CN105515658A - 一种预编码mimo-oofdm可见光通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种预编码MIMO-OOFDM可见光通信方法，包括：获取室内环境各个用户的信道矩阵；根据室内环境信道矩阵，由BD方法计算每个用户的预编码矩阵；将每个用户的比特数据流使用SM或SPPM调制器进行调制，得到用户的数据向量；根据预编码矩阵P_j生成用户j的预编码后的数据；使用OOFDM对预编码后的数据进行调制，生成每个LED灯上的待传输光信号；在每个用户的接收端对接收光信号进行OOFDM解调恢复；对OOFDM解调后的信号进行恢复；第8步：解调得到每个用户的比特数据流。

Description

一种预编码MIMO-OOFDM可见光通信方法

技术领域

本发明涉及可见光通信(VisibleLightCommunication，VLC)领域，更具体地，涉及一种基于空间调制(SpatialModulation，SM)和空间脉冲位置调制(SpatialPulsePositionModulation，SPPM)的室内多用户预编码(Multi-userPrecoded，MUP)多输入多输出(Multiple-inputMultiple-output，MIMO)光正交频分复用(OpticalFrequencyDivisionMultiplexing，OOFDM)的VLC通信方法。

背景技术

随着时代发展和日常生活中发光二极管(Light-emittingDiode，LED)的广泛应用，基于LED灯的VLC技术逐渐受到各国研究者的青睐并对其展开了研究。VLC的实现主要基于强度调制(IntensityModulation，IM)和直接检测(DirectDetection，DD)技术，利用人眼可忽略的强弱快速变化的光强进行信息的传输。传统无线通信中广泛应用的MIMO技术也凭借其在系统扩容等方面的优势在VLC技术中获得应用，它能有效同时利用多个LED灯实现高速数据传输，提高VLC系统的传输速率。因此，MIMO与技术与VLC技术相结合也逐渐成为当前研究高速VLC通信系统的热点。

在实际的典型室内环境中，通常有多个分布在室内不同位置的用户终端，因此多用户MIMO(MU-MIMO)技术作为MIMO技术的扩展和应用，也有着广泛的研究应用前景。与普通MIMO-VLC系统中所有光检测器(Photodetector，PD)均属于同一个用户终端的情况不同，多用户MIMO-VLC系统支持多个用户终端，每个终端包含一个或多个PD。MU-MIMO系统通过一定的干扰消除算法消除用户间干扰(Multi-userInterference，MUI)使得多个用户终端可以利用相同的LED灯互不干扰地进行通信。当前对室内VLC环境中的MU-MIMO技术研究较少，而由于VLC信道传输特性和VLC相关调制技术的特点，它与传统无线MU-MIMO技术存在一定差异。因此，结合室内VLC信道特点和室内照明实际需求提出恰当的多用户应用方案对室内VLC技术的发展和成熟有着重要意义。

发明内容

本发明在现有的室内MU-MIMO技术的基础上，结合OOFDM技术设计了一种新型的多用户预编码MIMO-OOFDM可见光通信方法，将SM和SPPM技术扩展到多用户场景，利用数据流编号进行信息传递，可有效地提高系统链路的可靠性，获得系统性能的提升。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种预编码MIMO-OOFDM可见光通信方法，包括以下步骤：

第1步：获取室内环境各个用户的信道矩阵；

第2步：根据室内环境信道矩阵，由BD方法计算每个用户的预编码矩阵；

第3步：将每个用户的比特数据流使用SM或SPPM调制器进行调制，得到用户的数据向量；

第4步：根据以下公式生成预编码后的数据；

$f={(f_1,...,f_{N_t})}^H=(P_1,...,P_K){(u_1^H,...,u_K^H)}^H=\underset{j=1}{\overset{K}{\Σ}}\left(P_j{u}_j\right)$

其中u_j为对应于用户j的数据向量，P_j为用户j对应的预编码矩阵；

第5步：使用OOFDM对预编码后的数据进行调制，生成每个LED灯上的待传输光信号；

第6步：在每个用户的接收端对接收光信号进行OOFDM解调恢复；

第7步：对OOFDM解调后的信号进行恢复；

第8步：解调得到每个用户的比特数据流。

优选地，第2步所述预编码矩阵的获取方式为：

令室内房间的天花板上均匀分布N_t个LED灯，房间中有K个用户，每个用户配备有N_r,j个光接收器，光接收器总数目为

设不含第j个用户的用户信道矩阵为该用户信道矩阵是((N_r-N_r,j)×N_t)维，H_j表示第j个用户的(N_r,j×N_t)维信道矩阵；定义该用户信道矩阵的秩为使用奇异值分解SVD方法对该用户信道矩阵进行分解得到：

