CN113890714A - 一种面向无线光通信的mlco-ofdm调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向无线光通信的MLCO‑OFDM调制方法，包括发送端随机生成QAM数据流通过分层聚合操作加载到子载波，形成各簇频域信号；经过IFFT操作后，得到各簇时域信号；根据时域信号分布特征设计各簇校准信号；将得到的信号并串变换后相加，得到各簇正且实的信号；将各簇叠加后信号相加，得到MLCO‑OFDM发射信号并经LED发送；接收端经FFT模块还原接收信号的频域信号；基于发送端分层聚合机制直接检测第1簇传输符号，并基于串行干扰消除(SIC)解调机制逐簇检测后续各簇传输符号。本发明基于多层聚合技术和巧妙的校准信号设计，可提高子载波利用率的同时，降低系统复杂度。
Description
技术领域
本发明属于无线光通信技术领域，具体涉及一种面向无线光通信的MLCO-OFDM调制方法。
背景技术
随着无线通信技术的迅猛发展，大数据业务爆发增长与电磁频谱资源有限之间的矛盾日益凸显，已成为限制无线通信发展的主要瓶颈。为从根本上解决频谱危机，无线光通信(Wireless Optical Communications,OWC)技术凭借海量的光域频谱资源应运而生，是一种极具应用前景的绿色通信技术。
为实现更加高效、有效的信息传输，面向OWC的调制技术成为该领域研究热点，其经典调制ACO-OFDM，受限于OWC的强度调制和直接探测(Intensity Modulation andDirect Detect，IM/DD)要求，子载波利用率仅为1/2。为提高子载波利用率，随后提出的更为高阶的调制技术，例如HACO-OFDM，LACO-OFDM，采用子载波分层技术，通过增加层数提高子载波利用率。以LACO-OFDM为例，其每层可利用的子载波数仍为1/2，利用率较为低下。且分层调制需要基于串行干扰消除(Successive Interference Cancellation，SIC)的解调机制，极大增加了系统复杂度，会带来不必要的处理时延，影响传输性能。
为此，本发明着力解决在实现频谱增强的前提下，设计一种低复杂度的调制技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种面向无线光通信的多层聚合光域OFDM(Multi-Layer Clustered Optical OFDM，MLCO-OFDM)调制方法，基于多层聚合技术实现频谱增强，在提高子载波利用率的同时，降低接收端复杂，解决OWC系统OFDM调制技术中，频谱利用率与实现复杂度难以协调的问题。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种面向无线光通信的MLCO-OFDM调制方法，包括：
步骤1：发送端随机生成QAM数据流之后进行子载波分配，首先对数据进行分层操作，即在每层中，激活尚未被占用的子载波中的奇数位置，用于负载传输符号；然后进行聚合操作，将每两层合并为一簇，并通过埃米尔特对称得到各个簇对应的频域信号Yc；
步骤2：将步骤1生成的频域信号Yc串并转换后通过反向傅里叶变换(IFFT)，得到各个簇对应的时域信号
步骤3：根据每个簇的时域信号分布特征设计自适应时域校准信号，得到各簇对应的校准信号
步骤4：将步骤2生成的
与步骤3生成的
并串转换后相加，得到各簇正且实的传输信号
步骤5：将步骤4得到的各簇信号相加，得到发射信号
并将发射信号进行数模转换，经由LED发送至接收端；
步骤6：接收端接收到信号tn后进行模数转换、串并变换后，将接收到的信号发送至快速傅里叶(FFT)模块，得到还原的频域信号Tn；
步骤7：基于步骤1的分层聚合机制直接检测第1簇传输符号，并基于SIC解调机制逐簇检测第2簇至第C簇的传输符号。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的步骤1中，假设
表示传输的光OFDM符号，其中N为子载波数，首先将
进行分层操作，每层激活未被占用的子载波奇数位置传输信息，其他部分插0，即依次加载到2l-1(2m+1)序列的子载波上，其中l为层数，m为子载波索引。并将数据进行埃米尔特对称，得到分层的频域信号Xl。分层后，再将每两层子载波负载符号聚合为一簇，由此得到各簇频域信号Yc。
上述的步骤2中，将步骤1中生成的各簇频域信号Yc进行串并转换后，通过IFFT模块转变为时域信号
即：
