CN106911384A - 适用于可见光ocdma通信的二维光地址码的构造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种适用于可见光OCDMA通信的二维光地址码的构造方法，用于解决现有技术中存在的波数选择有限制以及大码集和低互相关值难以兼得的技术问题，实现步骤为：根据素数域上的不可约多项式生成伽罗华域；根据伽罗华域上的二次多项式生成映射序列；根据映射序列将相应波长映射到一维光地址码的脉冲上得到二维光地址码；将二维光地址码进行分组并给每一个可见光通信中的LEDs通信终端分配一组码字。本发明通过伽罗华域上的二次多项式生成映射序列，使得二维光地址码波数的选择更加灵活，并且二维光地址码的分组特使得可见光通信网络既可以容纳更多的用户，又抑制了同一个LEDs照明通信终端覆盖范围下的多用户干扰。

Description

适用于可见光OCDMA通信的二维光地址码的构造方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种可见光光码分多址通信系统中二维光地址码的构造方法，可用于对多用户随机接入、抗干扰和系统容量有较高要求的可见光通信中。
背景技术
基于LEDs照明的可见光通信(Visible Light Communication，VLC)技术，照明的同时可以提供通信。相比其它室内无线通信方式，VLC具有大容量、免频谱申请、抗电磁干扰、安全性高，低成本，绿色环保等的特点，使其适应于更多室内环境。例如，在医院和飞机等禁止电磁波的环境中，电磁波会干扰仪器的正常使用，甚至可能产生严重后果，抗电磁干扰的可见光通信是最好选择。随着互联网技术的高速发展，以信息技术为基础的数字空间急速扩张，室内数据流量正快速增长，利用可见光通信提高室内通信网络性能具有广泛的应用前景。
在可见光通信系统中，多用户处在同一LEDs设备通信覆盖范围，通过同一个LEDs设备传送信息时，需要多址策略保证多用户有效接入和使用网络。可见光通信网络中已有的主流多址复用技术主要包括光时分复用(OTDM)、光波分复用(OWDM)和光码分多址(OCDMA)。OTDM和OWDM系统分别通过给不同用户分配时隙和波长来实现多用户通信。OTDM和OWDM系统有许多不足之处，例如带宽资源利用率较低，要求精准时间同步。OCDMA技术在发送端通过编码器将不同用户的数据比特“1”编码为专属的码字(比特“0”不编码，即为全零码)，来区分不同用户发送的数据，在接收端通过解码器将接收信号与本地码字进行卷积来解码出数据。OCDMA技术能充分利用带宽资源，允许更多的用户随机共享信道。在OCDMA技术的实际应用过程中，构造性能优良的光地址码是主要任务之一。在使用时域上扩频的一维光地址码时，OCDMA系统要容纳更多的用户，必须增加码字长度。码字长度增加则导致用户数据比特率的下降，码片脉冲位的控制难度增大。同时，对于多用户、长码字的OCDMA系统，随着用户数量的增加，多址干扰增大，系统性能下降。为了增加系统的码容量，提升系统性能，需要一种性能更好、码容量更大的地址码。通过在时域扩频/频域跳频对波长片和时间片进行适当组合，在时域和频域同时进行编码和信道复用，可以构造出二维光地址码，能有效提高带宽利用率，大大增加码字容量，提升系统性能。
在二维光地址码构造的研究上，国内外部分学者提出了以下构造方案：
西南交通大学梁宏斌等人在“Constructions of Optimal 2-D OpticalOrthogonal Codes via Generalized Cyclotomic Classes”(Published in IEEETransactions on Information Theory,Volume:61,Issue:1,Page(s):688–695,Jan.2015.)中通过广义割圆类提出了同时具有AM-0PPTS(at most one pulse per-timeslot)和AT-OPPW(at most one pulse per wavelength)限制的二维光正交码(Two-Dimensional Optical Orthogonal Codes，2-D OOCs)，并且通过向同时具有AM-0PPTS和AT-OPPW限制的2-D OOCs添加新的码字，可以很容易的获得具有AT-OPPW限制的2-D OOCs，或者具有AT-OPPW限制的2-D OOCs，但是基于抽象代数理论的构造方法比较复杂，不容易通过编译码器件实现灵活快速编码，并且构造参数之间相互影响，无法通过单独地改变某一个参数而不影响其他参数的情况下，改变码字的性能。
