CN108847886A - 一种空分复用方式的信号传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光载无线通信技术领域，具体一种空分复用方式的信号传输方法。本发明方法包括：发送的信号在强度调制的通信装置中通过叠加调制方式进行多流信号的发送；通过所述叠加调制传输的多流信号，可以使得直接检测的通信装置实现多流信号的并行接收；所述发送的多流数据，既可支持相同的调制方式，也可支持不同的调制方式；所述通信装置支持各种通信类型中用于检测信号幅度的接收机；所述发送的信号在所述接收端会出现新增信号幅度的现象。本发明通过合理的分配、调整发射信号的幅度，合理的使用叠加调制，减少传输信息的冗余度，提高频谱的利用率。

Description

一种空分复用方式的信号传输方法

技术领域

本发明属于光载无线通信技术领域，具体涉及一种多流信号传输和接收方法。

背景技术

白光LED的问世，对LED成为21世纪新一代光源具有决定性意义，已经广泛应用于室内照明、室外街道、手机背光源和交通信号灯等领域。而目前得到白光最常见的方法是将红光、绿光和蓝光混合成白光，这种白光源叫做RGB LED。同时，LED还可以进行快速的光电调制，适合用来进行可见光通信。

可见光通信技术(Visible Light Communication，VLC)是指利用可见光波段的光作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，而在空气中直接传输光信号的通信方式。具有信息安全性高、频谱资源丰富、传输速度高等优势，被视为是未来无线通信技术的有力候补。相对于WiFi系统，它具有很宽的频谱利用范围、对电子仪器无电磁干扰和极大地提高了数据传输的安全性等优势。

可见光通信MIMO系统则利用空间复用技术成倍地提高了系统吞吐量及数据传输速率，通过阵列发送技术有效地降低了码间串扰的影响。可见，MIMO系统非常适合于可见光通信系统中。其应用在可见光通信中主要有三个热点技术：一个是空间分集，也就是在收发端，均分别采用阵列形式传输数据，以减少时延造成的误码，提高信道可靠性；另一个是空间复用，也就是在发送端，采用分层空-时复用(BLAST)方式发送数据，可以成倍提高系统的吞吐量和数据传输速率；还有一个是波束赋型，也就是通过减小光源的视场角以精确信道指向性，从而降低相邻光源之间的信道间干扰(Inter-Channl Interference，ICI)。

目前，在可见光通信MIMO系统中，可以通过信号幅度的叠加方式实现空分复用的目的。因此，合理的使用叠加调制，有助于减少传输信息的冗余度，提高频谱的利用率。

基于此，本发明在可见光通信系统中提出一种多流信号传输方案。

发明内容

本发明的目的在于在强度调制和直接检测的通信系统中，提供一种空分复用方式的信号传输方法。

本发明提供的空分复用方式的信号传输方法，用于多流的可见光通信系统中，发送的信号在强度调制的通信装置中通过叠加调制方式进行多流信号的发送；通过所述叠加调制传输的多流信号，可以使得直接检测的通信装置实现多流信号的并行接收；所述发送的多流数据，既可支持相同的调制方式，也可支持不同的调制方式；具体步骤如下：

提升加载到可见光通信系统中一路发射装置上信号的强度，并和另一路发射装置的信号分别经过不同的可见光通信系统信道传输到接收装置；

考虑到可见光通信系统是一种直接调制/直接检测的系统，在发射装置，信号通过幅度发送，在接收装置是通过检测信号的幅度而还原信号；因此，

通过上述信号处理，在接收装置接收到的信号是一种经线性叠加的信号，从星座点的角度考虑，会出现新增额外的星座点，对此作如下处理：

接收装置将探测到的信号进行后均衡，并进行信号的处理；

随后，对经过后均衡处理之后的信号进行解码。

进行解码可使用如下几种方式之一种：

（1）考虑到接收装置接收的信号与不同发射装置发送上信号在星座点分布上是一种一一对应的关系，根据预先预定义的表格，通过查表方式进行解码；

（2）也可以通过干扰消除技术，将接收的所述多流信号依次减去其中一流或者多流信号，依次解码出不同流上的信号；其中，被减去的数据是信号强度较大的信号，并将剩余的信号进行判决和解调；

