CN108494484A - 基于ihdaf协议的室内vlc空间调制系统的工作方法 - Google Patents

Abstract

基于IHDAF协议的室内VLC空间调制系统的工作方法，属无线光通信领域。该系统包括信源、中继和目的节点，以半双工模式工作，其通信过程分三步，首先信源发送的信息比特经过串并转换为两部分进入VLC空间调制模块，一部分用来选择发送LED，另一部分被映射为光强调制信号x_q；其次x_q由所选LED发送至中继节点和目的节点，并通过将信源节点到目的节点链路瞬时信噪比γ_sd以及信源节点到中继节点链路瞬时信噪比γ_sr与预先设定的门限阈值SNR_sd和SNR_sr进行比较，选择直传、译码前传或放大前传方案；最后目的节点端对接收信号进行解调恢复。本发明通过协作技术与室内VLC空间调制技术的结合有效降低多LED发送信号间的干扰，改善系统性能。

Description

基于IHDAF协议的室内VLC空间调制系统的工作方法

技术领域

本发明涉及一种基于增量混合式译码放大前传(IHDAF)协议的室内VLC空间调制系统的工作方法，属于无线光通信领域。

背景技术

近年来，随着我国通信技术的蓬勃发展，终端用户的需求日益增长，用户对无线传输的速率和质量有了更高的要求，这使得通信领域的频谱资源日益紧缺。可见光通信技术作为一种新型的无线通信技术，具有通信容量高、传输带宽大、传输速率快、抗干扰能力强以及保密性好等优点。由于光总是沿直线传播的，因此其透过障碍物继续传播的能力较弱，协作通信技术可以很好的解决这一问题。空间调制技术作为一种新型的多天线传输技术，在发送端激活一根天线传输数据，可以有效的避免了信道间干扰(ICI)和天线间同步问题。基于IHDAF协议的室内VLC空间调制的通信系统充分利用了可见光通信技术、协作通信技术以及空间调制技术的优点，在有效提升系统的性能的同时，可以进一步提高系统信息速率，是当前无线光通信传输技术领域的研究热点。

Hongming Yang等(参见Hongming Yang and Ashish Pandharipande，“Full-duplex relay VLC in LED lighting triangular system topology，”2014 6thInternational Symposium on Communications，Control and Signal Processing(ISCCSP)，pp.85-88，Aug.2014)提出了基于AF协议和DF协议下的VLC协作通信，理论分析了协作通信对VLC系统的影响以及中继节点对系统误码率的影响。Ruowen Bai等(参见RuowenBai；Rui Jang；Jiandong Tan；Jinguo Quan，“Performance comparison of VLC MIMOtechniques considering indoor illuminance with inclined LEDs，”2016 IEEEInternational Conference on Wireless for Space and Extreme Environments(WiSEE)，pp.105-110，Mar.2016)提出了基于可见光系统的多天线技术，多天线技术可以通过系统的空间位置信息承载发送数据，有效的提高了系统的传输速率。Omer Narmanlioglu等(参见Omer Narmanlioglu，Refik Caglar Kizilirmak，Farshad Miramirkhani，MuratUysal，“Cooperative Visible Light Communications With Full-Duplex Relaying，”IEEE Photonics Journal，DOI：10.1109/JPHOT.2017.2708746，May 2017)提出了基于AF协议的室内可见光协作通信，从理论上分析了发送平均能量以及信源节点和中继节点的能量分配对系统性能的影响。以上方案在中继选择的方式上不够灵活，信道状态不好的情况下会出现通信中断，使得系统的使用场景受到了一定的限制，不能有效的提高系统的性能。