其中c＝1,2,...,C，C为总簇数。
上述的步骤3中，根据步骤2得到的各个簇时域信号
的分布，分别设计各簇对应的校准信号
以确保信号为正，可在无线光系统中传输。具体为：
对于第c簇的时域信号
首先将其分为四段，即：
每段中各取一个采样信号为一组。对于每组中的四个采样信号
来说：
当组中四个采样信号均为正数时，无需额外校准信号；
当组中至少有一个采样信号为负数时，需设计校准信号以保证传输信号的非负性；
校准信号的获取方法为取四个采样信号中最小值的相反数，可表示为：
按此方法生成的校准信号在频域分布在第4lm个子载波上，即不干扰本簇符号传输。由此可逐个生成各簇对应的校准信号
c＝1,2,...,C。
上述的步骤4中，将步骤2生成的各簇采样信号
和步骤3生成的校准信号
并串转换后，逐簇相加，得到各簇均为非负的传输信号
上述的步骤5中，将步骤4得到的各簇传输信号叠加，组成MLCO-OFDM发射信号tn：
并将发射信号进行数模转换，由发送端LED发出。
上述的步骤7包括：
步骤7-1：在检测第1簇时，由于第1簇传输符号所在子载波未受到簇间干扰，可直接按照步骤1中第1簇子载波分配机制提取Tn对应子载波数据，检测出第1簇频域传输符号
步骤7-2：在检测第2簇时，由于发送端校准信号的引入，前面簇的传输会对当前簇造成干扰，需遵循SIC解调机制，先消除第1簇引入的校准信号所产生的干扰后，对第2簇所在子载波进行提取检测。具体为：
1)将第1簇检测得到的传输符号
经过IFFT模块，获得接收端还原的第1簇时域信号
2)根据步骤3中校准信号的生成方法，对接收端还原出的第1簇时域信号
重构对应的校准信号
3)将还原的校准信号
经过FFT模块，获得其对应的频域信号
并与Tn信号相减，即可消除第1簇的干扰；
4)按照步骤1中第2簇子载波分配机制，提取干扰消除后Tn对应子载波数据，检测出第2簇频域传输符号
步骤7-3：按照步骤7-2的方法，逐层消除前面簇造成的干扰后检测当前簇的传输符号，直至检测出第C簇传输符号
本发明具有以下有益效果：
1、本发明基于子载波分层聚合操作的MLCO-OFDM能够充分利用子载波资源，与现有LACO-OFDM调制技术相比，同层/簇情况下可提高子载波利用率。同时，在实现相同频谱效率的前提下，基于本发明的信号解调复杂度大幅小于LACO-OFDM，可有效缩短多路信号的传输时延。
2、为满足IM/DD系统传输要求，LACO-OFDM需对每层信号进行直接削波操作，由此产生的削波噪声在接收端解调时需逐层消除，大大提高了系统复杂度。在本发明所提MLCO-OFDM技术中，根据各个簇的信号分布，生成相应的校准信号，逐簇叠加确保信号的正极性，可有效避免削波操作带来的高复杂度解调，与此同时亦可有效降低信号峰均比(PAPR)。
附图说明
图1为本发明中MLCO-OFDM发送机框图；
图2为本发明中MLCO-OFDM接收机框图；
图3为本发明中MLCO-OFDM分层示意图，以N＝32为例；
图4为本发明中MLCO-OFDM聚合示意图，以N＝32为例；
图5为本发明中MLCO-OFDM与传统ACO-OFDM和LACO-OFDM的PAPR性能对比图；
图6为本发明中MLCO-OFDM与传统ACO-OFDM和LACO-OFDM的BER性能对比图；
图7为本发明方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
参见图1、2、3、4和7，一种面向无线光通信的MLCO-OFDM调制方法，包括：
步骤1：发送端随机生成QAM数据流后进行子载波分配，首先对数据进行分层操作，即在每层中，激活尚未被占用的子载波中的奇数位置，用于负载传输符号；然后进行聚合操作，将每两层合并为一簇，并通过埃米尔特对称得到各个簇对应的频域信号Yc；
步骤2：将步骤1生成的频域信号Yc串并转换后通过反向傅里叶变换(IFFT)，得到各个簇对应的时域信号
步骤3：根据每个簇的时域信号分布特征设计自适应时域偏置校准信号，得到各簇对应的校准信号
步骤4：将步骤2生成的
与步骤3生成的
并串转换后相加，得到各簇正且实的传输信号
步骤5：将步骤4得到的各簇信号相加，得到发射信号
并将发射信号进行数模转换，经由发光二极管(LED)发送至接收端；
步骤6：接收端光电二极管(PD)接收到信号tn进行模数转换、串并变换后，将接收到的信号发送至快速傅里叶(FFT)模块，得到还原的频域信号Tn；
步骤7：基于步骤1的分层聚合机制直接检测第1簇传输符号，并基于SIC解调机制逐簇检测第2簇至第C簇的传输符号。