（3）也可以将干扰消除技术和查表法结合使用，通过查表的方式获取目标接收信号与标准星座点距离上的偏差，并依次将接收的信号减去信号的偏差和信号强度较大的信号，随后将剩余的信号进行判决和解调。

其中，若通信设备不支持无线通信系统，“预定义的规则”既可以是预先协定的规则静态获取，也可以是通过可见光通信系统的上下行动态分配；若所述通信设备同时支持无线通信系统，所述“预定义的规则”除了复用不支持无线通信系统的方式外，也可以通过复用无线通信中的方式获取。

本发明中，所述的发射装置具有如下特点：

发射装置是一种可用于支持强度调制的LED灯；

支持如下两种通信类型的发射装置：可见光通信系统中的LED灯或者可见光通信系统中LED阵列中的一部分LED灯珠；

不同发射装置发送的多流数据，既可支持相同的调制方式，也可支持不同的调制方式；

具体的，不同发射装置发送信息的调制方式，既可以是任意相同类型的QAM调制方式，也可以是任意不同类型的QAM调制方式，其QAM调制方式可支持BPSK，QPSK，8qam，16qam，32qam，64qam和128qam，OFDM，OOK，CAP和PAM调制。

经过叠加调制发送的信号，包括可用于传输具体数据，可用于传输控制信息，可用于传输用于测量信道的测量信息。

本发明中，提到的接收装置具有如下特点：

接收装置可以是支持各种通信类型中用于检测信号幅度的灵敏接收机；

所述接收机，既可以是独立于任何通信装置的独立接收机，也可以是集合于某些通信装置的整合接收机，比如手机终端，或者无线基站；

用于检测信号幅度的灵敏接收机，既可以是单一独立的可见光通信装置中的灵敏接收机，具体的，如果所述灵敏接收机是一种独立的单一接收机，则所述单一接收机可以并行接收处理多流数据；用于检测信号幅度的灵敏接收机，也可以是多个所述可见光通信装置中的灵敏接收机，组成整合接收机，所述整合接收机可以联合解调不同流的数据。

本发明通过合理的分配、调整发射信号的幅度，合理的使用叠加调制，减少传输信息的冗余度，提高频谱的利用率。

通过本发明提出的这种空分复用的信号传输机制，在强相关性的可见光信道中，接收装置可以较好的解调出来自不同发射装置发送的信号，具有计算复杂度低，较易实现等特点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的两发一收叠加调制方式中星座点示意图。

图2是本发明实施例提供的两发一收叠加调制的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本发明技术方案作进一步具体的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

请参照图1，图1是本发明实施例提供的信号叠加调制示意图，实施例中所描述的一种QPSK在两发一收系统中的叠加调制示意图。

具体实现中，最常见的调制方式BPSK，QPSK，8qam，16qam，32qam，64qam和128qam，OFDM，OOK，CAP和PAM调制。数字信号根据传输环境和通信系统通过使用上述调制方式传输信息。

根据参照图1所示，在支持强度调制和直接检测的可见光通信系统中，通过在发射端改变发射信号的强度，将调整强度之后的信号经过QPSK调制分别加载到两个LED灯上，在接收端，检测出的星座点将会叠加到16qam。在接收端，可根据查表或者干扰消除技术分别解调出不同流数据，以达到空分复用的目的。

请参照图2，图2是本发明实施例提供的VLC装置中信号传输方法的流程示意图。

具体实现中，照明中一般采用LED阵列，这给可见光通信系统提供了天然空分复用和多输入多输出的硬件设施， MIMO技术采用多个发射机发送数据，同时多个接收机接收数据，可以显著提高系统的传输容量。可见光MIMO可以分为成像MIMO和非成像MIMO两种。两种MIMO技术的区别在于，成像MIMO收发机严格对准，接收端不需要采用解复用算法。而对于非成像MIMO，需要在接收端采用解复用MIMO算法，实现信号的分离。

