CN116760468A - 一种基于光通信的接收终端、发射终端及光通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光通信的接收终端、发射终端及光通信方法，光电探测模块接收MIMO信道内的光信号并将光信号转换为电信号；传感器模块包括定位传感器，用于采集用户端的位置信息；信号恢复模块用于在获取所述用户端的位置信息之后，使用本地存储的信道状态信息对电信号进行恢复；或通过建立MIMO信道模型求解得到信道状态信息，并使信道状态信息对所述电信号进行恢复；数据处理模块用于处理经信号恢复模块恢复后的电信号，获得源信号；信宿接收源信号，以及发出通信需求信息。本发明能够满足用户在室内移动场景下的通信需求，通过传感器模块获得光电探测模块的位置反馈给信号恢复模块来进行建模，求得MIMO信道的信道状态信息以恢复信号，实现高效通信的目的。
Description
技术领域
本发明涉及室内通信技术领域，尤其是指一种基于光通信的接收终端、发射终端及光通信方法。
背景技术
可见光通信(Visible Light Communication，VLC)是指利用可见光波段的光作为信息载体，在空气中直接传输光信号的通信方式，使用光源发光二极管(LED)来进行室内可见光通信是一个很有前景的室内通信方式，由于光源的光照模型(如朗伯散射模型)较为成熟且VLC通信模型较为固定，光通信信道是恒参信道，这意味着当智能接收模块通过定位获得智能接收模块和发送机位置后，可以通过信道建模来获取信道状态信息来达到恢复信号的目的。然而在室内VLC通信中，由于光源位置固定以及其物理特性，很难满足智能通信的要求。当用户在室内移动时，光源需要发出宽的光波来跟踪用户。但是在用户停止移动，并且需求大数据通信时，宽光波的通信方法需要消耗更多的能量，事实上，在房屋中央区域(通信活跃的区域)，采用较窄的波束宽度就能达到通信要求，这样就省下了更多能量。因此，如何智能的切换是一个亟需解决的问题。
随着对光通信速度和质量要求的提升，MIMO技术在室内光通信的应用越来越多，然而MIMO信道更加复杂，信道状态信息的获取更加复杂。由于MIMO室内通信中的信道干扰等等影响，智能接收模块获取信道状态信息是必不可少的，这在一定程度上增加了通信开销，以及系统复杂度，现如今的MIMO-VLC通信系统，仍需要通过传统信道估计来获得信道状态信息，基于MIMO信道的信号恢复方法包括基于训练序列的传统信道估计法、自适应均衡器法和盲估计法，上述信道的信号恢复方法，仍然存在一些缺点具体如下：
(1)使用训练序列来进行信道估计的传统通信方法，训练序列的长度对估计信道状态信息的准确性有较大影响，即获取一个准确的信道信息所需的训练序列长度较长。并且在移动通信的场景下，通信前必须要进行信道估计，这会使得信道信息更新不及时而带来较大误比特率。
(2)自适应均衡器虽然克服了变化信道的更新问题，但是需要更加复杂的算法来实现。另外，由于通过接收信号来确定滤波器抽头系数，自适应均衡器对于信号的质量敏感，易受到信号质量的影响，在信号质量较差时，无法实现信号恢复。并且，自适应均衡器仍然需要训练序列。
(3)盲估计法，虽然不需要训练序列，但是盲估计的误差较大，估计的准确性受到发送信号的限制。另一方面，盲估计只能得到信道的统计信息，无法获得信道的具体特征。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供了一种基于光通信的接收终端、发射终端及光通信方法，能够满足用户在室内不同场景内的通信需求，在通信过程中，求得MIMO信道的信道状态信息以恢复信号，跳过通信过程中发送训练序列去估计信道的过程，将通信问题转化为一个简单的室内定位问题，来实现高效通信的目的。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光通信的接收终端，包括：
光电探测模块，所述光电探测模块用于接收MIMO信道内的光信号，并将所述光信号转换为电信号，所述光电探测模块包含多个光电探测器，每个光电探测器分别接收不同的光信号；上述光信号转换为电信号后均经过信号恢复模块恢复信号；
传感器模块，其包括定位传感器，所述定位传感器用于采集用户端的位置信息；
信号恢复模块，所述信号恢复模块用于在获取所述用户端的位置信息之后，使用本地存储的信道状态信息对所述电信号进行恢复；或者通过建立MIMO信道模型求解得到信道状态信息，并使用所述信道状态信息对所述电信号进行恢复；其中，当所述用户端的位置信息在本地被存储时，使用本地存储的与该位置信息关联的所述信道状态信息恢复所述电信号；当所述用户端的位置信息没有在本地存储时，建立所述MIMO信道模型求解得到信道状态信息，并本地存储求解得到的所述信道状态信息；其中，所述MIMO信道模型与所述用户端的位置信息关联；
数据处理模块，其用于处理经所述信号恢复模块恢复后的电信号，获得源信号；
信宿，其接收所述源信号，以及发出通信需求信息。
在本发明的一个实施例中，所述定位传感器独立设置，或者与发射终端集成。
在本发明的一个实施例中，所述传感器模块还包括移动传感器，所述移动传感器用于采集所述用户端是否移动的信息；当所述用户端发生移动时，所述通信需求信息中包含有调整光源波束宽度的控制信息。
