CN112543057A - Mimo可见光通信系统的信号处理方法 - Google Patents

Mimo可见光通信系统的信号处理方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112543057A
CN112543057A CN202011426234.4A CN202011426234A CN112543057A CN 112543057 A CN112543057 A CN 112543057A CN 202011426234 A CN202011426234 A CN 202011426234A CN 112543057 A CN112543057 A CN 112543057A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
signals
channel
received
processing method
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202011426234.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112543057B (zh
Inventor
魏佳琦
龚晨
李上宾
徐正元
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Science and Technology of China USTC
Original Assignee
University of Science and Technology of China USTC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Science and Technology of China USTC filed Critical University of Science and Technology of China USTC
Priority to CN202011426234.4A priority Critical patent/CN112543057B/zh
Publication of CN112543057A publication Critical patent/CN112543057A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112543057B publication Critical patent/CN112543057B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/114—Indoor or close-range type systems
    • H04B10/116—Visible light communication
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/50—Transmitters
    • H04B10/501—Structural aspects
    • H04B10/502—LED transmitters
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/50—Transmitters
    • H04B10/516—Details of coding or modulation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Radio Transmission System (AREA)
  • Noise Elimination (AREA)

Abstract

一种MIMO可见光通信系统的信号处理方法，包括以下步骤：对于MIMO信道建模，并获得系统的信道矩阵H，矩阵元素hji表示第i个LED经过信道后到达第j个PD的信道增益；选择信号合并个数；通过设置阈值δ，当矩阵元素hji＞δ时，认为第i个LED发出的信号有效到达第j个PD，否则视为干扰；判断出ni个有效接收到信号的PD，即选择这ni个PD的信号进行后续合并处理；合并接收信号；对于每一路LED发出的信号，将多个PD接收到的信号进行合并，其权重与信道增益成正比；合并后的信号表示为原始接收信号前乘权重；采用串行干扰消除方式，将所有合并后的信号减去信号间的干扰从而解调出原始信号；接收到的信号全部处理后，计算信噪比与信道容量。