可见光成像MIMO就是指多个发射机发出的信号通过空间成像棱镜，使得发射机与接收机严格对准，每个接收机只能收到对应的发射机发来的信号，因而在接收端不会出现信号的混叠，也就不需要采用解复用算法。成像MIMO技术对系统接收机的成本与复杂度要求较低，但是在空间传输中，需要设计精确的成像系统来保证对准。

相比于成像MIMO需要精确对准，非成像MIMO更加具有实用性。非成像MIMO中，不需要专门设计精确的成像系统，只需要在每个接收机前放置普通的非成像聚光器即可。

在非成像MIMO-VLC系统中，不同发射端对接收端都会引入串扰，采用一种时分复用的时域均衡算法可以在串扰中把信号恢复出来。

步骤一：支持VLC系统的通信设备，分别对两组来自上层的比特流调制映射成不同的调制符号。

步骤二：两流不同调制符号组成的数据流分别进行上采样处理。

步骤三：将上采样处理之后的数据进行实数化处理；

具体的，将调制符号实属化的方式不亚于如下两种：

（1）IQ调制，具体的，分别将调制符号的实部和虚部分别与cos函数和sin函数相乘并相加；

（2）DMT方式，具体的，取出待传输的调制符号的一部分进行转置共轭处理之后，并与剩余部分的调制符号进行相乘，以此获得实数。

步骤四：将处理之后的数据加载到直流电压上，并通过LED灯发送出去。其中，通过调整一路LED信号灯的幅度，接收端获得不同阶数的信号电平。其中：

（1）发送的信号既可以是传输的具体数据，既可以是传输的控制信息，也可以是用于信道检测的测量信号；

（2）不同LED灯发射的信号在某个周期T内是不同的，及接收端在某个周期内同时处理多流不同的数据，以提高传输速率；

（3）调整的信号幅度可以通过调整用于照明的直流电压获得，也可以通过调整发送信号强度的信号峰值电压获得。

步骤五：可支持多流数据处理的接收端先进行信号同步处理，随后将实数还原成相应的调制符号。

步骤六：将还原之后的调制符号进行后均衡处理。具体的：

（1）后均衡处理既可支持频域均衡处理机制，也可支持时域均衡处理机制；

（2）后均衡处理机制既可支持线性的后均衡处理机制，也包括非线性的后均衡的处理机制。

步骤七：将均衡之后的数据进行解码处理，具体的：

（1）可使用较简易的查表算法，根据预先定义的规则或者表格，一一解调出不同的数据流；

（2）使用干扰消除技术，先将信号幅度较强或者较弱的一路信号解调之后，并作为干扰信号被接收的信号减去。随后，再将减去之后的信号进行后均衡和判决处理；

（3）将干扰消除技术和查表法结合，根据“一一对应原则”和最大似然法计算出每个接收信号电平与标准信号电平的差值，减去该差值。并将减去差值的接收信号再次减去信号幅度较强或较弱的一路信号，随后将所述剩余的信号进行判决和解调。

其中，查表法需要对发射端和接收端透明，可以是预定义的，也可以使用较低阶的调制方式发送至接收端。

预定义在于，若支持VLC系统的通信设备不支持无线通信系统，该“预定义的规则”既可以是某种预先协定的规则，也可以是通过VLC系统的上下行动态分配；若支持VLC系统的通信设备同时支持无线通信系统，该“预定义的规则”除了复用不支持无线通信系统的方式外，也可以通过复用无线通信中的方式获取，具体的：