${\tilde{H}}_j={\tilde{U}}_j{\widetilde{\mathrm{\Λ}}}_j{\left({\tilde{V}}_j^{\left(1\right)}\right|{\tilde{V}}_j^{\left(0\right)})}^H---\left(1\right)$

其中((N_r-N_r,j)×(N_r-N_r,j))维矩阵包含了全部左奇异向量，((N_r-N_r,j)×N_t)维矩阵表示奇异值对角矩阵，维矩阵包含前个右奇异向量，维矩阵包含剩余右奇异向量；

上述用户信道矩阵是行满秩且设N_t＝N_r，故有

定义用户j的等效信道矩阵为应用SVD方法继续对等效信道矩阵进行分解得到：

${\stackrel{\‾}{H}}_j=H_j{\tilde{V}}_j^{\left(0\right)}=U_j{\mathrm{\Λ}}_j{V}_j^{\left(1\right)H}---\left(2\right)$

式(2)中的Λ_j是(N_r,j×N_r,j)维的奇异值对角矩阵，U_j是(N_r,j×N_r,j)维的用于最后解调信号的矩阵，(N_r,j×N_r,j)维的矩阵包含了右奇异向量；

最后获得第j个用户的(N_t×N_r,j)维预编码矩阵P_j，计算如下：

$P_j={\tilde{V}}_j^{\left(0\right)}{V}_j^{\left(1\right)}---\left(3\right).$

优选地，第3步所述使用SM调制器进行调制的方式为：

设用户j的输入数据流为b，将数据流b以n+p比特为组进行划分，每组的数据为[b₁,b₂,…,b_n,b_n+1,…,b_n+p]；前n个比特[b₁,b₂,…,b_n]从信号星座图中选择一个调制符号s，后p个比特[b_n+1,b_n+2,…,b_n+p]选择发送调制符号s的一个数据流编号k，剩余的其它数据流则不发送任何数据；

定义用户j的每用户每符号时间传输比特数m为：

m＝log₂(N_r,jM)(4)

其中N_r,j表示用户j支持的数据流数目，M表示调制符号s的星座图大小；

使用SPPM调制器进行调制时，其调制符号是L-PPM符号，定义用户j的每用户每符号时间传输比特数m为：

m＝log₂(N_r,jL)(5)

其中N_r,j表示用户j支持的数据流数目，L表示PPM符号的时隙数目。

优选地，所述SM调制中的调制符号s可以采用正交幅度调制或移相键控符号。

优选地，第4步中用户j的数据向量u_j是指用户需要传输的比特数据流经过调制器生成对应调制方式的符号数据，该数据向量u_j是(N_r,j×1)维。

优选地，第5步中使用OOFDM调制具体是：

采用直流光偏置正交频分复用调制，应用于每个LED灯上预编码后的频域数据f；

为产生满足可见光通信信道传输条件的实值OOFDM时域信号，DCO-OFDM系统中的频域调制数据点要满足Hermitian共轭对称性，即假设有N个载波和频域调制数据X＝[X₀,X₁,X₂,…,X_N-1]，应满足和X₀＝X_N/2＝0，

第i个LED灯上的频域数据f_i在OFDM调制器中被调制在各个载波上，经过反傅里叶变换后将频域数据转化为对应的时域信号x_0,i(t)，所需的直流偏置大小为其中10log₁₀(ζ²+1)[dB]表示给定的直流偏置强度；x_0,i(t)是一个有正有负的实值信号，且x_0,i(t)的期望满足E{x_0,i(t)}＝0，；在添加直流偏置和削波操作后得到最终满足可见光通信信道传输要求的非负实发射信号x_i(t)≈x_0,i(t)+B_DC,i，其中B_DC,i表示直流偏置的大小；因此第i个LED灯上发射信号的期望为：

E{x_i(t)}≈E{x_0,i(t)+B_DC,i}＝E{x_0,i(t)}+E{B_DC,i}＝B_DC,i(7)

当直流偏置足够大时，削波噪声对信号期望的影响较小，可认为有E{x_i(t)}＝B_DC,i；在采用IM/DD技术的VLC系统中，LED灯所发射光信号的数学期望也即是该灯的平均发射光功率，根据式(7)得第i个LED灯的平均发光功率大小为P_opt.i＝B_DC,i；

