CN112636832A - 基于载波索引调制的高效可见光通信系统工作方法 - Google Patents

Abstract

基于载波索引调制的高效可见光通信系统工作方法，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和所有子载波进行分组，每组中一部分比特用来选择激活的子载波索引，另一部分比特经正交幅度调制后映射到激活的子载波上；其次，调制映射后的频域信号经OFDM调制得到复时域信号，将该信号转换为正实值信号，并通过对应的LED进行发送；最后，在接收端解调出用于选择激活子载波索引的信息比特和进行调制的信息比特，从而恢复原始信息。本发明将载波索引调制和广义LED索引调制相结合，提高了系统频谱效率和误比特率，改善了系统性能。

Description

基于载波索引调制的高效可见光通信系统工作方法

技术领域

本发明涉及一种基于载波索引调制的高效可见光通信系统工作方法，属于可见光通信技术领域。

背景技术

可见光通信(VLC)由于使用成本低廉、寿命长的发光二极管(LED)进行通信，受到学术界和工业界的广泛关注。与频谱资源相对稀缺的无线电(RF)通信不同，光无线通信具有丰富的频谱资源有待开发。最常用的VLC方案是强度调制和直接检测，这要求传输信号必须是非负的。正交频分复用(OFDM)技术是一种多子载波复用技术，具有频谱效率高、抗符号间干扰等优点，在可见光通信系统中得到广泛应用。比较经典的OFDM可见光通信系统主要包括直流偏置光OFDM(DCO-OFDM)系统和非对称限幅光OFDM(ACO-OFDM)系统，其利用厄米特对称经快速傅里叶反变换(IFFT)获得实值信号，再通过增加直流偏置或剪切信号从而获得非负信号，但频谱效率相对较低。索引调制(IM)技术是近年来研究的热点，它不仅利用子载波传送调制符号，还可以通过激活的子载波索引组合来传输信息。随后，提出了基于DCO-OFDM的载波索引调制(IM-DCO-OFDM)方案，该方案虽然提高了系统误码率性能，但更多的子载波未被利用，大大降低了频谱效率和信息传输速率。

Mahendra等(参见M.P.S.Bhadoria,G.Pandey and A.Dixit,"PerformanceEvaluation of Visible Light Communication for DCO and ACO Optical OFDMTechniques,"2019National Conference on Communications(NCC),Bangalore,India,2019,pp.1-6)对DCO-OFDM和ACO-OFDM在高斯白噪声信道中的性能进行了分析和评估，指出DCO-OFDM系统频谱效率相对较高，而ACO-OFDM系统的误码率性能要优于DCO-OFDM系统，并且系统的平均峰均比随着子载波数量的增多而增大。Anil Yesilkaya等(参见A.Yesilkaya,E.Basar,F.Miramirkhani,E.Panayirci,M.Uysal and H.Haas,"OpticalMIMO-OFDM With Generalized LED Index Modulation,"in IEEE Transactions onCommunications,vol.65,no.8,pp.3429-3441,Aug.2017)提出了基于MIMO-OFDM的广义LED(GLED)索引调制方案，利用LED索引来代替复数信号的实虚部和正负性，避免了厄米特对称和直流偏置，从而提供了两倍于DCO-OFDM的频谱效率。

等(E.

and E.

"Optical OFDM with index modulation for visible lightcommunications,"2015 4th International Workshop on Optical WirelessCommunications(IWOW),Istanbul,2015,pp.11-15)提出了基于DCO-OFDM的载波索引调制方案，利用光OFDM系统激活子载波的索引来传输附加信息位，通过蒙特卡罗仿真对实际VLC信道的误差性能进行了评估，该方案在频谱效率和误码率性能之间提供了选择的灵活性。以上方案中系统频谱效率的提高有限，不能有效提升系统性能。

发明内容

为克服现有技术中存在的不足，本发明提出了一种频谱效率更高、性能更好的基于载波索引调制的高效可见光通信系统工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于载波索引调制的高效可见光通信系统工作方法，该系统包括发射端和接收端，发射端包括比特分组模块、索引调制模块、快速傅里叶反变换模块、信号分离模块及4个LED，上述各模块依次相连，信号分离模块连接到4个LED；接收端包括N_R个光电检测器(PD)、信道均衡模块、信号组合模块、快速傅里叶变换模块、索引解调模块和比特恢复模块，N_R个光电检测器连接到信道均衡模块，信道均衡模块依次连接信号组合模块、快速傅里叶变换模块、索引解调模块和比特恢复模块；发射端和接收端之间由可见光信道传输进行通信，其过程分为三步：先将输入的信息比特流及所有子载波进行分组，每组中一部分比特用来选择激活的子载波索引，另一部分比特经M阶正交幅度调制后映射到激活的子载波上；其次，调制映射后的频域信号经OFDM即正交频分复用调制得到复时域信号，将该信号进一步转换为正实值信号，并通过对应的LED进行发送；最后在接收端经信道均衡后，对接收信号进行解调，恢复出原始信息，该方法的具体步骤如下：