Description

MIMO可见光通信系统的信号处理方法
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种MIMO可见光通信系统的信号处理方法。
背景技术
可见光通信(Visible Light Communication，VLC)是指将信息调制到LED灯发出的可见光中，接收端利用光电检测器(PD)将可见光并转换为电信号，并从中解调出相应的调制信息的技术。而MIMO可见光通信系统，则是将多输入多输出(Multiple In MultipleOut，MIMO)技术应用至可见光通信，在发端使用多个LED发送信号，接收端使用多个光电探测器接收信号，从而有效提高系统传输速率。
在MIMO系统中，由于收发端的偏移与旋转，相同LED的成像可能分布在不同的PD上，对信号的检测和还原带来困难。因此，对于不同PD接收到的信号如何合并是一个重要问题，理想的合并方法应该有效提高信噪比，并且有利于后续信号恢复。
此外，在收发端对准的理想情况下，MIMO系统的信道矩阵为一对角阵，也就是，每个PD仅能接收到对应LED的信号。但由于收发端的移动，PD会接收到来自多个不同LED的信号，也就是信道矩阵的非对角元素变为非零。这种情况下，信号间的相互干扰会严重影响信号质量。因此，在信号处理步骤，要尽量消除非对角元素的影响，降低系统误码率。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种MIMO可见光通信系统的信号处理方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种MIMO可见光通信系统的信号处理方法，包括以下步骤：
对于MIMO信道建模，并获得系统的信道矩阵H，矩阵元素hji表示第i个LED经过信道后到达第j个PD的信道增益；
选择信号合并个数；通过设置阈值δ，当矩阵元素hji＞δ时，认为第i个LED发出的信号有效到达第j个PD，否则视为干扰；判断出ni个有效接收到信号的PD，即选择这ni个PD的信号进行后续合并处理；
合并接收信号；对于每一路LED发出的信号，将多个PD接收到的信号进行合并，其权重与信道增益成正比；合并后的信号表示为原始接收信号前乘权重；
采用串行干扰消除方式，将所有合并后的信号减去信号间的干扰从而解调出原始信号；
接收到的信号全部处理后，计算信噪比与信道容量。
其中，在对于MIMO信道建模，并获得系统的信道矩阵H，矩阵元素hji表示第i个LED经过信道后到达第j个PD的信道增益的情况下，原始接收到的信号表示为：
Figure BDA0002823712320000021
其中，x为发射信号，y为接收信号，Nt表示发射端LED总个数，为大于等于2的整数，z为噪声。
其中，所述选择信号合并个数能够替换为通过预先指定合并信号的个数ni，则对于信道矩阵H的第i个列向量hi，选择其中前ni个最大元素对应的PD进行信号合并。
其中，所述权重表示为：
Figure BDA0002823712320000022
其中，
Figure BDA0002823712320000023
即为信道矩阵的列向量hi中选择出的前ni个元素；该权重向量有ni个非零元素，表示合并了ni路信号。
其中，所述串行干扰消除的操作流程如下：
接收端每次检测一路信号，并提供一个信号源的估计，这些估计用于再次生成接收到的信号，即干扰；
从原始接收信号中减去重新生成的信号后得到差值，作为下一级的输入；
上述操作会被重复进行，直至干扰消除完毕。
其中，选择在解码前首先对所有信号按照功率大小排序，优先解调功率最大的信号，减小误码率。
其中，第j路接收信号的信噪比的计算公式如下：
Figure BDA0002823712320000031
其中，PSj表示第j路信号的功率，PIj表示其它信号对第j路信号造成的干扰总功率，PN表示系统噪声功率。
其中，第j路接收信号的信道容量的计算公式如下：
Cj＝log(1+SINRj)。
基于上述技术方案可知，本发明的MIMO可见光通信系统的信号处理方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：
(1)本发明通过信号合并与串行干扰消除方法的结合，有效提高接收信号的信噪比，并且降低信号间干扰，提高信道容量。
(2)本发明的信号处理方法显著提高了信道容量，适用于高速通信系统。
附图说明
图1是MIMO可见光通信系统信号处理的流程框图；
图2是一种室内MIMO可见光通信系统实例的示意图；