电子科技大学的万生鹏等人在“Two-Dimensional Optical CDMA DifferentialSystem With Prime/OOC Codes”(Published in IEEE Photonics Technology Letters,vol.13,pp.1373–1375,Dec.2001.)中通过结合现有的一维光地址码PCs(Prime Codes)和OOCs，将PCs用于时域扩频，OOCs用于频域跳频，提出了二维组合码Prime/OOCs。这种二维码复杂度低，构造简单，易于实现，但是在构造过程中码长、码重和波数同样相互影响。
Yu-Chei Lin等人在“Construction of Optimal 2D Optical Codes Using(n,w,2,2)Optical Orthogonal Codes”(Published in IEEE Transactions onCommunications,Volume:59,Issue:1,Page(s):194-200,January 2011.)中通过素数序列将不同的波长映射到时域扩频OOCs相应的脉冲“1”上，得到了一种新型的二维光地址码。由于波长的映射规则是由素数序列决定，与用来进行时域扩频的OOCs相互独立。所以在构造MWOOCs过程中，可以通过单独增加码长/波数来提升码字性能，同时还不影响波数/码长的选择。但是该二维光地址码只有在波数为素数时，码集才会达到既定的最大值，即对波数的选择有一定限制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种适用于可见光OCDMA通信的二维光地址码的构造方法，用于解决现有可见光OCDMA通信的二维光地址码的构造方法中存在的波数选择有限制以及大码集和低互相关值难以兼得的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：
(1)从一维光地址码中选出(N,ω,λa＝1,λc＝1)光正交码OOC，其中N为码长，ω为码重，λa为最大自相关旁瓣，λc为最大互相关值；
(2)在素数域ZP＝{0,1,2,......,P-1}上选取一个不可约的n阶多项式q(x)，其中P为素数，n为任意正整数；
(3)求取素数域ZP的多项式集合ZP[x]模多项式q(x)的余环，得到模-q(x)的伽罗华域GF(Pn)＝ZP[x]/(q(x))＝{bn-1xn-1+......+bixi+......+b1x+b0|bi∈ZP,i＝0,1,......,n-1}，其中Pn为伽罗华域GF(Pn)中元素的个数；
(4)对伽罗华域GF(Pn)二次多项式a2x2+a1x+a0中的a2、a1和a0分别取0～Pn-1不同的值，得到(Pn)3个二次多项式，其中a2、a1和a0二次项系数，且a2,a1,a0∈GF(Pn)；
(5)对(Pn)3个二次多项式中的变量x在区间0～Pn-1从小到大依次取不同值，根据所取的值计算每个二次多项式，并将计算的结果按如下方式排列：
(a2·02+a1·0+a0,a2·12+a1·1+a0,......,a2·(Pn-1)2+a1·(Pn-1)+a0)
，得到(Pn)3个用于将不同波长映射到(N,ω,λa＝1,λc＝1)光正交码OOC码字脉冲上的映射序列，其中x∈GF(Pn)；
(6)将步骤(5)生成的映射序列的前ω个元素对应的波长，映射到步骤(1)中选出的(N,ω,λa＝1,λc＝1)光正交码OOC码字的ω个脉冲“1”上，得到码集为Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)3的(L×N,ω,λa＝1,λc＝2)二维光地址码，其中L为波数，且等于伽罗华域GF(Pn)中元素的个数Pn，Φ(N,ω,1,1)OOC为(N,ω,λa＝1,λc＝1)光正交码OOC的码集；
(7)将码集为Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)3的(L×N,ω,λa＝1,λc＝2)二维光地址码分成Pn组码集为Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)2的(L×N,ω,λa＝1,λc＝1)二维光地址码，并为每个LEDs照明通信终端分配一组码集为Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)2的(L×N,ω,λa＝1,λc＝1)二维光地址码。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
第一、本发明由于在生成映射序列的过程中采用了基于伽罗华域的方法，使得二维光地址码波数的选择不再局限于素数，而是拓展到了素数的n次幂，提高了波数选择的自由度。
