一种多色led可见光通信自适应传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多色LED可见光通信自适应传输方法，属于可见光通信技术。
【背景技术】
[0002] 无线光通信（owe)因其频谱资源丰富且不受限制，发射功率大可提高接受信噪 比，电磁辐射水平低，安全性好等优势而获得通信领域研宄人员的关注，并逐渐成为研宄热 点。近年来，可见光通信技术得到了迅速的发展，IEEE已经制定了IEEE802.15.7标准，对 其物理层（PHY，Physics)和媒体接入控制层（MAC，Medium Access Control)实现方法和参 数指标进行了标准化。为了提高无线光通信系统的传输速率，对抗多径干扰，OFDM调制方 式被引入其中，研宄人员从理论及实验中发现OFDM是一种有效提高无线光通信系统性能 的方式。而目前出现的无线光OFDM通信系统大都是是针对特定的信道设计的，保证在最差 的信道条件下也能正常通信，但是通信速率在恶劣的信道环境和良好的信道环境下没有差 异，这样的系统不能把良好的信道条件转变为传输速率增益。
[0003] 由于目前的无线光通信系统普遍采用强度调制/直接检测（頂/DD)，因此要保 证OFDM时域信号的正实性。现在被广泛采用的两个光通信OFDM结构是非对称削波光 OFDM(ACO-OFDM)和直流偏置光OFDM(DCO-OFDM)。AC0-0FDM是对传统OFDM在光通信特殊信 道传输的改良，由澳大利亚科学家Jean Armstrong在2006年提出，它基本的思路就是用更 多的子载波通过Fourier变换的一些性质来换取发射符号在时域满足光信道的特性，它的 频域符号满足共轭对称性且偶数子载波上的值全为〇,只有1/4的子载波用于发送有效符 号，因此频谱利用率比较低；但它不要加直流偏置，可以提高能量利用率。DC0-0FDM的频域 符号也满足共轭对称性，但不要求偶数子载波上的值为0,有1/2的子载波用于传输有效符 号，频谱利用率高，但是其为了使时域信号是正值，需要对IFFT输出的信号加额外的直流 偏置，降低了能量利用率。
[0004] 白光LED按照发光二极管数量的不同可分为单晶型和多晶型。常见的单晶型白 光LED是利用单片蓝光LED去激发黄色荧光粉来产生白光，其技术简单，价格便宜，现阶段 的白光LED主要都是采用这种技术的，但其显色指数和发光效率都较低。常见的多晶型白 光LED是将红、绿、蓝、黄等种颜色的LED进行混色从而产生白光的，其显色指数和发光效率 相对于单晶型白光LED都有较大提升，但其技术相对复杂，现阶段成本较高。这两种LED等 都能用于可见光通信，而且还能对多晶型的LED灯的多种颜色的二极管分别调制再在接收 端加滤光片得到多个相对独立的信道，实现可见光多波段通信，提高传输速率。但是多晶型 LED灯的红、绿、蓝、黄等子信道的信道特性不一样，可以通过自适应调制技术来充分利用这 些子信道的带宽。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于多色LED可 见光通信系统的自适应传输方案，该系统能够根据各个颜色光信道的不同自适应地改变调 制，从而在确保系统通信可靠性的同时提高传输速率。
[0006] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] 一种多色LED可见光通信自适应传输方法，系统包括配置协商和正常通信两种工 作状态，在未知多色LED可用传输带宽以及正常通信时发生信干比变化超过阈值情况下， 进入配置协商状态；在配置协商状态，通过发送前导序列估计可用带宽以及有效信干比，采 用正交频分复用（OFDM)虚拟子载波方法实现不同色上不等带宽传输，跟据系统等效信干 比选择纠错编码码率，并依据各个颜色可用带宽内各子载波等效信干比选择合适的调制方 法，实现逼近信道容量的自适应传输；配置协商完成之后系统进入正常通信状态，进行通信 传输。
[0008] 本发明通过引入虚拟子载波使得不同色上采用子载波间隔相同的OFDM调制，大 大简化了实现复杂度，通过等效信干比选择编码码率和子载波调制，有效提高了频带利用 率和功率效率。
[0009] 在配置协商状态，包括如下步骤：首先，发射机发送特定的接收端已知的导频序列 给接收机；然后，接收机根据接收到的导频序列，估计出各子载波上的信干比，得到适应当 前系统信道条件下的传输参数，并将该传输参数发送给接收机；接着，发射机收到传输参数 后，按照传输参数设置发射机，设置成功之后发送ACK给接收机；再次，接收机收到ACK信号 之后，按照传输参数设置接收机，设置成功之后发送ACK给发射机，发射机收到ACK，表示参 数配置结束，系统进入正常通信状态；最后，接收机和发射机进行正常数据传输。
[0010] 该方法具体包括如下步骤：
