CN105634648B

CN105634648B - 可见光通信互补码的生成方法及基于该互补码的可见光通信方法

Info

Publication number: CN105634648B
Application number: CN201511029217.6A
Authority: CN
Inventors: 陈晓华; 邱杨; 孟维晓; 林玉信
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2015-12-30
Filing date: 2015-12-30
Publication date: 2018-03-30
Anticipated expiration: 2035-12-30
Also published as: CN105634648A

Abstract

可见光通信互补码的生成方法及基于该互补码的可见光通信方法，涉及无线通信领域。本发明是为了解决传统光通信地址码和电通信地址码无法以理想的相关性直接应用到可见光通信中的问题。本发明给出可见光通信互补码的编码限制条件，在此条件上进行编码设计。考虑子码长度为质数时，使用基于伽罗华域的方式产生子码中1的位置，当子码长度为非质数时，使用码组搜寻的方式产生可见光通信互补码。该方法使用多子码思想，产生的可见光通信互补码继承了互补码在电通信中相关性的优势，同时还解决了当前光通信中使用的地址码面临的检测峰值与干扰折中的一些局限性。

Description

可见光通信互补码的生成方法及基于该互补码的可见光通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域。

背景技术

可见光通信(Visible Light Communications,VLC)是一种结合通信和照明功能的新兴技术，已成为无线通信领域的研究热点。可见光通信作为一种新兴技术，许多关键技术仍在研究探索中。受光纤通信的启发，考虑将CDMA技术应用到可见光通信系统中。

可见光通信CDMA(VLC-CDMA)系统可以保证几个发射机同时传输数据，使多用户同时接入网络。CDMA本身具有扩频系统的优势，具有抗窄带干扰、抗多径衰落、保密安全性高、频率复用系数高、容量和质量之间可做权衡取舍等优势。可见光CDMA技术可以利用其丰富的频谱资源，采用与之相关的地址码来提高系统性能。

由于VLC-CDMA技术是在光域中对信号进行处理，使用的是强度调制/直接检测的调制方式，不存在负的物理量，使得光信号处理采用非负值域(0、1)，这与电域CDMA技术中采用双极性码(-1、1)相比具有本质区别。在电域CDMA技术中使用的扩频码通常具有很好的自相关与互相关性，但是在单极性码中互相关不能保证为零。而传统的光通信地址码通常是为光纤通信系统设计的，具有其自身的局限性，并且，可见光通信系统属于无线通信，使得传统的光通信互补码并不适用。

为了使VLC-CDMA系统的地址码具有良好的自相关与互相关特性，能够使系统精确同步并减少与其他光源LED的干扰即多址干扰(Multiple Access Interference,MAI)，地址码需要满足以下要求：较高的自相关峰值，较低的自相关旁瓣以及较低的互相关峰值。因此，在VLC-CDMA系统中设计出好的地址码是关键技术之一。

发明内容

本发明是为了解决传统光通信地址码和电通信地址码无法以理想的相关性直接应用到可见光通信中的问题，从而提供一种可见光通信互补码的生成方法及基于该互补码的可见光通信方法。

