CN110971298A - 一种基于光OFDM和多LEDs的室内可见光全双工通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光OFDM和多LEDs的室内可见光全双工通信方法，上行链路将信息加载在奇数子载波进行传输；下行链路对光源进行分组，将信息分别加载在多组偶数子载波进行传输；上行链路和下行链路占用不同的可见光频带。本发明一种基于光OFDM和多LEDs的室内可见光全双工通信方法，将光OFDM调制技术分别用于上行链路和下行链路，实现上行链路和下行链路间无干扰全双工通信，对可见光频段的全频谱利用有利于提高系统的频带利用率，不仅改善了上行链路和下行链路的传输速率，为用户提供高质量的服务体验，而且不影响室内的正常照明需求。

Description

一种基于光OFDM和多LEDs的室内可见光全双工通信方法

技术领域

本发明属于室内可见光通信技术领域，具体涉及一种基于光OFDM和多LEDs的室内可见光全双工通信方法。

背景技术

可见光通信(Visible Light Communication,VLC)是指利用400-700nm可见光波段的光作为信息载体，无需光纤等有线信道的传输介质，在空气中直接传输光信号的通信方式。与红外、蓝牙、WI-FI及其它射频通信技术相比，VLC具有诸如：(1)不会危害人眼安全；(2)频谱资源丰富，且无需无线电频谱许可；(3)发射功率高；(4)不易受电磁干扰；(5)绿色并且环保等方面的优势，以现有室内照明设备为基础搭建的室内可见光短距离通信系统既可以作为蜂窝网和Wi-Fi的补充，又可以作为室内定位系统的基站，未来在物联网、智慧城市(家庭)、航空、航海、地铁、高铁、室内导航和井下作业等领域均具有广阔的应用前景。

室内可见光通信系统包括上行链路(Up Link，UL)和下行链路(Down Link，DL)。下行链路发送端上行链路接收端通常固定于室内天花板上，下行链路在满足室内照明的同时将加载在光源的信息传输到用户终端，针对下行链路的研究非常广泛，研究者已经提出了许多提高可见光下行通信可靠性和有效性的方法。而下行链路的接收端和上行链路的发送端则位于用户终端，受制于室内可见光通信的特殊环境和可见光通信中光源的单向传输特性，上行链路一直是制约室内可见光通信发展的主要因素之一，目前提出的主要解决方案集中在射频和无线光两类方案。射频主要以Wi-Fi作为典型解决方案，无线光方案中主要以可见光、红外以及无线激光为主要解决方案，但这些解决方案均有自己的局限性。采用射频方案无法发挥出可见光通信无需频谱许可的优点，且系统的传输容量受限；采用无线激光通信方案需要专门的对准设备，增加了系统的复杂度，且移动性较差；采用可见光作为上行链路载波会带来更多的信道干扰，而且用户终端携带的移动光源也会引起人眼的不适。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光OFDM和多LEDs的室内可见光全双工通信方法，将光OFDM调制技术分别用于上行链路和下行链路，实现上行链路和下行链路间无干扰全双工通信，对可见光频段的全频谱利用有利于提高系统的频带利用率，不仅改善了上行链路和下行链路的传输速率，为用户提供高质量的服务体验，而且不影响室内的正常照明需求。

本发明所采用的技术方案是，一种基于光OFDM和多LEDs的室内可见光全双工通信方法，上行链路将信息加载在奇数子载波进行传输；下行链路对光源进行分组，将信息分别加载在多组偶数子载波进行传输；上行链路和下行链路占用不同的可见光频带。

本发明的特点还在于：

上行链路的传输具体按照以下步骤实施：

步骤1、对用户终端的信号进行信源编码，产生二进制数据流；

步骤2、对步骤1得到的二进制数据流进行QAM调制，得到长度为N/4的复信号向量Y_D＝[Y₁,Y₂,…,Y_k]，其中k＝1,2,…,N/4；

对Y_D进行串\并变换，然后将复信号向量加载在奇数子载波上并进行共轭对称映射得到长度为N的复共轭对称向量

步骤3、对步骤2得到的复共轭对称向量进行IFFT变换实现OFDM调制，得到长度为N的双极性反对称时域信号向量y；再按照LED的动态范围对其分别进行限幅，得到单极性信号向量；

步骤4、对步骤3得到的单极性信号向量进行并\串转换后驱动LED光源发光；

步骤5、光信号经过室内信道后，通过光电探测器变为电信号；

步骤6、对步骤5得到信号进行串\并转换，再进行FFT变换实现OFDM解调，再进行并/串转换；

步骤7、对步骤6得到的复信号进行QAM解调，得到恢复的二进制比特流；

步骤8、将步骤7得到的二进制比特流存入缓存器。

下行链路的传输具体按照以下步骤实施：

步骤1、利用摄像头采集数据，并对其进行信源编码，产生二进制数据流；

步骤2、对步骤1得到的二进制数据流进行正交振幅调制，得到长度为N/4的复信号向量X_D＝[X₁,X₂,…,X_k]，其中k＝1,2,…,N/4，N为逆傅里叶变换；

