2.5m,2.5m,0.85m)
		3	(4.0m,2.0m,0.85m)
4	(4.0m,4.0m,0.85m)

图4(a)表示了接收信噪比和参考信噪比的关系，参考信噪比低于0，但是接收信噪比大于10dB，这是因为系统中LED数目高达64，参考信噪比只是其中一个LED到接收端的信噪比；图4(b)中随着参考信噪比的改变，误比特率发生变化但均满足了误比特率要求BER≤10^-3，说明系统在任意信噪比下都满足误比特率的要求；图4(c)中随着参考信噪比的增加，调制阶数也发生变化，可以看出本发明根据信噪比的变化在对PAM的阶数进行自适应调整；图4(d)中随着参考信噪比的增加，频谱利用率也逐渐提高，可以看出通过自适应改变调制阶数可以提高频谱利用率。此处为了方便对比，采用了归一化处理，即：调制阶数为1时的频谱利用率为1bit/s/Hz。

目前常用的非自适应PAM调制过程中，建立星座图与LED灯组合的对应关系，没有考虑误比特率对调制阶数的要求，也没有考虑最小距离的限制，只是简单的映射关系，对编号i＝1～64的LED，以调制阶数k＝2的PAM调制方式为例：所有的LED灯关闭表示信号0，即星座图上的第一星座点，满足imod3＝0的LED灯打开表示信号1，imod3＝1或2的灯打开表示信号2，所有灯打开表示信号3。这样表示了PAM2阶调制所需的四个不同的符号。对于k阶调制，所有灯关闭表示信号0，LED编号imod2^k-1为0的灯打开表示信号1，LED编号imod2^k-1为0、1的灯打开表示信号2，LED编号i中mod2^k-1为0，1，2的表示信号3，依次类推，LED编号i中mod2^k-1为0，1…2^k-2的LED灯打开表示信号2^k-1，即所有的灯都打开。

图5中(a)、(b)、(c)、(d)的结果表明了自适应PAM和非自适应PAM相比所能带来的性能增益，可以看出，非自适应PAM的频谱效率随着SNR比的增长而增长，但当信噪比增长到一定程度后，频率效率增长速度远不如自适应PAM调制；同时可以看出在场景1，2，3，4条件下，自适应PAM调制方式均适用。

对比上述非自适应PAM调制，本发明充分利用了LED阵列带来的空间特性，既充分考虑了星座点之间的最小距离要求，保证每个星座点之间的距离均大于等于最小距离，充分保证了误码率对接收信噪比的要求，提高了系统的鲁棒性。自适应PAM调制的方案降低了对每个LED的工作功率的要求，与SISO系统相比，更低功率的LED就可以满足系统要求。此外，该方案还提升了传输速率和频谱利用率。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (4)

1.一种基于LED阵列的室内光通信自适应脉冲幅度调制方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

(1)接收端根据接收到的导频信号估计信道参数和接收信噪比并反馈给发射端；

(2)发射端根据传输误比特率要求，利用所述信道参数和所述接收信噪比根据幅度调制的误比特率计算公式获取调制星座的最小星座点距离；

(3)根据所述最小星座点距离建立各备选星座点与发射端LED阵列组合的对应关系，并根据所述备选星座点的个数最终确定调制阶数和调制星座图；

(4)发射端按照所述调制阶数和所述对应关系控制LED阵列开关发送光信号；

(5)接收端根据所述调制星座图和所述对应关系对接收到的LED光信号进行解调。

2.根据权利要求1所述的基于LED阵列的室内光通信自适应脉冲幅度调制方法，其特征在于，步骤(3)中所述建立各备选星座点与发射端LED阵列组合的对应关系包括如下步骤：

(31)将幅值为0的点作为第一个星座点，将幅值为所述最小星座点距离的点作为第二星座点，并将第二星座点记为当前星座点；

(32)寻找LED灯组合的接收信号幅值中大于当前星座点对应幅值的最小幅值，若找到符合要求的LED灯组合，则记录该LED灯组并将当前星座点对应幅值更新为该LED灯组的接收信号幅值，并进行步骤(33)；若找不到符合要求的LED灯组，转到步骤(34)，结束查找；

(33)将所述当前星座点对应的幅值和最小距离的和作为下一个星座点，并将该星座点设为当前星座点，返回步骤(32)；

(34)将所述第一星座点至当前星座点作为备选星座点。

3.根据权利要求2所述的基于LED阵列的室内光通信自适应脉冲幅度调制方法，其特征在于，步骤(32)中所述寻找LED灯组合的接收信号幅值中大于当前星座点对应幅值的最小幅值，包括以下步骤：

(321)将发射端不同LED灯到接收端的信道衰减值h_i按降序排列得到信道衰减序列H＝{h_i|i＝1,2,...,N}，i表示LED灯的序号，每个h_i在所述信道衰减序列H中均对应一个降序序号j，设当前星座点对应的幅值为stage_now，当前星座点对应幅值所需打开的LED灯的最小数目为N_min；

(322)若发射端所有LED灯均打开，接收端的接收信号幅值小于所述当前星座点对应幅值stage_now，则当前星座点找不到对应的LED灯组合，结束查找；

否则，设置第一中间变量N_now和第二中间变量stage进行LED灯组合的确认，令N_now＝N_min，stage＝stage_now；

用数组u(i),i＝1～N表示LED灯组中每个灯在当前组合下是否被选取使用，u(i)＝0表示i号灯未打开，u(i)＝1表示i号灯已打开，初始化u(i)＝0，N表示发射端LED灯的个数，每个LED灯不能重复打开；

(333)利用二分法从所述信道衰减序列H中选取大于stage/N_now的最小信道衰减值h_i，包括以下循环步骤：

若u(i)＝0，则进入步骤(334)；

若u(i)＝1，判断j的值，若j＝1，进入步骤(335)；

若j＞1，则令j＝j-1，从信道衰减序列H中序号j之前的序列段中继续选取大于stage/N_now的最小信道衰减值h_i，判断u(i)的值；

(334)令stage＝stage-h_i，N_now＝N_now-1，u(i)＝1，若stage＜＝0，则找到当前星座点对应的LED灯组合，结束查找；若stage＞0且N_now＞0，继续执行(333)；若stage＞0且N_now＝0，进入步骤(335)；

(335)令N_min＝N_min+1，跳转至(322)。

4.根据权利要求2或3所述的基于LED阵列的室内光通信自适应脉冲幅度调制方法，其特征在于，步骤(3)中所述根据所述备选星座点的个数最终确定调制阶数和调制星座图，包括以下步骤：

设所述备选星座点的总数为L，k为最大调制阶数，若L＝1，则表明此时没有满足情况的PAM调制；

若L≥2，则找出满足式2^k≤L＜2^k+1的k值：

若L＝2^k，则所有备选星座点为最终确定的星座点；

若L＞2^k，则选取序号为1～2^k+1-L区间的每个星座点，以及等间隔选取序号为2^k+1-L～L区间的星座点，总共2^k个备选星座点为最终确定的星座点形成调制星座图，所述间隔为2。