CN111181643A - 基于mppm调光控制的混合可见光通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于MPPM调光控制的混合可见光通信方法，其可同时支持可见光数据通信和调光控制，同时具有较高的频谱效率。本发明的技术方案中，首先生成具有厄米尔对称性的OFDM信号，经反向傅里叶变换成具有奇对称性质的时域信号，再基于MPPM基本原理生成具有偶对称性质的亮度控制序列。然后对OFDM信号矩阵进行预处理操作，可确保其与亮度控制序列叠加后的信号在线性范围内，最后对OFDM信号矩阵和调光序列进行简单的叠加，得到发光装置的驱动信号，且接收端两个信号均能正确检测。

Description

基于MPPM调光控制的混合可见光通信方法

技术领域

本发明涉及无线光通信技术领域，具体为基于MPPM调光控制的混合可见光通信方法。

背景技术

可见光通信将LED技术与信息传输相结合，不占用射频频谱资源，具有广阔的应用前景，具有成本低、传输速率高、保密性好、无电磁辐射等优点。OFDM是一种具有较高频谱利用率的多载波调制技术，可以有效地抵抗无线传输过程中的多径衰落和符号间干扰，被广泛应用在可见光通信技术中；而可见光通信系统通常采用低成本、低复杂度的强度调制/直接探测(IM/DD)方式，因此可见光通信仅能传输正的实信号；在实际应用中，在保证信号传输的同时，还需要实现对LED亮度调节的功能，以满足用户需求；但是现有调制技术，存在着频谱效率不高，且无法同时满足数据通信和亮度调节两个需求的问题；现有技术中，通常是通过调节LED的正向驱动电流，改变电流的大小达到LED的亮度调节；但是这种方式会影响发射光的波长，会使发送的信号产生色度漂移问题。所以，如何同时兼顾频率效率和调光效果是一个急需解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中的可见光调制方法无法同时兼顾频谱效率和LED亮度调节效果的技术问题，本发明提供基于MPPM调光控制的混合可见光通信方法，其可同时支持可见光数据通信和调光控制，同时具有较高的频谱效率。

本发明的技术方案是这样的：基于MPPM调光控制的混合可见光通信方法，其包括以下步骤：

S1：定义由QAM调制的OFDM信号为X，所述OFDM信号X满足厄米尔对称性：

X＝[0,X₁,0,X₃,...,X_N-1]；

S2：对所述OFDM信号X进行反向快速傅里叶变换操作，得到OFDM时域信号为x_n：

并且满足

其特征在于，其还包括以下步骤：

S3：在发射端，基于MPPM基本原理，生成携带信息的亮度控制序列b，调光信号s_n由b_n决定，具体表示为：

其中，I_L和I_H分别表示为LED的最小最大电流，并且满足

S4：将所述调光信号s_n、所述OFDM时域信号x_n进行叠加，得到输出信号y_n：

y_n＝x_n+s_n

其中：n＝0,1,…,N-1,；

S5：将所述输出信号y_n进行削波处理后，进行数模转换，然后通过LED进行传输。

其进一步特征在于：

其还包括以下步骤：

S6：在接收端，对接收到的信号加入高斯白噪声，形成接收信号,对所述接收信号进行模数转换、串并转换、去掉循环前缀、进行FFT计算后，获得解调后的频域信号；

在接收端，MPPM信号可以根据下式直接被检测：

其中A为决策阈值，具体计算公式为

其中P和σ²分别是OFDM信号能量跟噪声能量；

步骤S2中，所述亮度控制序列b为：

b＝[b₀,b₁,...,b_N-1]

