一种可见光通信方法与流程

本发明涉及可见光通信系统，具体涉及一种可见光通信方法。

背景技术：

可见光通信(VLC)是在白光LED技术上发展起来的新型的无线光通信技术。可见光通信具有保密性强，无电磁干扰，无需频谱认证等优点，其在无线光局域网、水下通信、室内导航、信息广播等多个领域有着广泛的应用。然而由于可见光通信技术的特点，其本身还存在许多不足之处，如有限的调制带宽、光背景噪声、多径干扰等，特别是采用多个光源照明时而带来的多径干扰，在实际的可见光通信系统中，多径干扰引起的频率选择性衰落会严重影响接收信号的质量，并且劣化系统性能。

目前，为了解决可见光通信中多径干扰的问题，已经提出了很多方案，其中大多方案都是基于多输入多输出(MIMO)系统结构提出的，而该结构不但增加了系统发送端和接收端的复杂度(如需调整发送端和接收端的对准角度，增加同样发送和接收单元的数量等)，还消耗了系统带宽，使可见光技术在实际中的应用受到了局限。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有解决可见光通信中多径干扰的方案大多基于多输入多输出系统结构提出，致使系统发送端和接收端的复杂度增加，消耗系统宽带，使可见光技术在实际中的应用受到了局限。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种可见光通信方法，包括以下步骤：

步骤S10、在发送端，对要发送的数据流进行基于空间分集编码的OFDM编码；并通过单个LED光源对OFDM编码进行调制得到可见光信号，并进行发送；

步骤S20、在接收端，单个光电二极管将接收的可见光信号转换为模拟电信号，将模拟电信号转换为数字信号后，通过OFDM数据符号解调得到OFDM数据符号，对基于空间分集编码的OFDM数据符号进行解调，恢复出原始的数据流。