实施例中，所述步骤1中，假设
表示传输的光OFDM符号，其中N为子载波数，首先将
进行分层操作，即依次加载到2l-1(2m+1)序列的子载波上，其中l为层数，m为子载波索引。分层后，再将每两层子载波负载符号聚合为一簇.具体的，以N为32长的子载波序列为例。
分层操作：如图3所示，每层激活未被占用的子载波奇数位置传输信息，其他部分插入0，并将数据进行埃米尔特对称，得到分层频域信号Xl，1≤l≤4。
其中
为Qi的埃米尔特对称，用于确保传输信号为实数；
聚合操作：如图4所示，将上述分层得到的结果每两层合并为一簇，由此得到各簇频域信号Yc，1≤c≤2。
实施例中，所述步骤2中，将步骤1中生成的各簇频域信号Yc进行串并转换后，通过IFFT模块转变为时域信号
即：
其中c＝1,2,...,C，C为总簇数。
实施例中，所述步骤3中，根据步骤2得到的各个簇时域信号
的分布，分别设计各簇对应的校准信号
以确保信号为正，可在无线光系统中传输。具体为：
对于第c簇的时域信号
首先将其分为四段，即：
每段中各取一个采样信号为一组。对于每组中的四个采样信号
来说：
当组中四个采样信号均为正数时，无需额外校准信号；
当组中至少有一个采样信号为负数时，需设计校准信号以保证传输信号的非负性；
根据FFT性质，当时域信号在这四个采样信号采样点有相同取值时，其频域仅在4lm个子载波上有值，即不干扰本簇信号传输。因此，在至少有一个采样信号为负数的情况下，自适应校准信号应取四个采样信号中最小值的相反数，可表示为：
按此方法可逐个生成各簇对应的校准信号
c＝1,2,...,C。
实施例中，所述步骤4中，步骤3中生成的各簇校准信号为非正数，因此，将步骤2生成的各簇采样信号
和步骤3生成的校准信号
逐簇相加，得到各簇均为非负的传输信号
实施例中，所述步骤5中，将步骤4得到的各簇传输信号叠加，组成MLCO-OFDM发射信号tn：
并将发射信号进行数模转换，由发送端LED发出。
实施例中，所述步骤7具体为：
鉴于第1簇信号不受其他干扰影响，对于第1簇信号，可根据步骤1中发送端多层聚合机制，可直接提取步骤6中得到的频域信号Tn中第1簇所占用的子载波数据，检测出第1簇传输符号
对于第2簇至第C簇信号，由于校准信号的引入，前面簇的传输均会对当前簇造成干扰。因此遵循SIC解调机制，需消除上一簇信号对当前簇信号造成的干扰后，再对当前簇所在子载波进行提取检测，直至检测出最后第C簇传输符号
实施例中，所述步骤7包括：
步骤7-1：在检测第1簇时，直接按照步骤1中第1簇子载波分配机制提取Tn对应子载波数据，检测出第1簇频域传输符号
步骤7-2：在检测第2簇时，需先消除第1簇引入的校准信号所产生的干扰：具体为：
1)将第1簇检测的传输符号
经过IFFT模块，获得接收端还原的第1簇时域信号
2)根据步骤3中校准信号的生成方法，对接收端还原出的第1簇时域信号
重构对应的校准信号
3)将还原的校准信号
经过FFT模块，获得其对应的频域信号
并与Tn信号相减，即可消除第1簇的干扰；
4)按照步骤1中第2簇子载波分配机制，提取干扰消除后Tn对应子载波数据，检测出第2簇频域传输符号
步骤7-3：按照步骤7-2的方法，逐层消除前面簇造成的干扰后检测当前簇的传输符号，直至检测出第C簇传输符号
图3评估了所发明技术的PAPR性能，横坐标为峰均平均功率比PAPR，纵坐标为互补累计分布函数(CCDF)。图3给出了本发明所提MLCO-OFDM在不同簇数下的PAPR，并与传统ACO-OFDM以及虚线代表的LACO-OFDM在不同层数下的PAPR进行对比。观察子载波利用率相同的情况下，当CCDF为0.01时，本发明所提MLCO-OFDM在激活第一簇的PAPR比传统LACO-OFDM利用两层传输的PAPR分别约为13dB和14dB；本发明所提MLCO-OFDM在激活两个簇的PAPR比LACO-OFDM利用4层传输的PAPR分别约为11.5dB和13dB。因此，本发明所提出的调制技术在抑制信号的高峰均比上约有1db的增益，可有效降低传输信号在OWC系统非线性器件引起失真的可能性。
图4评估了系统误码率方面的性能，横坐标为信噪比，纵坐标为误码率。如图4所示，菱形和五角星标识实线MLCO-OFDM，C＝1、MLCO-OFDM，C＝2分别代表所提MLCO-OFDM方案在激活不同簇数的误码率，分别与具有相同子载波利用率的LACO，L＝2、LACO，L＝4曲线基本重叠，由此说明本发明提出的MLCO-OFDM与现有LACO-OFDM相比，在消除了时间延迟，降低了解调复杂度后，仍然能够实现与LACO-OFDM相似的误码性能。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种面向无线光通信的MLCO-OFDM调制方法，其特征在于，包括：