步骤3、对步骤2得到的复信号向量X通过g个滤波器实现空间子载波分组，得到g个长度为N的复共轭对称向量；

步骤4、对步骤3得到的g个复共轭对称向量进行IFFT变换实现OFDM调制，得到g个长度为N的双极性反对称时域信号向量x₁,x₂,…x_g；再按照LED的动态范围对其分别进行限幅得到g个单极性信号向量；

步骤5、对步骤4得到的g个单极性信号向量分别进行并\串转换后，分别驱动对应的LED分组光源发光，多组信号在空间进行叠加；

步骤6、空间叠加的光信号经过室内信道后通过光电探测器变为电信号；

步骤7、对步骤6得到信号进行串\并转换；再进行迭代解码；得到得到的频域信号g1、g2和g3；

步骤8、对步骤7得到的频域信号g1、g2和g3进行叠加，得到长度为N/4的复信号向量；

步骤9、对步骤8得到的复信号进行QAM解调，得到恢复的二进制比特流。

步骤7中，迭代解码的具体过程如下：

对串\并转换后的信号分别进行时延和FFT变换，从FFT变换后通过频域滤波器取出偶数子载波上加载的信号g1，并估计出限幅噪声，然后从时延后的信号中去掉限幅噪声之后再进行下一步FFT变换和时延，变换后通过频域滤波器取出偶数子载波上加载的信号g2，并估计出限幅噪声，然后再从时延后的信号中去掉限幅噪声再做进行FFT变换，变换后通过频域滤波器取出偶数子载波上加载的信号g3。

本发明的有益效果是：

(1)上行链路和下行链路间无干扰全双工通信：基于光OFDM调制技术，上行链路将信息加载在奇数子载波进行传输，下行链路对光源进行分组，将信息分别加载在多组偶数子载波上进行传输，上行链路和下行链路占用的可见光频带不同，在进行双工同信时相互之间不会产生干扰；

(2)上行链路和下行链路传输速率高：奇数子载波和偶数子载波分别被用于传输信息，实现了可见光波段的全频谱利用，提高了频带利用率，在有限的调制带宽及现有光OFDM硬件基础上就可以大幅度提高上行链路和下行链路的传输速率；

(3)下行链路LEDs发送端不会产生光强闪烁，上下行链路通信的同时室内正常照明不会受到影响：室内下行链路的光源一般由多个LEDs组成，再对同一个光源的多个LEDs进行分组调制时，预留出一组LEDs不进行调制仅用来完成室内照明的功能，这样也不会由于调制信号的强度改变引起光强闪烁而造成人眼不适。

附图说明

图1是本发明基于光OFDM和多LEDs的室内可见光全双工通信方法的系统示意图；

图2是本发明基于光OFDM和多LEDs的室内可见光全双工通信方法中上行链路的工作流程图；

图3是本发明基于光OFDM和多LEDs的室内可见光全双工通信方法中上行链路的结构示意图；

图4是本发明基于光OFDM和多LEDs的室内可见光全双工通信方法中下行链路的工作流程图；

图5是本发明基于光OFDM和多LEDs的室内可见光全双工通信方法中下行链路的结构示意图。

图中，1.用户终端，2.视频编码器a，3.QAM调制器a，4.移位寄存器a，5.DSP模块a，6.OFDM调制器a，7.比较器a，8.移位寄存器b，9.驱动电路，10.LED光源a，11.光电探测器a，12.移位寄存器g，13.OFDM解调器a，14.移位寄存器c，15.QAM解调器a，16.视频编码器b，17.缓存器，18.摄像头，19.视频编码器c，20.QAM调制器b，21.移位寄存器d，22.DSP模块b，23.滤波器，24.OFDM调制器b，25.比较器b，26.移位寄存器e，27.LED光源b，28.光电探测器b，29.OFDM解调器b，30.DSP模块c，31.时延器a，32.减法器a，33.OFDM解调器c，34.DSP模块d，35.时延器b，36.减法器b，37.OFDM解调器d，38.DSP模块e，39.移位寄存器f，40.QAM解调器e。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明一种基于光OFDM和多LEDs的室内可见光全双工通信方法，上行链路将信息加载在奇数子载波进行传输；下行链路对光源进行分组，将信息分别加载在多组偶数子载波进行传输；上行链路和下行链路占用不同的可见光频带。