在本发明的一个实施例中，所述传感器模块还包括图像传感器，所述图像传感器用于采集所述光电探测模块是否缺少光源链路的信息；当所述光电探测器模块缺少光源链路时，所述通信需求信息中包含有调整光源波束宽度的控制信息。
在本发明的一个实施例中，所述信号恢复模块内设置有存储器，所述用户端的位置信息和与之关联的所述信道状态信息在所述存储器内本地存储；其中，所述信道状态信息在所述存储器内的存储策略包括使用直射分量LOS估计的信道状态信息，以及使用直射和反射分量NLOS估计的信道状态信息。
一种基于光通信的发射终端，包括，
信源，其用于产生源信号；
数据处理模块，其用于处理所述源信号获得调制信号；
传感器模块，其包括定位传感器，所述定位传感器用于采集用户端的位置信息；
信号预恢复模块，所述信号预恢复模块用于在获取所述用户端的位置信息之后，使用本地存储的信道状态信息对所述调制信号进行预恢复；或者通过建立MIMO信道模型求解得到信道状态信息，并使用所述信道状态信息对所述调制信号进行预恢复；其中，当所述用户端的位置信息在本地被存储时，使用本地存储的与该位置信息关联的所述信道状态信息预恢复所述调制信号；当所述用户端的位置信息没有在本地存储时，建立所述MIMO信道模型求解得到信道状态信息，并本地存储求解得到的所述信道状态信息；其中，所述MIMO信道模型与所述用户端的位置信息关联；
电光驱动模块，其用于驱动光源发光，且能够控制改变所述光源的波束宽度；
光源，其用于将经所述信号预恢复模块处理后的所述调制信号转换成光信号发送出去，所述光源包括多个，分别由电光驱动模块同时驱动，多个光源同时发出不同的信号，并经过MIMO信道形成MIMO信号。
在本发明的一个实施例中，所述定位传感器独立设置，或者与接收终端集成
在本发明的一个实施例中，还包括链路预判模块，所述链路预判模块用于在所述数据处理模块处理所述源数据之前，根据信宿的通信需求信息预处理所述源数据。
在本发明的一个实施例中，所述传感器模块还包括移动传感器，所述移动传感器用于采集所述用户端是否移动的信息；当所述用户端发生移动时，所述通信需求信息中包含有调整光源波束宽度的控制信息。
在本发明的一个实施例中，所述传感器模块还包括图像传感器，所述图像传感器用于采集接收端是否缺少光源链路的信息；当所述接收端缺少光源链路时，所述通信需求信息中包含有调整光源波束宽度的控制信息。
在本发明的一个实施例中，所述信号预恢复模块内设置有存储器，所述用户端的位置信息和与之关联的所述信道状态信息在所述存储器内本地存储；其中，所述信道状态信息在所述存储器内的存储策略包括使用直射分量LOS估计的信道状态信息，以及使用直射和反射分量NLOS估计的信道状态信息。
一种室内光通信方法，包括以下步骤，
信源产生源信号；
根据信宿的通信需求预处理所述源信号；
调制经预处理后的所述源信号获得调制信号；
光源将所述调制信号转换为光信号并通过MIMO信道发送出去；
接收所述MIMO信道内的光信号，并转换成电信号；
使用信道状态信息恢复所述电信号，其中，当所述用户端的位置信息在本地被存储时，使用本地存储的与该位置信息关联的所述信道状态信息恢复所述电信号；当所述用户端的位置信息没有在本地存储时，通过建立MIMO信道模型求解得到信道状态信息，使用求解得到的信道状态信息恢复所述电信号，并本地存储求解得到的所述信道状态信息；其中，所述MIMO信道模型与所述光源的位置信息和所述用户端的位置信息关联；
解调恢复后的所述电信号给所述信宿。
一种室内光通信方法，包括以下步骤，
信源产生源信号；
根据信宿的通信需求预处理所述源信号；
调制经预处理后的所述源信号获得调制信号；
使用信道状态信息预恢复所述调制信号，其中，当用户端的位置信息在本地被存储时，使用本地存储的与该位置信息关联的信道状态信息预恢复所述调制信号；当所述用户端的位置信息没有在本地存储时，通过建立MIMO信道模型求解得到信道状态信息，使用求解得到的信道状态信息预恢复所述调制信号，并本地存储求解得到的所述信道状态信息；其中，所述MIMO信道模型与光源的位置信息和所述用户端的位置信息关联；
光源将预恢复后的所述调制信号转换为光信号并通过MIMO信道发送出去；
接收所述MIMO信道内的光信号，并转换成电信号；
解调恢复后的所述电信号给所述信宿。
在本发明的一个实施例中，所述用户端的位置信息包括光源的位置坐标、光电探测器的位置坐标、光电探测器的朝向以及光源的波束宽度；上述信息通过信道的冲激相应htotal,ji求得信道状态信息；其中htotal,ji的公式如下：
其中，Ti为第i个光源的三维位置坐标，Rj为第j个光电探测器的三维位置坐标，α为接收终端朝向在X-Y平面的投影与x轴的夹角，β为接收终端朝向和z轴的夹角，Φ1/2是光源的半功率角(即光源的波束宽度)；τlos,ji是光的直射链路(LOS)的时延，τnlos,ji是光的反射链路(NLOS)的时延；Hlos,ji(0)是LOS链路下的信道直流增益，Anlos,ji(τnlos,ji)是NLOS链路下具体时延为τnlos,ji的分量所对应的信道直流增益，Hlos,ji(0)和Anlos,ji均为位置坐标的函数，两者通过光电探测器和光源的位置坐标分别计算得出；
当在接收终端进行信号恢复时，除了从传感器模块获得光电探测器的位置坐标和朝向角之外，仍需通过通信链路获得光源的半功率角。
