CN107466100A - 一种可见光通信中的自适应调制方法 - Google Patents

一种可见光通信中的自适应调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可见光通信中的自适应调制方法,属于可见光通信技术领域。本发明在给定目标误码率要求下,通过充分利用子载波的功率余量,给每个子载波分配不同的比特与功率,从而使整个系统的传输速率最大。首先,给每个子载波平均分配功率,得到各个子载波的初始调制方式,然后计算每个子载波的功率余量和系统总功率余量,最后调整调制阶数。与现有技术相比,本发明充分利用了各个子载波的功率余量,将传统的固定门限算法与贪婪算法相结合,提出了复杂度较低的改进的固定门限自适应调制算法。同时,由于OFDM系统相邻子载波的频率响应相差的不是太大,为了降低计算复杂度以及减少传输信令,该算法还可以以子带为单位进行功率比特分配。

Description

一种可见光通信中的自适应调制方法
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域,尤其涉及一种可见光通信中的自适应调制方法。
背景技术
可将光通信是一种通过光辐射传输负载信息的新兴技术,以其诸多的优点,成为近年来无线通信领域研究的热点之一,是未来无线接入方案中针对射频技术最有潜力的互补技术。OFDM是可见光通信高速传输的基本调制方法,其中DCO-OFDM方案出现时间早,研究较为成熟,所以在目前大部分的可见光实物系统的实现都是采用的该方案。
由于OFDM系统中频率选择性,系统的误码率性能由幅频响应差的子载波决定。在OFDM技术中,可以根据信道状况的优劣进行自适应传输,在信道条件好的子载波上采取高阶调制,在信道条件差的子载波上采取低阶调制,可以在保证一定系统可靠性的前提下,最大限度的利用无线信道资源。
注水算法虽然是最优的功率分配算法,但复杂度高,分配在子载波上的比特数为任意实数,但在实际系统中,调制时的星座图的种类是有限的,而且分配到子载波上的比特为整数。因此,人们开始研究实用的自适应分配算法。
Hughes-Hartogs提出了贪婪算法,该算法的思想为:比较各个子载波上增加一个比特所需额外的发射功率,选取其最小的子载波,并在该子载波上增加一个比特以及相应的功率,重复此过程直至所有功率都被分配完。这是最优的自适应算法,但是复杂度高。
Chow、Fischer以及Campello等人提出了次优的比特功率分配算法以及在此基础上的改进算法,但是总的来说复杂度还是比较高,不适合在硬件系统中实现。
Grunheid给出了一种基于子带的自适应调制的SBLA算法,即为传统的固定门限算法,大大降低了复杂度的同时还保持了良好的性能。但是该算法采用的是平均分配功率,是会存在功率余量的,因此如果我们为了在满足目标误码率的前提下最大化传输速率,该算法还可以充分利用功率余量,提升性能。
发明内容
发明目的:本发明针对现有技术存在的问题,提供一种可见光通信中的自适应调制方法,本发明充分利用功率余量,将传统的固定门限算法与贪婪算法相结合,复杂度低,易于实现。
技术方案:本发明所述的可见光通信中的自适应调制方法,包括:
(1)获取可提供的调制方式集合以及对应的SNR门限集合;
(2)将总发射功率平均分配到所有子载波上;
(3)根据子载波平均分配到的发射功率计算每个子载波的接收信噪比:
(4)将计算到的每个子载波的接收信噪比与SNR门限集合中的SNR门限进行对比,采用与子载波接收信噪比更接近的SNR门限对应的调制方式作为当前子载波的初始调制方式;
(5)对于每个子载波,根据采用的初始调制方式,计算子载波的功率余量和系统功率余量;
(6)根据系统功率余量,以整个系统的传输速率最大为目标,调整调制方式;
(7)对于每个子载波,根据步骤(6)调整后采用的调制方式,计算子载波的功率余量,并根据功率余量重新计算各子载波的发射功率。
进一步的,步骤(1)具体包括:
获取可提供的调制方式集合M={Mi|i=1,...,I},以及对应的SNR门限集合为Θ={Θi|i=1,...,I},其中,I为调制方式的总数,M1<M2<...<MI,Θ1<Θ2<...<ΘI