1)根据通信速率需求确定子载波分组数G、激活的总子载波数L及调制阶数M，在发射端将输入的m个信息比特和N个子载波由比特分组模块分别将其平均分成G组，则每个索引调制模块中包含p个比特及a个子载波，其中激活的子载波数为l，且p＝m/G，a＝N/G，l＝L/G；

2)每个索引调制模块中，p₁个比特用来选择激活的子载波索引，p₂个比特经M阶正交幅度调制后映射到激活的子载波上，其余未被激活的子载波置0，得到频域信号X，其表达式为X＝[X₀,X₁,…,X_N-1]^T，X_k∈{0,S},k＝0，1,…,N-1，T为矩阵转置，S为调制符号集合，其中，

p₂＝llog₂M，p₁+p₂＝p，符号

表示向下取整，

表示从n个子载波中选择l个子载波激活的所有可能组合；

3)所有索引调制模块完成载波调制形成OFDM数据块，经快速傅里叶反变换模块得到复时域信号x，其表示为x＝[x₀,x₁,…,x_N-1]^T，

4)在信号分离模块中对复时域信号x进行处理得到正实值信号，并通过对应LED发送，具体步骤如下：首先，分离复信号x_n的实部和虚部，得到实值双极性信号x_R,n和x_I,n，x_n＝x_R,n+jx_I,n；其次，对双极性实值信号x_R,n和x_I,n进行如下处理，获得正实值信号

其中，

(b)⁺表示在(b,0)中取最大值；最后，将得到的正实值信号

通过第一个LED发送，

将通过第二个LED发送，

将通过第三个LED发送，将

通过第四个LED发送；

5)发送信号

经可见光信道传输在接收端由PD接收，将光信号转换为电信号，设光电转换系数为1，则接收信号表示为

其中y为N_R×4维的接收信号向量，

w表示信道噪声项，H表示N_R×4维的信道矩阵，即

h_ij表示第j个LED到第i个PD的信道系数，其表达式为

其中m’表示LED的朗伯辐射模数，m’＝-ln2/ln(cosΦ_1/2)，Φ_1/2表示LED的半功率角，A表示PD的检测面积，d_ij表示第j个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，T_s表示光滤波器增益，Ψ_c表示PD视场角；

6)在信道均衡模块中采用最小均方误差算法对接收信号向量y进行均衡，得到均衡后信号y_MMSE，其表达式为y_MMSE＝(HH^H+L·I/ρ_F)^-1H^Hy，其中，()^H表示矩阵的共轭转置，I表示单位矩阵，()^-1表示矩阵的逆矩阵或伪逆矩阵，ρ_F表示接收端平均信噪比；

7)均衡后的信号y_MMSE进入信号组合模块，并根据步骤4)中的正实值信号转换方法及LED索引确定信号的实虚部和正负号，恢复出复时域信号

再经快速傅里叶变换模块后得到待解调的频域信号

8)在索引解调模块中，采用对数似然检测，解调出用于选择激活子载波索引的信息比特和调制符号对应的信息比特，恢复出原始信息，对数似然检测表达式为

S_j为M阶调制符号，

表示第k个子载波上接收信号为

时，发送符号为S_j的概率，

表示第k个子载波上接收信号为

时，发送空载的概率，依次计算出每个子载波对应的检测值λ_k后，从中选择出数值最大的前l个λ_k值，对应的k即为激活的子载波索引，随后，根据查表法恢复出索引比特，然后依次解调激活子载波上传输的调制信号即可得到所有发送比特信息。

本发明在IM-OFDM调制技术的基础上，与广义LED索引调制相结合，利用LED索引特性传输相应的实虚部和正负性，避免了厄米特对称，有效提升了频谱效率，改善了系统性能。

附图说明

图1是本发明系统的示意框图。

图2是本发明在频谱效率为2bpcu，激活不同子载波时的系统误比特率性能仿真图。图示表明，本发明的系统在所示信噪比范围内的误比特率性能明显优于传统广义LED(GLED)系统，并可以根据系统通信速率要求，选择相应的分组数、激活的子载波数和调制阶数，有效提高了系统的灵活性。