当在发射终端进行信号预恢复时，只需要从传感器模块获得光电探测器的位置坐标和朝向角。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明能够满足用户在室内移动场景内的通信需求，在通信过程中，通过获得接收端的位置信息来进行建模，求得MIMO信道的信道状态信息以恢复信号，消除信道间干扰的影响，跳过通信过程中发送训练序列去估计信道的过程，而且求得的信道状态不受通信时刻突发噪声的影响，有较强的鲁棒性，将复杂的通信问题转化为一个简单的室内定位问题，减少了通信开销，实现高效通信的目的。
(2)信号恢复模块通过传感器模块得到用户的位置，使用本地存储的信道状态信息或者建立MIMO信道模型求得信道状态信息，利用信道状态信息来对被光电探测模块转换的电信号进行分辨和恢复，并且，将此位置的信道状态信息进行本地存储，解决信号由于MIMO信道间干扰的作用，无法被直接分辨恢复的问题。
(3)智能发射模块的信号预恢复模块，针对MIMO信道对噪声的放大问题，使用信道状态信息在发射端来预恢复信号，使得在接收端的信号恢复变的简单，并且噪声不会被放大，降低了误码率。
(4)在信号恢复模块和信号预恢复模块中的内嵌存储器，可以使得在相同位置的通信可以直接查表获得信道状态信息，使得通信变得更加便捷。
(5)采用MIMO技术，使用多个LED增加了通信容量，使用多个光电探测器PD增加了接收终端的接收灵敏度，增加了整个通信系统的性能。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明实施例一的室内MIMO-VLC的通信系统框图；
图2是本发明实施例二的室内MIMO-VLC的通信系统框图；
(a)定位传感器位于智能接收模块处的通信系统框图；
(b)定位传感器位于智能发射模块的通信系统框图；
图3是本发明实施例一的室内MIMO-VLC的高效通信系统的估计信道与真实信道对比结果图；
(a)智能接收模块在室内中央时估计信道与真实信道对比结果图；
(b)智能接收模块在室内角落时估计信道与真实信道对比结果图；
图4是本发明实施例一的室内MIMO-VLC的高效通信系统在室内各个区域的误比特率情况图；
(a)仅考虑LOS分量对信道建模；
(b)考虑LOS和NLOS分量对信道建模；
图5是本发明实施例一和实施例二的室内MIMO-VLC的通信系统在房间角落的误比特率性能曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明提供了一种基于光通信的接收终端，包括：
光电探测模块，所述光电探测模块用于接收MIMO信道内的光信号，并将所述光信号转换为电信号，所述光电探测模块包含多个光电探测器，每个光电探测器分别接收不同的光信号；上述光信号转换为电信号后均经过信号恢复模块恢复信号；
传感器模块，其包括定位传感器，所述定位传感器用于采集用户端的位置信息；
信号恢复模块，所述信号恢复模块用于在获取所述用户端的位置信息之后，使用本地存储的信道状态信息对所述电信号进行恢复；或者通过建立MIMO信道模型求解得到信道状态信息，并使用所述信道状态信息对所述电信号进行恢复；其中，当所述用户端的位置信息在本地被存储时，使用本地存储的与该位置信息关联的所述信道状态信息恢复所述电信号；当所述用户端的位置信息没有在本地存储时，建立所述MIMO信道模型求解得到信道状态信息，并本地存储求解得到的所述信道状态信息；其中，所述MIMO信道模型与所述用户端的位置信息关联；
数据处理模块，其用于处理经所述信号恢复模块恢复后的电信号，获得源信号；
信宿，其接收所述源信号，以及发出通信需求信息。
上述方案中，所述定位传感器独立设置，或者与接收终端集成。
进一步地，所述传感器模块还包括移动传感器，所述移动传感器用于采集所述用户端是否移动的信息；当所述用户端发生移动时，所述通信需求信息中包含有调整光源波束宽度的控制信息。
进一步地，所述传感器模块还包括图像传感器，所述图像传感器用于采集所述光电探测模块是否缺少光源链路的信息；当所述光电探测器模块缺少光源链路时，所述通信需求信息中包含有调整光源波束宽度的控制信息。
进一步地，所述信号恢复模块内设置有存储器，所述用户端的位置信息和与之关联的所述信道状态信息在所述存储器内本地存储；其中，所述信道状态信息在所述存储器内的存储策略包括使用直射分量LOS估计的信道状态信息，以及使用直射和反射分量NLOS估计的信道状态信息。
一种基于光通信的发射终端，包括，
信源，其用于产生源信号；
数据处理模块，其用于处理所述源信号获得调制信号；
传感器模块，其包括定位传感器，所述定位传感器用于采集用户端的位置信息；
信号预恢复模块，所述信号预恢复模块用于在获取所述用户端的位置信息之后，使用本地存储的信道状态信息对所述调制信号进行预恢复；或者通过建立MIMO信道模型求解得到信道状态信息，并使用所述信道状态信息对所述调制信号进行预恢复；其中，当所述用户端的位置信息在本地被存储时，使用本地存储的与该位置信息关联的所述信道状态信息预恢复所述调制信号；当所述用户端的位置信息没有在本地存储时，建立所述MIMO信道模型求解得到信道状态信息，并本地存储求解得到的所述信道状态信息；其中，所述MIMO信道模型与所述用户端的位置信息关联；
电光驱动模块，其用于驱动光源发光，且能够控制改变所述光源的波束宽度；
光源，其用于将经所述信号预恢复模块处理后的所述调制信号转换成光信号发送出去，所述光源包括多个，分别由电光驱动模块同时驱动，多个光源同时发出不同的信号，并经过MIMO信道形成MIMO信号。
