CN111245511A - 基于广义空间调制的自适应可见光通信系统的工作方法 - Google Patents

Abstract

基于广义空间调制的自适应可见光通信系统的工作方法，属光通信技术领域，该系统的通信过程分为三个步骤：首先，将输入的信息比特流进行串并转换分成两个部分，一部分用于选择激活的LED，一部分进入基于厄米特对称的OFDM调制模块进行调制，得到双极性实信号，并将正负信号进行分离；其次，根据实际信道增益将激活LED分成信道增益相对均衡的两组，通过正负信号映射模块将之前产生的两个信号分别加载到对应的LED分组上进行传输；最后，在接收端采用迫零响应法对接收信号进行解调恢复。本发明基于广义空间调制技术及优化LED分组方案，可在不采用直流偏置的情况下，降低系统峰均功率比，有效提高系统适应性及可靠性。

Description

基于广义空间调制的自适应可见光通信系统的工作方法

技术领域

本发明涉及一种基于广义空间调制的自适应可见光通信系统的工作方法，属于光通信技术领域。

背景技术

近年来，基于发光二极管(LED)的可见光通信(VLC)由于频谱资源丰富、传输速率快、抗电磁干扰能力强和高安全性等特点，成为室内短距离高速无线通信技术的研究热点。正交频分复用技术(OFDM)以其高频谱利用率和固有的抗符号间干扰的鲁棒性，在VLC系统中得到了广泛应用。广义空间调制技术(GSM)是在空间调制技术(SM)基础上发展而来的多天线调制传输技术，其通过激活多个LED来传输空间信息，既保持了SM的优势，又进一步提升了系统频谱效率。基于广义空间调制的OFDM-VLC方案充分利用了OFDM技术以及GSM技术的优点，在有效提升通信系统传输性能的同时，又进一步提高了系统传输速率。

Yichen Li等(参见Y.Li,D.Tsonev and H.Haas,"Non-DC-biased OFDM withOptical Spatial Modulation,"2013 IEEE 24th Annual International Symposium onPersonal,Indoor,and Mobile Radio Communications(PIMRC),London,2013,pp.486-490.)介绍了一种基于光空间调制(OSM)的单极性调制方法，它通过利用两个LED索引分别携带信号的正负性进行信息传输，无需直流偏置，从而降低了系统峰均功率比。AnilYesilkaya等(参见A.Yesilkaya,E.Basar,F.Miramirkhani,E.Panayirci,M.Uysal andH.Haas,"Optical MIMO-OFDM With Generalized LED Index Modulation,"in IEEETransactions on Communications,vol.65,no.8,pp.3429-3441,Aug.2017.)提出了基于GSM的VLC方案，它通过利用四个LED分别传输复杂时域OFDM信号的实部分量和虚部分量，与单输入单输出(SISO)基于直流偏置的光OFDM(DCO-OFDM)系统相比，其无需直流偏置，并可以使频谱效率提升一倍。以上方案均指定了各LED传输符号的正负性，且未考虑不同信道对系统的影响，使系统灵活度和稳定性受到一定限制。