进一步的,步骤(3)具体包括:
根据下式计算每个子载波的接收信噪比:
式中,PT为每个子载波平均分配到的发射功率,γk表示第k个子载波上的接收信噪比,k=1,...,K,K是子载波的总数,表示第k个子载波接收端均衡噪声,N0表示噪声频谱密度,Hk是第k个子载波上的频率响应。
进一步的,步骤(4)具体包括:
将计算到的每个子载波的接收信噪比γk与SNR门限集合中的SNR门限进行对比,若Θj<γk<Θj+1且γk<(Θjj+1)/2,则初始调制方式采用Θj对应的Mj,若Θj<γk<Θj+1且γk>(Θjj+1)/2,则初始调制方式采用Θj+1对应的Mj+1,其中,j∈{1,...,I},I为调制方式的总数,k=1,...,K,K是子载波的总数。
进一步的,步骤(5)具体包括:
(5-1)根据下式计算每个子载波的功率余量:
式中,gk表示第k个子载波的功率余量,γk表示第k个子载波上的接收信噪比,Θk,s表示子载波k采取的初始调制方式对应的SNR门限,表示第k个子载波接收端均衡噪声,s∈{1,...,I},I为调制方式的总数,K是子载波的总数。
(5-2)计算所有子载波的功率余量的和作为系统总功率余量G
进一步的,步骤(6)具体包括:
(6-1)若步骤(5)计算的系统总功率余量G=0,则不调整调制方式;
(6-2)若步骤(5)计算的G>0,在功率余量gk>0的子载波中计算接收端信噪比γk与下一SNR门限Θk,(s+1)的距离d=|γkk,(s+1)|,找到使Δ=d/|Hk|2最小的子载波l,将子载波l的调制方式调整为初始调制方式的后一种调制方式Ml,(s+1),重新计算子载波l的功率余量gl以及系统总功率余量G;若重新计算的G>0,则返回执行(6-2),若G=0,则采取最后一次调整时的方案,当G<0,则采取前一次调整时的方案;其中,s∈{1,...,I},I为调制方式的总数,k=1,...,K,l∈{1,...,K},K是子载波的总数;
(6-3)若步骤(5)计算的G<0,则在功率余量gk<0的子载波中计算接收端信噪比与上一SNR门限Θk,(s-1)的距离d=|γkk,(s-1)|,找到使Δ=d/|Hk|2最小的子载波h,将子载波h的调制方式调整为初始调制方式的前一种调制方式Mh,(s-1),重新计算子载波h的功率余量gh以及系统总功率余量G;若重新计算G<0,则返回执行(6-3),若G≥0,则采取最后一次调整时的方案;其中,h∈{1,...,K}。
进一步的,步骤(7)具体包括:
对于每个子载波,根据步骤(6)调整后采用的调制方式,重新计算子载波的功率余量,并根据功率余量重新计算各子载波的发射功率,其中:
Pk=PT-gk
式中,Pk表示第k个子载波的发射功率,gk表示第k个子载波的功率余量,PT表示每个子载波平均分配时分配到的发射功率。
有益效果:本发明与现有技术相比,其显著优点是:本发明提出了一种可见光通信中的自适应调制方法,本发明充分利用功率余量,将传统的固定门限算法与贪婪算法相结合,复杂度低,易于实现,可以在较低复杂度情形下对可见光DCO-OFDM通信系统中的子载波进行比特功率分配,使系统在满足目标误码率的前提下提升传输速率。该发明可以对子载波进行分组,以子带为单位进行分配来降低计算量和减少传输信令,同时可使性能不会有明显损失。
附图说明
图1是本发明的流程示意图;
图2是典型的QAM调制星座图;
图3是AWGN信道下各种调制方式的误码率曲线图。
具体实施方式
一、问题分析
本发明所适用场景如下:可见光DCO-OFDM通信系统中,第k个子载波的接收信号为
yk=Hk xk+nk
每个子载波间相互独立,因此子载波接收端均衡噪声为
式中Hk是第k个子载波上的频率响应,xk是第k个子载波上的发送信号,nk是加性白噪声,N0是噪声频谱密度。
假设系统发射信噪比为SNRf,固定发射总功率为Ptotal,OFDM子载波数为K,使用数据子载波数为Ndata,那么
不同子载波的接收信噪比也就不同,子载波k的接收信噪比为
式中,Pk是第k个子载波上的发射功率。
若对子载波平均分配功率,上式变为
可以对不同的子载波采取不同的调制策略,简单地讲,就是在信道条件好的子载波上采取高阶调制,在信道条件差的子载波上采取低阶调制。
