基于动态光接收机选择PDS的预编码MIMO‑OOFDM‑VLC成像式通信方法与流程

基于动态光接收机选择PDS的预编码MIMO-OOFDM-VLC成像式通信方法技术领域本发明面向可见光通信(VisibleLightCommunication，VLC)领域，提出了一种基于动态光接收机选择(PhotodetectorSelection，PDS)的室内多用户预编码(Multi-userPrecoded，MUP)多输入多输出(Multiple-inputMultiple-output，MIMO)光正交频分复用(OpticalFrequencyDivisionMultiplexing，OOFDM)的成像式VLC通信方法。

背景技术：
随着技术的发展，采用发光二极管(Light-emittingDiode，LED)的照明系统得到了日益广泛的应用，基于LED灯的VLC技术也得到了研究者的大量关注。VLC技术主要基于强度调制(IntensityModulation，IM)和直接检测(DirectDetection，DD)技术，它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MIMO技术也凭借其在系统扩容等方面的优势在VLC技术中获得了应用，通过同时利用多个LED灯实现高速数据传输，提高VLC系统的传输速率。因此，MIMO与VLC技术相结合也逐渐成为当前高速VLC通信系统的研究热点。多用户MIMO(MU-MIMO)技术作为MIMO技术的扩展和应用，在现代无线通信领域已得到广泛应用。例如，长期演进(LongTermEvolution，LTE)系统就采用了MU-MIMO技术。近年来，将MU-MIMO技术用于VLC系统也成为一种提升VLC系统性能的有效手段而受到业界的关注。与普通MIMO-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MIMO-VLC系统支持多个用户终端，每个终端包含一个或多个PD。MU-MIMO系统通过特定的干扰消除算法消除用户间干扰(Multi-UserInterference，MUI)，使得多个用户终端可以利用相同的LED灯阵列互不干扰地进行通信。尽管在传统无线通信中已经对多用户系统进行了广泛的研究，但对于室内MU-MIMO-VLC系统的设计，需要考虑室内VLC信道的特殊性质，目前尚未得到充分的研究。在当前室内MU-MIMO-VLC系统的应用中存在着一个重要问题，即为了满足用户终端小型化的要求，MU-MIMO系统中同个用户终端的不同PD之间通常距离很近，而LED和距离较近的PD间的信道增益通常相似，这会引入严重的信道相关性，使得MU-MIMO-VLC系统的性能急剧降低，这也是当前室内VLC应用所面临的一个难点。因此，考虑将MU-MIMO-VLC与其它技术相结合以有效降低MU-MIMO信道的相关性，从而获得更佳的系统性能，这对VLC技术的发展和应用有着重要的现实意义。

技术实现要素：
本发明对现有的室内MU-MIMO-VLC技术进行了扩展，结合成像式接收和接收天线选择技术，提出一种基于动态光接收机选择PDS的预编码MIMO-OOFDM-VLC成像式通信方法。为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种基于动态光接收机选择PDS的预编码MIMO-OOFDM-VLC成像式通信方法，包括以下步骤：步骤1：定义多用户系统中的所有光检测器PD的全集为Ωp，每个用户配有Mr,j个PD，j＝1,2,…,K，K表示房间中的用户终端总数；从每个用户的Mr,j个PD中选择Nr,j个PD时，构成一个包含个PD的备选PD激活集，记为mp，有mp∈Ωp；步骤2：对于按照步骤1产生的每一个备选PD激活集mp，计算其比例因子其中：和分别表示某一备选PD激活集mp所对应的第j个用户的信道矩阵和预编码矩阵，二者的乘积为用户j的等效信道矩阵；表示根据mp计算用户j的等效信道矩阵的最小奇异值的平方；表示激活集mp的直流DC损耗参数；本步骤假设发射端的信道信息可由信道估计及专用信令反馈获得；步骤3：按照以下准则选择最佳的备选PD激活集mp：根据选出的PD激活集mp,select及对应的(Nr×Nt)维信道传输矩阵H，即可确定每个用户在该符号周期内应激活的PD并进行信息传输，PD选择的结果可通过控制信道发送PDS配置信令至各个用户，由用户接收机据此激活相应的PD；每个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，得到第j个用户调制后的(Nr,j×1)维数据向量uj，再通过预编码被映射到Nt个LED灯上，使用预编码方法对经过PDS处理后的多用户信号进行预编码，得到下述(Nt×1)维频域数据向量：其中uj为对应于用户j的数据向量，Pj为经过PDS后用户j对应的预编码矩阵；经过OOFDM调制后，进一步得到