（1）若收发方都为各种类型的基站，收发方通过X2或者S1接口获取；具体的，若目标基站是宏基站，则收发方通过X2接口进行信令交互，获取“预定义的规则”；

若目标基站是微基站小区，比如Small Cell、Pico-cell或者家庭基站，收发方还可以通过S1接口进行信令交互，获取“预定义的规则”；

（2）若收发方为各种类型终端，收发方通过与所属基站建立连接获取设定规则，也可以在所属基站分配的资源池（resource pool）中动态协定制定；具体的，

若收发方为D2D通信或者V2V通信，收发方终端可以在基站分配的资源池中协定“预定义的规则”；

（3）若收发方为基站和终端，终端通过如下三种方式获取：

（a）基站通过广播信道告知终端；具体的，

基站可以将“预定义的规则”存放至MIB（主信息块，Master Information Block）中，通过PBCH(Physical Broadcast Channel，广播信道）告知终端；若“预定义的规则”占用的bit数较大，则基站可以讲该信息存放至SIB（系统信息块，System Information Block）中，通过PDSCH告知终端；

（b）终端在发起随机接入过程中获取；

（c） 终端通过与基站建立RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）连接获取。

步骤八：将解调出的不同流数据进行解映射处理，并成功解调出指定数据流。

本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然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 (9)

1.一种空分复用方式的信号传输方法，用于多流的可见光通信系统中，其特征在于，发送的信号在强度调制的通信装置中通过叠加调制方式进行多流信号的发送；通过所述叠加调制传输的多流信号，使得直接检测的通信装置实现多流信号的并行接收；所述发送的多流数据，既可支持相同的调制方式，也可支持不同的调制方式；具体步骤如下：

提升加载到可见光通信系统中一路发射装置上信号的强度，并和另一路发射装置的信号分别经过不同的可见光通信系统信道传输到接收装置；

所述发射装置中，信号通过幅度发送；所述接收装置中，是通过检测信号的幅度而还原信号；

通过上述信号处理，接收装置中接收到的信号是一种经线性叠加的信号，从星座点的角度考虑，会出现新增额外的星座点，对此作如下处理：

将探测到的信号进行后均衡，并进行信号的处理；

随后，对经过后均衡处理之后的信号进行解码。

2.根据权利要求1所述的空分复用方式的信号传输方法，其特征在于，进行解码使用如下几种方式之一种：

（1）考虑到接收装置接收的信号与不同发射装置发送上信号在星座点分布上是一种一一对应的关系，故根据预先预定义的表格，通过查表方式进行解码；

（2）通过干扰消除技术，将接收的所述多流信号依次减去其中一流或者多流信号，依次解码出不同流上的信号；其中，被减去的数据是信号强度较大的信号，并将剩余的信号进行判决和解调；

（3）将干扰消除技术和查表法结合使用，通过查表的方式获取目标接收信号与标准星座点距离上的偏差，并依次将接收的信号减去信号的偏差和信号强度较大的信号，随后将剩余的信号进行判决和解调。

3.根据权利要求2所述的空分复用方式的信号传输方法，其特征在于，若通信设备不支持无线通信系统，“预定义的规则”是预先协定的规则静态获取，或者是通过可见光通信系统的上下行动态分配；若所述通信设备同时支持无线通信系统，所述“预定义的规则”除了复用不支持无线通信系统的方式外，也可以通过复用无线通信中的方式获取。

4.根据权利要求2所述的空分复用方式的信号传输方法，其特征在于，所述的发射装置是：

一种可用于支持强度调制的LED灯；

支持如下两种通信类型的发射装置：可见光通信系统中的LED灯或者可见光通信系统中LED阵列中的一部分LED灯珠；

不同发射装置发送的多流数据，既可支持相同的调制方式，也可支持不同的调制方式。

5.根据权利要求4所述的空分复用方式的信号传输方法，其特征在于，不同发射装置发送信息的调制方式，既可以是任意相同类型的QAM调制方式，也可以是任意不同类型的QAM调制方式，其QAM调制方式支持BPSK，QPSK，8qam，16qam，32qam，64qam和128qam，OFDM，OOK，CAP和PAM调制。

6.根据权利要求4所述的空分复用方式的信号传输方法，其特征在于，经过叠加调制发送的信号包括：可用于传输具体数据，可用于传输控制信息，可用于传输用于测量信道的测量信息。