其中，所述定位传感器独立设置，或者与发射终端集成。
进一步地，还包括链路预判模块，所述链路预判模块用于在所述数据处理模块处理所述源数据之前，根据信宿的通信需求信息预处理所述源数据。
上述方案中，所述传感器模块还包括移动传感器，所述移动传感器用于采集所述用户端是否移动的信息；当所述用户端发生移动时，所述通信需求信息中包含有调整光源波束宽度的控制信息。
进一步地，所述传感器模块还包括图像传感器，所述图像传感器用于采集接收端是否缺少光源链路的信息；当所述接收端缺少光源链路时，所述通信需求信息中包含有调整光源波束宽度的控制信息。
进一步地，所述信号预恢复模块内设置有存储器，所述用户端的位置信息和与之关联的所述信道状态信息在所述存储器内本地存储；其中，所述信道状态信息在所述存储器内的存储策略包括使用直射分量LOS估计的信道状态信息，以及使用直射和反射分量NLOS估计的信道状态信息。
一种室内光通信方法，包括以下步骤，
信源产生源信号；
根据信宿的通信需求预处理所述源信号；
调制经预处理后的所述源信号获得调制信号；
光源将所述调制信号转换为光信号并通过MIMO信道发送出去；
接收所述MIMO信道内的光信号，并转换成电信号；
使用信道状态信息恢复所述电信号，其中，当所述用户端的位置信息在本地被存储时，使用本地存储的与该位置信息关联的所述信道状态信息恢复所述电信号；当所述用户端的位置信息没有在本地存储时，通过建立MIMO信道模型求解得到信道状态信息，使用求解得到的信道状态信息恢复所述电信号，并本地存储求解得到的所述信道状态信息；其中，所述MIMO信道模型与所述光源的位置信息和所述用户端的位置信息关联；
解调恢复后的所述电信号给所述信宿。
一种室内光通信方法，包括以下步骤，
信源产生源信号；
根据信宿的通信需求预处理所述源信号；
调制经预处理后的所述源信号获得调制信号；
使用信道状态信息预恢复所述调制信号，其中，当用户端的位置信息在本地被存储时，使用本地存储的与该位置信息关联的信道状态信息预恢复所述调制信号；当所述用户端的位置信息没有在本地存储时，通过建立MIMO信道模型求解得到信道状态信息，使用求解得到的信道状态信息预恢复所述调制信号，并本地存储求解得到的所述信道状态信息；其中，所述MIMO信道模型与光源的位置信息和所述用户端的位置信息关联；
光源将预恢复后的所述调制信号转换为光信号并通过MIMO信道发送出去；
接收所述MIMO信道内的光信号，并转换成电信号；
解调恢复后的所述电信号给所述信宿。
为了更好地理解本发明中基于光通信的发射终端和接收终端的工作原理以及光通信的工作方法，本发明通过图1和图2所示的两个室内MIMO-VLC通信系统分别进行详细描述。
实施例一
参照图1所示的室内MIMO-VLC通信系统，包括：智能发射模块，其包括信源、链路预判模块、发端数据处理模块、电光驱动模块和多个光源；其中，信源产生随机比特的信号，并将信号传递给链路预判模块，所述链路判模块用于判断是否所有光源都有LOS分量到达智能接收模块以及确定MIMO的多输出个数；所述链路预判模块设有两个输入口，分别接收信源的信号和智能接收模块(即用户端)通过反馈链路传输的用于表达信宿需求的控制信息以及图像传感器的控制信息；信号经过链路预判模块，将被加入控制光源波束宽度信息和MIMO分路数量的信息；然后链路预判模块将经过处理的信号发送给发端数据处理模块，在发端数据处理模块信息通过串并变换、映射、调制，生成多路光源驱动信号；最后将生成的信号以控制信号的形式传递给电光驱动模块；电光驱动模块驱动光源发光；同时光源受电光驱动模块的控制信息来调整朝向，改变发出光波的宽窄；
智能接收模块，其包括光电探测模块、信号恢复模块、收端数据处理模块和信宿；所述光电探测模块由多个光电探测器组成，光电探测器可以将MIMO信道内的光源信号发出的光信号转换为电信号，并将该电信号发送至信号恢复模块对信号进行恢复，经过恢复后的信号经收端数据处理模块进行解调、反映射、并串变换处理后传递给信宿；信宿作为通信终端，对通信链路有需求时，通过反馈链路发送控制信息到链路预判模块。
当信号恢复模块得到光电探测器转化的电信号后，信号恢复模块首先查找本地存储模块，判断此位置的信道状态信息是否已经被存储了，如果已经存储，则直接利用已存储的信道状态信息来对信号进行恢复。如果没有，此模块将通过传感器模块得到用户的位置，然后建立MIMO信道模型，求得信道状态信息，利用此信息来对被光电探测器转换的电信号进行分辨和恢复，并且，将此位置的信道状态信息进行本地存储。在本发明中提供两种信道状态信息的存储策略：方案1、仅存储使用直射分量(LOS)估计的信道信息。方案2、存储使用直射和反射分量(NLOS)估计的信道信息。恢复后的信号将被传入数据处理模块。
室内光信道，其包括信源到信宿的MIMO信道以及信宿到链路预判决模块的反馈链路；
传感器模块，包括定位传感器、移动传感器和图像传感器，所述定位传感器用于获取智能接收模块的位置消息，并将结果发送信号恢复模块，实现信号恢复。移动传感器用于判断用户是否移动，从而控制图像传感器工作，将结果通过反馈链路发给链路预判模块，以便调整光源的发射波束的宽度。
在本发明的一个实施例中，所述信号恢复模块内嵌有存储模块，所述信号恢复模块设有两个输入，分别接收被光电探测器转换后得到的电信号和定位传感器传入的用户位置信息。
在本发明的一个实施例中，室内MIMO-VLC通信系统的通信方法，具体方法如下：