发明内容

根据现有技术和解决方案的缺点和不足，本发明提供了一种适应性更强，性能更好的基于IHDAF(增强混合译码放大前传)的室内VLC空间调制系统的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于IHDAF协议的室内VLC空间调制系统的工作方法，该系统包括一个信源节点、一个中继节点和一个目的节点，信源节点和中继节点配备N_t＝2ⁿ个发送LED，其中n表示N_t个发送LED可承载的信息比特数，中继节点和目的节点配备一个光电检测器，系统工作在半双工模式下，其数据传输过程主要分为三个步骤：首先，信源信息比特经过串并转换为两部分进入空间调制模块，一部分用来选择发送LED，另一部分被映射为传统的M阶光强调制信号x_q＝I_mw(t)，其中m＝1，2，...，M，m和I分别表示光强级数和光强系数，w(t)表示单位幅度的可见光波形；其次，x_q由所选发送LED传送至中继节点和目的节点，并通过将信源节点到目的节点链路瞬时信噪比γ_sd以及信源节点到中继节点链路瞬时信噪比γ_sr与预先设定的对应链路信噪比门限阈值SNR_sd和SNR_sr分别进行比较，选择相应的直接传输、译码前传或放大前传方案；最后，目的节点端的光电检测器对接收信号进行解调恢复，得到原始信号，该方法的具体步骤如下：

1)信源信息按照(log₂N_t+log₂M)个比特经过串并分组转换为两部分进入信源节点的空间调制部分，其中第一部分log₂N_t个比特信息用来选择发送LED，其序号记为l，另一部分log₂M个比特信息用来映射M阶光强调制信号x_q，经过空间调制后的发射信号向量可以表示为x＝[0，0，...，0，x_q，0，...，0]^T，其中x_q位于向量x的第l个位置，T表示向量的转置；

2)第一通信时隙，信源节点通过被激活发送LED，将光强调制信号x_q向中继节点和目的节点广播，目的节点接收到的信号可表示为其中h^sd表示信源节点到目的节点的信道系数向量；表示信源第l个发送LED到目的节点的信道系数，其表达式为其中A_r表示目的节点光电检测器的有效接收面积、d表示信源第l个发送LED到目的节点光电检测器的有效距离、Φ表示信源第l个发送LED到目的节点光电检测器的俯视角度、Ψ表示目的节点光电检测器到信源第l个发送LED的仰视角度、m₁的表达式为其中Φ_1/2表示信源第l个发送LED的半角功率；n^sd表示信源节点到目的节点的信道噪声向量；中继节点接收到的信号表示为其中h^sr表示信源节点到中继节点的信道系数向量；表示信源第l个发送LED到中继节点的信道系数，其表达式为其中A′_r表示中继节点光电检测器的有效接收面积、d′表示信源第l个发送LED到中继节点光电检测器的有效距离、Φ′表示信源第l个发送LED到中继节点光电检测器的俯视角度、Ψ′表示中继节点光电检测器到信源第l个发送LED的仰视角度；n^sr表示信源节点到中继节点的信道噪声，转入下一步；

3)目的节点将信源节点到目的节点链路上的瞬时信噪比γ_sd同预先设定的对应链路噪比门限值SNR_sd相比较，如果γ_sd≥SNR_sd，则转入下一步，否则转入步骤5)，其中 表示均值为零的高斯随机噪声的方差，另外γ_sr和γ_rd分别表示信源节点到中继节点链路和中继节点到目的节点链路上的瞬时信噪比，分别记为和其中P_s＝δP和P_R＝(1-δ)P分别表示信源节点和中继节点的发送功率，P表示系统总功率，δ表示功率分配系数，和分别表示信源第l个发送LED到目的节点之间、信源第l个发送LED到中继节点之间和中继节点第个发送LED到目的节点之间的信道系数模值的平方；

4)当γ_sd≥SNR_sd时，直传链路信道状况较好，目的节点可正确译码，则中继节点无需参与协作，信源节点采用直接传输的方式，并在下一个时隙传输新的信息；目的节点对接收信号利用最大似然算法进行检测和解调恢复，即其中||²表示模值的平方，l′和x′_q分别表示目的节点经过最大似然检测后得到的发送LED序号和调制信号，表示求有最小值时所对应的发送LED序号及对应光强调制信号；

