CN113890714B - 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:
n=0,1,...N-1
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:
n=0,1,...,N/4-1
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/>
c=1,2,...,C。
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:
n=0,1,...N-1
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:
n=0,1,...,N/4-1
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
c=1,2,...,C。
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 (4)
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;
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;
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
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
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
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。
3.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/>
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。
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Non-Patent Citations (1)
Title |
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融合VOOK的混合ACO-OFDM可见光通信技术研究;周颖;李宝龙;李正权;;光电子・激光;20200515(05);全文 * |
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