按照DCO-OFDM直流偏置添加标准下第i个LED灯的平均发光功率与x_0,i(t)相关，各个LED上x_0,i(t)不同的方差使得该标准下每盏LED灯的发光强度各不相同；而实际中LED灯通常对称安装于室内天花板上，为了保证室内均匀照明一般需要每个LED灯发出的平均光功率P_opt,i(i＝1,·2,…,N_t)相同，因此在一定的直流偏置强度基准下，将所有灯的直流偏置大小均设置为B_DC,max＝max(B_DC,1,B_DC,2,…,B_DC,Nt)，

得到所有N_t个LED灯上的发射光信号x(t)为：

$x\left(t\right)={\left(x_1\right(t),...,x_{N_t}(t\left)\right)}^H---\left(8\right)$

它们满足光功率一致，即：

$P_{opt}=E\left\{x_1\left(t\right)\right\}=E\left\{x_2\left(t\right)\right\}=,...,=E\left\{x_{N_t}\left(t\right)\right\}=B_{DC,max}---\left(9\right)$

每个用户终端的PD用来接收通过光信道的调制光信号；经过可见光通信信道传输后，第q个PD上的接收信号表示为：

$r_q\left(t\right)=R\underset{i=1}{\overset{N_t}{\Σ}}{h}_{qi}{x}_i\left(t\right)+n_q\left(t\right)---\left(10\right)$

其中h_qi表示第i个LED灯与第q个PD之间的信道增益，x_i(t)表示在第i个LED灯上的光信号，n_q(t)表示第q个PD上的零均值加性高斯白噪声，R表示PD的光电转化效率；

LED灯产生的调制光信号经过PD和光电转化处理，光信号被转化为电信号。

优选地，第6步对接收信号进行OOFDM解调得到频域数据，得到第j个用户上的等效接收信号r_j为：

$r_j={\mathrm{RH}}_{j}f+n={\mathrm{RH}}_j{P}_j{u}_j+R\underset{j^{\′}=1,j^{\′}\≠j}{\overset{K}{\Σ}}\left(H_j{P}_{j^{\′}}{u}_{j^{\′}}\right)+n={\mathrm{RU}}_j{\mathrm{\Λ}}_j{u}_j+n---\left(11\right)$

n表示PD上的加性高斯白噪声向量。；

使用矩阵U_j的共轭转置对获得的信号进行处理，得到用户j的数据估计向量如下：

${\tilde{u}}_j=U_j^H{r}_j={\mathrm{RU}}_j^H{U}_j{\mathrm{\Λ}}_j{u}_j+U_j^{H}n={\mathrm{R\Λ}}_j{u}_j+U_j^{H}n---\left(12\right)$

最后进行最大似然解调，解出符号和符号所在的数据流编号，即从可能的符号向量组合中选取与估计信号欧式距离最小的向量组合，s∈{s₁,s₂,…,s_M},k＝1,2,…,N_r,j；其中表示调制符号s在数据流编号k上传输的候选向量组合，也即：

$\{\hat{k},\hat{s}\}=\underset{k,s}{\arg \min }\left|\right|{\tilde{u}}_j-{\mathrm{R\Λ}}_j{u}_j^{k,s}|{|}^2---\left(13\right)$

其中和分别表示估计符号和估计数据流编号。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过将OOFDM技术引入多用户MIMO-VLC系统，构建一种基于SM和SPPM的预编码MIMO-OOFDM-VLC通信方法，同时将SM和SPPM方式扩展到多用户场景。SM和SPPM方案可以利用空间调制的维度提升系统传输速率，同时提高系统链路的稳健性，可有效提高系统的误比特率(BitErrorRate，BER)性能，特别地，SPPM方案利用PPM符号的抗噪声性能，可以进一步改善系统性能，特别是在LED光功率较低时可取得更好的有效频谱效率(EffectiveSpectralEfficiency，ESE)性能。

附图说明

图1是多用户MIMO-OOFDM-VLC系统发射部分和用户终端接收部分示意图。

图2是SM和SPPM调制器示意图。

图3是基于SM和SPPM的多用户预编码MIMO-OOFDM-VLC系统的实施流程图。

图4是不同系统在m＝2时的BER性能曲线对比示意图。

图5是不同系统在m＝2时的ESE性能曲线比较图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明是一种基于SM和SPPM的多用户预编码MIMO-OOFDM可见光通信系统。该系统的框图如图1所示。

不失一般性，假设室内房间的天花板上均匀分布N_t个LED灯，房间中有K个用户，每个用户配备有N_r,j个光接收器，光接收器总数目为下面以此典型场景为例说明本发明的一种具体实施方式。