可见光通信互补码的生成方法，它包括以下步骤：

步骤一、将可见光通信互补码表示为：Φ(N,W_M,M,λ_a,λ_c)；、

式中：N是子码长度；W_M是码组权值，即码组中M个子码共含有1的个数，W_M＝M；M是码组中子码的个数；λ_a是自相关的旁瓣下界；λ_c是互相关的干扰下界；

步骤二、设定可见光通信互补码的编码条件：

自相关要求：自相关旁瓣总和为0；

互相关要求：互相关干扰为1；

每个子码中只包含一个1；

子码个数的限制为：2≤M≤N；

任意两个用户码组中，只允许有一组子码中1的位置重复出现，子码中1的相对距离不能重复出现；

步骤三、判断给定的子码长度值是否为质数，如果判断结果为是，则执行步骤三一；如果判断结果为否，则执行步骤三二；

步骤三一、利用伽罗华域计算每个子码中1的位置，作为可见光通信互补码；

每个子码中1的位置表示为：

式中：[ij]_N表示mod N计算，i为用户数，j为子码数；

步骤三二、使用码组搜寻的方式产生可见光通信互补码，具体为：

步骤三二一、产生一个理想自相关的码组矩阵，列数为N^M，行数为NM；

步骤三二二、在步骤三二一中的码组矩阵中找到符合互相关要求的码组，并选定其中一个码组作为第k个用户码，k的初始值为1；

再从其他(NM-1)个码组按先后顺序与选定的第k个用户码来作对比；

并将最首个满足互相关要求的码组，作为第k+1个用户码；

步骤三二三、重复执行步骤三二二，直至找到全部的用户码。

采用上述方法生成的可见光通信互补码的可见光通信方法，

信号发射方法：

步骤A1、将原始信息序列进行信道编码，获得编码后的数据；

步骤A2、将步骤一获得的编码后的数据进行光学调制，获得调制后数据；

步骤A3、利用可见光通信互补码对步骤二中获得的调制后的数据进行VLC-CDMA编码，获得编码后的数据；

步骤A4、将步骤A3获得的编码后的数据以可见光的形式发射至信道；

信号接收方法：

步骤A5、采用光电检测器接收步骤A4发射的可见光，并转换为接收数据；

步骤A6、利用可见光通信互补码对步骤A5的接收数据进行VLC-CDMA译码，获得译码后的数据；

步骤A7、将步骤A6获得的译码后的数据进行光学解调，获得光学解调后的数据；

步骤A8、将步骤A7获得的光学解调后的数据进行信道译码，并输出。

与现有技术相比，本发明获得了以下有益效果：本发明给出了一种可见光通信互补码的编码方法，由于可见光通信领域中码型与传统的无线电通信中不同，所以该方法首先给出可见光通信互补码的编码限制条件，进而将码长分为质数和非质数时分别讨论，给出相应的编码方式。该方法充分利用互补码在电通信中的完美相关性的优势，在可见光通信中进行重新设计，解决了目前光通信中地址码的局限性，具有很大的理论价值和使用价值。

附图说明

图1是可见光通信互补码的生成方法的流程示意图；

图2是可见光通信系统的结构示意图；

图3是具体实施方式一中的自相关旁瓣分析结果仿真示意图；

图4是具体实施方式一中的互相关干扰分析结果仿真示意图；

具体实施方式

具体实施方式一、结合图2说明本具体实施方式，可见光通信互补码的生成方法，它包括以下步骤：

步骤一、将可见光通信互补码表示为：Φ(N,W_M,M,λ_a,λ_c)；、

步骤二、设定可见光通信互补码的编码条件：

自相关要求：自相关旁瓣总和为0；

互相关要求：互相关干扰为1；

每个子码中只包含一个1；

子码个数的限制为：2≤M≤N；

每个子码中1的位置表示为：

式中：[ij]_N表示mod N计算，i为用户数，j为子码数；

并将最首个满足互相关要求的码组，作为第k+1个用户码；

可见光通信互补码表示为Φ(N,W_M,M,λ_a,λ_c)。N是子码长度；W_M是码组权值，即码组中M个子码共含有1的个数，W_M＝M；M是码组中子码的个数；λ_a、λ_c是自相关旁瓣下界和互相关干扰下界。

X、Y为两组可见光通信互补码，每组子码长度均为N，每个子码个数都为M。X表示如式(1)所示，Y表示为式(2)所示，自相关要求和互相关要求分别如式(3)和式(4)所示。

X＝{X₁₀X₁₁…X_1N-1；X₂₀X₂₁…X_2N-1；…；X_M0X_M1…X_MN-1} (1)

