本发明涉及城市交通技术领域，具体涉及一种基于MIMO和可见光通信的智能交通系统及通信方法。
背景技术：
LED具有节能、寿命长、安全、环保、可靠性高等优点，同时又具备响应时间短、调制速度快等特性，为可见光通信(Visible Light Communication-VLC)的产生奠定了基础。可见光通信技术是利用LED的高速响应特性，将信号调制到LED上，发出光载波信号，光载波信号在空间中自由传播，最后经过光电探测器接收、再生、解调信号，实现信息的传递。可见光通信具有发射功率高、不占用无线电频谱、无电磁干扰、无电磁辐射、保密性好和节约能源等优点，能够同时实现照明和通信的双重功能。目前，LED可见光通信已应用在智能家居、路灯通信、灯塔通信和智能交通领域等诸多领域。
智能交通系统(Intelligent Transportation System，简称ITS)是未来交通系统的发展方向，其是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。当将LED可见光通信应用于智能交通上时，只需在现有交通灯设备上安装简单的发射电路模块，同时在车辆上安装接收模块即可实现。但现有交通路口下，LED光通信直射路径的复杂度，不仅包括LED交通灯建造的位置不同、分布不同，而且在公路表面会有反射路径，以及相邻车辆的反射路径，并且在这些复杂情况下还受湍流效应对光传输的散射、多径效应以及信道衰落等影响从而导致通信距离短、误码率高等缺陷，严重影响现有智能交通系统的通信性能。
技术实现要素：
本发明实施例的目的在于提供一种基于MIMO和可见光通信的智能交通系统及通信方法，以克服LED光通信受湍流效应对光传输的散射、多径效应以及信道衰落等影响从而导致通信距离短、误码率高等缺陷，从而提高智能交通系统的通信性能。
为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种基于MIMO和可见光通信的智能交通系统，包括信源端、多个发射端、多个接收端以及处理器，所述信源产生原始信号，多个所述发射端对所述原始信号进行空间映射以及空时编码处理以得到发射信号，多个所述发射端通过大气湍流信道发送所述发射信号，所述发射信号经所述大气湍流信道传输后得到衰减信号，多个所述接收端接收所述衰减信号，所述处理器对所述衰减信号进行最大似然译码以及比对处理以得到所述智能交通系统的误码率。
作为本申请一种优选的实施方式，所述发射端包括多个LED交通灯、编码端以及发射天线；多个所述LED灯接收经开关键控调制方式调制的所述原始信号，所述编码端对所述原始信号进行空间映射以得到映射信号，所述编码端采用空时编码技术对所述映射信号进行编码以得到所述发射信号，所述发射天线将所述发射信号向外发出。
作为本申请一种优选的实施方式，所述接收端包括多个接收机，每一所述接收机包括接收天线，所述接收天线接收所述衰减信号。
作为本申请一种优选的实施方式，所述处理器包括译码端以及比对端，所述译码端对所述衰减信号进行最大似然译码处理以得到译码信号，所述比对端比对所述发射信号和译码信号以得到所述智能交通系统的误码率。
第二方面，本发明实施例提供了一种智能交通系统的通信方法，所述智能交通包括信源端、多个发射端、多个接收端以及处理器；所述通信方法包括：
所述信源产生原始信号；
多个所述发射端对所述原始信号进行空间映射以及空时编码处理以得到发射信号；
多个所述发射端通过大气湍流信道发送所述发射信号；
多个所述接收端接收衰减信号，所述到衰减信号由所述发射信号经所述大气湍流信道传输后所得；
所述处理器对所述衰减信号进行最大似然译码以及比对处理以得到所述智能交通系统的误码率。
作为本申请一种优选的实施方式，所述处理器对所述衰减信号进行最大似然译码处理以得到译码信号，比对所述发射信号和译码信号以得到所述智能交通系统的误码率。
实施本发明实施例，基于MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)和可见光通信技术构建智能交通系统，该智能交通系统包括多个发射端以及多个接收端，适用于大气湍流下的智能通信，由于多个发射端和多个接收端构建了多个信道，从而克服了LED光通信受湍流效应对光传输的散射、多径效应以及信道衰落等影响从而导致通信距离短、误码率高等缺陷，进而提高了智能交通系统的通信性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1a是发射分集增多时系统误码率和信噪比之间的变化曲线图；
图1b是接收分集增多时系统误码率和信噪比之间的变化曲线图
图2是本发明第一实施例提供的基于MIMO和可见光通信的智能交通系统的结构示意图；
图3是图2所示发射端的结构示意图；
图4是图2所示处理器的结构示意图；
图5a是不同分集程度的系统经过强湍流后误码率与信噪比变化曲线图；
图5b是不同分集程度的系统经过中等强度湍流后误码率与信噪比变化曲线图；
图5c是不同分集程度的系统经过弱湍流后误码率与信噪比变化曲线图；
图6是本发明第一实施例提供的智能交通系统的通信方法的示意流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
为更好地理解本发明实施例，先对其原理做如下说明：
在不考虑湍流效应对智能交通系统性能影响的前提下，图1a和图1b讨论了当智能交通系统采用不同分集成都的发射分集和接收分集时，系统误码率和信号比之间的关系。从图1a可以看出，当接收端天线个数一定时，随着发射端天线个数的增多，系统误码率性能越好；从图1b可以看出，当发射端天线个数一定时，随着接收端天线个数的增多，系统误码率性能越好。也就是说，接收端和发射端的个数对系统通信性能有很大影响，在相同信噪比的前提下，随着发射端和接收端个数的增多，即支路个数的增多，系统误码率越来越小。基于此，本发明实施例提供一种基于MIMO和可见光通信的智能交通系统。需要说明的是，在图1a及图1b中横轴表示信噪比(SNR)，纵轴表示误码率(BER)。