多用户预编码方法的核心在于将信号在发送端进行处理以消除MUI(多用户干涉)，块对角化方法(BlockDiagonalization，BD)是一种简单的线性预编码方法，它的解码复杂度低，可以方便地应用于小型接收设备中以降低能耗。BD预编码方法的基本原理是设计预编码矩阵用于消除用户间的干扰，为便于后续对本发明的描述，下面首先简述BD方法如下：

定义包含除了第j个用户在外的((N_r-N_r,j)×N_t)维用户信道矩阵H_j表示第j个用户的(N_r,j×N_t)维信道矩阵。定义矩阵的秩为使用奇异值分解(SingularValueDecomposition，SVD)方法对矩阵进行分解得到：

${\tilde{H}}_j={\tilde{U}}_j{\widetilde{\mathrm{\Λ}}}_j{\left({\tilde{V}}_j^{\left(1\right)}\right|{\tilde{V}}_j^{\left(0\right)})}^H---\left(1\right)$

其中((N_r-N_r,j)×(N_r-N_r,j))维矩阵包含了全部左奇异向量，((N_r-N_r,j)×N_t)维矩阵表示奇异值对角矩阵，维矩阵包含前个右奇异向量，维矩阵包含剩余右奇异向量。通常信道矩阵是行满秩且为了最大化利用系统资源一般设N_t＝N_r，故有然后定义用户j的等效信道矩阵为应用SVD方法继续对矩阵进行分解得到：

${\stackrel{\‾}{H}}_j=H_j{\tilde{V}}_j^{\left(0\right)}=U_j{\mathrm{\Λ}}_j{V}_j^{\left(1\right)H}---\left(2\right)$

式(2)中的Λ_j是(N_r,j×N_r,j)维的奇异值对角矩阵，U_j是(N_r,j×N_r,j)维的用于最后解调信号的矩阵，(N_r,j×N_r,j)维的矩阵包含了右奇异向量。最后获得第j个用户的(N_t×N_r,j)维预编码矩阵P_j，计算如下：

$P_j={\tilde{V}}_j^{\left(0\right)}{V}_j^{\left(1\right)}---\left(3\right)$

获得发射预编码矩阵后，就可对用户数据进行预编码处理，而用户数据则由发送端的SM和SPPM调制器完成SM调制或SPPM调制所得到，如图2所示。

SM调制时，设用户j的输入数据流为b，将数据流b以n+p比特为组进行划分，每组的数据为[b₁,b₂,…,b_n,b_n+1,…,b_n+p]。前n个比特[b₁,b₂,…,b_n]从信号星座图中选择一个调制符号s，后p个比特[b_n+1,b_n+2,…,b_n+p]选择发送调制符号s的一个数据流编号k，剩余的其它数据流则不发送任何数据。SM调制中的调制符号s可以采用正交幅度调制(QuadratureAmplitudeModulation，QAM)或移相键控(PhaseShiftKeying，PSK)符号。定义用户j的每用户每符号时间传输比特数m为：

m＝log₂(N_r,jM)(4)

其中N_r,j表示用户j支持的数据流数目，M表示调制符号s的星座图大小。

SPPM调制时，调制符号是L-PPM符号，定义用户j的每用户每符号时间传输比特数m为：

m＝log₂(N_r,jL)(5)

其中N_r,j表示用户j支持的数据流数目，L表示PPM符号的时隙数目。PPM符号将一个符号划分为若干个时隙，利用时隙的位置进行信息传输，这也导致了系统传输带宽或传输时间的增加，系统频谱效率也随之降低。

每个用户需要传输的比特数据流经过调制器生成对应调制方式的符号数据，产生第j个用户调制后的(N_r,j×1)维数据向量u_j。调制后的数据通过预编码被映射到N_t个LED发射机上。使用BD对多用户系统进行预编码后得到的(N_t×1)维频域数据向量为：

$f={(f_1,...,f_{N_t})}^H=(P_1,...,P_K){(u_1^H,...,u_K^H)}^H=\underset{j=1}{\overset{K}{\Σ}}\left(P_j{u}_j\right)---\left(6\right)$

其中u_j为对应于用户j的数据向量，P_j为用户j对应的预编码矩阵。

不失一般性，本实施例中的多用户VLC系统采用直流光偏置正交频分复用(DC-biasedOpticalOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，DCO-OFDM)调制，它应用于每个LED灯上预编码后的频域数据f。也可使用其他的OOFDM调制方式，如ACO-OFDM等。