Y＝{Y₁₀Y₁₁…Y_1N-1；Y₂₀Y₂₁…Y_2N-1；…；Y_M0Y_M1…Y_MN-1} (2)

可见光通信互补码的设计需要满足以下限制条件：

a)、对相关性的要求，其自相关旁瓣总和为0；

b)、互相关干扰为1；

c)、每个子码中只包含一个1，那么检测峰值等于子码个数，即W_M＝M；

d)、子码个数的限制为2≤M≤N。

下面给出可见光通信互补码编码方法：

由于需要达到理想自相关函数，根据关于可见光通信互补码的设计需要满足以下限制条件，限制每个子码中只含有一个1。另外，任意两个用户码组中，只能有一组子码中1的位置重复出现，并且子码中1的相对距离不能重复出现在其他子码中1的相对距离，这样才能符合互相关干扰为1的限制条件。

具体过程如下：

说明任意两个用户码，子码中1的相对距离不能重复的原因。假设两个可见光互补码用户码，N＝4、M＝4。A＝{1；2；3；4}，B＝{1；3；4；2}。A、B两个用户码中，虽然已经不存在1的位置重复的问题，但第二个子码和第三个子码中1的相对位置相同，在互相关中仍会出现相关值大于1的结果。互相关如式(7)所示。1)、定义可见光通信互补码表示如式(5)所示：

其中，a_i ^(j)表示第i个用户码的第j个子码中1的位置。i＝1-K，j＝1-M，a_i ^(j)在1-N之间。

2)、说明任意两个用户码最多只允许一组码中1的位置重复的原因：

假设两个可见光通信互补码用户码，N＝4、M＝4。A＝{1；1；1；1}，B＝{1；2；1；4}。A、B这两个用户码，在第一和第三子码中1的位置都出现在子码中的第一个位置，这样，A、B作互关时就会出现超过1的相关值，违反了互相关干扰为1的限制。

互相关如式(6)所示。

由式(6)可知，A、B两个用户码有两个子码中1的位置重复导致互相关中就出现超过1的相关值，不符合对互相关的要求。所以在编码时要求子码中1的位置最多重复一次。一般地，为了编码方便，将用户第一子码中1的位置都放在第一个位置，即，a_i ⁽¹⁾＝1；i＝1-K，其后第二个子码到第M个子码中1的位置都不能再重复。

3)、说明任意两个用户码，子码中1的相对距离不能重复的原因：

假设两个可见光互补码用户码，N＝4、M＝4。A＝{1；2；3；4}，B＝{1；3；4；2}。A、B两个用户码中，虽然已经不存在1的位置重复的问题，但第二个子码和第三个子码中1的相对位置相同，在互相关中仍会出现相关值大于1的结果。互相关如式(7)所示：

由于第二子码和第三子码中1的相对距离相同，所以用户A经过移位后会与用户B有两个位置重复，出现了相关值为2，违反了对互相关的限制。

4)、考虑伽罗华域来产生可见光通信互补码各子码中1的位置。伽罗华域表示如式(8)所示。

GF(p)＝{0,1,2,…,p-1},p为质数 (8)

a)、GF(N)＝{0,1,2,···,N-1}，N为质数，i＝0-(N-1)，j＝0-(N-1)；

表1给出了GF(N)在N下的乘法，a⊙b＝cmod N表示a乘以b再mod N，结果为c：

表1 GF(N)在模N下的乘法列表

由表1知，可以将i看成用户数，j看成子码数，而[ij]_N+1后就成了每个子码中1出现的位置，如式(9)所示。[ij]_N表示mod N。

b)、所以GF(N)在模N下的乘法列表可变成各子码中1出现的位置，如表2所示。

表2 GF(N)得到的各子码中1的位置表

由表2可知，任何两用户码(i)，其子码中1的位置都不能违反之前讨论的两个限制：一是每个用户的第一个子码中1放在子码中第一个位置，其后每个子码中1就不再重复出现，二是每个用户码在第j子码中1的位置，是以递加j的方式增加，再mod N，j＝0-(N-1)。所以任意两个用户码的子码中1的相对距离不会重复出现。因此，可以用表3来构造出可见光通信互补码。