5)当γ_sd＜SNR_sd时，此时直传链路信道状态较差，目的节点不能正确译码，则需要中继节点参与协作，中继节点将信源节点到中继节点链路的瞬时信噪比γ_sr与对应链路上设定信噪比门限值SNR_sr相比较，如果γ_sr≥SNR_sr，则转入下一步，否则转入步骤7)；

6)当γ_sr≥SNR_sr时，中继节点在第二个时隙采用译码前传的协作方式，目的节点将第一时隙和第二时隙接收到的信号合并后，采用最大似然检测对原信号进行解调恢复，并在下一时隙传输新的信息，其具体过程如下：

(1)中继节点对接收信号利用最大似然检测，即进行解调恢复，并将解调恢复后的调制信号x_q通过第个发送LED发送给目的节点，其中和x_q分别表示中继节点经最大似然检测后得到的信源发送LED序号和调制信号；

(2)在第二个时隙，目的节点接收到的来自中继节点的信号可以表示为其中表示中继节点第个发送LED到目的节点之间的信道系数，n^rd为中继节点与目的节点之间的信道噪声；

(3)目的节点将来自信源节点和中继节点的信号合并后进行检测，合并后信号及最大似然检测公式可分别表示为其中表示中继节点采用译码前传协议时的有效信道系数，和分别表示目的节点经最大似然检测后得到的信源发送LED序号和调制信号；

7)当γ_sr＜SNR_sr时，中继节点在第二个时隙采用放大前传的协作方式，目的节点将第一时隙和第二时隙接收到的信号合并后采用最大似然检测对原信号进行解调恢复，并在下一时隙传输新的信息，其具体过程如下：

(1)中继节点将接收信号放大，并选择一个到目的节点信道状况最好的LED作为中继节点的发送LED，通过该LED将放大后的信号发送给目的节点；

(2)在第二个时隙，目的节点接收到的来自中继节点的信号可以表示为其中表示放大因子，此时表示中继节点所选发送LED到目的节点链路的信道系数为最大，n^rd表示中继节点到目的节点间的信道噪声；

(3)目的节点将接收到的来自信源节点和中继节点的信号合并后进行检测，合并后的信号以及最大似然检测公式可分别表示为其中表示中继节点采用放大前传协议时的有效信道系数，和分别表示目的节点通过最大似然检测后得到的信源发送LED序号和调制信号。

本发明基于室内VLC协作通信的基础之上，结合了一种基于中继协议切换的增量混合译码放大前传方案，提出了一种更符合实际情况的室内可见光协作通信系统，根据反馈的信道状态信息选择出相应的通信协作方案，与基于固定协议的室内可见光协作通信相比，该方案具有较强的适用性并且更较为明显的提升系统性能。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图。

图2是本发明的系统中中断概率性能仿真图。由图2可以看出本发明的系统所示信噪比范围内的中断概率性能明显优于基于放大前传的和基于译码前传的室内VLC协作空间调制方法。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例：

本发明实施例如下：一种基于IHDAF协议的室内VLC空间调制系统的工作方法，如图1所示，该系统包括一个信源节点、一个中继节点和一个目的节点，信源节点和中继节点配备N_t＝2ⁿ个发送LED，其中n表示N_t个发送LED可承载的信息比特数。中继节点和目的节点配备一个光电检测器，系统工作在半双工模式下，其数据传输过程主要分为三个步骤：首先，信源信息比特经过串并转换为两部分进入空间调制模块，一部分用来选择发送LED，另一部分被映射为传统的M阶光强调制信号x_q＝I_mw(t)，其中m＝1，2，...，M，m和I分别表示光强级数和光强系数，w(t)表示单位幅度的可见光波形；其次，x_q由所选发送LED传送至中继节点和目的节点，并通过将信源节点到目的节点链路瞬时信噪比γ_sd以及信源节点到中继节点链路瞬时信噪比γ_sr与预先设定的对应链路信噪比门限阈值SNR_sd和SNR_sr分别进行比较，选择相应的直接传输、译码前传或放大前传方案；最后，目的节点端的光电检测器对接收信号进行解调恢复，得到原始信号，该设计方法的具体步骤如下：

