一种预编码mimo-oofdm可见光通信方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及可见光通信(Visible Light Communication，VLC)领域，更具体地，涉 及一种基于空间调制（Spatial Modulation，SM)和空间脉冲位置调制（Spatial Pulse Position Modulation，SPPM)的室内多用户预编码(Multi-user Precoded，MUP)多输入多 输出（Multiple-input Multiple-output，ΜΙΜΟ)光正交频分复用（Optical Frequency Division Multipiexing，00FDM)的VLC通信方法。
【背景技术】
[0002] 随着时代发展和日常生活中发光二极管(Light-emitting Diode，LED)的广泛应 用，基于LED灯的VLC技术逐渐受到各国研究者的青睐并对其展开了研究。VLC的实现主要基 于强度调制（Intensity Modulation，IM)和直接检测（Direct Detect ion，DD)技术，利用人 眼可忽略的强弱快速变化的光强进行信息的传输。传统无线通信中广泛应用的ΜΜ0技术也 凭借其在系统扩容等方面的优势在VLC技术中获得应用，它能有效同时利用多个LED灯实现 高速数据传输，提高VLC系统的传输速率。因此，ΜΠΚ)与技术与VLC技术相结合也逐渐成为当 前研究高速VLC通信系统的热点。
[0003] 在实际的典型室内环境中，通常有多个分布在室内不同位置的用户终端，因此多 用户MMO(MU-MMO)技术作为ΜΜ)技术的扩展和应用，也有着广泛的研究应用前景。与普通 MIM0-VLC系统中所有光检测器(Photodetector，PD)均属于同一个用户终端的情况不同，多 用户mmo-vlc系统支持多个用户终端，每个终端包含一个或多个roju-Μηω系统通过一定 的干扰消除算法消除用户间干扰(Multi-user Interference，MUI)使得多个用户终端可以 利用相同的LED灯互不干扰地进行通信。当前对室内VLC环境中的MU-M頂0技术研究较少，而 由于VLC信道传输特性和VLC相关调制技术的特点，它与传统无线MU-MM0技术存在一定差 异。因此，结合室内VLC信道特点和室内照明实际需求提出恰当的多用户应用方案对室内 VLC技术的发展和成熟有着重要意义。
【发明内容】
[0004] 本发明在现有的室内MU-MM0技术的基础上，结合00FDM技术设计了一种新型的多 用户预编码MM0-0(FDM可见光通信方法，将SM和SPPM技术扩展到多用户场景，利用数据流 编号进行信息传递，可有效地提高系统链路的可靠性，获得系统性能的提升。
[0005] 为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
[0006] 一种预编码MBTO-00FDM可见光通信方法，包括以下步骤：
[0007] 第1步:获取室内环境各个用户的信道矩阵；
[0008] 第2步:根据室内环境信道矩阵，由BD方法计算每个用户的预编码矩阵；
[0009] 第3步:将每个用户的比特数据流使用SM或SPPM调制器进行调制，得到用户的数据 向量；
[0010] 第4步:根据以下公式生成预编码后的数据；
[0011]
[0012] 其中Uj为对应于用户j的数据向量，Pj为用户j对应的预编码矩阵；
[0013] 第5步：使用00FDM对预编码后的数据进行调制，生成每个LED灯上的待传输光信 号；
[0014] 第6步:在每个用户的接收端对接收光信号进行00FDM解调恢复；
[0015]第7步:对00FDM解调后的信号进行恢复；
[0016]第8步:解调得到每个用户的比特数据流。
[0017]优选地，第2步所述预编码矩阵的获取方式为：
[0018]令室内房间的天花板上均匀分布Nt个LED灯，房间中有K个用户，每个用户配备有 Nr, j个光接收器，光接收器总数目为