第二、本发明由于映射序列的生成过程和时域扩频码的选择过程是相互独立的，使得二维光地址码的波数与码长和码重相互独立，故可以通过单独增加码长/波数的方法来提升码字性能，同时还不影响波数/码长的选择。
第三、本发明中二维光地址码具有分组特性，即Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)3个最大互相关值为2的码字可以被分成Pn组码集为Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)2，最大互相关值为1的二维光地址码，最大互相关值为1的二维光地址码能降低误码率，提供更好的通信质量，通过为每个LEDs照明通信终端分配一组最大互相关值为1的二维光地址码，既保证了最多Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)3个用户的同时接入VLC网络，又进一步抑制了同一个LEDs照明通信终端覆盖范围下的多用户干扰。
附图说明
图1是本发明的实现流程框图；
图2是本发明实施例中的室内可见光通信网络模型图。
具体实施方式
下面结合附图和实例，对本发明作进一步的详细描述。
参照图1，本发明包括如下步骤：
步骤1：从一维光地址码中选出(N,ω,λa＝1,λc＝1)光正交码OOC，其中N为码长，ω为码重，λa为最大自相关旁瓣，λc为最大互相关值；
从一维光地址码中选出(40,4,1,1)光正交码OOC作为时域扩频码，其码集为3，以其中的一个码字(1100100000000100000000000000000000000000)为例(简写为11001000000001)。
步骤2：在素数域ZP＝{0,1,2,......,P-1}上选取一个不可约的n阶多项式q(x)，其中P为素数，n为任意正整数；
选取一个在素数域Z2＝{0,1}上不可约的多项式x3+x2+1。
步骤3：求取素数域ZP的多项式集合ZP[x]模多项式q(x)的余环，得到模-q(x)的伽罗华域GF(Pn)＝ZP[x]/(q(x))＝{bn-1xn-1+....+bixi+....+b1x+b0|bi∈ZP,i＝0,1,....,n-1}，其中Pn为伽罗华域GF(Pn)中元素的个数；
求素数域Z2＝{0,1}的多项式集合Z2[x]模x3+x2+1的余环，得到模-x3+x2+1的伽罗华域GF(23)＝{0,1,x,x+1,x2,x2+1,x2+x,x2+x+1}，将GF(23)中的个23元素转化为十进制的形式GF(23)＝{0,1,2,3,4,5,6,7},即对应波长{λ0,λ1,λ2,λ3,λ4,λ5,λ6,λ7}。GF(23)中的元素服从模-x3+x2+1的加法和乘法，其加法表和乘法表分别如表1和表2所示。
表1
0 1 2 3 4 5 6 7
0 0 1 2 3 4 5 6 7
1 1 0 3 2 5 4 7 6
2 2 3 0 1 6 7 4 5
3 3 2 1 0 7 6 5 4
4 4 5 6 7 0 1 2 3
5 5 4 7 6 1 0 3 2
6 6 7 4 5 2 3 0 1
7 7 6 5 4 3 2 1 0
表2
0 1 2 3 4 5 6 7
0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 1 2 3 4 5 6 7
2 0 2 4 6 5 7 1 3
3 0 3 6 5 1 2 7 4
4 0 4 5 1 7 3 2 6
5 0 5 7 2 3 6 4 1
6 0 6 1 7 2 4 3 5
7 0 7 3 4 6 1 5 2
步骤4：对伽罗华域GF(Pn)二次多项式a2x2+a1x+a0中的a2、a1和a0分别取0～Pn-1不同的值，得到(Pn)3个二次多项式，其中a2、a1和a0为二次项系数，且a2,a1,a0∈GF(Pn)；
对GF(23)二次多项式a2x2+a1x+a0中的系数a2、a1和a0分别取{0,1,2,3,4,5,6,7}不同值时，能够得到512个不同的二次多项式。
步骤5：对(Pn)3个二次多项式中的变量x在区间0～Pn-1从小到大依次取不同值，根据所取的值计算每个二次多项式，并将计算的结果按如下方式排列：
(a2·02+a1·0+a0,a2·12+a1·1+a0,......,a2·(Pn-1)2+a1·(Pn-1)+a0)
，得到(Pn)3个用于将不同波长映射到(N,ω,λa＝1,λc＝1)光正交码OOC码字脉冲上的映射序列，其中x∈GF(Pn)；
对变量x分别取{0,1,2,3,4,5,6,7}，计算多项式，其中加法运算需服从表1，乘法运算需服从表2，将计算结果按如下方式进行排列：
(a2·02+a1·0+a0,a2·12+a1·1+a0,......,a2·72+a1·7+a0)
，得到基于GF(23)的512个长度为8的映射序列，详见表3。
表3