在上述方法中，对要发送的数据流进行基于空间分集编码的OFDM编码，具体包括以下步骤：

步骤S11、对需要传输的原始随机数据流进行星座图映射编码，输出QAM星座图信号，并将QAM星座图信号按照OFDM信号编码的要求形成多个数据符号；

步骤S12、对每个数据符号内的QAM星座图信号进行星座图旋转；

步骤S13、对已星座图旋转的QAM星座图信号的实部和虚部进行分离，并在各个数据符号内对所属QAM星座图信号的实部和虚部进行交织编码；

步骤S14、对完成交织编码后的数据符号进行常规的OFDM编码，并添加循环前缀，形成OFDM数据符号，将若干添加循环前缀的OFDM数据符号组成OFDM数据帧输出。

在上述方法中，所述每个数据符号由n个QAM星座图信号构成，n取正整数。

在上述方法中，星座图旋转的角度由星座图映射方式及信道决定，星座图旋转后QAM星座图信号X_out为：

X_out＝X_in·e^fθ；

其中，X_in为旋转前的QAM星座图信号；θ为星座图旋转的角度；j为虚数单位。

在上述方法中，不同调制格式的星座图旋转的角度为：

当调制格式为QPSK时，星座图旋转的角度θ设为29°；

当调制格式为QAM-16时，星座图旋转的角度θ设为16.8°；

当调制格式为QAM-64时，星座图旋转的角度θ设为8.6°。

在上述方法中，步骤S13具体包括以下步骤：

步骤S131、对各个数据符号内已进行星座图旋转的QAM星座图信号进行实部和虚部分离；

步骤S132、在长度为n的数据符号内分别对所有实部和虚部数据按照伪随机顺序进行重新排布，实现在数据符号内每个QAM星座图信号实部和虚部的交织；

步骤S133、根据各个数据符号交织后的实部和虚部重新组合成新的数据符号。

在上述方法中，步骤S20具体包括以下步骤：

步骤S21、将可见光信号进行光电转换，得到模拟电信号；

步骤S22、将模拟电信号转换为OFDM数据符号形式的数字信号；

步骤S23、对数字信号进行OFDM数据符号解调得到OFDM数据符号，再将OFDM数据符号进行常规的OFDM解码，得到交织后的数据符号；

步骤S24、对每个数据符号内的QAM星座图信号进行解交织；

步骤S25、将各个数据符号内恢复排列顺序的QAM星座图信号进行星座图旋转，旋转角度与步骤S12相同，旋转方向相反；

步骤S26、对恢复得到的原始的QAM星座图信号按照步骤S11中的星座图映射关系恢复出原始的数据流。

在上述方法中，对每个数据符号内的QAM星座图信号进行解交织，具体包括以下步骤：

步骤S241、将各个数据符号的QAM星座图信号进行实部和虚部分离；

步骤S242、在对应数据符号内，根据发送端伪随机排序的规则，分别对QAM星座图信号实部和虚部恢复原始排列顺序；

步骤S243、将恢复原始排列顺序的实部和虚部信号重新组合，恢复出对应原始数据符号内的QAM星座图信号排列顺序。

本发明充分利用了信号空间分集编码的技术特点，将发送信号的实部和虚部分别进行编码，并使之独立，在多径干扰的环境中，实现仅使用单个接收器进行接收即可以形成分集效应，有效的提高了信号在频率选择性衰落信道中传输能力，提升了可见光系统的实用性，从而在整体上提高系统性能。

附图说明

图1为采用本发明的可见光通信系统的发送端系统结构示意图；

图2为采用本发明的可见光通信系统的接收端系统结构示意图。

具体实施方式

本发明在整个系统在保持原有的系统复杂度及带宽消耗的基础上，在多径干扰的环境中，通过空间分集技术提升了可见光通信系统性能及其稳定性；这种仅通过编码获得空间分集增益，从而提升了整个系统性能的方式，既不增加系统开销也不影响其抗噪声能力，有效的增强了可见光通信技术在实际环境中的适应性。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做出详细的说明。

本发明提供的一种基于信号空间分集编码的可见光通信方法，包括以下步骤：

步骤S10、在发送端，对要发送的数据进行基于空间分集编码的OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)编码；且不改变原有的发送端系统结构，仅使用单个LED光源对OFDM编码进行调制得到OFDM调制信号，并进行发送。基于空间分集编码的OFDM调制信号，其实部和虚部将形成两路独立的信号，即通过实部或者虚部都能对原始发送数据的信号进行恢复，并且对于信道衰落，实部和虚部具有不同的衰落特性，从而可获得信号空间分集增益；在多径干扰形成的频率选择性衰落信道，基于空间分集编码的OFDM调制信号即使遭受到了深衰落也能利用实部和虚部的独立性，通过实部或虚部未受到衰减部分对与之对应的虚部或实部受到衰减部分互补，获得信号空间分集增益，从而恢复出相对完整的原始数据信号，提升可见光通信系统的信号传输质量。

图1为采用本发明的可见光通信系统的发送端系统结构示意图，下面结合图1对步骤S10进行详细说明。

首先通过第一数字信号处理器105对要发送的数据进行基于空间分集编码的OFDM编码，具体包括以下步骤：

步骤S11、星座图映射模块101对需要传输的原始随机数据流进行星座图映射编码输出QAM星座图信号，并将QAM星座图信号按照OFDM信号编码的要求生成多个数据符号，每个数据符号含有n(若干)点QAM星座图信号；

步骤S12、第一星座图旋转模块102对每个数据符号内的QAM星座图信号进行星座图旋转，星座图旋转的角度由星座图映射方式及信道决定，星座图旋转后星座图旋转模块102的输出信号X_out为：

X_out＝X_in·e^jθ；

其中，X_in为星座图旋转模块102的输入信号，θ为星座图旋转的角度，j为虚数单位；在本发明中，星座图旋转的角度θ根据不同信道特性设定，从而使接收端接收到的信号误码率达到最小；通常情况下，不同调制格式的星座图旋转的角度为：

当调制格式为QPSK时，星座图旋转的角度θ设为29°；

当调制格式为QAM-16时，星座图旋转的角度θ设为16.8°；

当调制格式为QAM-64时，星座图旋转的角度θ设为8.6°

在每个数据符号内，星座图旋转后的QAM星座图信号Y_in为：

Y_in(i)＝I(i)+j·Q(i)，i＝1，2，3...n；

其中，I为其实部，Q为其虚部，n为一个数据符号包含的QAM星座图信号个数，j为虚数单位；

步骤S13、交织编码模块103对已进行星座图旋转的QAM星座图信号的实部和虚部进行分离，并在各个数据符号内对所有QAM星座图信号的实部和虚部进行交织编码；具体包括以下步骤：