c)、以N＝7为例，i＝0-(K-1)，j＝0-(M-1)，给出可见光通信互补码个子码中1的位置，如表3所示。

表3：N＝7时可见光通信互补码中1的位置

由表3可以得到一个结论：当子码码长为质数时，可以用GF(N)模N乘法列表构造出可见光通信互补码，而且不论子码个数为2≤M≤N的任何数，都能找到N个用户码。当子码码长为质数时，用户数等于子码码长，即K＝N。这是因为N为质数，在GF(N)模N乘法列表中，所有元素恰好为{0,1,2,···,(N-1)}，并且都不重复。这一点可以通过表3得知，表3中任意子码，j＝0-(N-1)，所有用户i＝1-(N-1)中，除了在j＝0时，a_i ⁰＝1之外，都没有重复出现。

d)、由此，就可以产生子码长度为质数时的可见光通信互补码。那么，当子码码长为非质数时，GF(N)模N乘法列表中就会出现重复的结果，以N＝6为例进行说明，如表4所示。

表4：N＝6时可见光通信互补码中1的位置

当子码个数为2时，可以找到6个用户，{1,1}、{1,2}、{1,3}、{1,4}、{1,5}、{1,6}。当子码个数为3时，推算第四个用户码的第三个子码时，会发现第四个用户的第三个子码和第一个用户的第三个子码相同，这违反了对互相关的限制，所以必须重新定义第四个用户的第三个子码。

假定第四个用户的第三个子码中，1的位置为x，x∈{1,2,3,4,5,6}。根据第一限制条件，任意两个用户子码不能相同，所以，x≠1,3,5，那么，x∈{2,4,6}。又根据第二个限制条件，子码中1的相对距离不能重复，所以，x≠1,4,5,6，只剩下x＝2这个选择。

然后，继续推算第五个用户码，同样，假定第五用户第三子码中1的位置为y，y∈{1；2；3；4；5；6}。根据任意两个子码不能重复的限制条件，y≠1,2,3,5，所以，y∈{4,6}。又因为子码中1的相对距离不能重复，所以，y≠1,5,6,3，最后，y＝4符合条件。

接下来，推算第六个用户码，假定第六个用户第三个子码中1的位置为z，z∈{1,2,3,4,5,6}。根据第一限制，z≠1,2,3,4,5，又根据子码中1的相对距离不能重复，所以，z≠1,2,4,5,6。因此，找不到符合条件的第三个子码。

最后得到，在子码码长为6、子码个数为3的条件下，最多只能找到五个用户。另外，当子码个数增加为4时，必须重复第三个用户的第四个子码重新定义，可以按照上述子码个数为三时的方法来讨论。同理，子码个数增加到5、6时也按照这种方法来推算得到表5。

表5：N＝6时可见光通信互补码中1的位置

由表5发现，在子码个数为4、5时，能够得到三个用户，而当子码个数增加到6时，只能得到两个用户。因此，得到一个结论：当子码长度为质数N时，不论子码个数为多少，可见光通信互补码都能够支持M个用户，但当子码长度为非质数时，只有在子码个数为2的情况下，用户数等于子码长度，之后，用户数会随着子码个数增加而减少，此时，只能用搜寻的方式来寻找符合条件的码组。