步骤一：信源产生信息，记为源信号，将此信息传送给链路预判模块；
步骤二：链路预判模块对通信场景预判，判断各个光源链路情况，改变光源波束宽度和确定MIMO的多输入数量；第一个目的主要是为了解决室内移动通信所带来的室内通信的覆盖率的问题，即光源需要调整其波束宽度(半功率角)来实现各个位置的可靠通信。举个例子，当智能接收模块移动到房屋角落时，会导致最远的光源可能没有LOS分量到达智能接收模块，从而导致较低的接收功率，因此，此时需要改变光源的波束宽度，扩大光源的覆盖范围。以朗伯源为例，即调整朗伯阶数m变小；
这个过程的具体步骤是：在智能接收模块中，当移动传感器得知用户移动时，需要控制镜头进行拍照，判断每个光源是否都有LOS分量到达智能接收模块，倘若发现缺少光源链路，则通过反馈链路发送控制信息，控制光源调整波束宽度变宽，来实现可靠通信。但是，调整波束宽度变宽的同时，会导致单位面积的光电探测器的接收功率变小，因此需要提高灯的功率来达到通信要求。所以，在室内不采用固定的较宽的波束宽度，使得房屋通信全覆盖的原因，是因为在房屋中央区域(通信活跃的区域)，采用较窄的波束宽度就能达到通信要求，这样就省下了更多能量。
第二个目的，则是为了实现系统的多输出。智能接收模块通过光源个数确定具体的分组信息反馈给链路预判模块，决定了后续信号在串并变换的步骤；总的来说，信号经过链路预判模块，将被加入控制光源波束宽度信息和MIMO分路数量的信息。
步骤三：发送信号，链路预判模块将经过处理的信号发送给发端数据处理模块，在发端数据处理模块信息通过串并变换、映射、调制，生成多路光源驱动信号，信号进入电光驱动模块后，由光源发送，设光源发送的光信号为xi(t)，xi(t)是第i个光源原信号的时域表示(其中1≤i≤M，M是光源数量)。并且，为了更方便的处理信号，记Xi(f)来代表xi(t)的频域传递函数；
步骤四：接收信号，智能接收模块的光电探测模块接收在MIMO信道中的多路光源光信号；这一过程可以由发射信号、信道冲激相应和接收信号的时域卷积关系表示出：
其中γ是光电探测器响应度，yj(t)是接收信号的时域表示，j代表了第j个光电探测器其中1≤j≤N，htotal,ji是第i个光源到第j个光电探测器之间的信道的冲激相应，⊙代表了卷积运算，n(t)是加性高斯噪声；(1)式在时域内是复杂的，智能接收模块接收的信号y(t)是因此需要十分准确的信道状态信息来恢复出xi(t)；
步骤五：建立信号模型/查询本地存储表格；智能接收模块的光电探测模块接收到信号以后，通过建立信号模型的方法，直接获取信道状态信息，具体步骤是定位传感器获得智能接收模块的位置信息，然后建立MIMO信道模型，求解信道状态信息；
由于室内光信道是一个恒参信道，通过定位传感器获得光电探测模块的位置，光源在房屋天花板上且位置固定，通过光照模型将信道建模得出；
设光电探测器的位置坐标(Rj:(arj,brj,crj)(其中1≤j≤N)，光源的位置坐标(Ti:(ati,bti,cti))，其中1≤i≤M已知；
假设光源是一个朗伯源，通过公式(2)计算出第i个光源到第j个光电探测器之间的信道的冲激相应htotal,ji：
其中，Ti为第i个光源的三维位置坐标，Rj为第j个光电探测器的三维位置坐标，α为接收终端朝向在X-Y平面的投影与x轴的夹角，β为接收终端朝向和z轴的夹角，Φ1/2是光源的半功率角(即光源的波束宽度)；τlos,ji是光的直射链路(LOS)的时延，τnlos,ji是光的反射链路(NLOS)的时延；Hlos,ji(0)是LOS链路下的信道直流增益，Anlos,ji(τnlos,ji)是NLOS链路下具体时延为τnlos,ji的分量所对应的信道直流增益。由于室内有无穷多个反射微元，因此反射信号的分量的时延取值也有无穷多个，其间隔无穷小，所以需要进行微分；
在得到(2)之后，利用(2)式来代表MIMO信道的状态信息，利用式(1)和(2)可以得出，MIMO信道的时域矩阵形式可以表示为：
从(2)到(3)是从SISO到MIMO的过程；
将(1)式傅里叶变换得到频域形式，并用矩阵形式来表达：
Y(f)＝γHtotal(f)×X(f)+N(f)， (4)
Y(f)＝[Y1(f),Y2(f),…YR(f)]T，X(f)＝[X1(f),X2(f),…XT(f)]T其中Yj(f)和Xi(f)是yj(t)和xi(t)的频域传递函数，Htotal(f)是htotal(f)的频域传递函数，×代表了乘法运算，N(f)是n(t)的频域传递函数；通过位置信息，求得了MIMO信道的时域信息和频域信息，以及建立了发送信号，接收信号和信道之间的定量关系；当智能接收模块在某位置首次通信时，进行上述信道建立的过程来求得此位置的信道状态信息，然后将此位置的信道状态信息进行本地存储；当再次在本位置通信时，通过浏览本地存储表格，来跳过信道建立这个步骤，直接查表获得信道状态信息；
步骤六：恢复信号，信号恢复模块获得信道状态信息以及多路光源光信号，通过信道状态信息恢复出光源原信号；频域的变化过程可以表示为：
其中Ttotal(f)是Htotal(f)的逆：
最后，在经过傅里叶反变换就可以得到xi(t)；
步骤七：恢复的光源原信号xi(t)经过数字处理模块，进行解调，反映射，并串变换为源信号。
实施例二