本发明采用的是传输速率最大化准则:在发送总功率P固定的前提下,根据信道的变化进行自适应调制,使系统在满足目标误码率R的要求下使传输速率最大,即
pe,k≤pe,target
式中,bk、pe,k分别是第k个子载波上的比特数和误码率,Ptarget是给定的目标总功率,pe,target是目标误码率。
传统的固定门限算法根据给定的目标误码率BERtarget,每种调制方式有对应的固定SNR门限。这样,给每个子载波平均分配功率,计算每个子载波的信噪比,将该信噪比对于SNR门限,选择满足目标误码率前提下最高阶调制方式。假设有I种调制方式M={M1,M2,...,MI},调制阶数由低到高,对应的SNR门限为Θ={Θ12,...,ΘI},Θ1<Θ2<...<ΘI,第k子载波的信噪比为γk,若Θi<γk<Θi+1,则该子载波选择的调制方式为Mi。但实际上,该子载波的实际信噪比只要满足γk=Θi,就可以满足目标误码率,因而该子载波存在信噪比余量。若该子载波最终采取的调制方式对应的SNR门限为Θk,s,则信噪比余量为
Λk=γkk,s
式中,Θk,s是该子载波最终采取的调制方式对应的SNR门限。
假设初始平均分配给每个子载波的功率为PT,则功率余量为
我们可以在传统固定门限法的基础上充分利用功率余量,减少部分初始化时满足Θi<γk<Θi+1子载波的功率,将功率余量节省下来分配给其他子载波,使它们可以采用调制方式Mk+1,这样就使系统在满足目标误码率的前提下传输比特变多。
关于子带划分,假设给每个子带划分的子载波数为Nu,每个子载波频率间隔为Δf,要保证每个子带的频率范围小于相干带宽,即
NuΔf<BC
这样,子带内的子载波频率响应接近,性能不会有太大恶化。
二、技术方法
为了解决上述技术问题,本发明提供一种可见光通信中的自适应调制方法,如图1所示,包括以下步骤:
(1)获取可提供的调制方式集合以及对应的SNR门限集合。
具体可表示为:获取可提供的调制方式集合M={Mi|i=1,...,I},以及对应的SNR门限集合为Θ={Θi|i=1,...,I},其中,I为调制方式的总数,M1<M2<...<MI,Θ1<Θ2<...<ΘI
其中,SNR门限值Θ={Θi|i=1,...,I}可以由BER近似公式计算,也可以对AWGN信道进行仿真的误码率曲线得到,如图3所示,根据曲线由给定的目标误码率可以得到门限值。调制方式在实际硬件实现系统中大多采用QAM调制方式,典型的如图2所示。
(2)将总发射功率平均分配到所有子载波上。
(3)根据子载波平均分配到的发射功率计算每个子载波的接收信噪比。
具体计算为:根据下式计算每个子载波的接收信噪比:
式中,PT为每个子载波平均分配到的发射功率,γk表示第k个子载波上的接收信噪比,k=1,...,K,K是子载波的总数,表示第k个子载波接收端均衡噪声,N0表示噪声频谱密度,Hk是第k个子载波上的频率响应。
子载波分组后,子带的信噪比可以由子带最差信噪比、平均信噪比、修正均值信噪比等来代表。
(4)将计算到的每个子载波的接收信噪比与SNR门限集合中的SNR门限进行对比,采用与子载波接收信噪比更接近的SNR门限对应的调制方式作为当前子载波的初始调制方式。
步骤(4)具体包括:将计算到的每个子载波的接收信噪比γk与SNR门限集合中的SNR门限进行对比,若Θj<γk<Θj+1且γk<(Θjj+1)/2,则初始调制方式采用Θj对应的Mj,若Θj<γk<Θj+1且γk>(Θjj+1)/2,则初始调制方式采用Θj+1对应的Mj+1,其中,j∈{1,...,I},k=1,...,K。
(5)对于每个子载波,根据采用的初始调制方式,计算子载波的功率余量和系统功率余量。
该步骤具体包括:
(5-1)根据下式计算每个子载波的功率余量:
式中,gk表示第k个子载波的功率余量,γk表示第k个子载波上的接收信噪比,Θk,s表示子载波k采取的初始调制方式对应的SNR门限,表示第k个子载波接收端均衡噪声,s∈{1,...,I},I为调制方式的总数,K是子载波的总数。
(5-2)计算所有子载波的功率余量的和作为系统总功率余量G
(6)根据系统功率余量,以整个系统的传输速率最大为目标,调整调制方式。
该步骤具体包括:
