一种DCO‑OFDM系统的载波调制阶数自适应方法与流程

本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种两光源单接收dco-ofdm可见光通信系统的载波调制阶数自适应方法。

背景技术：

ofdm系统中自适应技术的目的就是为了达到所需的qos，充分利用可用资源(包括功率、频带、时间等)，并且尽可能降低复杂度。调制阶数自适应就是在各个载波上可以采用不同的调制方式。根据优化目标的不同，自适应调制分为三种类型：系统误码率最小化、发送功率最小化、传输速率(系统容量)最大化。

如果各个子载波信号的功率相同，并且都采用相同阶数调制，不同子载波的误比特率不同，高频子载波数据ber将会大于低频载波，处于深衰落，系统性能将受限于高频子载波，因此需要对不同的载波采用调制阶数自适应算法。

在传统的无线通信系统中，针对非平坦信道，自适应调制机制可以有效提高频谱效率或者降低系统误码率等，已经有很多相关文献研究了关于载波调制阶数自适应的问题。例如chow算法为了使得系统能够容忍最大噪声，通过子信道的容量来确定各个子信道的调制方式，同时保证系统吞吐量恒定、发送功率以及误码率一定。但是计算复杂度较高，不适合高速无线数据传输。hughers-hartogs算法的核心思想就是在系统吞吐量恒定和系统误比特率一定的条件下，把每一个比特都分配到所需功率最小的子载波上，直到所有的比特数分配完毕。该算法复杂度较高，当子载波数很大时，不是很适合实际应用。

针对光通信ofdm系统，有固定门限算法和平均功率的恒定吞吐量算法等，但是这些研究基本都是关于单发射端单接收端的研究，而现在很多室内空间下，为了提高照明的质量或者说出于美观原因，会存在不止一个光源。因此需要考虑在两个发射端的条件下，调制阶数自适应方案的调整。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种dco-ofdm系统的载波调制阶数自适应方法，其考虑在两个发射端的条件下对调制阶数进行自适应。

技术方案：本发明所述的dco-ofdm系统的载波调制阶数自适应方法，适用于发射端为两个led光源、接收端为一个光电二极管的dco-ofdm可见光通信系统，其包括以下步骤：

(1)根据led调制信道模型，计算led调制信道的幅频响应g(k)＝1/(2πfb+j2πk)，式中，fb表示led的3db调制带宽值；

(2)将led调制信道的等效信道响应表示为式中r为光电二极管的响应率，g(t)为led的归一化冲激响应，h(t)为包括直射径和漫反射的物理信道模型；

(3)根据led调制信道的等效信道响应和led调制信道的幅频响应，建立发射端为两led光源的dco-ofdm系统的信道响应为

h(k)＝h1(k)+h2(k)×e^j2πkδt/t＝h1(k)×(1+e^j2πkδt/t)

式中，h1(k)＝h2(k)＝g(k)heq(k)，heq(k)为heq(t)的频域，δt为两led光源的信号延迟，t为符号周期；

(4)根据系统的信道响应计算实际每个子载波对应的信噪比snrk和信噪比门限值thi，其中，

式中，为接收端噪声的方差，为子载波信号功率，bert为设定的最大误码率，i为设定的子载波传输的最大比特数，snrk为子载波k对应的信噪比；

(5)对于子载波k对应的信噪比snrk，比较snrk和门限值集合{thi|i＝1,2,…,i}的值，当thj≤snrk≤thj+1|j∈1,2,…,i时，将子载波k对应的最优调制阶数确定为m＝2^j，以此方式得到所有子载波的最优调制阶数。

其中，步骤(2)中，式中fl为led的3db调制带宽。h(t)＝hlos(t)δ(t)+hdiff(t-δτ)，式中ηlos(t)为直射径部分，δ(t)为狄拉克δ函数，hdiff(t-τ)为漫反射部分，δτ为直射径信号到反射径信号的时间延迟。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本专利提出了一种基于两光源系统的载波调制阶数自适应方案。该方案考虑了led信道参数、光信道的幅频特性与多发射端的情况的融合，可以根据计算出的信道条件，为每一个子载波选择相应的调制方式，有效提高系统频谱效率。

附图说明

图1是可见光室内通信模型图；

图2是本发明系统信道模型图；

图3是本发明各子载波上的调制比特数条形图；

图4是调制阶数自适应和固定方式下的频谱效率对比图。

具体实施方式

一、技术问题

技术问题存在的场景如下：如图1所示，可以设定房间的尺寸为6m×6m×6m，有两个发射端(led光源)tx1和tx2，坐标分别为(2，5，6)、(4，5，6)，接收端坐标为(3，2，2)。