如图2(a)所示的室内MIMO-VLC通信系统，包括：智能发射模块，其包括信源、链路预判模块、发端数据处理模块、信号预恢复模块、电光驱动模块和多个光源；信源产生随机比特的信号，并将信号传递给链路预判模块，所述链路判模块用于判断是否所有光源都有LOS分量到达智能接收模块以及确定MIMO的多输出个数；所述链路预判模块设有两个输入口，分别接收信源的信号和智能接收模块通过反馈链路传输的用于表达信宿需求的控制信息以及图像传感器的控制信息；信号经过链路预判模块，将被加入控制光源波束宽度信息和MIMO分路数量的信息；然后链路预判模块将经过处理的信号发送给发端数据处理模块，在发端数据处理模块信息通过串并变换、映射、调制，生成多路光源驱动信号；信号预恢复模块接收发端数据处理模块中的信息；最后将恢复信号以控制信号的形式传递给电光驱动模块；电光驱动模块驱动光源发光；同时光源受电光驱动模块的控制信息来调整朝向，改变发出光波的宽窄。
信号预恢复模块的设置为了克服在MIMO系统中终端恢复信号不可避免的放大噪声这一问题，使用信道状态信息在智能发射模块来预恢复模块，使得在智能接收模块的信号恢复变的简单，并且噪声不会被放大，降低了误码率。信号预恢复模块有两个输入，经过发端数据处理模块串并变换，映射，调制的待发送信息和定位传感器发送的位置信息；此模块在通信中的作用和信号恢复模块一致；获取智能接收模块的位置信息之后，首先查找本地存储模块，判断此位置的信道状态信息是否已经被存储了，如果已经存储，则直接利用已存储的信道状态信息来对信号进行预恢复。如果没有，则利用位置信息建立MIMO信道模型，求得信道状态信息，对信号进行预恢复，并且，将此位置的信道状态信息进行本地存储，此本地存储提供两种存储策略：方案1、仅存储使用直射分量(LOS)估计的信道信息。方案2、存储使用直射和反射分量(NLOS)估计的信道信息。经过预恢复的信号将被送至光源发送。
智能接收模块，其包括光电探测模块、收端数据处理模块和信宿；所述光电探测模块由多个光电探测器组成，光电探测器可以将MIMO信道内的光源信号发出的光信号转换为电信号，并将该电信号经收端数据处理模块进行解调、反映射、并串变换处理后传递给信宿；信宿作为通信终端，对通信链路有需求时，通过反馈链路发送控制信息到链路预判模块；
室内光信道，其包括信源到信宿的MIMO信道以及信宿到链路预判决模块的反馈链路；本实施例中信号预恢复模块和定位传感器之间增加了一条反馈链路，定位传感器通过反馈链路智能接收模块的位置消息传递给信号预恢复模块。
传感器模块，包括定位传感器、移动传感器和图像传感器，定位传感器器用于获取智能接收模块的位置消息；移动传感器用于判断用户是否移动，从而控制图像传感器工作，将结果通过反馈链路发给链路预判模块，以便调整光源的发射波束的宽度。
此通信系统是更适合在MIMO通信中应用，通过公式(5)可以看出，对于解出的信号频域有一个被放大的噪声项，此项无法避免的给信号带来更大的误比特率，因此在信噪比较差的位置，只能通过更高的信噪比来获得更高的误比特率；在本实施例里智能发射模块中增加在信号预恢复模块有效解决了这一问题。
如图2(b)所示，所述定位传感器直接设置在智能发射模块内；定位传感器直接将智能接收模块的位置信息发送至信号预恢复模块。
基于上述结构的室内MIMO-VLC通信系统，具体通信方法如下：
步骤一：信源产生信息，记为源信号，将此信息传送给链路预判模块；
步骤二：链路预判模块对通信场景预判，实现判断各个光源链路情况，改变光源波束宽度和确定MIMO的多输入数量；
步骤三：信号预恢复模块接收反馈信道中的定位传感器发送的智能接收模块的位置信息，或者智能发射模块的定位传感器直接对智能接收模块进行定位，获得智能接收模块的位置信息；
进行信道模型建立过程或者本地表格查询得到信道状态信息；具体过程如下：
通过定位传感器获得光电探测模块的位置，光源在房屋天花板上且位置固定，通过光照模型将信道建模得出；
设光电探测器的位置坐标(Rj:(arj,brj,crj)(其中1≤j≤N),光源的位置坐标(Ti:(ati,bti,cti))(其中1≤i≤M)已知；
假设光源是一个朗伯源，通过公式(2)计算出第i个光源到第j个光电探测器之间的信道的冲激相应htotal,ji：
其中，Ti为第i个光源的三维位置坐标，Rj为第j个光电探测器的三维位置坐标，α为接收终端朝向在X-Y平面的投影与x轴的夹角，β为接收终端朝向和z轴的夹角，Φ1/2是光源的半功率角(即光源的波束宽度)；τlos,ji是光的直射链路(LOS)的时延，τnlos,ji是光的反射链路(NLOS)的时延；Hlos,ji(0)是LOS链路下的信道直流增益，Anlos,ji(τnlos,ji)是NLOS链路下具体时延为τnlos,ji的分量所对应的信道直流增益，由于室内有无穷多个反射微元，因此反射信号的分量的时延取值也有无穷多个，其间隔无穷小，所以需要进行微分；
在得到(2)之后，利用(2)式来代表MIMO信道的状态信息，利用式(1)和(2)可以得出，MIMO信道的时域矩阵形式可以表示为：
附加一个信号预恢复的过程，即生成信号频域为Xpre(f)的信号：
Xpre(f)＝Ttotal(f)×X(f)， (7)
步骤四：将经过预恢复的Xpre(f)的信号发送进入MIMO信道，得到
/>
可见(8)中的噪声项没有被放大，通过简单的判决，以及傅里叶反变换，可以得到xi(t)。
步骤五：恢复的光源原信号xi(t)经过收端数字处理模块，进行解调，反映射，并串变换为源信号。