(6-1)若步骤(5)计算的系统总功率余量G=0,则不调整调制方式;
(6-2)若步骤(5)计算的G>0,在功率余量gk>0的子载波中计算接收端信噪比γk与下一SNR门限Θk,(s+1)的距离d=|γkk,(s+1)|,找到使Δ=d/|Hk|2最小的子载波l,将子载波l的调制方式调整为初始调制方式的后一种调制方式Ml,(s+1),重新计算子载波l的功率余量gl以及系统总功率余量G;若重新计算的G>0,则返回执行(6-2),若G=0,则采取最后一次调整时的方案,当G<0,则采取前一次调整时的方案;其中,s∈{1,...,I},k=1,...,K,l∈{1,...,K};
(6-3)若步骤(5)计算的G<0,则在功率余量gk<0的子载波中计算接收端信噪比与上一SNR门限Θk,(s-1)的距离d=|γkk,(s-1)|,找到使Δ=d/|Hk|2最小的子载波h,将子载波h的调制方式调整为初始调制方式的前一种调制方式Mh,(s-1),重新计算子载波h的功率余量gh以及系统总功率余量G;若重新计算G<0,则返回执行(6-3),若G≥0,则采取最后一次调整时的方案;其中,h∈{1,...,K}。
(7)对于每个子载波,根据步骤(6)调整后采用的调制方式,计算子载波的功率余量,并根据功率余量重新计算各子载波的发射功率。
该步骤具体包括:对于每个子载波,根据步骤(6)调整后采用的调制方式,重新计算子载波的功率余量,并根据功率余量重新计算各子载波的发射功率,其中:
Pk=PT-gk
式中,Pk表示第k个子载波的发射功率,gk表示第k个子载波的功率余量,PT表示每个子载波平均分配时分配到的发射功率。
另外,由于OFDM系统相邻子载波的频率响应相差的不是太大,为了降低计算复杂度以及减少传输信令,该算法还可以以子带为单位进行功率比特分配。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已,不能以此来限定本发明之权利范围,因此依本发明权利要求所作的等同变化,仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种可见光通信中的自适应调制方法,其特征在于该方法包括:
(1)获取可提供的调制方式集合以及对应的SNR门限集合;
(2)将总发射功率平均分配到所有子载波上;
(3)根据子载波平均分配到的发射功率计算每个子载波的接收信噪比:
(4)将计算到的每个子载波的接收信噪比与SNR门限集合中的SNR门限进行对比,采用与子载波接收信噪比更接近的SNR门限对应的调制方式作为当前子载波的初始调制方式;
(5)对于每个子载波,根据采用的初始调制方式,计算子载波的功率余量和系统功率余量;
(6)根据系统功率余量,以整个系统的传输速率最大为目标,调整调制方式;
(7)对于每个子载波,根据步骤(6)调整后采用的调制方式,计算子载波的功率余量,并根据功率余量重新计算各子载波的发射功率。
2.根据权利要求1所述的可见光通信中的自适应调制方法,其特征在于:步骤(1)具体包括:
获取可提供的调制方式集合M={Mi|i=1,...,I},以及对应的SNR门限集合为Θ={Θi|i=1,...,I},其中,I为调制方式的总数,M1<M2<...<MI,Θ1<Θ2<...<ΘI
3.根据权利要求1所述的可见光通信中的自适应调制方法,其特征在于:步骤(3)具体包括:
根据下式计算每个子载波的接收信噪比:
<mrow> <msub> <mi>&amp;gamma;</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mi>T</mi> </msub> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>k</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mfrac> </mrow>
式中,PT为每个子载波平均分配到的发射功率,γk表示第k个子载波上的接收信噪比,k=1,...,K,K是子载波的总数,表示第k个子载波接收端均衡噪声,N0表示噪声频谱密度,Hk是第k个子载波上的频率响应。