为产生满足VLC信道传输条件的实值OOFDM时域信号，DCO-OFDM系统中的频域调制数据点要满足Hermitian共轭对称性，即假设有N个载波和频域调制数据X＝[X₀,X₁,X₂,…,X_N-1]，应满足和X₀＝X_N/2＝0， $0<k<\frac{N}{2}.$

第i个LED灯上的频域数据f_i在OFDM调制器中被调制在各个载波上，经过反傅里叶变换(InverseFastFourierTransform，IFFT)后将频域数据转化为对应的时域信号x_0,i(t)，所需的直流偏置大小为其中10log₁₀(ζ²+1)[dB]表示给定的直流偏置强度。x_0,i(t)是一个有正有负的实值信号，且满足E{x_0,i(t)}＝0。在添加直流偏置和削波操作后得到最终满足VLC信道传输要求的非负实发射信号x_i(t)≈x_0,i(t)+B_DC,i，其中B_DC,i表示直流偏置的大小。因此第i个LED灯上发射信号的期望为：

E{x_i(t)}≈E{x_0,i(t)+B_DC,i}＝E{x_0,i(t)}+E{B_DC,i}＝B_DC,i(7)

当直流偏置足够大时，削波噪声对信号期望的影响较小，可认为有E{x_i(t)}＝B_DC,i。在采用IM/DD技术的VLC系统中，LED灯所发射光信号的数学期望也即是该灯的平均发射光功率，根据式(7)得第i个LED灯的平均发光功率大小为P_opt.i＝B_DC,i。在一定的直流偏置基准下，如7dB和13dB时，直流偏置的大小与信号的方差成正比，因此按照传统DCO-OFDM直流偏置添加标准下第i个LED灯的平均发光功率与x_0,i(t)相关，各个LED上x_0,i(t)不同的方差使得该标准下每盏LED灯的发光强度各不相同。而实际中LED灯通常对称安装于室内天花板上，为了保证室内均匀照明一般需要每个LED灯发出的平均光功率P_opt,i(i＝1,·2,…,N_t)相同，因此在一定的直流偏置强度基准下，为了尽可能减少由于DCO-OFDM造成的削波噪声的影响，MU-MIMO-OOFDM-VLC系统应该在满足所需直流偏置最大LED灯的基础上，对其它LED灯采用相同的直流偏置，也即将所有灯的直流偏置大小均设置为这样即可在满足室内均匀照明的同时，也达到了VLC信息传输的目的。最后得到所有N_t个LED灯上的发射光信号x(t)为：

$x\left(t\right)={\left(x_1\right(t),...,x_{N_t}(t\left)\right)}^H---\left(8\right)$

它们满足光功率一致，也即：

$P_{opt}=E\left\{x_1\left(t\right)\right\}=E\left\{x_2\left(t\right)\right\}=,...,=E\left\{x_{N_t}\left(t\right)\right\}=B_{DC,max}---\left(9\right)$

每个用户终端的PD用来接收通过光信道的调制光信号。经过VLC信道传输后，第q个PD上的接收信号可以表示为：

$r_q\left(t\right)=R\underset{i=1}{\overset{N_t}{\&Sigma;}}{h}_{qi}{x}_i\left(t\right)+n_q\left(t\right)---\left(10\right)$

其中h_qi表示第i个LED灯与第q个PD之间的信道增益，x_i(t)表示在第i个LED灯上的光信号，n_q(t)表示第q个PD上的零均值加性高斯白噪声(AdditionWhiteGaussianNoise，AWGN)，R表示PD的光电转化效率。LED灯产生的调制光信号经过PD和光电转化处理，光信号被转化为电信号。接着对接收信号进行OOFDM解调得到频域数据，得到第j个用户上的等效接收信号r_j为：

$r_j={\mathrm{RH}}_{j}f+n={\mathrm{RH}}_j{P}_j{u}_j+R\underset{j^{\&prime;}=1,j^{\&prime;}\&NotEqual;j}{\overset{K}{\&Sigma;}}\left(H_j{P}_{j^{\&prime;}}{u}_{j^{\&prime;}}\right)+n={\mathrm{RU}}_j{\mathrm{\&Lambda;}}_j{u}_j+n---\left(11\right)$

使用公式(2)生成的矩阵U_j的共轭转置对获得的信号进行处理，得到用户j的数据估计向量如下：

${\tilde{u}}_j=U_j^H{r}_j={\mathrm{RU}}_j^H{U}_j{\mathrm{\&Lambda;}}_j{u}_j+U_j^{H}n={\mathrm{R\&Lambda;}}_j{u}_j+U_j^{H}n---\left(12\right)$