[0011] (1)系统开机之后进入配置协商状态，发射机首先在各个颜色（如RGB三色）子信 道上将特定的、接收端已知的ZC序列放在各子载波上，ZC序列经共轭对称和快速傅里叶变 换（IFFT变换）后转换为ZC序列时域信号并发送出去；其中ZC序列即为前导序列，其表达 式为：
[0012]
【主权项】
1. 一种多色LED可见光通信自适应传输方法，其特征在于：系统包括配置协商和正常 通信两种工作状态，在未知多色LED可用传输带宽以及正常通信时发生信干比变化超过阈 值情况下，进入配置协商状态；在配置协商状态，通过发送前导序列估计可用带宽以及有效 信干比，采用正交频分复用虚拟子载波方法实现不同色上不等带宽传输，跟据系统等效信 干比选择纠错编码码率，并依据各个颜色可用带宽内各子载波等效信干比选择合适的调制 方法，实现逼近信道容量的自适应传输；配置协商完成之后系统进入正常通信状态，进行通 信传输。
2. 根据权利要求1所述的多色LED可见光通信自适应传输方法，其特征在于：在配 置协商状态，包括如下步骤：首先，发射机发送特定的接收端已知的导频序列给接收机；然 后，接收机根据接收到的导频序列，估计出各子载波上的信干比，得到适应当前系统信道条 件下的传输参数，并将该传输参数发送给接收机；接着，发射机收到传输参数后，按照传输 参数设置发射机，设置成功之后发送ACK给接收机；再次，接收机收到ACK信号之后，按照传 输参数设置接收机，设置成功之后发送ACK给发射机，发射机收到ACK，表示参数配置结束， 系统进入正常通信状态；最后，接收机和发射机进行正常数据传输。
3. 根据权利要求1所述的多色LED可见光通信自适应传输方法，其特征在于：该方法 具体包括如下步骤： (1) 系统开机之后进入配置协商状态，发射机首先在各个颜色子信道上将特定的、接收 端已知的ZC序列放在各子载波上，ZC序列经共轭对称和快速傅里叶变换后转换为ZC序列 时域信号并发送出去；其中ZC序列即为前导序列，其表达式为：
式中：r为ZC序列的根指数，与ZC序列的长度Nz。互素 ；k = 0, 1，…，Nze-I，q为任意整 数； (2) 接收机各个颜色子信道分别用同样的ZC序列时域信号去与接收到的信号序列做 相关，得到的相关峰即为同步峰，公式如下：
式中：y(n)表示接收到的信号序列，Xk(H)表示已知的ZC序列时域信号，p(d)是y(n) 和xz。(η)的互相关函数，d为互相关函数的自变量，N为ZC序列的长度，η表示接收信号的 位置；将P(d)的峰值作为ZC序列同步头，根据同步头从接收到的信号序列中提取出经过信 道后的ZC序列时域信号y z。(η); (3) 对接收机的各个颜色子信道接收到的yz。(η)做快速傅里叶变换得到ZC序列的频 域信号Yze (η)，用LS算法得到信道的频域响应：
式中：Η(η)为第η个子载波对应的信道系数，XzJPYzc分别表示未经过信道和经过信 道的频域ZC序列； (4) 根据各个颜色子信道的信道参数H、Xz。重构接收序列的估计值：
则各子载波上的噪声干扰方差为σ2(π) = |7ζ,.⑷-㈨|2,得到各个子载波的信干比 的估计值为此SINR的估计值与真实值之间存在一定的差距，需 要根据先验信息进行修正得到更准确的SINR估计值；按照预定的信道编码码率的误比特 率要求选择各个子载波的调制阶数，把SINR值低于预定的SINR下限的子载波设为虚拟子 载波，即在这些子载波上不传输数据，然后接收机将配置信息用信令信道发送给发射机； (5) 发射机收到配置信息并经过CRC确认配置信息正确之后，发送ACK信号给接收机； (6) 接收机收到ACK之后返回一个ACK给发射机，发射机收到ACK后确认双方的配置协 商完成，进入正常通信阶段，开始用协商的配置发送用户数据； (7) 接收端正常接收用户数据，并跟踪监测系统的信干比SINR，如果SINR出现明显变 化，则重新进入配置协商状态，再次协商配置，实现传输参数与信道的自适应更新。
【专利摘要】本发明公开了一种多色LED可见光通信自适应传输方法，在未知多色LED可用传输带宽以及正常通信时发生信干比变化超过阈值情况下，进入配置协商状态；在配置协商状态，通过发送前导序列估计可用带宽以及有效信干比，采用正交频分复用虚拟子载波方法实现不同色上不等带宽传输，跟据系统等效信干比选择纠错编码码率，并依据各个颜色可用带宽内各子载波等效信干比选择合适的调制方法，实现逼近信道容量的自适应传输；配置协商完成之后系统进入正常通信状态，进行通信传输。本发明通过引入虚拟子载波使得不同色上采用子载波间隔相同的OFDM调制，简化了实现复杂度，通过等效信干比选择编码码率和子载波调制，有效提高了频带利用率和功率效率。
【IPC分类】H04L27-26, H04B10-116
【公开号】CN104539363
【申请号】CN201510019678
【发明人】赵春明, 吴满, 黄鹤, 梁霄
【申请人】东南大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2015年1月15日