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：

一种基于载波索引调制的高效可见光通信系统工作方法，如图1所示，该系统包括发射端和接收端，发射端包括比特分组模块、索引调制模块、快速傅里叶反变换模块、信号分离模块及4个LED，上述各模块依次相连，信号分离模块连接到4个LED；接收端包括N_R个光电检测器(PD)、信道均衡模块、信号组合模块、快速傅里叶变换模块、索引解调模块和比特恢复模块，N_R个光电检测器连接到信道均衡模块，信道均衡模块依次连接信号组合模块、快速傅里叶变换模块、索引解调模块和比特恢复模块；发射端和接收端之间由可见光信道传输进行通信，其过程分为三步：先将输入的信息比特流及所有子载波进行分组，每组中一部分比特用来选择激活的子载波索引，另一部分比特经M阶正交幅度调制后映射到激活的子载波上；其次，调制映射后的频域信号经OFDM即正交频分复用调制得到复时域信号，将该信号进一步转换为正实值信号，并通过对应的LED进行发送；最后在接收端经信道均衡后，对接收信号进行解调，恢复出原始信息，该方法的具体步骤如下：

1)根据通信速率需求确定子载波分组数G、激活的总子载波数L及调制阶数M，在发射端将输入的m个信息比特和N个子载波由比特分组模块分别将其平均分成G组，则每个索引调制模块中包含p个比特及a个子载波，其中激活的子载波数为l，且p＝m/G，a＝N/G，l＝L/G；

2)每个索引调制模块中，p₁个比特用来选择激活的子载波索引，p₂个比特经M阶正交幅度调制后映射到激活的子载波上，其余未被激活的子载波置0，得到频域信号X，其表达式为X＝[X₀,X₁,…,X_N-1]^T，X_k∈{0,S},k＝0，1,…,N-1，T为矩阵转置，S为调制符号集合，其中，

p₂＝llog₂M，p₁+p₂＝p，符号

表示向下取整，

表示从n个子载波中选择l个子载波激活的所有可能组合；

3)所有索引调制模块完成载波调制形成OFDM数据块，经快速傅里叶反变换模块得到复时域信号x，其表示为x＝[x₀,x₁,…,x_N-1]^T，

4)在信号分离模块中对复时域信号x进行处理得到正实值信号，并通过对应LED发送，具体步骤如下：首先，分离复信号x_n的实部和虚部，得到实值双极性信号x_R,n和x_I,n，x_n＝x_R,n+jx_I,n；其次，对双极性实值信号x_R,n和x_I,n进行如下处理，获得正实值信号

其中，

(b)⁺表示在(b,0)中取最大值；最后，将得到的正实值信号

通过第一个LED发送，

将通过第二个LED发送，

将通过第三个LED发送，将

通过第四个LED发送；

5)发送信号

经可见光信道传输在接收端由PD接收，将光信号转换为电信号，设光电转换系数为1，则接收信号表示为

其中y为N_R×4维的接收信号向量，

w表示信道噪声项，H表示N_R×4维的信道矩阵，即

h_ij表示第j个LED到第i个PD的信道系数，其表达式为

其中m’表示LED的朗伯辐射模数，m’＝-ln2/ln(cosΦ_1/2)，Φ_1/2表示LED的半功率角，A表示PD的检测面积，d_ij表示第j个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，T_s表示光滤波器增益，Ψ_c表示PD视场角；

6)在信道均衡模块中采用最小均方误差算法对接收信号向量y进行均衡，得到均衡后信号y_MMSE，其表达式为y_MMSE＝(HH^H+L·I/ρ_F)^-1H^Hy，其中，()^H表示矩阵的共轭转置，I表示单位矩阵，()^-1表示矩阵的逆矩阵或伪逆矩阵，ρ_F表示接收端平均信噪比；

7)均衡后的信号y_MMSE进入信号组合模块，并根据步骤4)中的正实值信号转换方法及LED索引确定信号的实虚部和正负号，恢复出复时域信号

再经快速傅里叶变换模块后得到待解调的频域信号

8)在索引解调模块中，采用对数似然检测，解调出用于选择激活子载波索引的信息比特和调制符号对应的信息比特，恢复出原始信息，对数似然检测表达式为

S_j为M阶调制符号，

表示第k个子载波上接收信号为

时，发送符号为S_j的概率，

表示第k个子载波上接收信号为

时，发送空载的概率，依次计算出每个子载波对应的检测值λ_k后，从中选择出数值最大的前l个λ_k值，对应的k即为激活的子载波索引，随后，根据查表法恢复出索引比特，然后依次解调激活子载波上传输的调制信号即可得到所有发送比特信息。

Claims (1)