图3是基于图2所示实例的接收端PD数量改变示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，为MIMO可见光通信系统信号处理的流程框图；从图中可以看出，该信号处理方法包括获得信道矩阵；选择信号合并个数；合并接收信号；串行干扰消除；计算信噪比与信道容量。
具体的，本发明公开了一种MIMO可见光通信系统的信号处理方法，包括以下步骤：
对于MIMO信道建模，并获得系统的信道矩阵H，矩阵元素hji表示第i个LED经过信道后到达第j个PD的信道增益；
选择信号合并个数；通过设置阈值δ，当矩阵元素hji＞δ时，认为第i个LED发出的信号有效到达第j个PD，否则视为干扰；判断出ni个有效接收到信号的PD，即选择这ni个PD的信号进行后续合并处理；
合并接收信号；对于每一路LED发出的信号，将多个PD接收到的信号进行合并，其权重与信道增益成正比；合并后的信号表示为原始接收信号前乘权重；
采用串行干扰消除方式，将所有合并后的信号减去信号间的干扰从而解调出原始信号；
接收到的信号全部处理后，计算信噪比与信道容量。
其中，在对于MIMO信道建模，并获得系统的信道矩阵H，矩阵元素hji表示第i个LED经过信道后到达第j个PD的信道增益的情况下，原始接收到的信号表示为：
Figure BDA0002823712320000041
其中，x为发射信号，y为接收信号，Nt表示发射端LED总个数，为大于等于2的整数，z为噪声。
其中，所述选择信号合并个数能够替换为通过预先指定合并信号的个数ni，则对于信道矩阵H的第i个列向量hi，选择其中前ni个最大元素对应的PD进行信号合并。
其中，所述权重表示为：
Figure BDA0002823712320000042
其中，
Figure BDA0002823712320000052
即为信道矩阵的列向量hi中选择出的前ni个元素；该权重向量有ni个非零元素，表示合并了ni路信号。
其中，所述串行干扰消除的操作流程如下：
接收端每次检测一路信号，并提供一个信号源的估计，这些估计用于再次生成接收到的信号，即干扰；
从原始接收信号中减去重新生成的信号后得到差值，作为下一级的输入；
上述操作会被重复进行，直至干扰消除完毕。
其中，选择在解码前首先对所有信号按照功率大小排序，优先解调功率最大的信号，减小误码率。
其中，第j路接收信号的信噪比的计算公式如下：
Figure BDA0002823712320000051
其中，PSj表示第j路信号的功率，PIj表示其它信号对第j路信号造成的干扰总功率，PN表示系统噪声功率。
其中，第j路接收信号的信道容量的计算公式如下：
Cj＝log(1+SINRj)。
如图2所示的一种室内MIMO可见光通信系统为例，发射端LED个数Nt＝16，接收端PD个数Nr＝64。LED发出的光依次经过接收端的凸透镜和凹透镜，到达PD阵列表面，LED与PD间距为5050mm。
步骤1，在Zemax软件中对通信系统建模，之后使用MATLAB软件调用Zemax的光线追迹功能，可以得出16个LED出射光线的路径，由此得到每个PD表面接收到来自16个LED的光功率。之后将数据返回到MATLAB程序中，即可计算出对应的信道增益矩阵。
步骤2，由于发射端个数为16，接收端个数为64，为了有效利用接收到的信号，选择合并信号的个数为Nr/Nt＝4。则对于信道矩阵的每一个列向量hi，选择最大的4个元素对应的PD，进行信号合并。
步骤3，选定合并个数为4后，信号合并的权重向量可以表示为
Figure BDA0002823712320000061
步骤4，首先按照功率大小对信号进行排序，选择功率最大的作为第一路信号进行判决，恢复出原始信号值。之后，将解出的第一路信号作为输入，可以产生新的输出。从接收信号中减去这一新的输出信号，也就消除了第一路信号对其他信号产生的干扰。按照功率顺序依次对每一路信号进行相同的操作，直至所有原始信号都被还原。
步骤5，使用公式
Figure BDA0002823712320000062
Cj＝log(1+SINRj)
计算信道容量。
作为对照，在接收端进行信号合并后，不进行串行干扰消除步骤，直接计算系统的信道容量。
作为对照，将图2所示实例中接收端个数减少，仅保留中间的16个PD，PD的大小和间距都保持不变，如图3所示。因此不进行信号合并步骤，直接进行串行干扰消除(SIC)；干扰消除后，计算各信道的信道容量。
在改变发射端旋转角度时，上述三种情况的对比结果展示在表1及其续表中。
从表1结果可以看到，本发明中的信号处理方法显著提高了信道容量，适用于高速通信系统。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
表1
Figure BDA0002823712320000071
表1续表
Figure BDA0002823712320000072