4.根据权利要求2所述的可见光通信中的自适应调制方法,其特征在于:步骤(4)具体包括:
将计算到的每个子载波的接收信噪比γk与SNR门限集合中的SNR门限进行对比,若Θj<γk<Θj+1且γk<(Θjj+1)/2,则初始调制方式采用Θj对应的Mj,若Θj<γk<Θj+1且γk>(Θjj+1)/2,则初始调制方式采用Θj+1对应的Mj+1,其中,j∈{1,...,I},I为调制方式的总数,k=1,...,K,K是子载波的总数。
5.根据权利要求1所述的可见光通信中的自适应调制方法,其特征在于:步骤(5)具体包括:
(5-1)根据下式计算每个子载波的功率余量:
<mrow> <msub> <mi>g</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;gamma;</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;Theta;</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>,</mo> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>k</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mo>,</mo> <mi>K</mi> </mrow>
式中,gk表示第k个子载波的功率余量,γk表示第k个子载波上的接收信噪比,Θk,s表示子载波k采取的初始调制方式对应的SNR门限,表示第k个子载波接收端均衡噪声,s∈{1,...,I},I为调制方式的总数,K是子载波的总数。
(5-2)计算所有子载波的功率余量的和作为系统总功率余量G
<mrow> <mi>G</mi> <mo>=</mo> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mi>k</mi> </munder> <msub> <mi>g</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>.</mo> </mrow>
6.根据权利要求1所述的可见光通信中的自适应调制方法,其特征在于:步骤(6)具体包括:
(6-1)若步骤(5)计算的系统总功率余量G=0,则不调整调制方式;
(6-2)若步骤(5)计算的G>0,在功率余量gk>0的子载波中计算接收端信噪比γk与下一SNR门限Θk,(s+1)的距离d=|γkk,(s+1)|,找到使Δ=d/|Hk|2最小的子载波l,将子载波l的调制方式调整为初始调制方式的后一种调制方式Ml,(s+1),重新计算子载波l的功率余量gl以及系统总功率余量G;若重新计算的G>0,则返回执行(6-2),若G=0,则采取最后一次调整时的方案,当G<0,则采取前一次调整时的方案;其中,s∈{1,...,I},I为调制方式的总数,k=1,...,K,l∈{1,...,K},K是子载波的总数;
(6-3)若步骤(5)计算的G<0,则在功率余量gk<0的子载波中计算接收端信噪比与上一SNR门限Θk,(s-1)的距离d=|γkk,(s-1)|,找到使Δ=d/|Hk|2最小的子载波h,将子载波h的调制方式调整为初始调制方式的前一种调制方式Mh,(s-1),重新计算子载波h的功率余量gh以及系统总功率余量G;若重新计算G<0,则返回执行(6-3),若G≥0,则采取最后一次调整时的方案;其中,h∈{1,...,K}。
7.根据权利要求1所述的可见光通信中的自适应调制方法,其特征在于:步骤(7)具体包括:
对于每个子载波,根据步骤(6)调整后采用的调制方式,重新计算子载波的功率余量,并根据功率余量重新计算各子载波的发射功率,其中:
Pk=PT-gk
式中,Pk表示第k个子载波的发射功率,gk表示第k个子载波的功率余量,PT表示每个子载波平均分配时分配到的发射功率。
8.根据权利要求1所述的可见光通信中的自适应调制方法,其特征在于:在功率分配时以子带为单位进行功率比特分配。
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