发明内容

为克服现有技术中存在的不足和缺陷，本发明提出了一种灵活度更高，性能更加稳定的基于广义空间调制的自适应可见光通信系统的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于广义空间调制的自适应可见光通信系统的工作方法，该系统包括发射端和接收端,其中发射端包括串并转换模块、激活LED索引选择模块、优化LED分组模块、OFDM调制模块、正负信号分离模块、正负信号映射模块及N_T个发射LED，串并转换模块分别与OFDM调制模块和激活LED索引选择模块相连接；激活LED索引选择模块依次与优化LED分组模块和正负信号映射模块相连接；OFDM调制模块依次与正负信号分离模块、正负信号映射模块及N_T个发射LED连接；接收端包括N_R个光电检测器PD、均衡模块、激活LED索引解调模块、调制符号模块、正负信号解映射模块、OFDM符号组合模块、OFDM解调模块、并串转换模块，N_R个光电检测器PD通过均衡模块分别与激活LED索引解调模块、调制符号模块相连接，激活LED索引解调模块分别与正负信号解映射模块、并串转换模块连接，调制符号模块依次与正负信号解映射模块、OFDM符号组合模块、OFDM解调模块、并串转换模块相连接；通信过程分为三步：首先，根据系统所需速率确定LED激活数N_t及正交幅度调制的调制阶数M，发射端经串并转换模块将输入的信息比特流串并转换为两个部分，一部分用于选择激活的LED，一部分在生成M阶正交幅度调制信号后进行基于厄米特对称的OFDM调制，得到双极性实值时域信号，并分离出正负信号，其中采用极性逆转方法将负信号转变为正信号；其次，根据各LED信道增益将激活LED分成信道增益相对均衡的两组，通过正负信号映射模块将信号分别加载到对应的LED两组分组上进行传输，第一组LED传输正信号，第二组LED传输负信号的逆变信号；最后，在接收端采用迫零响应法对接收信号进行解调恢复，该方法的具体步骤如下：

1)根据系统信息速率需求确定激活LED数N_t及正交幅度调制(QAM)调制阶数M，2≤N_t≤N_T，N_t为偶数，发射端经串并转换模块将k₁+k₂个信息比特串并转换后分为两个部分，第一部分k₁个信息比特用来激活N_t个发送LED，记激活LED组合为L，

T为转置符号，另一部分k₂个信息比特进入到OFDM调制模块进行调制，其中

k₂＝(N/2-1)log₂M，符号

表示向下取整，

表示二项式系数运算，N表示OFDM子载波数；

2)在OFDM调制模块中，先对k₂个信息比特进行M阶正交幅度调制，然后将调制信号串并转换为(N/2-1)路低速并行的频域信号；再将频域信号进行厄米特共轭对称处理，将序号为0和N/2处的子载波值设置为零，得到复频域信号X，表示为

也可记为X(N-k)＝X^*(k)，k＝1,2,…,N/2-1，X(0)＝X(N/2)＝0，其中*表示复数共轭；最后，经过快速傅里叶逆变换后，输出具有子载波叠加形式的双极性实值时域信号x，表达式为

n＝0,1,…,N-1，其中∑表示求和，j表示虚部；

3)双极性实值时域信号x经过正负信号分离模块，分别得到正信号和负信号，正信号用

表示，负信号x^-经极性逆转后转换成正信号

所得到的两信号分别表示为

和

并通过对应激活的LED进行传输；

4)通过优化LED分组模块，将激活LED根据其信道增益大小分成信道增益相对均衡的两组L₁、L₂，具体方法如下：首先，将所有激活LED信道增益由大到小排列，将具有最佳信道增益和最差信道增益的LED分为第一组，记为L₁，将次优信道增益和次差信道增益对应的LED分为第二组，记为L₂；然后，根据剩余LED信道增益大小，将余下的最佳信道增益和最差信道增益的LED分到第一组，将次优信道增益和次差信道增益对应的LED分到第二组，依次进行，直至全部分组完毕，若剩余2个LED时，将2个LED中具有最佳信道增益的LED分到第一组，另一个LED分到第二组；最后，通过正负信号映射模块将产生的两个信号

分别加载到第一组、第二组LED上进行传输；

5)发射端调制后的信号通过被激活的LED发射，经过信道传输后，在接收端由光电检测器PD接收，将光信号转换为电信号，设系统收发过程完全同步，则得到的接收信号可表示为y＝ρHx_n+w，其中y＝[y₁,y₂,…,y_NR]^T，ρ表示光电转换系数，x_n表示发送信号，且x_n＝[0,0,x_n,...,x_n,0,0]^T，w表示信道噪声，H表示N_R×N_T维的信道矩阵，即