步骤1：发送端随机生成QAM数据流后进行子载波分配，首先对数据进行分层操作，即在每层中，激活尚未被占用的子载波中的奇数位置，用于负载传输符号；然后进行聚合操作，将每两层合并为一簇，并通过埃米尔特对称得到各个簇对应的频域信号Yc；
步骤2：将步骤1生成的频域信号Yc串并转换后通过反向傅里叶变换，得到各个簇对应的时域信号
步骤3：根据每个簇的时域信号分布特征设计自适应时域校准信号，得到各簇对应的校准信号
步骤4：将步骤2生成的
与步骤3生成的
并串转换后相加，得到各簇正且实的传输信号
步骤5：将步骤4得到的各簇信号相加，得到发射信号
并将发射信号进行数模转换，经由LED发送至接收端；
步骤6：接收端接收到信号tn后进行模数转换、串并变换后，将接收到的信号发送至快速傅里叶模块，得到还原的频域信号Tn；
步骤7：基于步骤1的分层聚合机制直接检测第1簇传输符号，并基于SIC解调机制逐簇检测第2簇至第C簇的传输符号。
2.根据权利要求1所述的一种面向无线光通信的MLCO-OFDM调制方法，其特征在于，所述步骤1中，假设
表示传输的光OFDM符号，其中N为子载波数，首先将
进行分层操作，每层激活未被占用的子载波奇数位置传输信息，其他部分插0，即依次将传输符号加载到2l-1(2m+1)序列的子载波上，其中l为层数,m为子载波索引，并将数据进行埃米尔特对称，得到分层的频域信号Xl，分层后，再将每两层子载波负载符号聚合为一簇，由此得到各簇频域信号Yc。
3.根据权利要求2所述的一种面向无线光通信的MLCO-OFDM调制方法，其特征在于，所述步骤2中，将步骤1中生成的各簇频域信号Yc进行串并转换后，通过IFFT模块转变为时域信号
即：
其中c＝1,2,...,C，C为总簇数。
4.根据权利要求3所述的一种面向无线光通信的MLCO-OFDM调制方法，其特征在于，所述步骤3中，根据步骤2得到的各个簇时域信号
的分布，分别设计各簇对应的校准信号
具体为：
对于第c簇的时域信号
首先将其分为四段，即：
每段中各取一个采样信号为一组，对于每组中的四个采样信号
来说：当组中四个采样信号均为正数时，无需额外校准信号；当组中至少有一个采样信号为负数时，需设计校准信号以保证传输信号的非负性；
校准信号的获取方法为取四个采样信号中最小值的相反数，可表示为：
按此方法可逐个生成各簇对应的校准信号
5.根据权利要求4所述的一种面向无线光通信的MLCO-OFDM调制方法，其特征在于，所述步骤4中，将步骤2生成的各簇采样信号
和步骤3生成的校准信号
并串转换后，逐簇相加，得到各簇均为非负的传输信号
6.根据权利要求5所述的一种面向无线光通信的MLCO-OFDM调制方法，其特征在于，所述步骤5中，将步骤4得到的各簇传输信号叠加，组成MLCO-OFDM发射信号tn：
并将发射信号进行数模转换，由发送端LED发出。
7.根据权利要求1所述的一种面向无线光通信的MLCO-OFDM调制方法，其特征在于，所述步骤7包括：
步骤7-1：在检测第1簇时，可直接按照步骤1中第1簇子载波分配机制，提取Tn对应子载波数据，检测出第1簇频域传输符号
步骤7-2：在检测第2簇时，先消除第1簇校准信号所产生的干扰后，对第2簇所在子载波进行提取检测：具体为：
1)将第1簇检测得到的传输符号
经过IFFT模块，获得接收端还原的第1簇时域信号
2)根据步骤3中校准信号的生成方法，对接收端还原的第1簇时域信号
重构对应的校准信号
3)将还原的校准信号
经过FFT模块，获得其对应的频域信号
并与Tn信号相减，即可消除第1簇的干扰；
4)按照步骤1中第2簇子载波分配机制，提取干扰消除后Tn对应子载波数据，检测出第2簇频域传输符号
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2021
- 2021-10-20 CN CN202111220372.1A patent/CN113890714B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113890714B (zh) | 2024-03-22 |
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