步骤6：将步骤(5)生成的映射序列的前ω个元素对应的波长，映射到步骤(1)中选出的(N,ω,λa＝1,λc＝1)光正交码OOC码字的ω个脉冲“1”上，得到码集为Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)3的(L×N,ω,λa＝1,λc＝2)二维光地址码，其中L为波数，且等于伽罗华域GF(Pn)中元素的个数Pn，Φ(N,ω,1,1)OOC为(N,ω,λa＝1,λc＝1)光正交码OOC的码集；
因为步骤1中选出的(40,4,1,1)光正交码OOC码重为4，故截取每个映射序列的前4个元素将相应的波长映射到码字(11001000000001)的4个脉冲“1”上。例如，当a2＝0,a1＝2,a0＝2时，生成的映射序列为{02465713}，故将波长λ0,λ2,λ4,λ6按顺序映射到4个脉冲“1”上后，得到一个码字(λ0λ200λ400000000λ6)。最终得到码集为1536的(8×40,4,1,2)二维光地址码。其中将波长映射到码字(11001000000001)脉冲上，得到的512个(8×40,4,1,2)二维光地址码码字详见表4。
表4
因为波数与码长和码重相互独立，所以可以在不改变时域扩频码(40,4,1,1)OOC的情况下，通过增加波数来获得更大的码集，让更多的用户随机接入和使用VLC网络。例如在不改变时域扩频码(40,4,1,1)光正交码OOC的基础上，将波数增加到9。用在素域Z3＝{0,1,2}上的不可约多项式x2+x+1生成模-x2+x+1的伽罗华域GF(32)，由二次多项式，a2x2+a1x+a0，其中a2,a1,a0,x∈GF(32)，生成映射序列(a2·02+a1·0+a0,a2·12+a1·1+a0,......,a2·82+a1·8+a0)。当二次多项式的系数a2、a1和a0，分别取{0,1,2,3,4,5,6,7,8}不同值时，能够得到729个不同的映射序列。根据映射序列将波长映射到相同的(40,4,1,1)光正交码OOC的码字上后，得到码集为2187的(9×40,4,1,2)二维光地址码。其中将波长映射到码字(11001000000001)上，得到的729个(9×40,4,1,2)二维光地址码码字详见表5。
表5
步骤7：将码集为Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)3的(L×N,ω,λa＝1,λc＝2)二维光地址码分成Pn组码集为Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)2的(L×N,ω,λa＝1,λc＝1)二维光地址码，并为每个LEDs照明通信终端分配一组码集为Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)2的(L×N,ω,λa＝1,λc＝1)二维光地址码，其中将码集为Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)3的(L×N,ω,λa＝1,λc＝2)二维光地址码分成Pn组码集为Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)2的(L×N,ω,λa＝1,λc＝1)二维光地址码，其分组方法为将由二次项系数a2相同的多项式生成的码集为Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)3的(L×N,ω,λa＝1,λc＝2)二维光地址码码字归为一组。
将码集为1536的(8×40,4,1,2)二维光地址码码字分为8组码集为192的(8×40,4,1,2)二维光地址码，每组192个码字都是源自于a2相同的二次多项式。由于具有相同a2的多项式之间交点最多为1，故属于同组的码字之间最大互相关值为1。更小的互相关值能大大减小用户之间的干扰，提升通信质量。而属于不同组码字之间的最大互相关值为2，故属于不同组的用户之间发生碰撞时，会比同组内用户之间发生碰撞时产生更大的多址干扰。如果能设法使不同组的用户之间不发生碰撞，则用户只会遭受到来自单个干扰用户最大为1的多址干扰，这有利于降低误码率，提升系统性能。
单个照明通信终端的照明和通信范围是有限的，因此，室内空间需要多个终端共同完成室内整个面积的照明和通信。给每一个照明通信终端分配一组最大互相关值为1的二维光地址码。由于处于同一个照明通信终端覆盖范围下的用户被分配的二维光地址码码字属于同一组，且不会受到来自不同照明通信终端(被分配了不同组二维光地址码码字)的信号干扰，所以不会受到互相关值为2的碰撞，这能有效降低误码率，提升通信质量。当然单个照明通信终端通信面积是圆形，当各个圆形相切时，有些位置无法通信，因此不同的LEDs终端通信范围应该适当重叠，以保证室内任何位置都能有效通信。但是可以通过设计照明通信终端在室内的分布，在保证室内任何位置都能有效通信的条件下，减小照明通信终端覆盖区域之间的重叠，使不重叠的区域仍然占大部分，因此用户处于重叠区域的概率很小，提出的策略仍能有效抑制多用户之间的干扰。