LED灯上的光信号x(t)；在接收端，光信息经VLC信道传播后由成像式光接收器接收，通过成像式透镜在激活的PD上形成光斑；具体地，第q个激活的PD上的接收信号rq(t)表示为：其中hqi表示第i个LED灯与第q个激活的PD之间的信道增益，xi(t)表示在第i个LED灯上的光信号，nq(t)表示第q个激活的PD上的零均值加性高斯白噪声，R表示PD的光电转化效率，LED灯产生的调制光信号经过PD和光电转化处理，光信号被转化为电信号；接着对接收信号进行OOFDM解调得到频域数据，得到第j个用户的等效接收信号rj为：其中n表示零均值加性高斯白噪声向量；使用矩阵Uj的共轭转置对获得的信号进行处理，得到用户j的数据估计向量如下：经过以上处理，每个用户的MIMO信道被分解为多个SISO信道，用最大似然解调得到估计向量与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明提出的一种基于PDS的预编码MIMO-OOFDM-VLC成像式通信方法能显著降低同一用户终端或不同用户终端的PD间的VLC信道相关性，从而使多用户系统在典型室内环境中获得稳定的高性能增益，且使多个用户在典型的室内环境中具有更为鲁棒的传输链路，有效地提高了通信系统的链路误码率性能。附图说明图1是基于PDS的多用户MIMO-OOFDM-VLC成像式系统框图。图2是VLC室内模型中的成像式接收器结构与成像示意图。图3是基于PDS的多用户预编码MIMO-OOFDM-VLC成像式系统的实施流程图。图4是用户终端2在三个不同位置时不同系统的BER性能比较示意图。图5是在信噪比为153dB时，不采用PDS的MU-MIMO-OOFDM成像式系统随用户终端2位置变化的系统平均BER性能示意图。图6是在信噪比为153dB时，本发明提出的基于PDS的MU-MIMO-OOFDM成像式系统随用户终端2位置变化的系统平均BER性能示意图。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。实施例1本发明的关注点是将成像光接收器及PDS技术引入室内MU-MIMO-VLC系统，有效降低同一用户或不同用户接收机PD之间的信道相关性，从而最大程度地提高多用户MIMO-VLC系统的性能。本发明的系统框图如图1所示。不失一般性，假设室内房间的天花板上均匀分布Nt个LED灯，房间中有K个用户终端，其中第j个用户终端配备有Mr,j个PD，则该多用户系统的PD总数目为在每个符号传输周期内，第j个用户的Mr,j个PD中只有Nr,j个PD被激活，则该多用户系统中激活的PD总数为图2给出了上述典型场景的示意图。下面以此典型场景为例说明本发明的一种具体实施方式。首先，本发明中的每个用户都配备成像式光接收器，可通过成像式透镜将发射端LED阵列发送的光信号投影到接收机的一个或多个PD上。PD接收到经过成像式透镜成形的光信号后，再经过光电转化将其转化为电信号，然后完成电信号的解调。如图2所示，每个用户终端配备的成像式光接收器由一个成像式透镜和若干个PD构成，每个用户终端的所有PD共享同一个透镜。为了保证用户移动的对称性，成像式透镜设置在用户光接收器的正中央。具体地，本发明以简化的理想近轴光学成像系统为例进行说明，但实际中也可使用其他具有类似功能的光学成像系统。在该模型中，成像式光接收器的放大系数M定义为：其中L表示成像光学中的透镜焦距长度，dz表示透镜所在平面到LED灯所在天花板平面的垂直距离。在理想近轴光学成像模型中，经过透镜的成像放大比例与入射光和光轴的夹角等具体因素无关，而且经过透镜的成像与原光源形状一致且无失真。采用成像式光接收器，自由空间中的光信号通过成像式透镜被有效分离，为MU-MIMO系统提供了极大的空间分集增益，可降低距离较近的PD之间的MIMO信道相关性。对于多用户VLC系统，可采用多用户预编码技术对发射信号进行预处理以消除MUI。块对角化方法(BlockDiagonalization，BD)是一种简单的线性预编码方法，它的解码复杂度低，可以方便地应用于小型接收设备中以降低能耗。BD预编码方法的基本原理是设计预编码矩阵用于消除用户间的干扰。在本发明中，BD预编码使第j个用户的数据流数目qj要满足qj≤Nr,j(j＝1,···,K)且在BD预编码方法的限制下，为了最大化利用系统的空间自由度，本发明中令且qj＝Nr,j(j＝1,···,K)，因此每个用户可以视为(Nr,j×Nt)维的支持Nr,j个数据流的MIMO系统，且满足BD预编码方法具体方法介绍如下：定义包含除了第j个用户在外的((Nr-Nr,j)×Nt)维用户信道矩阵Hj表示第j个用户的(Nr,j×Nt)维信道矩阵。定义矩阵的秩为使用奇异值分解(SingularValueDecomposition，SVD)方法对矩阵进行分解得到：其中((Nr-Nr,j)×(Nr-Nr,j))维矩阵包含了全部左奇异向量，((Nr-Nr,j)×Nt)维矩阵表示奇异值对角矩阵，维矩阵包含前个右奇异向量，维矩阵包含了剩余的右奇异向量。