7.根据权利要求4所述的空分复用方式的信号传输方法，其特征在于，所述的接收装置是支持各种通信类型中用于检测信号幅度的灵敏接收机；

所述接收机，是独立于任何通信装置的独立接收机，或者是集合于某些通信装置的整合接收机；所述独立接收机用于并行接收处理多流数据；所述整合接收机用于联合解调不同流的数据。

8.根据权利要求1所述的空分复用方式的信号传输方法，其特征在于，在非成像MIMO-VLC系统中，由于不同发射端对接收端都会引入串扰，采用一种时分复用的时域均衡算法在串扰中把信号恢复出来，具体操作步骤如下：

步骤一：支持VLC系统的通信设备，分别对两组来自上层的比特流调制映射成不同的调制符号；

步骤二：两流不同调制符号组成的数据流分别进行上采样处理；

步骤三：将上采样处理之后的数据进行实数化处理；其中，将调制符号实数化的方式为如下两种：

（1）IQ调制，分别将调制符号的实部和虚部分别与cos函数和sin函数相乘并相加；

（2）DMT方式，取出待传输的调制符号的一部分进行转置共轭处理之后，并与剩余部分的调制符号进行相乘，以此获得实数；

步骤四：将处理之后的数据加载到直流电压上，并通过LED灯发送出去；其中，通过调整一路LED信号灯的幅度，接收端获得不同阶数的信号电平；其中：

（1）发送的信号是传输的具体数据，或者是传输的控制信息，或者是用于信道检测的测量信号；

（2）不同LED灯发射的信号在某个周期T内不同，接收端在某个周期内同时处理多流不同的数据，以提高传输速率；

（3）调整的信号幅度通过调整用于照明的直流电压获得，或者通过调整发送信号强度的信号峰值电压获得；

步骤五：可支持多流数据处理的接收端先进行信号同步处理，随后将实数还原成相应的调制符号；

步骤六：将还原之后的调制符号进行后均衡处理：

（1）后均衡处理采用频域均衡处理机制，或者采用时域均衡处理机制；

（2）后均衡处理机制包括：支持线性的后均衡处理机制，支持非线性的后均衡的处理机制；

步骤七：将均衡之后的数据进行解码处理：

（1）使用查表算法，根据预先定义的规则或者表格，一一解调出不同的数据流；或者

（2）使用干扰消除技术，先将信号幅度较强或者较弱的一路信号解调之后，作为干扰信号被接收的信号减去；随后，再将减去之后的信号进行后均衡和判决处理；或者

（3）将干扰消除技术和查表法结合，根据“一一对应原则”和最大似然法计算出每个接收信号电平与标准信号电平的差值，减去该差值；并将减去差值的接收信号再次减去信号幅度较强或较弱的一路信号，随后将所述剩余的信号进行判决和解调；

步骤八：将解调出的不同流数据进行解映射处理，并成功解调出指定数据流。

9.根据权利要求8所述的空分复用方式的信号传输方法，其特征在于，步骤七中，所述查表算法，可以是预定义的，也可以使用较低阶的调制方式发送至接收端；

所述预定义，若支持VLC系统的通信设备不支持无线通信系统，该“预定义的规则”是某种预先协定的规则，或者是通过VLC系统的上下行动态分配；若支持VLC系统的通信设备同时支持无线通信系统，该“预定义的规则”除了复用不支持无线通信系统的方式外，也可以通过复用无线通信中的方式获取，具体的：

（1）若收发方都为各种类型的基站，收发方通过X2或者S1接口获取；其中：

若目标基站是宏基站，则收发方通过X2接口进行信令交互，获取“预定义的规则”；

若目标基站是微基站小区，收发方通过S1接口进行信令交互，获取“预定义的规则”；

（2）若收发方为各种类型终端，收发方通过与所属基站建立连接获取设定规则，也可以在所属基站分配的资源池中动态协定制定；

（3）若收发方为基站和终端，终端通过如下三种方式获取：

（a）基站通过广播信道告知终端；

（b）终端在发起随机接入过程中获取；

（c）终端通过与基站建立RRC连接获取。