最后进行最大似然解调(Maximumlikelihooddetector，MLD)，以较低的复杂度解出符号和符号所在的数据流编号，即从可能的符号向量组合中选取与估计信号欧式距离最小的向量组合，其中表示调制符号s在数据流编号k上传输的候选向量组合，也即：

$\{\hat{k},\hat{s}\}=\underset{k,s}{\arg \min }\left|\right|{\tilde{u}}_j-{\mathrm{R\&Lambda;}}_j{u}_j^{k,s}|{|}^2---\left(13\right)$

其中和分别表示估计符号和估计数据流编号。

基于上述理论设计，图3给出了本实施例的实施流程，即一种预编码MIMO-OOFDM可见光通信方法，其具体过程为：

第1步：得到室内环境各个用户的信道矩阵；

第2步：根据室内环境信道矩阵，由BD方法计算每个用户的预编码矩阵；

第3步：将每个用户的比特数据流使用SM或SPPM调制器进行调制；

第4步：根据预编码矩阵生成预编码后的数据；

第5步：使用OOFDM对数据进行调制，生成每个LED灯上的待传输光信号；

第6步：在每个用户的接收端对接收光信号进行OOFDM解调恢复；

第7步：使用公式对OOFDM解调后的信号进行恢复；

第8步：解调得到每个用户的比特数据流。

为更充分地阐述本发明所具有的有益效果，以下结合仿真分析及结果，进一步对本发明的有效性和先进性予以说明。仿真系统选取典型的室内房间模型，天花板上对称设置N_t＝4个LED灯，用户终端数目K＝2，每个用户终端配备2个PD，也即N_r,1＝N_r,2＝2。为了满足设备小型化的需求，同个用户终端的2个PD间的距离设为10cm。房间模型与噪声量选取与参考文献“Y.Hong,J.Chen,Z.WangandC.Yu,"PerformanceofaprecodingMIMOsystemfordecentralizedmultiuserindoorvisiblelightcommunications",IEEEPhotonicsJournal,vol.5,no.4,pp.7800211-7800211,Aug.2013”中的场景一致。为公平比较，MU-MIMO-OOFDM-SM系统采用二进制相移键控调制(BinaryPhaseShiftKeying，BPSK)，SPPM系统使用2PPM调制，这样每用户每符号传输比特数为m＝2。OOFDM调制部分使用7dB直流偏置强度。

图4给出了本发明所提出的基于SM和SPPM的系统随光功率变化的BER性能曲线，并与基于重复编码(RepetitionCode，RC)和空间复用(SpatialMultiplexing，SMP)的传统VLC系统的性能进行了比较。在m＝2时，RC和SMP分别使用正交相移键控(QuadraturePhaseShiftKeying，QPSK)和BPSK调制。如图4所示，本发明提出的基于SM和SPPM的系统的随光功率变化的BER性能要优于普通系统的BER性能，显示了本方案在提高通信系统传输可靠性的效果。在7dB的直流偏置条件下，在BER为10^-3时，基于SM的系统比基于RC和SMP的系统所需光功率减少约2.4W，而基于SPPM的系统所需光功率比基于SM的系统进一步减少约1.4W。

图5进一步给出了不同系统在m＝2时的归一化有效频谱效率(NormalisedEffectiveSpectralEfficiency，NESE)。基于RC、SMP和SM系统的NESE定义为其中M_f、T和B分别表示每帧有效信息比特数、每帧持续时间、系统带宽，FER则表示误帧率(FrameErrorRate，FER)。而对于基于SPPM的系统，NESE定义为其中L表示SPPM符号的L个时隙。在仿真分析中，每个用户的数据帧帧长取1024个符号，且T·B归一化为1。注意到，DCO-OFDM系统的频谱效率峰值将是相同情况下传统OFDM系统的一半。从图5中可以看出，基于SM的系统中的用户可以获得比基于RC和SMP的系统更好的NESE性能，而虽然基于SPPM的系统的NESE上界仅为基于SM系统的一半，但该系统在LED光功率较低时可取得最佳的NESE性能。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种预编码MIMO-OOFDM可见光通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

第1步：获取室内环境各个用户的信道矩阵；

第2步：根据室内环境信道矩阵，由BD方法计算每个用户的预编码矩阵；

第3步：将每个用户的比特数据流使用SM或SPPM调制器进行调制，得到用户的数据向量；

第4步：根据以下公式生成预编码后的数据；

$f={(f_1,...,f_{N_t})}^H=(P_1,...,P_K){(u_1^H,...,u_K^H)}^H=\underset{j=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}\left(P_j{u}_j\right)$

