[發明專利]基于載波索引調制的高效可見光通信系統工作方法

有效

• 申請號: 202011472653.1
• 申請日: 2020-12-15
• 公開（公告）號: CN112636832B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 白智全;渠繼科;龐珂;楊穎超;卜祥燕
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H04B10/116
• 分類號: H04B10/116;H04B10/50;H04B10/516;H04B10/60
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 許德山

1.基于載波索引調制的高效可見光通信系統工作方法，該系統包括發射端和接收端，發射端包括比特分組模塊、索引調制模塊、快速傅里葉反變換模塊、信號分離模塊及4個LED，上述各模塊依次相連，信號分離模塊連接到4個LED；接收端包括N_R個光電檢測器即PD、信道均衡模塊、信號組合模塊、快速傅里葉變換模塊、索引解調模塊和比特恢復模塊，N_R個光電檢測器連接到信道均衡模塊，信道均衡模塊依次連接信號組合模塊、快速傅里葉變換模塊、索引解調模塊和比特恢復模塊；發射端和接收端之間由可見光信道傳輸進行通信，其過程分為三步：先將輸入的信息比特流及所有子載波進行分組，每組中一部分比特用來選擇激活的子載波索引，另一部分比特經M階正交幅度調制后映射到激活的子載波上；其次，調制映射后的頻域信號經OFDM即正交頻分復用調制得到復時域信號，將該信號進一步轉換為正實值信號，并通過對應的LED進行發送；最后在接收端經信道均衡后，對接收信號進行解調，恢復出原始信息，該方法的具體步驟如下：

1)根據通信速率需求確定子載波分組數G、激活的總子載波數L及調制階數M，在發射端將輸入的m個信息比特和N個子載波由比特分組模塊分別將其平均分成G組，則每個索引調制模塊中包含p個比特及a個子載波，其中激活的子載波數為l，且p＝m/G，a＝N/G，l＝L/G；

2)每個索引調制模塊中，p₁個比特用來選擇激活的子載波索引，p₂個比特經M階正交幅度調制后映射到激活的子載波上，其余未被激活的子載波置0，得到頻域信號X，其表達式為X＝[X₀,X₁,…,X_N-1]^T，X_k∈{0,S},k＝0，1,…,N-1，T為矩陣轉置，S為調制符號集合，其中，p₂＝llog₂M，p₁+p₂＝p，符號表示向下取整，表示從n個子載波中選擇l個子載波激活的所有可能組合；

3)所有索引調制模塊完成載波調制形成OFDM數據塊，經快速傅里葉反變換模塊得到復時域信號x，其表示為x＝[x₀,x₁,…,x_N-1]^T，

4)在信號分離模塊中對復時域信號x進行處理得到正實值信號，并通過對應LED發送，具體步驟如下：首先，分離復信號x_n的實部和虛部，得到實值雙極性信號x_R,n和x_I,n，x_n＝x_R,n+jx_I,n；其次，對雙極性實值信號x_R,n和x_I,n進行如下處理，獲得正實值信號其中，(b)⁺表示在(b,0)中取最大值；最后，將得到的正實值信號通過第一個LED發送，將通過第二個LED發送，將通過第三個LED發送，將通過第四個LED發送；

5)發送信號經可見光信道傳輸在接收端由PD接收，將光信號轉換為電信號，設光電轉換系數為1，則接收信號表示為其中y為N_R×4維的接收信號向量，w表示信道噪聲項，H表示N_R×4維的信道矩陣，即h_ij表示第j個LED到第i個PD的信道系數，其表達式為其中m’表示LED的朗伯輻射模數，m’＝-ln2/ln(cosΦ_1/2)，Φ_1/2表示LED的半功率角，A表示PD的檢測面積，d_ij表示第j個LED到第i個PD的有效距離，φ_ij表示第j個LED到第i個接收PD的俯角，表示第j個LED到第i個PD的仰角，T_s表示光濾波器增益，Ψ_c表示PD視場角；

6)在信道均衡模塊中采用最小均方誤差算法對接收信號向量y進行均衡，得到均衡后信號y_MMSE，其表達式為y_MMSE＝(HH^H+L·I/ρ_F)^-1H^Hy，其中，()^H表示矩陣的共軛轉置，I表示單位矩陣，()^-1表示矩陣的逆矩陣或偽逆矩陣，ρ_F表示接收端平均信噪比；

7)均衡后的信號y_MMSE進入信號組合模塊，并根據步驟4)中的正實值信號轉換方法及LED索引確定信號的實虛部和正負號，恢復出復時域信號再經快速傅里葉變換模塊后得到待解調的頻域信號

8)在索引解調模塊中，采用對數似然檢測，解調出用于選擇激活子載波索引的信息比特和調制符號對應的信息比特，恢復出原始信息，對數似然檢測表達式為S_j為M階調制符號，表示第k個子載波上接收信號為時，發送符號為S_j的概率，表示第k個子載波上接收信號為時，發送空載的概率，依次計算出每個子載波對應的檢測值λ_k后，從中選擇出數值最大的前l個λ_k值，對應的k即為激活的子載波索引，隨后，根據查表法恢復出索引比特，然后依次解調激活子載波上傳輸的調制信號即可得到所有發送比特信息。