为了评估上述方案在MIMO-VLC中的性能，以实施例一中的通信系统为例，设置一个具体2×2MIMO的室内通信场景，室内大小5m×5m×3m(长×宽×高)。光源采用LED灯，光电探测器采用PD。LED灯部署于天花板上，每个灯的功率为20W，调制指数为0.2，LED1的坐标为(1.5，1.5，3)，LED2的坐标为(1.5，3.5，3)，LED3的坐标为(3.5，1.5，3)，LED4的坐标为(3.5，3.5，3)。其中LED1和LED4为组1发送一组独立信号，LED2和LED3为组2发送另一组独立信号。采用4个灯的目的是提供均匀的光照分布。智能接收模块分别在室内角落附近(PD1的坐标为(0.5，0.5，0.85)，PD2的坐标为(0.5，0.6，0.85))和室内中央附近(PD1的坐标为(3.3，2.55，0.85)，PD2的坐标为(3.3，2.65，0.85))PD的光电转化系数为0.35A/W。信号经过映射后采用OOK调制进入2×2MIMO信道，其中单灯符号速率为100M/b，总系统符号速率为200M/b。光链路只考虑直射和一次反射情况。
在本次实验中，提供了3种方案的仿真。
方案1是仅用LOS分量来求信道状态信息用来恢复信号，
方案2是考虑LOS和NLOS分量求信道状态信息用来恢复信号，训练序列方案则是用训练序列来估计信道，并恢复信息，通过长训练序列得到的信道状态信息是真实的信道状态信息。
图3展示了两个不同位置处，LED组1到PD1处的信道频域传递函数。从结果可以看出，在不同位置，考虑LOS和NLOS的信道建模方案都可以完全的估计出MIMO信道的状态信息。仅考虑LOS链路的信道建模方案在室内中央可以比房屋角落更接近的估计出信道信息。
为了更加精确的展现方案的性能，仿真了在真实室内中的各个区域的误比特率情况，如图4所示，从图中可以看出，在接近房屋中央大约24％的位置，可以使用方案1的信道建模方案来存储信道状态信息，使其恢复的信号误比特率小于3.8×10-3(此误比特率被可以认为是无差错恢复信号的最大误比特率)，这是因为在室内中央，光的反射分量较小，LOS的能量占比更大。然而，在室内边缘以及接近室内角落的位置，可以使用方案2的信道建模方案来存储信道状态信息。其可以无差错恢复信号的最大误比特率区间占总室内区间的73％。剩余部分由于信噪比的限制无法通信，需要增加LED的功率灯方法进行通信。从本次实例可以看出，在室内中央的24％的区域可以仅存储MIMO信道的LOS分量信息，而在边缘和角落需要存储MIMO信道的LOS和NLOS的分量信息。
另外，为了探究信号预恢复方案在MIMO通信中的优势，仿真了在角落(PD1坐标为(0.5,0.5,0.85)PD2坐标为(0.5,0.6,0.85))处的各个方案的误比特率和信噪比改变的曲线图。从图5中可以看出，在角落，方案1需要更高的信噪比，才能较好的无差错的恢复信号。方案2和训练序列方案的误比特率性能几乎重合。
如式(5)和式(8)所示的，在智能接收模块恢复信号时，总无法避免的将噪声放大。从图5也能看出，方案2总比预恢复方案需求更大的信噪比来获取相同的误比特率性能，因此实施例二中的通信系统采用的预恢复方案在误比特率性能上的提升是很有应用价值的。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种基于光通信的接收终端，其特征在于：包括：
光电探测模块，所述光电探测模块用于接收MIMO信道的光信号，并将光信号转换为电信号，所述光电探测模块包含多个光电探测器，每个光电探测器分别接收不同的光信号；上述光信号转换为电信号后均经过信号恢复模块恢复信号；
传感器模块，其包括定位传感器，所述定位传感器用于采集用户端的位置信息；
信号恢复模块，所述信号恢复模块用于在获取所述用户端的位置信息之后，使用本地存储的信道状态信息对所述电信号进行恢复；或者通过建立MIMO信道模型求解得到信道状态信息，并使用所述信道状态信息对所述电信号进行恢复；其中，当所述用户端的位置信息在本地被存储时，使用本地存储的与该位置信息关联的所述信道状态信息恢复所述电信号；当所述用户端的位置信息没有在本地存储时，建立所述MIMO信道模型求解得到信道状态信息，并本地存储求解得到的所述信道状态信息；其中，所述MIMO信道模型与所述用户端的位置信息关联；
数据处理模块，其用于处理经所述信号恢复模块恢复后的电信号，获得源信号；
信宿，其接收所述源信号，以及发出通信需求信息。
2.根据权利要求1所述的基于光通信的接收终端，其特征在于：所述定位传感器独立设置，或者与接收终端集成。
3.根据权利要求2所述的基于光通信的接收终端，其特征在于：所述传感器模块还包括移动传感器和图像传感器，所述移动传感器用于采集所述用户端是否移动的信息；当所述用户端发生移动时，所述通信需求信息中包含有调整光源波束宽度的控制信息；所述图像传感器用于采集所述光电探测模块是否缺少光源链路的信息；当所述光电探测器模块缺少光源链路时，所述通信需求信息中包含有调整光源波束宽度的控制信息。
4.根据权利要求1所述的基于光通信的接收终端，其特征在于：所述信号恢复模块内设置有存储器，所述用户端的位置信息和与之关联的所述信道状态信息在所述存储器内本地存储；其中，所述信道状态信息在所述存储器内的存储策略包括使用直射分量LOS估计的信道状态信息，以及使用直射和反射分量NLOS估计的信道状态信息。
