CN107466100B - 一种可见光通信中的自适应调制方法 - Google Patents

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＝{M_i|i＝1,...,I}，以及对应的SNR门限集合为Θ＝{Θ_i|i＝1,...,I}，其中，I为调制方式的总数，M₁＜M₂＜...＜M_I，Θ₁＜Θ₂＜...＜Θ_I。

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，P_T为每个子载波平均分配到的发射功率，γ_k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，H_k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γ_k与SNR门限集合中的SNR门限进行对比，若Θ_j＜γ_k＜Θ_j+1且γ_k＜(Θ_j+Θ_j+1)/2,则初始调制方式采用Θ_j对应的M_j，若Θ_j＜γ_k＜Θ_j+1且γ_k＞(Θ_j+Θ_j+1)/2，则初始调制方式采用Θ_j+1对应的M_j+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，g_k表示第k个子载波的功率余量，γ_k表示第k个子载波上的接收信噪比，Θ_k,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g_k＞0的子载波中计算接收端信噪比γ_k与下一SNR门限Θ_k,(s+1)的距离d＝|γ_k-Θ_k,(s+1)|，找到使Δ＝d/|H_k|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M_l,(s+1)，重新计算子载波l的功率余量g_l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g_k＜0的子载波中计算接收端信噪比与上一SNR门限Θ_k,(s-1)的距离d＝|γ_k-Θ_k,(s-1)|，找到使Δ＝d/|H_k|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M_h,(s-1),重新计算子载波h的功率余量g_h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：

P_k＝P_T-g_k

式中，P_k表示第k个子载波的发射功率，g_k表示第k个子载波的功率余量，P_T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

y_k＝H_k x_k+n_k

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H_k是第k个子载波上的频率响应，x_k是第k个子载波上的发送信号，n_k是加性白噪声，N₀是噪声频谱密度。

假设系统发射信噪比为SNR_f，固定发射总功率为P_total，OFDM子载波数为K，使用数据子载波数为N_data，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，P_k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

p_e,k≤p_e,target

式中，b_k、p_e,k分别是第k个子载波上的比特数和误码率，P_target是给定的目标总功率，p_e,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BER_target，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,...,M_I}，调制阶数由低到高，对应的SNR门限为Θ＝{Θ₁,Θ₂,...,Θ_I},Θ₁＜Θ₂＜...＜Θ_I，第k子载波的信噪比为γ_k，若Θ_i＜γ_k＜Θ_i+1，则该子载波选择的调制方式为M_i。但实际上，该子载波的实际信噪比只要满足γ_k＝Θ_i，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Θ_k,s，则信噪比余量为

Λ_k＝γ_k-Θ_k,s

式中，Θ_k,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P_T,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Θ_i＜γ_k＜Θ_i+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M_k+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N_u，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

N_uΔf＜B_C

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＝{M_i|i＝1,...,I}，以及对应的SNR门限集合为Θ＝{Θ_i|i＝1,...,I}，其中，I为调制方式的总数，M₁＜M₂＜...＜M_I，Θ₁＜Θ₂＜...＜Θ_I。

其中，SNR门限值Θ＝{Θ_i|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，P_T为每个子载波平均分配到的发射功率，γ_k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，H_k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γ_k与SNR门限集合中的SNR门限进行对比，若Θ_j＜γ_k＜Θ_j+1且γ_k＜(Θ_j+Θ_j+1)/2,则初始调制方式采用Θ_j对应的M_j，若Θ_j＜γ_k＜Θ_j+1且γ_k＞(Θ_j+Θ_j+1)/2，则初始调制方式采用Θ_j+1对应的M_j+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，g_k表示第k个子载波的功率余量，γ_k表示第k个子载波上的接收信噪比，Θ_k,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g_k＞0的子载波中计算接收端信噪比γ_k与下一SNR门限Θ_k,(s+1)的距离d＝|γ_k-Θ_k,(s+1)|，找到使Δ＝d/|H_k|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M_l,_(s+1)，重新计算子载波l的功率余量g_l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g_k＜0的子载波中计算接收端信噪比与上一SNR门限Θ_k,(s-1)的距离d＝|γ_k-Θ_k,(s-1)|，找到使Δ＝d/|H_k|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M_h,(s-1),重新计算子载波h的功率余量g_h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：

P_k＝P_T-g_k

式中，P_k表示第k个子载波的发射功率，g_k表示第k个子载波的功率余量，P_T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 (7)

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；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g_k＞0的子载波中计算接收端信噪比γ_k与下一SNR门限Θ_k,(s+1)的距离d＝|γ_k-Θ_k,(s+1)|，找到使Δ＝d/|H_k|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M_l,(s+1)，重新计算子载波l的功率余量g_l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g_k＜0的子载波中计算接收端信噪比与上一SNR门限Θ_k,(s-1)的距离d＝|γ_k-Θ_k,(s-1)|，找到使Δ＝d/|H_k|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M_h,(s-1),重新计算子载波h的功率余量g_h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。

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＝{M_i|i＝1,...,I}，以及对应的SNR门限集合为Θ＝{Θ_i|i＝1,...,I}，其中，I为调制方式的总数，M₁＜M₂＜...＜M_I，Θ₁＜Θ₂＜...＜Θ_I。

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：

式中，P_T为每个子载波平均分配到的发射功率，γ_k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，H_k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γ_k与SNR门限集合中的SNR门限进行对比，若Θ_j＜γ_k＜Θ_j+1且γ_k＜(Θ_j+Θ_j+1)/2,则初始调制方式采用Θ_j对应的M_j，若Θ_j＜γ_k＜Θ_j+1且γ_k＞(Θ_j+Θ_j+1)/2，则初始调制方式采用Θ_j+1对应的M_j+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：

式中，g_k表示第k个子载波的功率余量，γ_k表示第k个子载波上的接收信噪比，Θ_k,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：

P_k＝P_T-g_k

式中，P_k表示第k个子载波的发射功率，g_k表示第k个子载波的功率余量，P_T表示每个子载波平均分配时分配到的发射功率。

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：在功率分配时以子带为单位进行功率比特分配。

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