通常信道矩阵是行满秩且本发明中有Nt＝Nr，故有然后定义用户j的等效信道矩阵为应用SVD方法继续对矩阵进行分解得到：式(3)中的Λj是(Nr,j×Nr,j)维的奇异值对角矩阵，Uj是(Nr,j×Nr,j)维的用于最后解调信号的矩阵，(Nr，j×Nr，j)维的矩阵包含了右奇异向量。最后获得第j个用户的(Nt×Nr,j)维预编码矩阵Pj，计算如下：其中pi,j表示第j个用户预编码矩阵Pj中的(1×Nr,j)维第i行行向量。不失一般性，本实施例中的多用户VLC系统采用直流光偏置正交频分复用(DC-biasedOpticalOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，DCO-OFDM)对每个LED灯输出的预编码后的频域数据f进行调制。实际系统中，也可使用其他的OOFDM调制方式，如ACO-OFDM等。为产生满足VLC信道传输条件的实值OOFDM时域信号，DCO-OFDM系统中的频域调制数据点要满足Hermitian共轭对称性，即假设有N个载波和频域调制数据X＝[X0,X1,X2,···,XN-1]，应满足和X0＝XN/2＝0。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(InverseFastFourierTransform，IFFT)后将频域数据转化为对应的时域信号x0,i(t)，所需的直流偏置大小为其中10log10(ζ2+1)[dB]表示给定的直流偏置强度。x0,i(t)是一个有正有负的实值信号，且满足E{x0,i(t)}＝0。在添加直流偏置和削波操作后得到最终满足VLC信道传输要求的非负实发射信号xi(t)≈x0,i(t)+BDC,i，其中BDC,i表示直流偏置的大小。因此第i个LED灯上发射信号的期望为：E{xi(t)}≈E{x0,i(t)+BDC,i}＝E{x0,i(t)}+E{BDC,i}＝BDC,i(5)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{xi(t)}＝BDC,i。在采用IM/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(5)得第i个LED灯的平均发光功率大小为Popt.i＝BDC,i。在一定的直流偏置基准下，如7dB和13dB时，直流偏置的大小与信号的方差成正比，因此按照传统DCO-OFDM直流偏置添加标准下第i个LED灯的平均发光功率与x0,i(t)相关，各个LED上x0,i(t)不同的方差使得该标准下每盏LED灯的发光强度各不相同。而实际中LED灯通常对称安装于室内天花板上，为了保证室内均匀照明一般需要每个LED灯发出的平均光功率Popt,i(i＝1,·2,···,Nt)相同，因此在一定的直流偏置强度基准下，为了尽可能减少由于DCO-OFDM造成的削波噪声的影响，MU-MIMO-OOFDM-VLC系统应该在满足所需直流偏置最大LED灯的基础上，对其它LED灯采用相同的直流偏置，也即将所有灯的直流偏置大小均设置为这样即可在满足室内均匀照明的同时，也达到了VLC信息传输的目的。最后得到所有Nt个LED灯上的发射光信号x(t)为：它们满足光功率一致，也即：本发明用户端原始数据采用双极性开关键控调制(On-offKeying，OOK)。假设每个用户每条数据流符号的平均功率相等，结合式(4)可得第i个LED灯上的经过预编码后的频域数据平均电功率为：其中a表示每个用户每条数据流上双极性OOK符号的平均功率。因此，Nt个LED上直流偏置光正交频分复用DCO-OFDM所需的最大直流偏置为：其中ζ表示直流偏置光正交频分复用的偏置强度；这里定义DC损耗系数：它表示系统由于OOFDM操作产生的DC损耗系数，其值大小会改变系统的能量利用效率，从而对系统性能产生影响。基于上述BD预编码和OOFDM实施流程，以下介绍本发明提出的PDS方案。为最大化利用空间自由度，假设且qj＝Nr,j(j＝1,···,K)，每个用户配备的PD数目Mr,j大于Nr,j。因此，在系统传输时，每个用户必须激活Mr,j个PD中的Nr,j个PD，被激活的PD随用户位置移动的变化而可能发生改变。本发明中的PDS设计基于改进的最大化最小奇异值(MaximumMinimumSingularValue，MMSV)方法，具体实现如下：步骤1：定义该多用户系统中的所有Mr个PD的全集为Ωp。从每个用户的Mr,j个PD中选择Nr,j个PD时，可构成一个包含个PD的备选PD激活集，记为mp，有mp∈Ωp。步骤2：对于按照步骤1产生的每一个备选PD激活集mp，计算比例因子其中：分别表示某一特定备选PD激活集mp所对应的第j个用户的信道矩阵、预编码矩阵，二者的乘积为用户j的等效信道矩阵；表示根据mp计算用户j的等效信道矩阵的最小奇异值(MinimumSingularValue，MSV)的平方；表示式(10)定义的DC损耗参数。