如图2所示，上行链路的传输具体按照以下步骤实施：

步骤1、对用户终端的信号进行信源编码，产生二进制数据流；

步骤2、对步骤1得到的二进制数据流进行QAM调制，得到长度为N/4的复信号向量Y_D＝[Y₁,Y₂,…,Y_k]，其中k＝1,2,…,N/4；

对Y_D进行串\并变换，然后将复信号向量加载在奇数子载波上并进行共轭对称映射得到长度为N的复共轭对称向量

步骤3、对步骤2得到的复共轭对称向量进行IFFT变换实现OFDM调制，得到长度为N的双极性反对称时域信号向量y；再按照LED的动态范围对其分别进行限幅，得到单极性信号向量；

步骤4、对步骤3得到的单极性信号向量进行并\串转换后驱动LED光源发光；

步骤5、光信号经过室内信道后，通过光电探测器变为电信号；

步骤6、对步骤5得到信号进行串\并转换，再进行FFT变换实现OFDM解调，再进行并/串转换；

步骤7、对步骤6得到的复信号进行QAM解调，得到恢复的二进制比特流；

步骤8、将步骤7得到的二进制比特流存入缓存器。

如图3所示，上行链路包括依次连接的用户终端1、视频编码器a2、QAM调制器a3、移位寄存器a4、DSP模块a5、OFDM调制器a6、比较器a7、移位寄存器b8、驱动电路9、LED光源a10、光电探测器a11、移位寄存器g12、OFDM解调器a13、移位寄存器c14、QAM解调器a15、视频编码器b16、缓存器17。

视频编码器a2通过RJ45网线与QAM调制器a3连接。

LED光源a10采用HL2000商用白光LED光源。

光电探测器a11的型号为PDA10A-EC。

QAM解调器a15通过RJ45网线与视频编码器b16连接。

如图4所示，下行链路的传输具体按照以下步骤实施：

步骤1、利用摄像头采集数据，并对其进行信源编码，产生二进制数据流；

步骤2、对步骤1得到的二进制数据流进行正交振幅调制，得到长度为N/4的复信号向量X_D＝[X₁,X₂,…,X_k]，其中k＝1,2,…,N/4，N为逆傅里叶变换；

步骤3、对步骤2得到的复信号向量X通过g个滤波器实现空间子载波分组，得到g个长度为N的复共轭对称向量；

步骤4、对步骤3得到的g个复共轭对称向量进行IFFT变换实现OFDM调制，得到g个长度为N的双极性反对称时域信号向量x₁,x₂,…x_g；再按照LED的动态范围对其分别进行限幅得到g个单极性信号向量；

步骤5、对步骤4得到的g个单极性信号向量分别进行并\串转换后，分别驱动对应的LED分组光源发光，多组信号在空间进行叠加；

步骤6、空间叠加的光信号经过室内信道后通过光电探测器变为电信号；

步骤7、对步骤6得到信号进行串\并转换；再进行迭代解码；得到得到的频域信号g1、g2和g3；

迭代解码的具体过程如下：

对串\并转换后的信号分别进行时延和FFT变换，从FFT变换后通过频域滤波器取出偶数子载波上加载的信号g1，并估计出限幅噪声，然后从时延后的信号中去掉限幅噪声之后再进行下一步FFT变换和时延，变换后通过频域滤波器取出偶数子载波上加载的信号g2，并估计出限幅噪声，然后再从时延后的信号中去掉限幅噪声再做进行FFT变换，变换后通过频域滤波器取出偶数子载波上加载的信号g3；

步骤8、对步骤7得到的频域信号g1、g2和g3进行叠加，得到长度为N/4的复信号向量；

步骤9、对步骤8得到的复信号进行QAM解调，得到恢复的二进制比特流。

如图5所示，下行链路包括依次连接的摄像头18、视频编码器c19、QAM调制器b20、移位寄存器d21、DSP模块b22；

DSP模块b22连接有若干个滤波器23；每个滤波器23依次连接OFDM调制器b24、比较器b25、移位寄存器e26、LED光源b27；这若干个LED光源b27均与光电探测器b28连接；

光电探测器b28分为两路，一路依次连接OFDM解调器b29、DSP模块c30，一路连接时延器a31；DSP模块c30、时延器a31均与减法器a32连接；

减法器a32分为两路，一路依次连接OFDM解调器c33、DSP模块d34，一路连接时延器b35；DSP模块d34、时延器b35均与减法器b36连接；减法器b36与OFDM解调器d37连接；

OFDM解调器b29、OFDM解调器c33、OFDM解调器d37均与DSP模块e38连接；DSP模块e38依次连接移位寄存器f39、QAM解调器e40。

视频编码器c19通过RJ45网线与QAM调制器b20连接。

LED光源b27采用HL2000商用白光LED光源。

光电探测器b28的型号为PDA10A-EC。

本发明基于光OFDM和多LEDs的室内可见光全双工通信方法的优点为：

(1)上行链路和下行链路间无干扰全双工通信：基于光OFDM调制技术，上行链路将信息加载在奇数子载波进行传输，下行链路对光源进行分组，将信息分别加载在多组偶数子载波上进行传输，上行链路和下行链路占用的可见光频带不同，在进行双工同信时相互之间不会产生干扰；

(2)上行链路和下行链路传输速率高：奇数子载波和偶数子载波分别被用于传输信息，实现了可见光波段的全频谱利用，提高了频带利用率，在有限的调制带宽及现有光OFDM硬件基础上就可以大幅度提高上行链路和下行链路的传输速率；

(3)下行链路LEDs发送端不会产生光强闪烁，上下行链路通信的同时室内正常照明不会受到影响：室内下行链路的光源一般由多个LEDs组成，再对同一个光源的多个LEDs进行分组调制时，预留出一组LEDs不进行调制仅用来完成室内照明的功能，这样也不会由于调制信号的强度改变引起光强闪烁而造成人眼不适。

Claims (4)

1.一种基于光OFDM和多LEDs的室内可见光全双工通信方法，其特征在于，上行链路将信息加载在奇数子载波进行传输；下行链路对光源进行分组，将信息分别加载在多组偶数子载波进行传输；上行链路和下行链路占用不同的可见光频带。

2.如权利要求1所述的基于光OFDM和多LEDs的室内可见光全双工通信方法，其特征在于，所述上行链路的传输具体按照以下步骤实施：

步骤1、对用户终端的信号进行信源编码，产生二进制数据流；

步骤2、对步骤1得到的二进制数据流进行QAM调制，得到长度为N/4的复信号向量Y_D＝[Y₁,Y₂,…,Y_k]，其中k＝1,2,…,N/4；

对Y_D进行串\并变换，然后将复信号向量加载在奇数子载波上并进行共轭对称映射得到长度为N的复共轭对称向量

步骤3、对步骤2得到的复共轭对称向量进行IFFT变换实现OFDM调制，得到长度为N的双极性反对称时域信号向量y；再按照LED的动态范围对其分别进行限幅，得到单极性信号向量；

步骤4、对步骤3得到的单极性信号向量进行并\串转换后驱动LED光源发光；

步骤5、光信号经过室内信道后，通过光电探测器变为电信号；

步骤6、对步骤5得到信号进行串\并转换，再进行FFT变换实现OFDM解调，再进行并/串转换；

步骤7、对步骤6得到的复信号进行QAM解调，得到恢复的二进制比特流；

步骤8、将步骤7得到的二进制比特流存入缓存器。

3.如权利要求2所述的基于光OFDM和多LEDs的室内可见光全双工通信方法，其特征在于，所述下行链路的传输具体按照以下步骤实施：

步骤1、利用摄像头采集数据，并对其进行信源编码，产生二进制数据流；

步骤2、对步骤1得到的二进制数据流进行正交振幅调制，得到长度为N/4的复信号向量X_D＝[X₁,X₂,…,X_k]，其中k＝1,2,…,N/4，N为逆傅里叶变换；

步骤3、对步骤2得到的复信号向量X通过g个滤波器实现空间子载波分组，得到g个长度为N的复共轭对称向量；

步骤4、对步骤3得到的g个复共轭对称向量进行IFFT变换实现OFDM调制，得到g个长度为N的双极性反对称时域信号向量x₁,x₂,…x_g；再按照LED的动态范围对其分别进行限幅得到g个单极性信号向量；

步骤5、对步骤4得到的g个单极性信号向量分别进行并\串转换后，分别驱动对应的LED分组光源发光，多组信号在空间进行叠加；

步骤6、空间叠加的光信号经过室内信道后通过光电探测器变为电信号；

步骤7、对步骤6得到信号进行串\并转换；再进行迭代解码；得到得到的频域信号g1、g2和g3；

步骤8、对步骤7得到的频域信号g1、g2和g3进行叠加，得到长度为N/4的复信号向量；

步骤9、对步骤8得到的复信号进行QAM解调，得到恢复的二进制比特流。

4.如权利要求3所述的基于光OFDM和多LEDs的室内可见光全双工通信方法，其特征在于，所述步骤7中，迭代解码的具体过程如下：

对串\并转换后的信号分别进行时延和FFT变换，从FFT变换后通过频域滤波器取出偶数子载波上加载的信号g1，并估计出限幅噪声，然后从时延后的信号中去掉限幅噪声之后再进行下一步FFT变换和时延，变换后通过频域滤波器取出偶数子载波上加载的信号g2，并估计出限幅噪声，然后再从时延后的信号中去掉限幅噪声再做进行FFT变换，变换后通过频域滤波器取出偶数子载波上加载的信号g3。

Images