其中u_j为对应于用户j的数据向量，P_j为用户j对应的预编码矩阵；

第5步：使用OOFDM对预编码后的数据进行调制，生成每个LED灯上的待传输光信号；

第6步：在每个用户的接收端对接收光信号进行OOFDM解调恢复；

第7步：对OOFDM解调后的信号进行恢复；

第8步：解调得到每个用户的比特数据流。

2.根据权利要求1所述的预编码MIMO-OOFDM可见光通信方法，其特征在于，第2步所述预编码矩阵的获取方式为：

令室内房间的天花板上均匀分布N_t个LED灯，房间中有K个用户，每个用户配备有N_r,j个光接收器，光接收器总数目为

设不含第j个用户的用户信道矩阵为该用户信道矩阵是((N_r-N_r,j)×N_t)维，H_j表示第j个用户的(N_r,j×N_t)维信道矩阵；定义该用户信道矩阵的秩为使用奇异值分解SVD方法对该用户信道矩阵进行分解得到：

${\tilde{H}}_j={\tilde{U}}_j{\widetilde{\mathrm{\&Lambda;}}}_j{\left({\tilde{V}}_j^{\left(1\right)}\right|{\tilde{V}}_j^{\left(0\right)})}^H---\left(1\right)$

其中((N_r-N_r,j)×(N_r-N_r,j))维矩阵包含了全部左奇异向量，((N_r-N_r,j)×N_t)维矩阵表示奇异值对角矩阵，维矩阵包含前个右奇异向量，维矩阵包含剩余右奇异向量；

上述用户信道矩阵是行满秩且设N_t＝N_r，故有

定义用户j的等效信道矩阵为应用SVD方法继续对等效信道矩阵进行分解得到：

${\stackrel{\&OverBar;}{H}}_j=H_j{\tilde{V}}_j^{\left(0\right)}=U_j{\mathrm{\&Lambda;}}_j{V}_j^{\left(1\right)H}---\left(2\right)$

式(2)中的Λ_j是(N_r,j×N_r,j)维的奇异值对角矩阵，U_j是(N_r,j×N_r,j)维的用于最后解调信号的矩阵，(N_r,j×N_r,j)维的矩阵包含了右奇异向量；

最后获得第j个用户的(N_t×N_r,j)维预编码矩阵P_j，计算如下：

$P_j={\tilde{V}}_j^{\left(0\right)}{V}_j^{\left(1\right)}---\left(3\right).$

3.根据权利要求1或2所述的预编码MIMO-OOFDM可见光通信方法，其特征在于，第3步所述使用SM调制器进行调制的方式为：

设用户j的输入数据流为b，将数据流b以n+p比特为组进行划分，每组的数据为[b₁,b₂,…,b_n,b_n+1,…,b_n+p]；前n个比特[b₁,b₂,…,b_n]从信号星座图中选择一个调制符号s，后p个比特[b_n+1,b_n+2,…,b_n+p]选择发送调制符号s的一个数据流编号k，剩余的其它数据流则不发送任何数据；

定义用户j的每用户每符号时间传输比特数m为：

m＝log₂(N_r,jM)(4)

其中N_r,j表示用户j支持的数据流数目，M表示调制符号s的星座图大小；

使用SPPM调制器进行调制时，其调制符号是L-PPM符号，定义用户j的每用户每符号时间传输比特数m为：

m＝log₂(N_r,jL)(5)

其中N_r,j表示用户j支持的数据流数目，L表示PPM符号的时隙数目。

4.根据权利要求3所述的预编码MIMO-OOFDM可见光通信方法，其特征在于，所述SM调制中的调制符号s可以采用正交幅度调制或移相键控符号。

5.根据权利要求1所述的预编码MIMO-OOFDM可见光通信方法，其特征在于，第4步中用户j的数据向量u_j是指用户需要传输的比特数据流经过调制器生成对应调制方式的符号数据，该数据向量u_j是(N_r,j×1)维。

6.根据权利要求3所述的预编码MIMO-OOFDM可见光通信方法，其特征在于，第5步中使用OOFDM调制具体是：

采用直流光偏置正交频分复用调制，应用于每个LED灯上预编码后的频域数据f；

为产生满足可见光通信信道传输条件的实值OOFDM时域信号，DCO-OFDM系统中的频域调制数据点要满足Hermitian共轭对称性，即设有N个载波和频域调制数据X＝[X₀,X₁,X₂,…,X_N-1]，应满足和X₀＝X_N/2＝0， $0<k<\frac{N}{2};$