5)、当子码长度为非质数时，无法通过上述方法产生可见光通信互补码，下面给出码组搜寻的方式产生可见光通信互补码的设计方法。由限制条件知每个子码中只有1个1，因此，对于一个子码码长为N、子码个数为M的码组，每个子码都有N个位置可以放1，共有N^M中可能，并且每个码组都是自相关理想的码组。

a)、产生一个理想自相关的码组矩阵。这个码组矩阵就是有上述这N^M种可能的码组，每个码组长度为NM。所以矩阵的列数为N^M，行数为NM；

b)、第二步，可见光通信互补码除了要满足自相关的理想外，在互相关上，任意两个用户码的互相关旁瓣值不能大于1。所以在第二步中着眼于互相关这一点，找到符合互相关要求的码组。由这N^M个理想自相关的码组中，选定其中一个码组作为第一个用户码。然后再从其他(NM-1)个码组顺序与选定的第一个用户码来作对比，看是否满足互相关要求。如果找到符合互相关的码组，就将此码定为第二个用户码。然后再从其他(NM-2)个码组中顺序与选定的用户码来作比对，但第三个用户码则需要和第一、二用户码分别作对比，以保证三个用户码都满足互相关要求。如果找到与第一、第二用户码都满足互相关要求的码组，就将此码组定为第三个用户码。

c)、重复这个动作，就可以找出第四、第五、···、第K个用户的用户码。但需要注意，选择不同的码组作为第一用户码，会得到不用的码组组合，但得到的用户数都是相同的。

为了验证本发明，给出所编可见光通信互补码(VLC-CC)与目前主要使用在光通信中的光正交码(Optical Orthogonal Code，OOC)的相关性比较和分析。光正交码是单一子码形式，其自相关干扰个数为W(W-1)，互相关干扰个数为W²，W为码中1的个数，即码重；可见光通信互补码是多子码结构，在M个子码的条件下，其自相关干扰个数为0，互相关干扰个数为M。定义PG为处理增益，其值为MN，其中M为子码个数，N为子码长度。自相关干扰系数和互相关干扰系数分别如式(10)和(11)所示。

假设PG＝32，w＝4。光正交码(OOC)，C1＝{1 10 13 28}，C2＝{1 5 12 31}，码长N＝32；可见光通信互补码(VLC-CC)，C1＝{1；1；1；1}，C2＝{8；2；3；4}，子码码长N＝8，子码个数M＝4。图3给出自相关分析，图4给出互相关分析。

图3中，OOC_C1＝{1 10 13 28}，VLC-CC_C1＝{1；1；1；1}，PG＝32，OOC为单一子码，VLC-CC子码个数为4；

图4中，OOC_C1＝{1 10 13 28}，OOC_C2＝{1 5 12 31}，VLC-CC_C1＝{1；1；1；1}，VLC-CC_C2＝{8；2；3；4}，PG＝32，OOC为单一子码，VLC-CC子码个数为4；

由图3和图4可以看出，可见光通信互补码(VLC-CC)与光正交码(OOC)在自相关和互相关上都具有优势。可见光通信互补码(VLC-CC)只有在零移位时自相关检测峰值达到最大，为4，并无其他旁瓣干扰产生，而光正交码(OOC)虽然也能达到自相关检测峰值，但其还有其他旁瓣干扰产生，不具有理想的自相关性。在互相关分析中，可见光通信互补码(VLC-CC)由于其多子码结构使得互相关干扰个数要比光正交码(OOC)小很多。通过式(10)和式(11)可以计算出可见光通信互补码(VLC-CC)的自相关干扰系数和互相关干扰系数分别为：r_a＝0，r_c＝0.125，而光正交码(OOC)的自相关干扰系数和互相关干扰系数分别为：r_a＝0.375，r_c＝0.5。由此可见本发明的可见光通信互补码(VLC-CC)在相关性上表现出的优势，具有重要应用价值。