在可见光通信中，视距(LOS)链路信号的强度远远大于非视距(NLOS)链路的强度，仅考虑LOS链路下的通信，设h_ij为信道矩阵H中的元素，其表达式为

其中m’表示LED朗伯辐射模数，其值与光源半功率角有关，表达式为m’＝-ln2/ln(cosΦ_1/2)，Φ_1/2表示LED的半功率角，A_r表示光电接收器的检测面积，d_ij表示第j个激活LED到第i个PD的有效距离，φ_ij表示第j个LED到第i个接收PD的俯角，

表示第j个LED到第i个PD的仰角，

表示光滤波器增益，Ψ_c表示PD视场角；

6)在接收端，采用迫零(Zero-forcing)响应法由均衡模块对接收信号y进行均衡，表达式为x_R＝H^-1y，其中x_R表示经过迫零均衡后的信号，H^-1表示信道矩阵H的逆矩阵，通过比较x_R每列元素的大小，分别得到每列N_t/2个较大的元素值及其对应的位置，从而判定发送的N_t个实值信号序列及其对应的激活LED索引；

7)通过激活LED索引解调模块解调恢复出选择激活LED索引的k₁个信息比特；通过正负信号解映射模块判定所在分组上的实值信号序列对应的正负性，即激活LED索引在第一组，则判定该LED发送的实值信号序列为正值，激活LED索引在第二组，则判定该LED发送的实值信号序列为负值，得到N_t/2个正实值信号序列和负实值信号序列；

8)在OFDM符号组合模块中将N_t/2个正负实值信号序列分别取均值后重新组合得到OFDM符号；然后，通过OFDM解调模块进行快速傅里叶变换得到频域信号，经M阶正交幅度解调后得到用于符号调制的k₂个信息比特；最后，将所恢复的用于选择激活LED索引的k₁个信息比特和通过OFDM解调模块得到的k₂个信息比特经过并串转换模块，恢复出对应信息比特流。

本发明的有益效果如下：

1)本发明首次提出基于信道增益的优化LED分组方式，将激活LED按照信道增益大小分为信道增益相对均衡的两组分别传输正负信号，不指定具体LED传输信号的正负性，提高了系统的灵活度，增强了系统的适应性。

2)引入空间分集技术，降低了误码率，增强了系统的可靠性。

3)采用基于厄米特对称的正交频分复用技术和广义空间调制技术，将正负信号分别加载到不同的LED上传输，无需使用直流偏置，提高了频谱效率，降低了系统的峰均功率比。

附图说明

图1是本发明系统的示意框图。

图2是本发明的系统误码率性能仿真比较图。由图2可以看出本发明在图示信噪比范围内的误码率性能明显优于传统GSMVLC的系统性能。

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：

一种基于广义空间调制的自适应可见光通信系统的工作方法，如图1所示，该系统包括发射端和接收端,其中发射端包括串并转换模块、激活LED索引选择模块、优化LED分组模块、OFDM调制模块、正负信号分离模块、正负信号映射模块及N_T个发射LED，串并转换模块分别与OFDM调制模块和激活LED索引选择模块相连接；激活LED索引选择模块依次与优化LED分组模块和正负信号映射模块相连接；OFDM调制模块依次与正负信号分离模块、正负信号映射模块及N_T个发射LED连接；接收端包括N_R个光电检测器PD、均衡模块、激活LED索引解调模块、调制符号模块、正负信号解映射模块、OFDM符号组合模块、OFDM解调模块、并串转换模块，N_R个光电检测器PD通过均衡模块分别与激活LED索引解调模块、调制符号模块相连接，激活LED索引解调模块分别与正负信号解映射模块、并串转换模块连接，调制符号模块依次与正负信号解映射模块、OFDM符号组合模块、OFDM解调模块、并串转换模块相连接；通信过程分为三步：首先，根据系统所需速率确定LED激活数N_t及正交幅度调制的调制阶数M，发射端经串并转换模块将输入的信息比特流串并转换为两个部分，一部分用于选择激活的LED，一部分在生成M阶正交幅度调制信号后进行基于厄米特对称的OFDM调制，得到双极性实值时域信号，并分离出正负信号，其中采用极性逆转方法将负信号转变为正信号；其次，根据各LED信道增益将激活LED分成信道增益相对均衡的两组，通过正负信号映射模块将信号分别加载到对应的LED两组分组上进行传输，第一组LED传输正信号，第二组LED传输负信号的逆变信号；最后，在接收端采用迫零响应法对接收信号进行解调恢复，该方法的具体步骤如下：