；
[0019]设不含第j个用户的用户信道矩阵为Hv 道矩阵是（（Nr-Nr』XNt)维，出表示第j个用户的(N^XNt)维信道矩阵;定义该用户信道矩 阵的秩为使用奇异值分解SVD方法对该用户信道矩阵进行分解得到：
[0020]
⑴
[0021] 其中（（队-队,」）\(队-队,」））维矩阵?^包含了全部左奇异向量，（（队-队,」）\队)维 矩阵λ,表示奇异值对角矩阵，χΙ γ)维矩阵1(1>包含前4个右奇异向量，（乂 x(M -&)) 维矩阵^ "包含剩余右奇异向量；
[0022] 上述用户信道矩阵是行满秩且设Nt = Nr，故有尾=Λ^ :
[0023] 定义用户j的等效信道矩阵为S = H/^f，应用SVD方法继续对等效信道矩阵进行 分解得到：
[0024]
(23
[0025] 式(2)中的Λ」是(Nr,jXNr,j)维的奇异值对角矩阵，Uj是(Nr,jXN r,j)维的用于最后 解调信号的矩阵，（NyXU维的矩阵Vf包含了右奇异向量；
[0026]最后获得第j个用户的(NtXNy)维预编码矩阵匕，计算如下：
[0027] Vj (3) 〇
[0028] 优选地，第3步所述使用SM调制器进行调制的方式为：
[0029] 设用户j的输入数据流为b，将数据流b以n+p比特为组进行划分，每组的数据为 [bi，b2，···，bn，b n+i，···，bn+P];前η个比特[bi，b2，···，bn]从信号星座图中选择一个调制符号s， 后P个比特[b n+1，bn+2,…，bn+P]选择发送调制符号s的一个数据流编号k，剩余的其它数据流 则不发送任何数据；
[0030] 定义用户j的每用户每符号时间传输比特数m为：
[0031] m= log2(Nr, jM) (4)
[0032] 其中Ny表示用户j支持的数据流数目，M表示调制符号s的星座图大小；
[0033]使用SPPM调制器进行调制时，其调制符号是L-PPM符号，定义用户j的每用户每符 号时间传输比特数m为：
[0034] m= log2(Nr，jL) (5)
[0035] 其中Ny表示用户j支持的数据流数目，L表示PPM符号的时隙数目。
[0036]优选地，所述SM调制中的调制符号s可以采用正交幅度调制或移相键控符号。
[0037]优选地，第4步中用户j的数据向量是指用户需要传输的比特数据流经过调制器 生成对应调制方式的符号数据，该数据向量叫是(队,」\1)维。
[0038] 优选地，第5步中使用00FDM调制具体是：
[0039] 采用直流光偏置正交频分复用调制，应用于每个LED灯上预编码后的频域数据f;
[0040] 为产生满足可见光通信信道传输条件的实值ooroM时域信号，dco-(fdm系统中的 频域调制数据点要满足Hermitian共辄对称性，即假设有N个载波和频域调制数据X=[X0， X!，X2，…，XN-i ]，应满足尤=XUPXo = XN/2 = 0，〇 < A < Υ ;
[0041 ]第i个LED灯上的频域数据fi在OFDM调制器中被调制在各个载波上，经过反傅里叶 变换后将频域数据转化为对应的时域信号，所需的直流偏置大小为
其中101og1QG2+l)[dB]表示给定的直流偏置强度;x M(t)是一个有正 有负的实值信号，且XM(t)的期望满足Elxo,"〇}=0，；在添加直流偏置和削波操作后得到 最终满足可见光通信信道传输要求的非负实发射信号Xi(t) ? 乂(),：1(1:)+1^,：1，其中1^,：1表不 直流偏置的大小；因此第i个LED灯上发射信号的期望为：
[0042] E{xi(t)} ? E{xo,i(t)+BDC,i} =E{xo,i(t)}+E{BDC,i} =BDC,i (7)
[0043] 当直流偏置足够大时，削波噪声对信号期望的影响较小，可认为有E{Xl(t)} = BDC,1;在采用頂/DD技术的VLC系统中，LED灯所发射光信号的数学期望也即是该灯的平均发 射光功率，根据式(7)得第i个LED灯的平均发光功率大小为Popt