CN106453191A - 一种拥有低峰均功率比的led可见光正交多载波通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拥有低峰均功率比的LED可见光正交多载波通信方法，包括：在发射端，根据可见光通信中OFDM子载波共轭对称的特性，将优化峰均功率比的问题推导转化为一个凸优化的问题；从而可通过通用凸优化的方法计算出预留子载波频域值求解计算出预留子载波频域值；将经过插入预留子载波后的信号经过处理得到时域发射信号；在接收端将信号移除共轭子载波，再通过滤波模块滤除预留子载波，最后经过解调得到接收信号。本发明将传统的子载波预留方法运用到可见光通信中，基于可见光中信道特点，确定预留子载波数目和位置，基于光信道子载波共轭对称的特性进行推导分析，从而解决峰均功率比优化问题。且在DCO‑OFDM系统和ACO‑OFDM系统下均可适用。

Description

一种拥有低峰均功率比的LED可见光正交多载波通信方法

技术领域

本发明涉及一种拥有低峰均功率比的LED可见光自适应多载波通信方法，属于可见光通信系统设计领域。

背景技术

可见光通信(VLC)由于其独特的优势，如高速率、高安全性、具有丰富的不受管制的带宽和环保从而得到了人们的广泛关注。可见光通信最初用开关键控技术实现，为了实现更高的频谱效率，多级正交幅度调制(M-QAM)以及正交频分复用(OFDM)被运用，引入OFDM调制，通过将调制好的符号并行在正交的子载波上发送，可以提供高速数据传输，对抗多径效应。

由于可见光通信(VLC)系统中使用的信号发射器件是LED，使用强度调制/直接检测(IM/DD)，驱动电路必须提供正电压。因此OFDM调制后的时域发射信号需要保证为实值的正信号，这就使得对传统的OFDM调制必须做一些改动才能运用在VLC系统中。实际中两种常用的方法是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)。ACO-OFDM只在奇数子载波上传输调制符号，偶数子载波不发送符号，将经过IFFT得到的时域信号的负数部分丢弃，只保留正值部分。这样既能保证发送的时域信号是正的实信号，又能降低发射功率，节约资源，但是频率利用率较低。DCO-OFDM是将信号在频域子载波上以共轭对称的方式放置，以牺牲一半带宽的代价获取实数的时域信号。并且需要在实数交流信号上加入直流偏置，使得信号变为正值，这种方法实现简单，频率利用率高，是ACO-OFDM的两倍，但是增加了直流功耗。

尽管OFDM有许多优点，与射频通信中的OFDM系统类似，可见光通信中的OFDM系统也存在着信号峰均功率比PAPR过高的问题。PAPR偏高会对发射机端功放的线性度提出很高的要求，在光OFDM系统中，PAPR过高除了对功放以外，还对LED灯的线性度提出更高的要求，由于功放和LED灯非线性特性会导致非线性失真，从而严重降低系统的整体性能。同时，在可见光通信DCO-OFDM系统中，高PAPR还会导致需要的直流偏置增加，从而增大系统功率消耗，

在无线射频通信中已经提出了很多种降低OFDM系统PAPR的方法，如削波(Clipping)，编码(Coding)，选择性映射(SLM)，部分传输序列(PTS)，音调注入(TI)，子载波预留(TR)等。子载波预留(TR)被公认为一个抑制峰均功率比十分有效的技术，其在发送端事先预留出一部分子载波，不用于传输数据，而是用于优化信号的峰均比。可见光通信系统在高频段有着非常低的信噪比，不用于传输数据，因此子载波预留是对可见光系统峰均功率比抑制是一个有效的方法。本发明将子载波预留算法应用到可见光通信中，将问题转化为一个凸优化问题，最终通过凸优化方法求解，能够有效的降低系统的PAPR。本发明在光通信高频段引入部分冗余信息以消除高峰均功率比，接收机只需要增加相应滤波的模块，解调实现较为简单。由于PAPR的明显改善，降低了系统对功放和LED灯线性度的要求，减少了非线性失真，同时也降低了发射端需要增加的直流偏置，提高了系统接收性能，减少了系统功耗。