1.基于载波索引调制的高效可见光通信系统工作方法，该系统包括发射端和接收端，发射端包括比特分组模块、索引调制模块、快速傅里叶反变换模块、信号分离模块及4个LED，上述各模块依次相连，信号分离模块连接到4个LED；接收端包括N_R个光电检测器即PD、信道均衡模块、信号组合模块、快速傅里叶变换模块、索引解调模块和比特恢复模块，N_R个光电检测器连接到信道均衡模块，信道均衡模块依次连接信号组合模块、快速傅里叶变换模块、索引解调模块和比特恢复模块；发射端和接收端之间由可见光信道传输进行通信，其过程分为三步：先将输入的信息比特流及所有子载波进行分组，每组中一部分比特用来选择激活的子载波索引，另一部分比特经M阶正交幅度调制后映射到激活的子载波上；其次，调制映射后的频域信号经OFDM即正交频分复用调制得到复时域信号，将该信号进一步转换为正实值信号，并通过对应的LED进行发送；最后在接收端经信道均衡后，对接收信号进行解调，恢复出原始信息，该方法的具体步骤如下：

1)根据通信速率需求确定子载波分组数G、激活的总子载波数L及调制阶数M，在发射端将输入的m个信息比特和N个子载波由比特分组模块分别将其平均分成G组，则每个索引调制模块中包含p个比特及a个子载波，其中激活的子载波数为l，且p＝m/G，a＝N/G，l＝L/G；

2)每个索引调制模块中，p₁个比特用来选择激活的子载波索引，p₂个比特经M阶正交幅度调制后映射到激活的子载波上，其余未被激活的子载波置0，得到频域信号X，其表达式为X＝[X₀,X₁,…,X_N-1]^T，X_k∈{0,S},k＝0，1,…,N-1，T为矩阵转置，S为调制符号集合，其中，

p₂＝llog₂M，p₁+p₂＝p，符号

表示向下取整，

表示从n个子载波中选择l个子载波激活的所有可能组合；

3)所有索引调制模块完成载波调制形成OFDM数据块，经快速傅里叶反变换模块得到复时域信号x，其表示为x＝[x₀,x₁,…,x_N-1]^T，

4)在信号分离模块中对复时域信号x进行处理得到正实值信号，并通过对应LED发送，具体步骤如下：首先，分离复信号x_n的实部和虚部，得到实值双极性信号x_R,n和x_I,n，x_n＝x_R,n+jx_I,n；其次，对双极性实值信号x_R,n和x_I,n进行如下处理，获得正实值信号

其中，

(b)⁺表示在(b,0)中取最大值；最后，将得到的正实值信号

通过第一个LED发送，

将通过第二个LED发送，

将通过第三个LED发送，将

通过第四个LED发送；

5)发送信号

经可见光信道传输在接收端由PD接收，将光信号转换为电信号，设光电转换系数为1，则接收信号表示为

其中y为N_R×4维的接收信号向量，

w表示信道噪声项，H表示N_R×4维的信道矩阵，即

h_ij表示第j个LED到第i个PD的信道系数，其表达式为

其中m’表示LED的朗伯辐射模数，m’＝-ln2/ln(cosΦ_1/2)，Φ_1/2表示LED的半功率角，A表示PD的检测面积，d_ij表示第j个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，T_s表示光滤波器增益，Ψ_c表示PD视场角；

6)在信道均衡模块中采用最小均方误差算法对接收信号向量y进行均衡，得到均衡后信号y_MMSE，其表达式为y_MMSE＝(HH^H+L·I/ρ_F)^-1H^Hy，其中，()^H表示矩阵的共轭转置，I表示单位矩阵，()^-1表示矩阵的逆矩阵或伪逆矩阵，ρ_F表示接收端平均信噪比；

7)均衡后的信号y_MMSE进入信号组合模块，并根据步骤4)中的正实值信号转换方法及LED索引确定信号的实虚部和正负号，恢复出复时域信号

再经快速傅里叶变换模块后得到待解调的频域信号

8)在索引解调模块中，采用对数似然检测，解调出用于选择激活子载波索引的信息比特和调制符号对应的信息比特，恢复出原始信息，对数似然检测表达式为

S_j为M阶调制符号，

表示第k个子载波上接收信号为

时，发送符号为S_j的概率，

表示第k个子载波上接收信号为

时，发送空载的概率，依次计算出每个子载波对应的检测值λ_k后，从中选择出数值最大的前l个λ_k值，对应的k即为激活的子载波索引，随后，根据查表法恢复出索引比特，然后依次解调激活子载波上传输的调制信号即可得到所有发送比特信息。

Images