如图2所示，该MIMO和可见光通信的智能交通系统包括信源端10、多个发射端11、多个接收端12以及处理器13。
具体地，信源端10用于产生一个用n位二进制连续数据表示的原始信号(光信号)，该发射端11包括多个LED交通灯，可采用开关键控调制(Open the key control modulation，OOK)方式将原始信号调制到多个发射端11的多个LED交通灯上，此处可利用灯的光强度来表示信号的强弱。
具体地，如图3所示，发射端11包括多个LED交通灯111、编码端112以及多个发射天线113。多个LED交通灯111接收OOK调制后的原始信号。假设多个LED交通灯111待发送的信号一致，将待发送的多个LED交通灯111的信号构成一个信号发送矩阵，编码端112采用正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keyin，QPSK)空间映射、将OOK调制后的原始信号对应到空间中去以得到映射信号，进一步地，编码端112采用空时编码技术将映射信号进行编码以得到发射信号，最后通过多个发射天线113将发射信号向外发出，并经大气湍流信道进行传输。
具体地，接收端12包括多个接收机，每一接收机包括接收天线，当发射信号经大气湍流信道传输过程中，由于受到湍流效应和信道衰落的影响，发射信号传输至接收天线处时，可称为衰减信号，接收天线接收该衰减信号。
具体地，如图4所示，处理器包13括译码端131以及比对端132，译码端131对衰减信号进行最大似然译码处理以得到译码信号，比对端132比对发射信号和译码信号以得到智能交通系统的误码率。
本实施例中，LED交通灯发射机个数M为3，接收机的个数N为4，对原始信号的调制采用OOK调试方式，信号帧长为512时隙，大气湍流模拟方式为随机相位屏，湍流折射率结构常数的取值范围为10-12～10-16。进一步地，图5a至图5c为不同分集程度下、从强湍流到弱湍流(即Cn2：10-12m-2/3～10-16m-2/3)的LED交通光通信系统误码率特性的结果图。由图5a、图5b、图5c可得出以下的结论：(1)湍流对LED交通灯光通信性能有显著的影响，随着湍流强度的增强，误码率不断地增高，符合实际理论；(2)LED交通灯与车辆之间的距离一定时，随着湍流强度由弱到强，通信系统相应的误码率越来越高；(3)强湍流时，M＝1 N＝1的LED交通光通信系统的误码率接近于10-2，不能完全解调出原始信息，甚至无法进行通信，由此证明湍流对LED交通光通信系统的影响是非常严重的；(4)强湍流的信道环境下，M＝3N＝4的通信系统能够将系统的误码率降到10-4以下，M＝1N＝1的通信系统的误码率接近于10-2，由此看出M＝3N＝4的通信系统比M＝3N＝4的通信系统能取得更好的通信性能；(5)M＝1N＝4的系统下，即使湍流强度比较弱，误码率依然高于10-3，这样的通信系统在实际应用中是无法进行通信的。总体来说，MIMO技术能够抑制大气信道中湍流带来的干扰问题，本实施例的智能交通系统可以有效地抑制湍流效应。
需要说明的是，在图5a、图5b及图5c中横轴表示信噪比(SNR)，纵轴表示误码率(BER)。
实施本发明实施例的智能交通系统，基于MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)和可见光通信技术构建智能交通系统，该智能交通系统包括多个发射端以及多个接收端，适用于大气湍流下的智能通信，由于多个发射端和多个接收端构建了多个信道，从而克服了LED光通信受湍流效应对光传输的散射、多径效应以及信道衰落等影响从而导致通信距离短、误码率高等缺陷，进而提高了智能交通系统的通信性能。
进一步地，在上述实施例所提供的基于MIMO和可见光通信的智能交通系统的基础上，本发明实施例还提供了一种智能交通系统的通信方法。其中，智能交通包括信源端、多个发射端、多个接收端以及处理器，如图6所示，该通信方法可以包括以下步骤：
S101，信源产生原始信号。
S102，多个发射端对原始信号进行空间映射以及空时编码处理以得到发射信号。
具体地，采用开关键控调制方式将原始信号调制到多个发射端上，多个发射端采用正交相移键控空间映射、将OOK调制后的原始信号对应到空间中去以得到映射信号，再采用空时编码技术将映射信号进行编码以得到发射信号。
S103，多个发射端通过大气湍流信道发送发射信号。
具体地，发射端通过多个发射天线将发射信号向外发出，并经大气湍流信道进行传输。
S104，多个接收端接收衰减信号。
其中，所述到衰减信号由所述发射信号经所述大气湍流信道传输后所得。具体地，接收端通过接收天线接收衰减信号。
S105，处理器对衰减信号进行最大似然译码以及比对处理以得到所述智能交通系统的误码率。
具体地，处理器对衰减信号进行最大似然译码处理以得到译码信号，比对发射信号和译码信号以得到智能交通系统的误码率。
实施本发明实施例的智能交通系统的通信方法，基于MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)和可见光通信技术构建智能交通系统，该智能交通系统包括多个发射端以及多个接收端，适用于大气湍流下的智能通信，由于多个发射端和多个接收端构建了多个信道，从而克服了LED光通信受湍流效应对光传输的散射、多径效应以及信道衰落等影响从而导致通信距离短、误码率高等缺陷，进而提高了智能交通系统的通信性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。