Claims (8)

1.一种MIMO可见光通信系统的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
对于MIMO信道建模，并获得系统的信道矩阵H，矩阵元素hji表示第i个LED经过信道后到达第j个PD的信道增益；
选择信号合并个数；通过设置阈值δ，当矩阵元素hji＞δ时，认为第i个LED发出的信号有效到达第j个PD，否则视为干扰；判断出ni个有效接收到信号的PD，即选择这ni个PD的信号进行后续合并处理；
合并接收信号；对于每一路LED发出的信号，将多个PD接收到的信号进行合并，其权重与信道增益成正比；合并后的信号表示为原始接收信号前乘权重；
采用串行干扰消除方式，将所有合并后的信号减去信号间的干扰从而解调出原始信号；
接收到的信号全部处理后，计算信噪比与信道容量。
2.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，在对于MIMO信道建模，并获得系统的信道矩阵H，矩阵元素hji表示第i个LED经过信道后到达第j个PD的信道增益的情况下，原始接收到的信号表示为：
Figure FDA0002823712310000011
其中，x为发射信号，y为接收信号，Nt表示发射端LED总个数，为大于等于2的整数，z为噪声。
3.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，所述选择信号合并个数能够替换为通过预先指定合并信号的个数ni，则对于信道矩阵H的第i个列向量hi，选择其中前ni个最大元素对应的PD进行信号合并。
4.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，所述权重表示为：
Figure FDA0002823712310000012
其中，
Figure FDA0002823712310000021
即为信道矩阵的列向量hi中选择出的前ni个元素；该权重向量有ni个非零元素，表示合并了ni路信号。
5.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，所述串行干扰消除的操作流程如下：
接收端每次检测一路信号，并提供一个信号源的估计，这些估计用于再次生成接收到的信号，即干扰；
从原始接收信号中减去重新生成的信号后得到差值，作为下一级的输入；
上述操作会被重复进行，直至干扰消除完毕。
6.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，选择在解码前首先对所有信号按照功率大小排序，优先解调功率最大的信号，减小误码率。
7.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，第j路接收信号的信噪比的计算公式如下：
Figure FDA0002823712310000022
其中，PSj表示第j路信号的功率，PIj表示其它信号对第j路信号造成的干扰总功率，PN表示系统噪声功率。
8.根据权利要求7所述的信号处理方法，其特征在于，第j路接收信号的信道容量的计算公式如下：
Cj＝log(1+SINRj)。
CN202011426234.4A 2020-12-08 2020-12-08 Mimo可见光通信系统的信号处理方法 Active CN112543057B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011426234.4A CN112543057B (zh) 2020-12-08 2020-12-08 Mimo可见光通信系统的信号处理方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011426234.4A CN112543057B (zh) 2020-12-08 2020-12-08 Mimo可见光通信系统的信号处理方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112543057A true CN112543057A (zh) 2021-03-23
CN112543057B CN112543057B (zh) 2022-04-19