其中：b_n等于0或者1；

步骤S3包括以下详细步骤：

a1：把连续的L个二进制信号调制到M个时隙组成的时段，光脉冲设置在其中N个时隙上，其N个脉冲的规律排列为：

a2：选择对应的L、M、N，生成携带信息的所述亮度控制序列b；

所述步骤S5中，对所述输出信号y_n进行的所述削波处理，为消除超出LED线性范围的信号，所述削波处理的过程表示为：

其中：I_L和I_H分别表示为LED的最小最大电流；

步骤S5中，发送端通过所述OFDM时域信号x_n在叠加前进行预处理，进而实现对所述输出信号y_n进行的所述削波处理，其预处理过程表示为：

其中；

为x_n经过预处理后得到的信号；

b_n为所述亮度控制序列b的值，等于0或者1；

步骤S5中，削波处理后的输出信号

表示为：

其中：

a_n由所述OFDM时域信号x_n决定；

z_n的表达式如下：

步骤S5中，a_n表达式为：

在接收端，系统的调光度为：

其中：η为调光等级，I_L和I_H分别表示为LED的最小最大电流，δ_d为MPPM的占空比，δ_x为未削波OFDM信号的标准偏差；

所述调光等级η的计算方法为：

其中：I_avg为输入LED的平均电流。

本发明提供的基于MPPM调光控制的混合可见光通信方法，首先生成具有厄米尔对称性的OFDM信号，经反向傅里叶变换成具有奇对称性质的时域信号，再基于MPPM基本原理生成具有偶对称性质的亮度控制序列，然后对OFDM信号矩阵进行预处理操作，确保其与亮度控制序列叠加后的信号在线性范围内，最后对OFDM信号矩阵和调光序列进行简单的叠加，得到发光装置的驱动信号；在本方案中，没有直接去除OFDM时域信号的负数部分，相对于ACO-OFDM方案采用了更多的子载波传输信息数据，因此能兼顾较高的功率效率和频谱效率；同时，能够兼容调光控制，支持高速可见光通信链路；特别在削波过程中，对OFDM信号进行特定的处理，即能保证叠加后的信号在线性范围内，且叠加后的混合信号对OFDM的检测不产生干扰，确保在接收端对MPPM的检测也只需通过简单的阈值检测即可实现信号恢复，降低了系统的复杂度；本发明的技术方案实施简单，且能够在可见光通信的同时兼顾照明调光控制，创建各种亮度级别，具有更高的功率效率，比单载波调制MPPM提升了频谱效率。

附图说明

图1为本发明中基于MPPM调光控制的混合可见光通信方案原理图；

图2为本发明技术方案中调光度与占空比之间的关系图；

图3为本发明技术方案中BER性能随σ_x ²变化曲线图；

图4为本发明技术方案中频谱效率与调光度关系图。

具体实施方式

本发明基于多脉冲位置调制(multiple pulse position modulation，以下简称MPPM)调光控制的混合可见光通信方法，其包括以下步骤。

S1：定义由QAM调制的OFDM信号为X，OFDM信号X满足厄米尔对称性：

X＝[0,X₁,0,X₃,...,X_N-1]；

S2：如图1所示，对OFDM信号数据进行过QAM调制使OFDM信号变成频带信号，把频带信号构造为满足对称特性的Hermitian对称矩阵，然后进行IFFT变换获得对应的时域信号，对得到变换后的矩阵添加循环前缀CP，得到最终的OFDM信号矩阵；

其中，对OFDM信号X进行反向快速傅里叶变换操作，得到OFDM时域信号为x_n：

并且满足

传统ACO-OFDM方案相对于需要添加直流偏置的DCO-OFDM方案相比，拥有较高的功率效率，但是直接将负的时域信号限幅为零，降低了频谱效率；而本方案并没有直接去除OFDM时域信号的负数部分，相对于ACO-OFDM方案采用了更多的子载波传输信息数据，因此能兼顾较高的功率效率和频谱效率。

S3：在发射端，基于MPPM基本原理，把连续的L个二进制信号调制到M个时隙组成的时段，光脉冲设置在其中N个时隙上，其N个脉冲的规律排列为：

选择对应的L、M、N，生成携带信息的亮度控制序列b；

b＝[b₀,b₁,...,b_N-1]