第i个LED灯上的频域数据f_i在OFDM调制器中被调制在各个载波上，经过反傅里叶变换后将频域数据转化为对应的时域信号x_0,i(t)，所需的直流偏置大小为其中10log₁₀(ζ²+1)[dB]表示给定的直流偏置强度；x_0,i(t)是一个有正有负的实值信号，且x_0,i(t)的期望满足E{x_0,i(t)}＝0，；在添加直流偏置和削波操作后得到最终满足可见光通信信道传输要求的非负实发射信号x_i(t)≈x_0,i(t)+B_DC,i，其中B_DC,i表示直流偏置的大小；因此第i个LED灯上发射信号的期望为：

E{x_i(t)}≈E{x_0,i(t)+B_DC,i}＝E{x_0,i(t)}+E{B_DC,i}＝B_DC,i(7)

当直流偏置足够大时，削波噪声对信号期望的影响较小，有E{x_i(t)}＝B_DC,i；根据式(7)得第i个LED灯的平均发光功率大小为P_opt.i＝B_DC,i；

在直流光偏置正交频分复用直流偏置添加标准下，第i个LED灯的平均发光功率与x_0,i(t)相关，各个LED灯上x_0,i(t)不同的方差使得该标准下每盏LED灯的发光强度各不相同；而实际中LED灯通常对称安装于室内天花板上，为了保证室内均匀照明一般需要每个LED灯发出的平均光功率P_opt,i相同，i＝1,·2,…,N_t，因此在一定的直流偏置强度基准下，将所有LED灯的直流偏置大小均设置为 $B_{DC,max}=max(B_{DC,1},B_{DC,2},...,B_{DC,N_t}),$

得到所有N_t个LED灯上的发射光信号x(t)为：

$x\left(t\right)={\left(x_1\right(t),...,x_{N_t}(t\left)\right)}^H---\left(8\right)$

它们满足光功率一致，即：

$P_{opt}=E\left\{x_1\left(t\right)\right\}=E\left\{x_2\left(t\right)\right\}=,...,=E\left\{x_{N_t}\left(t\right)\right\}=B_{DC,max}---\left(9\right)$

每个用户终端的PD用来接收通过光信道的调制光信号；经过可见光通信信道传输后，第q个PD上的接收信号表示为：

$r_q\left(t\right)=R\underset{i=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{qi}{x}_i\left(t\right)+n_q\left(t\right)---\left(10\right)$

其中h_qi表示第i个LED灯与第q个PD之间的信道增益，x_i(t)表示在第i个LED灯上的光信号，n_q(t)表示第q个PD上的零均值加性高斯白噪声，R表示PD的光电转化效率；

LED灯产生的调制光信号经过PD和光电转化处理，光信号被转化为电信号。

7.根据权利要求6所述的预编码MIMO-OOFDM可见光通信方法，其特征在于，第6步对接收信号进行OOFDM解调得到频域数据，得到第j个用户上的等效接收信号r_j为：

$r_j={\mathrm{RH}}_{j}f+n={\mathrm{RH}}_j{P}_j{u}_j+R\underset{j^{\&prime;}=1,j^{\&prime;}\&NotEqual;j}{\overset{K}{\&Sigma;}}\left(H_j{P}_{j^{\&prime;}}{u}_{j^{\&prime;}}\right)+n={\mathrm{RU}}_j{\mathrm{\&Lambda;}}_j{u}_j+n---\left(11\right)$

n表示PD上的加性高斯白噪声向量；

使用矩阵U_j的共轭转置对获得的信号进行处理，得到用户j的数据估计向量如下：

${\tilde{u}}_j=U_j^H{r}_j={\mathrm{RU}}_j^H{U}_j{\mathrm{\&Lambda;}}_j{u}_j+U_j^{H}n={\mathrm{R\&Lambda;}}_j{u}_j+U_j^{H}n---\left(12\right)$

最后进行最大似然解调，解出符号和符号所在的数据流编号，即从可能的符号向量组合中选取与估计信号欧式距离最小的向量组合，s∈{s₁,s₂,…,s_M},k＝1,2,…,N_r,j；其中表示调制符号s在数据流编号k上传输的候选向量组合，也即：

$\{\hat{k},\hat{s}\}=\underset{k,s}{\arg \min }\left|\right|{\tilde{u}}_j-{\mathrm{R\&Lambda;}}_j{u}_j^{k,s}|{|}^2---\left(13\right)$

其中和分别表示估计符号和估计数据流编号。