1)根据系统信息速率需求确定激活LED数N_t及正交幅度调制(QAM)调制阶数M，2≤N_t≤N_T，N_t为偶数，发射端经串并转换模块将k₁+k₂个信息比特串并转换后分为两个部分，第一部分k₁个信息比特用来激活N_t个发送LED，记激活LED组合为L，

T为转置符号，另一部分k₂个信息比特进入到OFDM调制模块进行调制，其中

k₂＝(N/2-1)log₂M，符号

表示向下取整，

表示二项式系数运算，N表示OFDM子载波数；

2)在OFDM调制模块中，先对k₂个信息比特进行M阶正交幅度调制，然后将调制信号串并转换为(N/2-1)路低速并行的频域信号；再将频域信号进行厄米特共轭对称处理，将序号为0和N/2处的子载波值设置为零，得到复频域信号X，表示为

也可记为X(N-k)＝X^*(k)，k＝1,2,…,N/2-1，X(0)＝X(N/2)＝0，其中*表示复数共轭；最后，经过快速傅里叶逆变换后，输出具有子载波叠加形式的双极性实值时域信号x，表达式为

n＝0,1,…,N-1，其中∑表示求和，j表示虚部；

3)双极性实值时域信号x经过正负信号分离模块，分别得到正信号和负信号，正信号用

表示，负信号x^-经极性逆转后转换成正信号

所得到的两信号分别表示为

和

并通过对应激活的LED进行传输；

4)通过优化LED分组模块，将激活LED根据其信道增益大小分成信道增益相对均衡的两组L₁、L₂，具体方法如下：首先，将所有激活LED信道增益由大到小排列，将具有最佳信道增益和最差信道增益的LED分为第一组，记为L₁，将次优信道增益和次差信道增益对应的LED分为第二组，记为L₂；然后，根据剩余LED信道增益大小，将余下的最佳信道增益和最差信道增益的LED分到第一组，将次优信道增益和次差信道增益对应的LED分到第二组，依次进行，直至全部分组完毕，若剩余2个LED时，将2个LED中具有最佳信道增益的LED分到第一组，另一个LED分到第二组；最后，通过正负信号映射模块将产生的两个信号

分别加载到第一组、第二组LED上进行传输；

5)发射端调制后的信号通过被激活的LED发射，经过信道传输后，在接收端由光电检测器PD接收，将光信号转换为电信号，设系统收发过程完全同步，则得到的接收信号可表示为y＝ρHx_n+w，其中y＝[y₁,y₂,…,y_NR]^T，ρ表示光电转换系数，x_n表示发送信号，且x_n＝[0,0,x_n,...,x_n,0,0]^T，w表示信道噪声，H表示N_R×N_T维的信道矩阵，即

在可见光通信中，视距(LOS)链路信号的强度远远大于非视距(NLOS)链路的强度，仅考虑LOS链路下的通信，设h_ij为信道矩阵H中的元素，其表达式为

其中m’表示LED朗伯辐射模数，其值与光源半功率角有关，表达式为m’＝-ln2/ln(cosΦ_1/2)，Φ_1/2表示LED的半功率角，A_r表示光电接收器的检测面积，d_ij表示第j个激活LED到第i个PD的有效距离，φ_ij表示第j个LED到第i个接收PD的俯角，