Family

ID=75019571

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011426234.4A Active CN112543057B (zh) 2020-12-08 2020-12-08 Mimo可见光通信系统的信号处理方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112543057B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113162689A (zh) * 2021-04-26 2021-07-23 东南大学 一种多输入多输出可见光通信特征信道功率分配方法
CN114726440A (zh) * 2022-06-13 2022-07-08 中国科学技术大学 一种高密集可见光阵列的信号处理方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101194440A (zh) * 2005-04-19 2008-06-04 高通股份有限公司 用于自适应分区的信道质量报告
CN101282175A (zh) * 2008-05-16 2008-10-08 西安理工大学 基于垂直分层空时编码的自由空间mimo光通信系统
CN101409604A (zh) * 2007-10-09 2009-04-15 鼎桥通信技术有限公司 多输入多输出系统中的串行干扰消除方法
CN102545984A (zh) * 2012-01-10 2012-07-04 北京邮电大学 一种多用户mimo系统的线性与非线性综合预编码方法及装置
CN102571208A (zh) * 2011-11-28 2012-07-11 华中科技大学 一种多输入多输出的光通信系统及方法
CN102820923A (zh) * 2012-08-17 2012-12-12 山东大学 Mimo自由空间光通信中联合分集接收的发射光径选择方法
US20130126713A1 (en) * 2011-11-04 2013-05-23 The University Court Of The University Of Edinburgh Communication apparatus and method
EP3076567A1 (en) * 2015-04-02 2016-10-05 Alcatel Lucent Coding and encryption for wavelength division multiplexing visible light communications
CN109951214A (zh) * 2019-02-22 2019-06-28 南京邮电大学 一种适用于大规模mimo系统的信号检测方法
CN110266382A (zh) * 2019-05-29 2019-09-20 北京邮电大学 一种基于可见光通信mu-mimo-ofdm系统的多维度混合调光方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101194440A (zh) * 2005-04-19 2008-06-04 高通股份有限公司 用于自适应分区的信道质量报告
CN101409604A (zh) * 2007-10-09 2009-04-15 鼎桥通信技术有限公司 多输入多输出系统中的串行干扰消除方法
CN101282175A (zh) * 2008-05-16 2008-10-08 西安理工大学 基于垂直分层空时编码的自由空间mimo光通信系统
US20130126713A1 (en) * 2011-11-04 2013-05-23 The University Court Of The University Of Edinburgh Communication apparatus and method
CN102571208A (zh) * 2011-11-28 2012-07-11 华中科技大学 一种多输入多输出的光通信系统及方法
CN102545984A (zh) * 2012-01-10 2012-07-04 北京邮电大学 一种多用户mimo系统的线性与非线性综合预编码方法及装置
CN102820923A (zh) * 2012-08-17 2012-12-12 山东大学 Mimo自由空间光通信中联合分集接收的发射光径选择方法
EP3076567A1 (en) * 2015-04-02 2016-10-05 Alcatel Lucent Coding and encryption for wavelength division multiplexing visible light communications
CN109951214A (zh) * 2019-02-22 2019-06-28 南京邮电大学 一种适用于大规模mimo系统的信号检测方法
CN110266382A (zh) * 2019-05-29 2019-09-20 北京邮电大学 一种基于可见光通信mu-mimo-ofdm系统的多维度混合调光方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HUA FU ET AL: "Asymptotic BER Analysis of MMSE Receivers in Multicell MU-MIMO Systems", 《IEEE》 *
MIAN ZENG ET AL: "Design and demonstration of an indoor visible light communication network with dynamic user access and resource allocation", 《IEEE》 *
WEI ZHANG ET AL: "Signal-to-interference-plus-noise ratio analysis for MIMO-OFDM with carrier frequency offset and channel estimation errors", 《IEEE》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113162689A (zh) * 2021-04-26 2021-07-23 东南大学 一种多输入多输出可见光通信特征信道功率分配方法
CN114726440A (zh) * 2022-06-13 2022-07-08 中国科学技术大学 一种高密集可见光阵列的信号处理方法
CN114726440B (zh) * 2022-06-13 2022-10-04 中国科学技术大学 一种高密集可见光阵列的信号处理方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112543057B (zh) 2022-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8989596B2 (en) Multiple sensor optical communication systems and methods
CN112543057B (zh) Mimo可见光通信系统的信号处理方法
US6850709B1 (en) Apparatus and method for improved connectivity in wireless optical communication systems
CN111786724B (zh) 基于深度学习的多波长led水下可见光通信调制方法
WO2010101425A2 (en) Method and apparatus for eliminating multi-user interference in multi-antenna system
KR100690873B1 (ko) Ｍｉｍｏ시스템의 복호장치 및 방법
EP1587223A1 (en) Detection process in a V-BLAST system
CA2446512A1 (en) Method and apparatus for processing data in a multiple-input multiple-output (mimo) communication system utilizing channel state information
KR20050015731A (ko) 이중 시공간 송신 다이버시티 시스템에서 최소 신호대잡음비를 이용한 셔플링 패턴 결정 방법 및 장치
CN107040310A (zh) 基于ihdaf协议的fso通信系统的工作方法
WO2010021501A2 (ko) 다중입출력 통신시스템 및 그 제어방법
CN106464438A (zh) 用于通过光超级信道传输数据的方法、发送器以及系统
CN102075288A (zh) 一种基于网络编码的自由空间光协作中继通信方法
Ashok et al. Rate adaptation in visual mimo
CN110098870A (zh) 基于ob-mmse检测算法的光广义空间调制方法
CN101277279B (zh) 一种多天线系统的串行干扰消除方法及其装置
JP2004222282A (ja) 少なくとも３つの送信アンテナを使用する無線通信システムの受信装置
CN108259073A (zh) 基于广义空间调制的上行通信多用户信号检测方法及装置
CN1661993A (zh) 接收机、通信系统，以及接收方法
KR20090020247A (ko) 로그우도비 산출 방법, 송신 신호 검출 방법 및 수신기
WO2005008931A1 (ja) 送信装置、受信装置、無線通信システム
KR20090128061A (ko) 다중 입력 다중 출력 시스템에서 신호 검출을 위한 장치 및방법
KR20050053274A (ko) 다중 안테나를 사용하는 이동통신 시스템에서 간섭신호제거 장치 및 방법
Zhang et al. Optical Space Time Pulse Position Modulation over Exponential Weibull Turbulence Channel
CN1879314A (zh) 多输入多输出通信系统的信号处理装置和方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant