一种降低OFDM-VLC系统峰均功率比的调制方法与流程

本发明面向可见光通信(Visible Light Communication，VLC)领域，提出了一种基于光正交频分复用(Optical Frequency Division Multiplexing，OOFDM)的可有效提升比特误码率(Bit Error Rate，BER)性能、且降低系统峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)的新型调制方案。

背景技术：

随着现代科学技术的发展和日常生活中发光二极管(Light-emitting Diode，LED)的普遍应用，基于LED灯的可见光通信(Visible Light Communication，VLC)技术逐渐受到各方关注并对其展开了研究。VLC主要通过强度调制(Intensity Modulation，IM)和直接检测(Direct Detection，DD)技术，利用人眼可忽略的强弱快速变化的光强来实现信息的传输，即做到“边照明、边通信”。与此同时，在传统无线通信中广泛应用的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术也凭借其在抗干扰、对抗频率选择性衰落等方面的优势，在VLC领域中获得了较多应用。它能有效利用室内VLC信道的特征实现高速数据传输，提高VLC系统的传输性能。因此，结合OFDM技术的VLC系统也逐渐成为当前研究高速VLC通信的热点之一。

在实际的典型室内环境中，一个VLC系统通常包括发射光信息的LED灯、光电检测器(Photodetector，PD)、物理层、MAC层等，并通过IM/DD技术来实现信号传输。基本的室内可见光模型中，可见光信道链路包括视距(Line-of-Sight，LOS)和非视距(Non-LOS，NLOS)两种。由于分散的链路和较高的传输损耗，VLC系统在高传输速率时的性能受到符号间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)的影响。而使用OFDM技术能够有效地抑制ISI，提升VLC系统性能。然而，传统的OFDM符号是复数形式，无法通过IM/DD调制解调。对此，许多研究者提出了多种适用于可见光的改良型OFDM，如非均匀限幅光正交频分复用(Asymmetrically Clipped Orthogonal Frequency Division Multiplexing，ACO-OFDM)、直流偏置正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，DCO-OFDM、单极性光正交频分复用(Unipolar Orthogonal Frequency Division Multiplexing，U-OFDM)等，并对这些新方案进行了性能分析。这些方案在比特误码率(Bit Error Rate，BER)、峰均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)、频谱效率(Spectral Efficiency，SE)等各个方面的性能指标各有优劣。因此，针对这些性能指标的优化，对于VLC技术的发展和成熟具有重要意义。

技术实现要素：

本发明在现有的传统室内OFDM-VLC技术的基础上，针对其具有较高PAPR值的缺点，设计出一种具有更优PAPR和BER性能的新型光OFDM调制方案。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种降低OFDM-VLC系统峰均功率比的调制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)发射端

S1.对比特流信息进行串/并转换，将比特流信息映射到星座图上，其中所述星座图为二维星座图或三维星座图；

S2.星座图上的星座点可以表示为一个空间向量，则星座图中所有的星座点可以用一个实数矩阵SR表示；

S3.将S2得到的实数矩阵SR变换为复数矩阵SC；

S4.对复数矩阵SC进行Hermitian对称变换，得到满足Hermitian对称的矩阵Sh；

S5.对矩阵Sh进行IFFT变换，得到时域上的实数矩阵st；

S6.对实数矩阵st进行并串转换后，得到向量信号

S7.计算向量信号的平均幅值Vavg；

S8.根据平均幅值计算出参考幅值Vref：

Vref＝l·Vavg；

l表示参考幅值相对于平均幅值的比值；

S9.对向量信号上的每一个元素sk按式(1)进行削峰和映射处理，构造向量

其中，m、n为任意取值的参数，k满足1≤k≤QN，N为待发送符号的数量，Q为星座图维度；

S10.构造向量来记录映射处理的特征位，其中xck(1≤k≤QN)满足式(2)或式(3)或式(4)或式(5)：

S11.在向量的元素间中均匀插入向量的元素，得到长度为2QN的向量

S12.将向量通过光强调制，并将调制后的信号通过LED灯发射出去；

(2)接收端

S13.设接收端接收到的长度为2QN的向量则求取接收端的参考电平幅值Vr′ef：

S14.实施“削峰映射还原”操作，得到长度为QN的向量具体如下所示：

xck满足式(2)；

或xck满足式(3)；或xck满足式(4)；

或xck满足式(5)；

k的范围满足1≤k≤QN；

S15.对串行向量进行串并转换，便可以得到一个(Q×N)的实数矩阵，对实数矩阵进行FFT变换得到满足Hermitian对称的(Q×N)复数矩阵，依据星座图以及最大似然算法对复数矩阵进行解调，得到比特流数据。

优选地，所述星座图为三维星座图；则各个星座点可以表示为一个三维的空间向量其中xk,yk,zk为三个实数值，分别代表坐标轴，所以2N个三维星座点所对应的符号能表示为一个(3×2N)的实数矩阵SR：

基于实数矩阵SR变化的复数矩阵SC表示为：

其中

则满足Hermitian对称的矩阵Sh表示为：

其中

Sh进行IFFT变换，得到的实数矩阵st表示为：

实数矩阵st进行并串转换后，得到长度为3N的向量

为直观起见，将写成：

为信号向量。

优选地，步骤S6进行并串转换后，向向量信号加上循环前缀，然后执行步骤S7；同时步骤S14求取得到后，对执行去循环前缀处理，然后执行步骤S15。

优选地，所述计算向量信号平均幅值Vavg的具体过程如下：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的调制方法通过对可见光向量信号进行削峰和映射处理，使得基于OFDM的可见光通信系统的峰均功率比得到有效降低，同时还可提升系统的比特误码率性能。

附图说明

图1为采用“削峰映射技术”的OFDM-VLC系统的示意图。

图2为3-D 16点星座图。

图3为实数OFDM时域信号向量时序图。

图4为经过映射处理的正数化OFDM时域信号向量时序图。

图5为削峰映射处理后的信号向量和构造的包含特征信息的向量时序图。

图6为在发射端传输的正实数时域OFDM信号向量时序图。

图7为OFDM-VLC系统的PAPR性能对比示意图。

图8为OFDM-VLC系统的BER性能对比示意图。

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；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

本发明提出的新型“削峰映射技术”，其核心在于将复数域的电信号以某种映射规则转化为可以通过光强度调制的正实数形式的光信号，达到较好的PAPR抑制效果和BER性能。光信号通过LED灯发射出去后，在接收端以同样的规则还原为复数域电信号。

本发明提供的方法包括以下步骤：

一、接收端

步骤一、如图1所示，比特流信息首先需要进行串/并转换，将比特信息映射到星座图上。本实施例所涉及的星座图均为三维星座图。

步骤二、如图2所示，3-D星座图上的各个星座点可表示为一个三维的空间向量其中xk,yk,zk为三个实数值，分别代表坐标轴。因此，2N个三维星座点所对应的符号能表示为一个(3×2N)的实数矩阵：

步骤三、由于本发明提供的方法后续需要对矩阵进行快速反傅里叶变换，所以矩阵SR可进一步变换为一个(3×N)的复数矩阵：

通过复数矩阵的变换处理，后面需要处理的傅里叶变换(Fast FourierTransform，FFT)符号长度只有原来的一半。

步骤四、了在时域得到实数矩阵，需要将该矩阵进行Hermitian对称变换，得到满足Hermitian对称的(3×N)矩阵Sh：

其中

步骤五、对矩阵Sh进行IFFT变换，得到时域上的实数矩阵st；

IFFT变换的公式如下：

其中n1、n2分别满足0≤n1≤2，0≤n2≤N-1，k1和k2则分别表示信号矩阵SC的行下标和列下标。

步骤六、对实数矩阵st进行并串转换后，得到向量信号

向量是实数向量。

步骤七、计算向量信号的平均幅值Vavg；

其中Q表示星座图维度，此处为3-D星座图，因此Q＝3

步骤八、根据平均幅值计算出参考幅值Vref：

Vref＝l·Vavg

式中l表示其参考幅值相对于平均幅值的比值，l为用户自定义的参数。

步骤九、对向量上的每一个元素按以下规则进行削峰和映射处理，构造向量

其中为用户自定义的参数。用户可根据系统的设计需求选取适当的m、n和l值。

步骤十、构造向量来记录映射处理的特征位，用于接收端还原出原信号：

其中xck(1≤k≤QN)满足式(2)或式(3)或式(4)或式(5)：

步骤十一、在向量的元素间中均匀插入向量的元素，得到长度为2QN的向量即可用于光强度调制：

步骤十二、将向量通过光强调制，并将调制后的信号通过LED灯发射出去。

接收端：

步骤十三、接收端通过光探测器接收到长度为2QN的向量根据中心极限定理，当N足够大时，OFDM符号sk落在正负数区间的概率相同。因此，构造出来的向量xck也会以(1/2)Vref对称，因此在接收端的参考电平幅值的估计值可以根据下式求得：

步骤十四、依据以下的算法规则实施“削峰映射还原”操作，得到长度为QN的向量

xck满足式(2)；

或xck满足式(3)；

或xck满足式(4)；

或满足式(5)；

k的范围满足1≤k≤QN；

步骤十五、对串行向量进行串并转换，便可以得到一个(Q×N)的实数矩阵，对实数矩阵进行FFT变换得到满足Hermitian对称的(Q×N)复数矩阵，依据星座图以及最大似然算法对复数矩阵进行解调，得到比特流数据。

以下通过图3-图6给出一个“削峰映射技术”的实施例：

图3显示的实施例是经过IFFT、并串转换后，满足N＝3、长度为9的离散OFDM时域信号可以看出由于OFDM的特性，其最大幅值较高，因此PAPR也较高，而信号幅度有正有负。经过削峰映射变化后，如图4所示变化，向量最大峰值减半，全部实数绝对值化，满足IM/DD调制要求。图5则同时展示了需要传输的信号向量和为了记录其变化特征而构造的等长向量将图5所示的两个向量的每个元素交叉放置，便得到了将通过IM/DD调制和LED灯传输的向量如图6所示。

实施例2

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，房间大小设置为长宽各为5米，高3米。天花板正中央设置LED灯作为光信号发射端，地板正中央设置光探测器作为接收端，不设置其他障碍物。室内光反射次数被设为3次。为公平起见，每个OFDM方案的有效子载波信号都被设置为32。在本例中，取l＝4，取m＝2，n＝2。

图7显示的是OFDM-VLC系统中的OFDM符号的峰值功率比超过指定门限值Z的概率，其横坐标定义为：

式中xtmax表示符号峰值，Pt表示OFDM符号的平均功率。从图7可看出，相比传统的ACO-OFDM-VLC系统，采用本发明提出的“削峰映射技术”的OFDM-VLC系统在PAPR性能方面有较大的优势。在其他仿真条件相同的情况下，传统3-D ACO-OFDM系统的时域信号峰均值比超过14dB的概率高达1.7×10^-2，而本发明将该概率降低了两个数量级，限制在10^-4，具有明显的PAPR性能增益。

图8给出了BER性能的比较。相比传统ACO-OFDM-VLC系统，本发明提出的新方案具有改善的BER性能，显示了较高的可靠性。例如，当目标BER为10^-5时，本发明提出的新型3-D OOFDM比传统3-D ACO-OFDM所需的信噪比减少约0.5dB，而采用2-D 16QAM时，本发明的方案比传统的2-D ACO-OFDM系统所需信噪比则大幅减少了约4dB。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。