以图2所示4个LED照明通信终端组成的光照覆盖模型为例，4个照明通信终端的光照区域分别为A、B、C、D。为此通过GF(22)上的二次多项式构造波数为4的二维光地址码，将所有码字按照上述方法分成A、B、C、D四组码集为Φ(N,ω,1,1)OOC16，最大互相关值为1的二维光地址码，并分配给A、B、C、D四个照明通信终端，用于管理各自覆盖范围内的多用户接入和使用VLC网络。每个照明通信终端可以允许最多Φ(N,ω,1,1)OOC16个用户同时和终端进行通信。当用户处于非重叠区域内时，他们只会受到最大会相关值为1的干扰，而不会受到最大会相关值为2的干扰。所以该方法既能保证最多Φ(N,ω,1,1)OOC64个用户同时使用VLC网络，又进一步抑制了VLC网络中的同多用户干扰。

Claims (2)

1.一种适用于可见光OCDMA通信的二维光地址码的构造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)从一维光地址码中选出(N,ω,λa＝1,λc＝1)光正交码OOC，其中N为码长，ω为码重，λa为最大自相关旁瓣，λc为最大互相关值；
(2)在素数域ZP＝{0,1,2,......,P-1}上选取一个不可约的n阶多项式q(x)，其中P为素数，n为任意正整数；
(3)求取素数域ZP的多项式集合ZP[x]模多项式q(x)的余环，得到模-q(x)的伽罗华域GF(Pn)＝ZP[x]/(q(x))＝{bn-1xn-1+......+bixi+......+b1x+b0|bi∈ZP,i＝0,1,......,n-1}，其中Pn为伽罗华域GF(Pn)中元素的个数；
(4)对伽罗华域GF(Pn)二次多项式a2x2+a1x+a0中的a2、a1和a0分别取0～Pn-1不同的值，得到(Pn)3个二次多项式，其中a2、a1和a0为二次项系数，且a2,a1,a0∈GF(Pn)；
(5)对(Pn)3个二次多项式中的变量x在区间0～Pn-1从小到大依次取不同值，根据所取的值计算每个二次多项式，并将计算的结果按如下方式排列：
(a2·02+a1·0+a0,a2·12+a1·1+a0,......,a2·(Pn-1)2+a1·(Pn-1)+a0)，
得到(Pn)3个用于将不同波长映射到(N,ω,λa＝1,λc＝1)光正交码OOC码字脉冲上的映射序列，其中x∈GF(Pn)；
(6)将步骤(5)生成的映射序列的前ω个元素对应的波长，映射到步骤(1)中选出的(N,ω,λa＝1,λc＝1)光正交码OOC码字的ω个脉冲“1”上，得到码集为Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)3的(L×N,ω,λa＝1,λc＝2)二维光地址码，其中L为波数，且等于伽罗华域GF(Pn)中元素的个数Pn，Φ(N,ω,1,1)OOC为(N,ω,λa＝1,λc＝1)光正交码OOC的码集；
(7)将码集为Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)3的(L×N,ω,λa＝1,λc＝2)二维光地址码分成Pn组码集为Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)2的(L×N,ω,λa＝1,λc＝1)二维光地址码，并为每个LEDs照明通信终端分配一组码集为Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)2的(L×N,ω,λa＝1,λc＝1)二维光地址码。
2.根据权利要求1所述的一种适用于可见光OCDMA通信的二维光地址码的构造方法，其特征在于：步骤(7)中所述的将码集为Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)3的(L×N,ω,λa＝1,λc＝2)二维光地址码分成Pn组码集为Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)2的(L×N,ω,λa＝1,λc＝1)二维光地址码，其分组方法为将由二次项系数a2相同的多项式生成的码集为Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)3的(L×N,ω,λa＝1,λc＝2)二维光地址码码字归为一组。
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