可见光无线信道为平坦衰落信道，其物理信道模型包括直射径和漫反射两个部分。因此信道冲激响应可以表示为

h(t)＝ηlos(t)δ(t)+hdiff(t-δτ)(1)

式中ηlos(t)为直射径部分，δ(t)为狄拉克δ函数，hdiff(t-τ)为漫反射部分，δτ为直射径信号到反射径信号的时间延迟。直射径部分可以表述为

式中ar为光电二极管的检测面积，d和分别表示从led光源到pd(光电二极管)的距离和入射角，为光滤波器增益，为接收机的集线器增益，ψ为接收机的视场角，θ为从led到pd的辐射角，m为朗伯辐射阶数。

在频域，反射部分可以表示为

式中f0为3db截止频率，ηdiff可以表示为

式中aroom为房间表面积，ρ1为led初始照射面的反射率，假设ρ1＝ρ。

可见光信道带宽的主要限制因素为led的调制带宽，这样在高速传输时将会引起isi(符号间干扰)。led的归一化冲激响应为式中fl为led的3db调制带宽。这样可见光通信系统的等效信道可以表示为

式中r为pd的响应率。

假设led的3db调制带宽为20mhz，同时只有两个光源，并且关于接收机是对称分布的，两个信号之间的延迟设为δt，且值的大小不超过cp的长度，这样才不会造成接收端的isi。于是，两个传输信号可以分别表示为x(t)、x(t-δt)，转换到频域之后，可以将这里的信号延迟放到到信道参数中考虑。

调制阶数自适应的目标就是在保证ber满足限制的条件下，最大化获取的频谱效率。这样该问题可以表述为

式中，n为fft点数，ncp为循环前缀长度，mk为第k个子载波的最优调制阶数。

假定目标ber为bert＝1×10^-3，f(m)是与星座类型相关的量，可以定义为

式中，i＝1,2,…,i，i为设定的子载波传输的最大比特数。

二、技术方法

本发明所述的dco-ofdm系统的载波调制阶数自适应方法，适用于发射端为两个led光源、接收端为一个光电二极管的dco-ofdm可见光通信系统，其包括以下步骤：

(1)根据led调制信道模型，计算led调制信道的幅频响应g(k)＝1/(2πfb+j2πk)，式中，fb表示led的3db调制带宽值；

(2)将led调制信道的等效信道响应表示为式中r为光电二极管的响应率，g(t)为led的归一化冲激响应，h(t)为包括直射径和漫反射的物理信道模型；

(3)根据led调制信道的等效信道响应和led调制信道的幅频响应，建立发射端为两led光源的dco-ofdm系统的信道响应为

h(k)＝h1(k)+h2(k)×e^j2πkδt/t＝h1(k)×(1+e^j2πkδt/t)

式中，h1(k)＝h2(k)＝g(k)heq(k)，heq(k)为heq(t)的频域，δt为两led光源的信号延迟，t为符号周期；

(4)根据系统的信道响应计算实际每个子载波对应的信噪比snrk和信噪比门限值thi，其中，

式中，为接收端噪声的方差，为子载波信号功率，bert为设定的最大误码率，i为设定的子载波传输的最大比特数，snrk为子载波k对应的信噪比；

(5)对于子载波k对应的信噪比snrk，比较snrk和门限值集合{thi|i＝1,2,…,i}的值，当thj≤snrk≤thj+1|j∈1,2,…,i时，将子载波k对应的最优调制阶数确定为m＝2^j，以此方式得到所有子载波的最优调制阶数。

对于本发买那个进行仿真验证，采用的系统参数为：系统带宽80mhz，fft大小为512，cp长度为16，发射端数为2，信号延迟为6nsec，系统目标误码率为bert＝1×10^-3。

根据步骤(1)～(3)建立信道模型，最终的信道幅频响应特性如图2所示。然后将信噪比门限值和实际的各子载波上的信噪比值进行对比，最终得到每个子载波上最大的调制阶数。当信号功率为10dbm时，可以得到相应的各子载波上的调制比特数如图3所示。可以发现，经过这样的调制方案之后，系统性能将不再受限于幅频响应小的载波，有效地提高了系统性能。同时对比调制阶数自适应和固定方式下的频谱效率，如图4所示。可以看出，经过调制阶数自适应之后，系统的频谱效率要明显高于固定调制方式下的频谱效率。因为对调制阶数进行自适应后，可以通过分析子载波所在的信道条件，充分利用每一个子载波，从而提高了系统的频谱效率。同时图中也给出了理论的信道容量曲线，观察发现自适应调制之后，与系统容量接近了很多。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。