其中：b_n等于0或者1，分别对应状态关和开，其中n＝0.....N-1，N：表示OFDM子载波的总数；

其中：I_L和I_H分别表示为LED的最小最大电流，并且满足

调光信号s_n由b_n决定，具体表示为：

S4：将调光信号s_n、OFDM时域信号x_n进行叠加，得到输出信号y_n：

y_n＝x_n+s_n

其中：n＝0,1,…,N-1,；

S5：将输出信号y_n进行削波处理后，进行数模转换，然后通过LED进行传输；

对输出信号y_n进行的削波处理，为消除超出LED线性范围的信号，削波处理的过程表示为：

其中：I_L和I_H分别表示为LED的最小最大电流；

在发送端中，为了确保信号正确接收，通过OFDM时域信号x_n进行预处理，进而实现对输出信号y_n进行的削波处理；经过对OFDM时域信号x_n进行预处理而实现对y_n进行削波，可以确保y_n的值在I_L和I_H之间，再利用OFDM时域信号x_n的奇对称性质和调光信号s_n的偶对称性质，互相不产生干扰，进而确保接收端能够正确检测到两个信号；即，y_n并非只是经过调光信号s_n、OFDM时域信号x_n简单叠加之后获得，而是需要对OFDM时域信号x_n进行预处理后，叠加才可确保在接收端两个信号能够正确检测；

其预处理过程表示为：

当x_n≥0、亮度控制信号为低电平时，或者x_n<0、亮度控制信号为高电平时，预处理后的OFDM信号x_n保留，其他情况下设为0；

其中；

为x_n经过预处理后得到的信号；

b_n为亮度控制序列b的值，等于0或者1；

削波后的输出信号

表示为：

其中：

a_n由OFDM时域信号x_n决定；

z_n的表达式如下：

a_n表达式为：

通过削波后的输出信号

的表达式，可以证明信号检测过程中，调光信号s_n只对OFDM信号x_n的偶数子载波产生影响，对奇数子载波的干扰为零；OFDM信号x_n偶数子载波为0，只有奇数子载波传输信息。因此两个信号的检测互不影响，在接收端均能正确接收。

S6：在接收端，对接收到的信号加入高斯白噪声，形成接收信号,对接收信号进行模数转换、串并转换、去掉循环前缀、进行FFT计算后，获得解调后的频域信号；

MPPM信号可以根据下式直接被检测

其中A为决策阈值，具体计算公式为

其中P和σ²分别是OFDM信号能量跟噪声能量。

由于本发明技术方案中，系统的发射信号在LED的线性范围内，因此电光转换是线性的，定义调光等级η为：

其中：I_avg为输入LED的平均电流，I_L和I_H分别表示为LED的最小最大电流；

所以在接收端，系统的调光度为：

其中：η为调光等级，I_L和I_H分别表示为LED的最小最大电流，δ_d为MPPM的占空比，δ_x为未削波OFDM信号的标准偏差；

为MPPM的占空比，σ_x是未削波OFDM信号的标准偏差；

本发明的技术方案，基于创建各种亮度级别实现了LED的调光控制。

如图2所示，基于MPPM调光控制的混合可见光通信方案调光度与占空比δ_d之间的关系图。定义比例因子β＝(I_H-I_L)/σ_x，用来评估方案的削波失真，图中三条曲线分别为β＝3、β＝4、β＝5时，基于本发明技术方案获得的仿真结果；从图2可以看出，三个仿真结果都与理论分析相符，本发明的技术方案可以实现较宽的调光范围；当比例因子β＝4时，实现的调光范围为10％至90％；值得注意的是，随着比例因子β的增加，可以进一步扩展调光范围，并且当所需调光水平非常高或者非常低的时候，可以使用更大的比例因子来支持更大的调光范围，即牺牲OFDM的功率。

图3为基于MPPM调光控制的混合可见光通信方案的BER性能随σ_x ²变化曲线图；σ_x ²为OFDM信号的方差，图中三条曲线分为：在设置噪声功率为-3dbm、调光度为37.5％时，OFDM信号方差在4QAM、16QAM、64QAM三种不同调制度下，与系统误码率性能的曲线变化趋势；由图可知在噪声功率为-3dbm时，σ_x ²与系统BER性能的曲线变化趋势，其中设置调光度为37.5％；可以看出在同一调制度下，BER性能首先会变好，然后恶化；这是因为LED的动态范围有限而导致非线性失真，更具体的说，噪声在σ_x ²较低时占主导地位，削波失真在较高σ_x ²时占主导地位；而且QAM的调制度也会影响BER性能曲线的变化程度，调制度越低，性能越好。