发明内容

本发明提出了一种拥有低峰均功率比的LED可见光正交多载波通信方法，在采用DCO-OFDM系统和ACO-OFDM系统下均可适用，基于插入预留子载波来降低PAPR的方法，根据可见光通信中OFDM子载波共轭对称的特性，子载波需做共轭映射处理，从而将优化峰均功率比的问题推导转化为一个凸优化的问题；从而可通过通用凸优化的方法计算出预留子载波频域值求解，可以有效的降低系统的PAPR，从而提高传输性能。

技术方案：

一种拥有低峰均功率比的LED可见光正交多载波通信方法，包括：

在发射端，信源产生的二进制比特信息流经过多进制正交幅度调制形成需要发射的频域信号；通过自适应方法确定预留子载波数目和相应的位置；根据可见光通信中OFDM子载波共轭对称的特性对子载波做共轭映射处理，在经调制后的频域信号中插入预留子载波将降低信号峰均功率比问题推导转化为凸优化的问题，通过通用凸优化的方法由经调制后的频域信号计算出预留子载波频域值；将插入预留子载波后的频域信号依次经过共轭映射，N点IFFT变换，加上循环前缀得到时域发射信号；

在接收端，通过光电二极管将接收到的光信号转化为电信号；之后经过放大滤波，通过模数转换，N点FFT变换后去除循环前缀，移除共轭子载波，再通过滤波模块滤除预留子载波，最后经过解调得到接收信号。

所述自适应方法确定预留子载波数目和相应的位置具体如下：

其中，预留的子载波数目为R，b_k表示第k个子载波上传输数据的比特数，λ_DRL为预留子载波带来的传输速率损失率门限；预留子载波相对应的位置下标为

所述光OFDM中子载波映射如下：

其中， 表示在中的补集。

所述将降低信号峰均功率比转化为凸优化的问题具体为：

信号的峰均比可以表示为

其中y＝IDFT{Y_k}，c＝IDFT{C_k}，y[n]为y中第n点值；

为了使信号的峰均比最小，计算出最佳的c_opt值，或等价于最佳的C_opt值，使得信号峰值y+c达到最小；其中，c_opt表示最佳的时域c值，C_opt表示最佳的频域C_k值；c推导得到矩阵形式表示为 其中n＝0,...,N-1，且与分别表示的实部与虚部；

则最小化峰均功率比目标函数变为转化为标准凸优化问题：

求解得到矩阵C_opt。

得到时域发射信号之后若系统为DCO-OFDM系统，则需要加入直流偏置后驱动LED灯发射；若系统为ACO-OFDM系统信号，直接驱动LED灯发射。

本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：

1)在采用DCO-OFDM系统和ACO-OFDM系统的可见光通信下均可适用。且在ACO-OFDM系统中，偶数子载波不用于传输数据，可以很好的利用为抑制峰均功率比的子载波，对系统没有损耗。

2)可见光通信是个低通信道，低信噪比的高频段无法用于传输信息，将高频段预留为抑制峰均功率比的子载波非常合适，传输速率损失DRL可以控制。

3)接收机端只需要增加一个简单的滤波模块即可分离出有用信息频段，从而解调恢复出发送信息，接收机实现简单。

4)低PAPR可以降低系统对功放和LED灯线性度的要求，降低发射机的实现难度，并且降低由于功放和LED灯非线性特性而导致的非线性失真，提高系统的接收性能。

低PAPR也降低了发射所必须加入的直流分量大小，减少了系统功耗。

附图说明

图1是本发明提出的低峰均功率比的可见光OFDM传输方法系统框图。

图2是本发明与普通的光通信OFDM的PAPR互补累计概率分布曲线图。

图3给出了本发明系统信号峰值比例(即使用预留子载波算法后的峰值和未处理的信号峰值之比)随着预留子载波数目增加的变化趋势图。

图4是本发明系统误码率曲线仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1是本发明提出的低峰均功率比的可见光OFDM传输方法系统框图。如图1，本发明拥有低峰均功率比的LED可见光自适应多载波通信方法以如下步骤进行：

1)在发射端，设可见光通信OFDM系统的子载波数为N，其中预留的子载波数目为R，预留的子载波下标可以表示为设b_k表示第k个子载波上传输数据的比特数，λ_DRL为预留子载波带来的传输速率损失率门限。由传输速率损失率DRL不超过λ_DRL为约束条件，通过下式可以自适应地确定最大的预留子载波的数目R和相对应的位置下标