1)信源信息按照(log₂N_t+log₂M)个比特经过串并分组转换为两部分进入信源节点的空间调制部分，其中第一部分log₂N_t个比特信息用来选择发送LED，其序号记为l，另一部分log₂M个比特信息用来映射M阶光强调制信号x_q，经过空间调制后的发射信号向量可以表示为x＝[0，0，...，0，x_q，0，...，0]^T，其中x_q位于向量x的第l个位置，T表示向量的转置；

2)第一通信时隙，信源节点通过被激活发送LED，将光强调制信号x_q向中继节点和目的节点广播，目的节点接收到的信号可表示为其中h^sd表示信源节点到目的节点的信道系数向量；表示信源第l个发送LED到目的节点的信道系数，其表达式为其中A_r表示目的节点光电检测器的有效接收面积、d表示信源第l个发送LED到目的节点光电检测器的有效距离、Φ表示信源第l个发送LED到目的节点光电检测器的俯视角度、Ψ表示目的节点光电检测器到信源第l个发送LED的仰视角度、m₁的表达式为其中Φ_1/2表示信源第l个发送LED的半角功率；n^sd表示信源节点到目的节点的信道噪声向量；中继节点接收到的信号表示为其中h^sr表示信源节点到中继节点的信道系数向量；表示信源第l个发送LED到中继节点的信道系数，其表达式为其中A′_r表示中继节点光电检测器的有效接收面积、d′表示信源第l个发送LED到中继节点光电检测器的有效距离、Φ′表示信源第l个发送LED到中继节点光电检测器的俯视角度、Ψ′表示中继节点光电检测器到信源第l个发送LED的仰视角度；n^sr表示信源节点到中继节点的信道噪声，转入下一步；

3)目的节点将信源节点到目的节点链路上的瞬时信噪比γ_sd同预先设定的对应链路噪比门限值SNR_sd相比较，如果γ_sd≥SNR_sd，则转入下一步，否则转入步骤5)，其中 表示均值为零的高斯随机噪声的方差，γ_sr和γ_rd分别表示信源节点到中继节点链路和中继节点到目的节点链路上的瞬时信噪比，分别记为和其中P_s＝δP和P_R＝(1-δ)P分别表示信源节点和中继节点的发送功率，P表示系统总功率，δ表示功率分配系数，和分别表示信源第l个发送LED到目的节点之间、信源第l个发送LED到中继节点之间和中继节点第个发送LED到目的节点之间的信道系数模值的平方；

4)当γ_sd≥SNR_sd时，直传链路信道状况较好，目的节点可正确译码，则中继节点无需参与协作，信源节点采用直接传输的方式，并在下一个时隙传输新的信息；目的节点对接收信号利用最大似然算法进行检测和解调恢复，即其中||²表示模值的平方，l′和x′_q分别表示目的节点经过最大似然检测后得到的发送LED序号和调制信号，表示求有最小值时所对应的发送LED序号及对应调制信号；

5)当γ_sd＜SNR_sd时，此时直传链路信道状态较差，目的节点不能正确译码，则需要中继节点参与协作，中继节点将信源节点到中继节点链路的瞬时信噪比γ_sr与对应链路上设定信噪比门限值SNR_sr相比较，如果γ_sr≥SNR_sr，则转入下一步，否则转入步骤7)；

6)当γ_sr≥SNR_sr时，中继节点在第二个时隙采用译码前传的协作方式，目的节点将第一时隙和第二时隙接收到的信号合并后，采用最大似然检测对原信号进行解调恢复，并在下一时隙传输新的信息，其具体过程如下：

(1)中继节点对接收信号利用最大似然检测，即进行解调恢复，并将解调恢复后的调制信号x_q通过第个发送LED发送给目的节点，其中和x_q分别表示中继节点经最大似然检测后得到的信源发送LED序号和调制信号；