表示第j个LED到第i个PD的仰角，

表示光滤波器增益，Ψ_c表示PD视场角；

6)在接收端，采用迫零(Zero-forcing)响应法由均衡模块对接收信号y进行均衡，表达式为x_R＝H^-1y，其中x_R表示经过迫零均衡后的信号，H^-1表示信道矩阵H的逆矩阵，通过比较x_R每列元素的大小，分别得到每列N_t/2个较大的元素值及其对应的位置，从而判定发送的N_t个实值信号序列及其对应的激活LED索引；

7)通过激活LED索引解调模块解调恢复出选择激活LED索引的k₁个信息比特；通过正负信号解映射模块判定所在分组上的实值信号序列对应的正负性，即激活LED索引在第一组，则判定该LED发送的实值信号序列为正值，激活LED索引在第二组，则判定该LED发送的实值信号序列为负值，得到N_t/2个正实值信号序列和负实值信号序列；

8)在OFDM符号组合模块中将N_t/2个正负实值信号序列分别取均值后重新组合得到OFDM符号；然后，通过OFDM解调模块进行快速傅里叶变换得到频域信号，经M阶正交幅度解调后得到用于符号调制的k₂个信息比特；最后，将所恢复的用于选择激活LED索引的k₁个信息比特和通过OFDM解调模块得到的k₂个信息比特经过并串转换模块，恢复出对应信息比特流。

Claims (1)

1.一种基于广义空间调制的自适应可见光通信系统的工作方法，该系统包括发射端和接收端,其中发射端包括串并转换模块、激活LED索引选择模块、优化LED分组模块、OFDM调制模块、正负信号分离模块、正负信号映射模块及N_T个发射LED，串并转换模块分别与OFDM调制模块和激活LED索引选择模块相连接；激活LED索引选择模块依次与优化LED分组模块和正负信号映射模块相连接；OFDM调制模块依次与正负信号分离模块、正负信号映射模块及N_T个发射LED连接；接收端包括N_R个光电检测器PD、均衡模块、激活LED索引解调模块、调制符号模块、正负信号解映射模块、OFDM符号组合模块、OFDM解调模块、并串转换模块，N_R个光电检测器PD通过均衡模块分别与激活LED索引解调模块、调制符号模块相连接，激活LED索引解调模块分别与正负信号解映射模块、并串转换模块连接，调制符号模块依次与正负信号解映射模块、OFDM符号组合模块、OFDM解调模块、并串转换模块相连接；通信过程分为三步：首先，根据系统所需速率确定LED激活数N_t及正交幅度调制的调制阶数M，发射端经串并转换模块将输入的信息比特流串并转换为两个部分，一部分用于选择激活的LED，一部分在生成M阶正交幅度调制信号后进行基于厄米特对称的OFDM调制，得到双极性实值时域信号，并分离出正负信号，其中采用极性逆转方法将负信号转变为正信号；其次，根据各LED信道增益将激活LED分成信道增益相对均衡的两组，通过正负信号映射模块将信号分别加载到对应的LED两组分组上进行传输，第一组LED传输正信号，第二组LED传输负信号的逆变信号；最后，在接收端采用迫零响应法对接收信号进行解调恢复，该方法的具体步骤如下：

1)根据系统信息速率需求确定激活LED数N_t及正交幅度调制调制阶数M，2≤N_t≤N_T，N_t为偶数，发射端经串并转换模块将k₁+k₂个信息比特串并转换后分为两个部分，第一部分k₁个信息比特用来激活N_t个发送LED，记激活LED组合为L，

T为转置符号，另一部分k₂个信息比特进入到OFDM调制模块进行调制，其中

k₂＝(N/2-1)log₂M，符号

表示向下取整，

表示二项式系数运算，N表示OFDM子载波数；

2)在OFDM调制模块中，先对k₂个信息比特进行M阶正交幅度调制，然后将调制信号串并转换为(N/2-1)路低速并行的频域信号；再将频域信号进行厄米特共轭对称处理，将序号为0和N/2处的子载波值设置为零，得到复频域信号X，表示为