5.一种基于光通信的发射终端，其特征在于：包括，
信源，其用于产生源信号；
数据处理模块，其用于处理所述源信号获得调制信号；
传感器模块，其包括定位传感器，所述定位传感器用于采集用户端的位置信息；
信号预恢复模块，所述信号预恢复模块用于在获取所述用户端的位置信息之后，使用本地存储的信道状态信息对所述调制信号进行预恢复；或者通过建立MIMO信道模型求解得到信道状态信息，并使用所述信道状态信息对所述调制信号进行预恢复；其中，当所述用户端的位置信息在本地被存储时，使用本地存储的与该位置信息关联的所述信道状态信息预恢复所述调制信号；当所述用户端的位置信息没有在本地存储时，建立所述MIMO信道模型求解得到信道状态信息，并本地存储求解得到的所述信道状态信息；其中，所述MIMO信道模型与所述用户端的位置信息关联；
电光驱动模块，其用于驱动光源发光，且能够控制改变所述光源的波束宽度；
光源，其用于将经所述信号预恢复模块处理后的所述调制信号转换成光信号发送出去；所述光源包括多个，分别由电光驱动模块同时驱动，多个光源同时发出不同的信号，并经过MIMO信道形成MIMO信号。
6.根据权利要求5所述的基于光通信的发射终端，其特征在于：所述定位传感器独立设置，或者与发射终端集成。
7.根据权利要求5所述的基于光通信的发射终端，其特征在于：还包括链路预判模块，所述链路预判模块用于在所述数据处理模块处理所述源数据之前，根据信宿的通信需求信息预处理所述源数据。
8.根据权利要求7所述的基于光通信的发射终端，其特征在于：所述传感器模块还包括移动传感器和图像传感器，所述移动传感器用于采集所述用户端是否移动的信息；当所述用户端发生移动时，所述通信需求信息中包含有调整光源波束宽度的控制信息；所述图像传感器用于采集接收端是否缺少光源链路的信息；当所述接收端缺少光源链路时，所述通信需求信息中包含有调整光源波束宽度的控制信息。
9.根据权利要求5所述的基于光通信的发射终端，其特征在于：所述信号预恢复模块内设置有存储器，所述用户端的位置信息和与之关联的所述信道状态信息在所述存储器内本地存储；其中，所述信道状态信息在所述存储器内的存储策略包括使用直射分量LOS估计的信道状态信息，以及使用直射和反射分量NLOS估计的信道状态信息。
10.一种室内光通信方法，其特征在于：包括以下步骤，
信源产生源信号；
根据信宿的通信需求预处理所述源信号；
调制经预处理后的所述源信号获得调制信号；
光源将所述调制信号转换为光信号并通过MIMO信道发送出去；
接收所述MIMO信道内的光信号，并转换成电信号；
使用信道状态信息恢复所述电信号，其中，当所述用户端的位置信息在本地被存储时，使用本地存储的与该位置信息关联的所述信道状态信息恢复所述电信号；当所述用户端的位置信息没有在本地存储时，通过建立MIMO信道模型求解得到信道状态信息，使用求解得到的信道状态信息恢复所述电信号，并本地存储求解得到的所述信道状态信息；其中，所述MIMO信道模型与所述光源的位置信息和所述用户端的位置信息关联；
解调恢复后的所述电信号给所述信宿。
11.一种室内光通信方法，其特征在于：包括以下步骤，
信源产生源信号；
根据信宿的通信需求预处理所述源信号；
调制经预处理后的所述源信号获得调制信号；
使用信道状态信息预恢复所述调制信号，其中，当用户端的位置信息在本地被存储时，使用本地存储的与该位置信息关联的信道状态信息预恢复所述调制信号；当所述用户端的位置信息没有在本地存储时，通过建立MIMO信道模型求解得到信道状态信息，使用求解得到的信道状态信息预恢复所述调制信号，并本地存储求解得到的所述信道状态信息；其中，所述MIMO信道模型与光源的位置信息和所述用户端的位置信息关联；
光源将预恢复后的所述调制信号转换为光信号并通过MIMO信道发送出去；
接收所述MIMO信道内的光信号，并转换成电信号；
解调恢复后的所述电信号给所述信宿。
12.根据权利要求10或11所述的一种室内光通信方法，其特征在于，所述用户端的位置信息包括光源的位置坐标、光电探测器的位置坐标、光电探测器的朝向以及光源的波束宽度；上述信息通过信道的冲激相应htotal,ji求得信道状态信息；其中htotal,ji的公式如下：
其中，Ti为第i个光源的三维位置坐标，Rj为第j个光电探测器的三维位置坐标，α为接收终端朝向在X-Y平面的投影与x轴的夹角，β为接收终端朝向和z轴的夹角，Φ1/2是光源的半功率角(即光源的波束宽度)；τlos,ji是光的直射链路(LOS)的时延，τnlos,ji是光的反射链路(NLOS)的时延；Hlos,ji(0)是LOS链路下的信道直流增益，Anlos,ji(τnlos,ji)是NLOS链路下具体时延为τnlos,ji的分量所对应的信道直流增益，Hlos,ji(0)和Anlos,ji(τnlos,ji)均为位置坐标的函数，两者通过光电探测器和光源的位置坐标，光电探测器朝向角，光源半功率角分别计算得出；
当在接收终端进行信号恢复时，除了从传感器模块获得光电探测器的位置坐标和朝向角之外，仍需通过通信链路获得光源的半功率角。
当在发射终端进行信号预恢复时，只需要从传感器模块获得光电探测器的位置坐标和朝向角。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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