(2)在第二个时隙，目的节点接收到的来自中继节点的信号可以表示为其中表示中继节点第l个发送LED到目的节点之间的信道系数，n^rd为中继节点与目的节点之间的信道噪声；

(3)目的节点将来自信源节点和中继节点的信号合并后进行检测，合并后信号及最大似然检测公式可分别表示为其中表示中继节点采用译码前传协议时的有效信道系数，和分别表示目的节点经最大似然检测后得到的信源发送LED序号和调制信号；

7)当γ_sr＜SNR_sr时，中继节点在第二个时隙采用放大前传的协作方式，目的节点将第一时隙和第二时隙接收到的信号合并后采用最大似然检测对原信号进行解调恢复，并在下一时隙传输新的信息，其具体过程如下：

(1)中继节点将接收信号放大，并选择一个到目的节点信道状况最好的LED作为中继节点的发送LED，通过该LED将放大后的信号发送给目的节点；

(2)在第二个时隙，目的节点接收到的来自中继节点的信号可以表示为其中表示放大因子，此时表示中继节点所选发送LED到目的节点链路的信道系数为最大，n^rd表示中继节点到目的节点间的信道噪声；

(3)目的节点将接收到的来自信源节点和中继节点的信号合并后进行检测，合并后的信号以及最大似然检测公式可分别表示为及其中表示中继节点采用放大前传协议时的有效信道系数，和分别表示目的节点通过最大似然检测后得到的信源发送LED序号和调制信号。

Claims (1)

1.一种基于IHDAF协议的室内VLC空间调制系统的工作方法，该系统包括一个信源节点、一个中继节点和一个目的节点，信源节点和中继节点配备N_t＝2ⁿ个发送LED，其中n表示N_t个发送LED可承载的信息比特数；中继节点和目的节点配备一个光电检测器，系统工作在半双工模式下，其数据传输过程主要分为三个步骤：首先，信源信息比特经过串并转换为两部分进入空间调制模块，一部分用来选择发送LED，另一部分被映射为传统的M阶光强调制信号x_q＝I_mw(t)，其中m＝1，2，...，M，m和I分别表示光强级数和光强系数，w(t)表示单位幅度的可见光波形；其次，x_q由所选发送LED传送至中继节点和目的节点，并通过将信源节点到目的节点链路瞬时信噪比γ_sd以及信源节点到中继节点链路瞬时信噪比γ_sr与预先设定的对应链路信噪比门限阈值SNR_sd和SNR_sr分别进行比较，选择相应的直接传输、译码前传或放大前传方案；最后，目的节点端的光电检测器对接收信号进行解调恢复，得到原始信号，该方法的具体步骤如下：

1)信源信息按照log₂N_t+log₂M个比特经过串并分组转换为两部分进入信源节点的空间调制部分，其中第一部分log₂N_t个比特信息用来选择发送LED，其序号记为l，另一部分log₂M个比特信息用来映射M阶光强调制信号x_q，经过空间调制后的发射信号向量可以表示为x＝[0，0，...，0，x_q，0，...，0]^T，其中x_q位于向量x的第l个位置，T表示向量的转置；

2)第一通信时隙，信源节点通过被激活发送LED，将光强调制信号x_q向中继节点和目的节点广播，目的节点接收到的信号可表示为其中h^sd表示信源节点到目的节点的信道系数向量；表示信源第l个发送LED到目的节点的信道系数，其表达式为其中A_r表示目的节点光电检测器的有效接收面积、d表示信源第l个发送LED到目的节点光电检测器的有效距离、Φ表示信源第l个发送LED到目的节点光电检测器的俯视角度、Ψ表示目的节点光电检测器到信源第l个发送LED的仰视角度、m₁的表达式为其中Φ_1/2表示信源第l个发送LED的半角功率；n^sd表示信源节点到目的节点的信道噪声向量；中继节点接收到的信号表示为其中h^sr表示信源节点到中继节点的信道系数向量；表示信源第l个发送LED到中继节点的信道系数，其表达式为其中A′_r表示中继节点光电检测器的有效接收面积、d′表示信源第l个发送LED到中继节点光电检测器的有效距离、Φ′表示信源第l个发送LED到中继节点光电检测器的俯视角度、Ψ′表示中继节点光电检测器到信源第l个发送LED的仰视角度；n^sr表示信源节点到中继节点的信道噪声，转入下一步；