图4为基于MPPM调光控制的混合可见光通信方案的频谱效率与调光度关系图。图4给出本发明技术方案在不同调光水平下可获得的频谱效率，图中两条曲线分别为：单载波MPPM和本发明技术方案(图中标记为：本系统)分别在不同调光水平下可获得的频谱效率；具体来说，对于目标BER为10^-3和相对较高的噪声功率为-10dBm，为了实现目标BER，需改变QAM的调制阶数；同时与单载波调制MPPM比，本发明技术方案的可达频谱效率得到了极大的提高。并且可以很明显地注意到可以支持较宽的调光范围。

Claims (10)

1.基于MPPM调光控制的混合可见光通信方法，其包括以下步骤：

S1：定义由QAM调制的OFDM信号为X，所述OFDM信号X满足厄米尔对称性：

X＝[0,X₁,0,X₃,...,X_N-1]；

S2：对所述OFDM信号X进行反向快速傅里叶变换操作，得到OFDM时域信号为x_n：

并且满足

其特征在于，其还包括以下步骤：

S3：在发射端，基于MPPM基本原理，生成携带信息的亮度控制序列b，调光信号s_n由b_n决定，具体表示为：

其中，I_L和I_H分别表示为LED的最小最大电流，并且满足

S4：将所述调光信号s_n、所述OFDM时域信号x_n进行叠加，得到输出信号y_n：

y_n＝x_n+s_n

其中：n＝0,1,…,N-1,；

S5：将所述输出信号y_n进行削波处理后，进行数模转换，然后通过LED进行传输。

2.根据权利要求1所述基于MPPM调光控制的混合可见光通信方法，其特征在于，其还包括以下步骤：

S6：在接收端，对接收到的信号加入高斯白噪声，形成接收信号,对所述接收信号进行模数转换、串并转换、去掉循环前缀、进行FFT计算后，获得解调后的频域信号；

在接收端，MPPM信号可以根据下式直接被检测：

其中A为决策阈值，具体计算公式为

其中P和σ²分别是OFDM信号能量跟噪声能量。

3.根据权利要求1所述基于MPPM调光控制的混合可见光通信方法，其特征在于：步骤S2中，所述亮度控制序列b为：

b＝[b₀,b₁,...,b_N-1]

其中：b_n等于0或者1。

4.根据权利要求3所述基于MPPM调光控制的混合可见光通信方法，其特征在于：步骤S3包括以下详细步骤：

a1：把连续的L个二进制信号调制到M个时隙组成的时段，光脉冲设置在其中N个时隙上，其N个脉冲的规律排列为：

a2：选择对应的L、M、N，生成携带信息的所述亮度控制序列b。

5.根据权利要求1所述基于MPPM调光控制的混合可见光通信方法，其特征在于：所述步骤S5中，对所述输出信号y_n进行的所述削波处理，为消除超出LED线性范围的信号，所述削波处理的过程表示为：

其中：I_L和I_H分别表示为LED的最小最大电流。

6.根据权利要求5所述基于MPPM调光控制的混合可见光通信方法，其特征在于：步骤S5中，发送端通过所述OFDM时域信号x_n在叠加前进行预处理，进而实现对所述输出信号y_n进行的所述削波处理，其预处理过程表示为：

其中；

为x_n经过预处理后得到的信号；

b_n为所述亮度控制序列b的值，等于0或者1。

7.根据权利要求6所述基于MPPM调光控制的混合可见光通信方法，其特征在于：步骤S5中，削波处理后的输出信号

表示为：

其中：

a_n由所述OFDM时域信号x_n决定；

z_n的表达式如下：

8.根据权利要求7所述基于MPPM调光控制的混合可见光通信方法，其特征在于：步骤S5中，a_n表达式为：

9.根据权利要求1所述基于MPPM调光控制的混合可见光通信方法，其特征在于：在接收端，系统的调光度为：

其中：η为调光等级，I_L和I_H分别表示为LED的最小最大电流，δ_d为MPPM的占空比，δ_x为未削波OFDM信号的标准偏差。

10.根据权利要求9所述基于MPPM调光控制的混合可见光通信方法，其特征在于：所述调光等级η的计算方法为：

其中：I_avg为输入LED的平均电流。

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