本步骤假设发射端的信道信息可由信道估计及专用信令反馈获得。步骤3：按照以下准则选择最佳的备选PD激活集mp：根据选出的PD激活集mp,select及对应的(Nr×Nt)维信道传输矩阵H，系统即可确定每个用户在该符号周期内应激活的PD并进行信息传输。PD选择的结果可通过系统控制信道发送PDS配置信令至各个用户，由用户接收机据此激活相应的PD。每个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(如双极性OOK符号)，得到第j个用户调制后的(Nr,j×1)维数据向量uj，再通过预编码被映射到Nt个LED灯上。使用BD预编码方法对经过PDS处理后的多用户信号进行预编码，得到下述(Nt×1)维频域数据向量：其中uj为对应于用户j的数据向量，Pj为经过PDS后用户j对应的预编码矩阵。经过OOFDM调制后，可进一步得到式(6)所示的LED灯上的光信号x(t)。在接收端，光信息经VLC信道传播后由成像式光接收器接收，通过成像式透镜在激活的PD上形成光斑。具体地，第q个激活的PD上的接收信号可以表示为：其中hqi表示第i个LED灯与第q个激活的PD之间的信道增益，xi(t)表示在第i个LED灯上的光信号，nq(t)表示第q个激活的PD上的零均值加性高斯白噪声(AdditionWhiteGaussianNoise，AWGN)，R表示PD的光电转化效率。LED灯产生的调制光信号经过PD和光电转化处理，光信号被转化为电信号。接着对接收信号进行OOFDM解调得到频域数据，得到第j个用户的等效接收信号rj为：其中n表示零均值加性高斯白噪声向量。使用公式(3)生成的矩阵Uj的共轭转置对获得的信号进行处理，得到用户j的数据估计向量如下：经过以上处理，每个用户的MIMO信道被分解为多个SISO信道，我们可以用最大似然解调(MaximumLikelihoodDetector，MLD)得到估计向量基于上述系统设计，图3给出了本实施例的主要实施流程。为更充分地阐述本发明所具有的有益效果，以下结合仿真分析及结果，进一步对本发明的有效性和先进性予以说明。仿真系统选取典型的室内房间模型，天花板上对称设置Nt＝4个LED灯，用户终端数目K＝2，每个用户终端配备4个PD，也即Mr,1＝Mr,2＝4。每个用户支持两个数据流，也即q1＝q2＝2，假设每个用户在任一时间内激活2个PD，也即Nr,1＝Nr,2＝2。为了满足设备小型化的需求，同个用户终端的PD间的距离设为1.01cm。仿真系统选取房间正中央为平面坐标原点。根据一般人的平均身高，假设终端都位于离地面0.85m高的平面上。模型中使用的信噪比定义与文献“T.FathandH.Haas,“PerformanceComparisonofMIMOTechniquesforOpticalWirelessCommunicationsinIndoorEnvironments,”IEEETransactionsonCommunications,vol.61,no.2,pp.733–742,Feb.2013.”一致，OOFDM调制部分使用13dB直流偏置强度。图4给出了PDS-MU-MIMO-OOFDM成像式系统在用户终端2在三个不同位置时的BER性能曲线，并与非成像式系统和不采用PDS的成像式系统的性能进行了比较。其中，用户终端1固定在房间中间(0，0，0.85)，用户终端2的3个位置分别为(0.2，0.2，0.85)，(0.9，0.9，0.85)和(1.8，1.8，0.85)。如图4所示，与非成像式系统相比，成像式系统利用成像式透镜的分集增益性使系统的BER性能获得显著提高。例如，当目标BER为10-3时，与非成像式系统相比，成像式系统在位置1、2和3分别可获得多达45dB、48dB和18dB的性能增益。进一步地，与不采用PDS的成像式系统相比，本发明提出的基于PDS的成像式系统在三个位置可以进一步分别获得15dB、5dB和3dB的性能增益。这表明本方案有效地融合了成像式接收器和PDS技术的优势，所形成的混合系统结构可大幅提升多用户MIMO-VLC通信系统的传输可靠性。图5和图6进一步给出不采用PDS和基于PDS的MU-MIMO-OOFDM成像式系统随用户终端2位置变化的系统平均BER性能对比。场景I和场景II中的用户终端1分别固定位于(0，0，0.85)和(0.6，0.6，0.85)的位置上，用户终端2则在房间模型中自由移动。由图5可知，在没有使用PDS的成像式系统中，当用户终端2靠近用户终端1时，由于不同用户之间的信道相关性增加，导致了系统性能的急剧恶化。相比之下，基于PDS的成像式系统可以有效移除图5中的高误码率区域，获得总体系统性能的提高。以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。