具体实施方式二、采用权利要求1生成的可见光通信互补码的可见光通信方法，其特征是：

信号发射方法：

信号接收方法：

Claims

1.可见光通信互补码的生成方法，其特征是：它包括以下步骤：

步骤一、将可见光通信互补码表示为：Φ(N,W_M,M,λ_a,λ_c)；

式中：N是子码长度；W_M是码组权值，即码组中M个子码共含有1的个数，W_M＝M；M是码组中子码的个数；λ_a是自相关旁瓣下界；λ_c是互相关的干扰下界；

步骤二、设定可见光通信互补码的编码条件：

自相关要求：自相关旁瓣总和为0；

互相关要求：互相关干扰为1；

每个子码中只包含一个1；

子码个数的限制为：2≤M≤N；

每个子码中1的位置表示为：

式中：[ij]_N表示modN计算，i为用户数，j为子码数；

步骤三二一、产生一个理想自相关的码组矩阵，列数为N^M，行数为N*M；

再从其他(NM-1)个码组按先后顺序与选定的第k个用户码作对比；

并将最首个满足互相关要求的码组，作为第k+1个用户码；

2.根据权利要求1所述的可见光通信互补码的生成方法，其特征在于步骤二中，自相关要求：自相关旁瓣总和为0，自相关表达式如下：

<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>&alpha;</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi> </munderover> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>&beta;</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <msub> <mi>X</mi> <mrow> <mi>&alpha;</mi> <mi>&beta;</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>X</mi> <mrow> <mi>&alpha;</mi> <mi>&beta;</mi> <mo>+</mo> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>W</mi> <mi>M</mi> </msub> <mo>,</mo> <mi>l</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mo>&GreaterEqual;</mo> <msub> <mi>&lambda;</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>,</mo> <mn>1</mn> <mo>&le;</mo> <mi>l</mi> <mo>&le;</mo> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>

式中：X为一组可见光通信互补码，表示为：

X＝{X₁₀X₁₁…X_1N-1；X₂₀X₂₁…X_2N-1；…；X_M0X_M1…X_MN-1}

l为移位。

3.根据权利要求1所述的可见光通信互补码的生成方法，其特征在于步骤二中，互相关要求：互相关干扰为1，互相关表达式如下：

<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>&alpha;</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi> </munderover> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>&beta;</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <msub> <mi>X</mi> <mrow> <mi>&alpha;</mi> <mi>&beta;</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>Y</mi> <mrow> <mi>&alpha;</mi> <mi>&beta;</mi> <mo>+</mo> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mo>&GreaterEqual;</mo> <msub> <mi>&lambda;</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>,</mo> <mn>0</mn> <mo>&le;</mo> <mi>l</mi> <mo>&le;</mo> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow>

式中：X为一组可见光通信互补码，表示为：

Y为另一组可见光通信互补码，表示为：

Y＝{Y₁₀Y₁₁…Y_1N-1；Y₂₀Y₂₁…Y_2N-1；…；Y_M0Y_M1…Y_MN-1}。

4.根据权利要求1所述的可见光通信互补码的生成方法，其特征在于步骤三一中，利用伽罗华域计算每个子码中1的位置，作为可见光通信互补码的具体方法是：

伽罗华域表示为：

GF(N)＝{0,1,2,…,N-1}

式中，N为质数，i＝0-(N-1)，j＝0-(N-1)；

对于用户数i，子码数j，则GF(N)在modN下的乘法列表如下表所示：

则将每个子码中1的位置表示为：

<mrow> <msubsup> <mi>a</mi> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mrow> <mo>&lsqb;</mo> <mi>i</mi> <mi>j</mi> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> <mi>N</mi> </msub> <mo>+</mo> <mn>1.</mn> </mrow> 。

5.采用权利要求1生成的可见光通信互补码的可见光通信方法，其特征是：

信号发射方法：

步骤A2、将步骤一获得的编码后的数据进行光学调制，获得光学调制后数据；

步骤A3、利用可见光通信互补码对步骤二中获得的光学调制后的数据进行VLC-CDMA编码，获得编码后数据；

步骤A4、将步骤A3获得的编码后数据以可见光的形式发射至信道；

信号接收方法：