步骤S131、对各个数据符号内已进行星座图旋转的QAM星座图信号进行实部和虚部分离，以便分别进行处理；

步骤S132、在长度为n的数据符号内分别将实部和虚部的原始排列顺序打乱，并在对应数据符号内分别对所有实部和虚部数据按照伪随机顺序进行重新排布；

步骤S133、将各个数据符号交织后的实部和虚部重新组合成新的数据符号，完成交织编码过程。

例如，输入交织编码模块103的数据符号的一组QAM星座图信号Y_in排列顺序为：

Y_in(1)＝I(1)+j·Q(1)；

Y_in(2)-I(2)+j·Q(2)；

Y_in(3)＝I(3)+j·Q(3)；

……

Y_in(n)＝I(n)+j·Q(n)；

经过交织编码，输出交织编码模块103的对应数据符号的一组QAM星座图信号Y_out排列顺序为：

Y_out(1)＝I(6)+j·Q(n-4)；

Y_out(2)＝I(n-1)+j·Q(7)；

Y_out(3)＝I(36)+j·Q(4)；

……

Y_out(n)＝I(9)+j·Q(n-12)。

步骤S14、OFDM编码模块104对完成交织编码后的数据符号进行常规的OFDM编码(IFFT变换)，并添加循环前缀CP后形成OFDM数据符号，再将若干添加CP的OFDM数据符号组成OFDM数据帧输出，至此完成在数字信号处理器105中的信号处理流程，完成对要发送的数据进行基于空间分集编码的OFDM编码。

数字信号处理器105输出的数字信号依次经过数模转换器106变成模拟信号，再经LED驱动电路107放大后直接输出给LED光源108；LED光源108对其进行调制，最终形成调制后的可见光信号，并同时进行发送。

步骤S20、在接收端，使用单个PD(光电二极管)对LED光源发送出来的可见光信号进行接收，获得模拟电信号，将模拟电信号进行模数转换处理后得到数字信号，通过OFDM数据符号解调数字信号得到OFDM数据符号，再对基于空间分集编码的OFDM数据符号进行解调，恢复出原始的数据流，即要发送的数据。

图2所示为采用本发明的可见光通信系统的接收端系统结构示意图，下面结合图2对步骤S20进行详细说明，步骤S20具体包括以下步骤：

步骤S21、进行了空间分集编码的可见光信号进入光电探测器201，将可见光信号进行光电转换，得到模拟电信号。

步骤S22、模拟电信号进入模数转换器202将其转换为数字信号，再将数字信号交由第二数字信号处理器207进行解调处理。

步骤S23、OFDM解码模块203对数字信号进行OFDM数据符号解调得到OFDM数据符号，再对OFDM数据符号进行常规的OFDM解码(FFT变换)，得到交织的数据符号。

步骤S24、解交织模块204对每个数据符号内的QAM星座图信号进行解交织。

在本发明中，对每个数据符号内的QAM星座图信号进行解交织具体包括以下步骤：

步骤S241、将各个数据符号的QAM星座图信号进行实部和虚部分离，分别进行处理；

步骤S242、在对应数据符号内，根据发送端伪随机排序的规则，分别对QAM星座图信号实部和虚部恢复原始排列顺序；

步骤S243、将恢复原始排列顺序的实部和虚部信号重新组合，恢复出对应原始数据符号内的QAM星座图信号排列顺序，如输入交织编码模块103的数据符号的一组QAM星座图信号Y_in排列顺序。

步骤S25、第二星座图旋转模块205将各个数据符号内恢复排列顺序的QAM星座图信号进行星座图旋转，旋转角度与步骤S12相同，旋转方向相反，即对各个数据符号内恢复排列顺序的QAM星座图信号进行逆星座图旋转，以得到原始的QAM星座图信号。第二星座图旋转模块205输出的各个数据符号的QAM星座图信号X_out′为：

X_out′＝X_in′·e^-jθ。

步骤S26、星座图解映射模块206对恢复得到的原始的QAM星座图信号按照步骤S11中的星座图映射关系恢复出原始的数据流。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。