也可记为X(N-k)＝X^*(k)，k＝1,2,…,N/2-1，X(0)＝X(N/2)＝0，其中*表示复数共轭；最后，经过快速傅里叶逆变换后，输出具有子载波叠加形式的双极性实值时域信号x，表达式为

其中∑表示求和，j表示虚部；

3)双极性实值时域信号x经过正负信号分离模块，分别得到正信号和负信号，正信号用

表示，负信号x^-经极性逆转后转换成正信号

所得到的两信号分别表示为

和

并通过对应激活的LED进行传输；

4)通过优化LED分组模块，将激活LED根据其信道增益大小分成信道增益相对均衡的两组L₁、L₂，具体方法如下：首先，将所有激活LED信道增益由大到小排列，将具有最佳信道增益和最差信道增益的LED分为第一组，记为L₁，将次优信道增益和次差信道增益对应的LED分为第二组，记为L₂；然后，根据剩余LED信道增益大小，将余下的最佳信道增益和最差信道增益的LED分到第一组，将次优信道增益和次差信道增益对应的LED分到第二组，依次进行，直至全部分组完毕，若剩余2个LED时，将2个LED中具有最佳信道增益的LED分到第一组，另一个LED分到第二组；最后，通过正负信号映射模块将产生的两个信号

分别加载到第一组、第二组LED上进行传输；

5)发射端调制后的信号通过被激活的LED发射，经过信道传输后，在接收端由光电检测器PD接收，将光信号转换为电信号，设系统收发过程完全同步，则得到的接收信号可表示为y＝ρHx_n+w，其中y＝[y₁,y₂,…,y_NR]^T，ρ表示光电转换系数，x_n表示发送信号，且x_n＝[0,0,x_n,...,x_n,0,0]^T，w表示信道噪声，H表示N_R×N_T维的信道矩阵，即

在可见光通信中，视距链路信号的强度远远大于非视距链路的强度，仅考虑视距链路下的通信，设h_ij为信道矩阵H中的元素，其表达式为

其中m’表示LED朗伯辐射模数，其值与光源半功率角有关，表达式为m’＝-ln2/ln(cosΦ_1/2)，Φ_1/2表示LED的半功率角，A_r表示光电接收器的检测面积，d_ij表示第j个激活LED到第i个PD的有效距离，φ_ij表示第j个LED到第i个接收PD的俯角，

表示第j个LED到第i个PD的仰角，

表示光滤波器增益，Ψ_c表示PD视场角；

6)在接收端，采用迫零响应法由均衡模块对接收信号y进行均衡，表达式为x_R＝H^-1y，其中x_R表示经过迫零均衡后的信号，H^-1表示信道矩阵H的逆矩阵，通过比较x_R每列元素的大小，分别得到每列N_t/2个较大的元素值及其对应的位置，从而判定发送的N_t个实值信号序列及其对应的激活LED索引；

7)通过激活LED索引解调模块解调恢复出选择激活LED索引的k₁个信息比特；通过正负信号解映射模块判定所在分组上的实值信号序列对应的正负性，即激活LED索引在第一组，则判定该LED发送的实值信号序列为正值，激活LED索引在第二组，则判定该LED发送的实值信号序列为负值，得到N_t/2个正实值信号序列和负实值信号序列；

8)在OFDM符号组合模块中将N_t/2个正负实值信号序列分别取均值后重新组合得到OFDM符号；然后，通过OFDM解调模块进行快速傅里叶变换得到频域信号，经M阶正交幅度解调后得到用于符号调制的k₂个信息比特；最后，将所恢复的用于选择激活LED索引的k₁个信息比特和通过OFDM解调模块得到的k₂个信息比特经过并串转换模块，恢复出对应信息比特流。

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