3)目的节点将信源节点到目的节点链路上的瞬时信噪比γ_sd同预先设定的对应链路噪比门限值SNR_sd相比较，如果γ_sd≥SNR_sd，则转入下一步，否则转入步骤5)，其中 表示均值为零的高斯随机噪声的方差，另外γ_sr和γ_rd分别表示信源节点到中继节点链路和中继节点到目的节点链路上的瞬时信噪比，分别记为和其中P_s＝δP和P_R＝(1-δ)P分别表示信源节点和中继节点的发送功率，P表示系统总功率，δ表示功率分配系数，和分别表示信源第l个发送LED到目的节点之间、信源第l个发送LED到中继节点之间和中继节点第个发送LED到目的节点之间的信道系数模值的平方；

4)当γ_sd≥SNR_sd时，直传链路信道状况较好，目的节点可正确译码，则中继节点无需参与协作，信源节点采用直接传输的方式，并在下一个时隙传输新的信息；目的节点对接收信号利用最大似然算法进行检测和解调恢复，即其中||²表示模值的平方，l′和x′_q分别表示目的节点经过最大似然检测后得到的发送LED序号和调制信号，表示求有最小值时所对应的发送LED序号及对应光强调制信号；

5)当γ_sd＜SNR_sd时，此时直传链路信道状态较差，目的节点不能正确译码，则需要中继节点参与协作，中继节点将信源节点到中继节点链路的瞬时信噪比γ_sr与对应链路上设定信噪比门限值SNR_sr相比较，如果γ_sr≥SNR_sr，则转入下一步，否则转入步骤7)；

6)当γ_sr≥SNR_sr时，中继节点在第二个时隙采用译码前传的协作方式，目的节点将第一时隙和第二时隙接收到的信号合并后，采用最大似然检测对原信号进行解调恢复，并在下一时隙传输新的信息，其具体过程如下：

(1)中继节点对接收信号利用最大似然检测，即进行解调恢复，并将解调恢复后的调制信号x_q通过第个发送LED发送给目的节点，其中和x_q分别表示中继节点经最大似然检测后得到的信源发送LED序号和调制信号；

(2)在第二个时隙，目的节点接收到的来自中继节点的信号可以表示为其中表示中继节点第个发送LED到目的节点之间的信道系数，n^rd为中继节点与目的节点之间的信道噪声；

(3)目的节点将来自信源节点和中继节点的信号合并后进行检测，合并后信号及最大似然检测公式可分别表示为其中表示中继节点采用译码前传协议时的有效信道系数，和分别表示目的节点经最大似然检测后得到的信源发送LED序号和调制信号；

7)当γ_sr＜SNR_sr时，中继节点在第二个时隙采用放大前传的协作方式，目的节点将第一时隙和第二时隙接收到的信号合并后采用最大似然检测对原信号进行解调恢复，并在下一时隙传输新的信息，其具体过程如下：

(1)中继节点将接收信号放大，并选择一个到目的节点信道状况最好的LED作为中继节点的发送LED，通过该LED将放大后的信号发送给目的节点；

(2)在第二个时隙，目的节点接收到的来自中继节点的信号可以表示为其中表示放大因子，此时表示中继节点所选发送LED到目的节点链路的信道系数为最大，n^rd表示中继节点到目的节点间的信道噪声；

(3)目的节点将接收到的来自信源节点和中继节点的信号合并后进行检测，合并后的信号以及最大似然检测公式可分别表示为及其中表示中继节点采用放大前传协议时的有效信道系数，和分别表示目的节点通过最大似然检测后得到的信源发送LED序号和调制信号。