对于DCO-OFDM系统来说，一般预留其信噪比较低的子载波用于峰均功率比的抑制；而对于ACO-OFDM系统来说，由于信源信息只在OFDM前半段频谱的奇数序号子载波上，偶数序号子载波不使用，所以偶数序号子载波可以直接包含于预留子载波中，若仍无法满足信号峰均功率比的要求，可再将用于发送信源信息的奇数序号子载波作为预留子载波。

2)信源产生的二进制数据源经过多进制正交幅度调制(M-QAM)，形成待发送的频域信号M＝[M₀,…,M_N/2-R/2-1]。先假设先前确定的预留的子载波上频域值均为零，插零后的信号为

其中表示在中的补集。

3)为了满足可见光通信基带信号为实值，光OFDM中子载波需要满足共轭对称的性质，为此将OFDM前半部分子载波，即按照下面公式进行映射到后半部分，即从而得到完整的可见光OFDM子载波信号Y_k：

4)频域信号经过N点的IFFT后转为实值的时域OFDM信号y＝IDFT{Y_k}

5)设预留子载波上用于优化峰均功率比的矢量为：C_k，其中：为了满足权利3)，C_k矢量也需要满足共轭对称的原则，即：且C₀与C_N/2必须为实数，为了简化分析，且即C₀与C_N/2不做考虑。

6)信号的峰均比可以表示为

其中y＝IDFT{Y_k}，c＝IDFT{C_k}，y[n]为y中第n点值。

7)由上式可以看出，为了使信号的峰均比最小，我们的目标是计算出最佳的时域c值或等价于最佳的频域C_k值，使得信号峰值y+c达到最小，最佳值我们用相应的c_opt和C_opt表示。其中c的值做如下推导：

其中n＝0,...,N-1，且与分别表示的实部与虚部。

8)上式也可以表示为如下的矩阵形式

其中Q为一个N×R的矩阵

9)最小化峰均比即可表示为因此这个问题就可以转化为线性优化的问题了。继续对上式做如下的推导，上式即等价为

其中为矩阵Q中的第n行，上述N各表示限制表达式又可以写为如下矢量形式：

其中1_N为有N个1的列矢量。对上式进行组合推导，则这个优化问题可以最终表达为下式：

10)使用通用凸优化工具箱CVX解得矩阵由计算得到的叠加到M从而得到最终发射信号X。

11)将经过TI后的信号依次经过共轭映射，N点IFFT变换，加上循环前缀得到时域发送信号。时域信号经过功率放大器以及数模变换器，送往光通信发射模块，若系统为DCO-OFDM系统，则需要加入直流偏置后驱动LED灯发射，ACO-OFDM系统信号可直接驱动LED灯发射。

12)在接收端，光电二极管将光信号转换为时域电信号，经过放大、滤波等模块后，通过模数转换模块，作N点FFT变换后去除循环前缀，得到频域接收信号

13)频域接收信号移除共轭子载波得到再经过滤波模块滤除预留子载波，得到最后进行解调，获得最终的接收符号。

图2给出了未经过处理的光OFDM系统以及使用本方法后可见光OFDM系统PAPR的互补累积分布曲线。系统用于发送有效消息的子载波数固定为N/2-R/2＝128，预留用于峰均功率比抑制的子载波数目分别为R/2＝8，32，64，128，采用16-QAM调制。从曲线中可以观察到采用本方法在10^-3处至少有6dB增益(R/2＝8时)，使用越多的预留子载波，PAPR降低越明显，即本方法可以有效的降低系统的PAPR。

图3给出了峰值比例(即使用预留子载波算法后的峰值和未处理的信号峰值之比)随着预留子载波数目增加的变化趋势，用于发送有效消息的子载波数固定为N/2-R/2＝128。从图中可以看出，随着子载波数目的增加，峰值呈降低趋势，降低到一定程度后，若要取得更低峰值，需要的预留子载波代价就比较大了。

图4给出了本方法的DCO-OFDM系统在可见光信道下的BER性能曲线。用于发送有效消息的子载波数固定为N/2-R/2＝128，预留用于峰均功率比抑制的子载波数目为R/2＝8，采用16-QAM调制。直流偏置分别为2，其中光信噪比为SNR_optical＝E_{b_opt}/N₀，光功率E_{b_opt}＝E[x]＝E[x_AC+x_DC]为信号幅度的期望。从图中可以看到使用本方法降低

PAPR后，使得误码率性能得到了显著的改善，主要是由于减少了由系统中非线性失真而导致的性能损失。

本发明将传统的子载波预留方法运用到可见光通信中，基于可见光中信道特点，确定预留子载波数目和位置，基于光信道子载波共轭对称的特性进行推导分析，从而解决峰均功率比优化问题。且在DCO-OFDM系统和ACO-OFDM系统下均可适用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种拥有低峰均功率比的LED可见光正交多载波通信方法，其特征在于：包括：

在发射端，信源产生的二进制比特信息流经过多进制正交幅度调制形成需要发射的频域信号；通过自适应方法确定预留子载波数目和相应的位置；根据可见光通信中OFDM子载波共轭对称的特性对子载波做共轭映射处理，在经调制后的频域信号中插入预留子载波将降低信号峰均功率比问题推导转化为凸优化的问题，通过通用凸优化的方法由经调制后的频域信号计算出预留子载波频域值；将插入预留子载波后的频域信号依次经过共轭映射，N点IFFT变换，加上循环前缀得到时域发射信号；

在接收端，通过光电二极管将接收到的光信号转化为电信号；之后经过放大滤波，通过模数转换，N点FFT变换后去除循环前缀，移除共轭子载波，再通过滤波模块滤除预留子载波，最后经过解调得到接收信号。

2.根据权利要求1所述的LED可见光正交多载波通信方法，其特征在于：所述自适应方法确定预留子载波数目和相应的位置具体如下：

$DRL=\frac{\underset{r=0}{\overset{R/2-1}{\Σ}}{b}_{i_r}}{\underset{k=0}{\overset{N/2-1}{\Σ}}{b}_k}\≤{\mathrm{\λ}}_{DRL}$

其中，预留的子载波数目为R，b_k表示第k个子载波上传输数据的比特数，λ_DRL为预留子载波带来的传输速率损失率门限；预留子载波相对应的位置下标为

3.根据权利要求1所述的LED可见光正交多载波通信方法，其特征在于：所述共轭映射如下：

$Y_k=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Re}\left(X_0\right),& k=0\\ X_k,& k=1,\mathrm{...},\frac{N}{2}-1\\ \mathrm{Im}\left(X_0\right),& k=\frac{N}{2}\\ X_{N-k}^{*},& k=\frac{N}{2}+1,\mathrm{...},N-1\end{array}\right.$

其中， 表示在中的补集。

4.根据权利要求1所述的LED可见光正交多载波通信方法，其特征在于：所述将降低信号峰均功率比问题推导转化为凸优化的问题具体为：

信号的峰均比可以表示为

$PAPR\{y+c\}=\frac{\left|\right|y+c|{|}_{\mathrm{\∞}}^2}{E\left\{\right|y\[n\]{|}^2\}}$

其中y＝IDFT{Y_k}，c＝IDFT{C_k}，y[n]为y中第n点值；

为了使信号的峰均比最小，计算出最佳的c_opt值，或等价于最佳的C_opt值，使得信号峰值y+c达到最小；其中，c_opt表示最佳的时域c值，C_opt表示最佳的频域C_k值；c推导得到矩阵形式表示为 其中n＝0,...,N-1，且与分别表示的实部与虚部；

则最小化峰均功率比目标函数变为转化为标准凸优化问题：

$\begin{array}{cc}\underset{\hat{C}}{\min }& t\end{array}$

$subjectto:\left(\begin{array}{cc}Q& -1_N\\ -Q& -1_N\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\hat{C}\\ t\end{array}\right)\≤\left(\begin{array}{c}-y\\ y\end{array}\right)$

求解得到矩阵C_opt。

5.根据权利要求1所述的LED可见光正交多载波通信方法，其特征在于：得到时域发射信号之后若系统为DCO-OFDM系统，则需要加入直流偏置后驱动LED灯发射；若系统为ACO-OFDM系统信号，直接驱动LED灯发射。