一种可见光通信的3D-OFDM调制方法

本发明涉及通信领域，特别涉及一种可见光通信的3d-ofdm调制方法。

背景技术：

1、随着5g在我国的逐渐部署，互联网产业正在不断改变我国人民的日常生活，在这过程中，移动互联网和物联网设备的数量也在飞速增长，在频谱资源、功耗和成本等方面给现在的无线通信技术带来了巨大的挑战。因此，急需一种能实现随时随地接入的无线高速数据通信接入方式，社会也在迫切呼唤一种宽频谱资源、绿色节能、可移动的接入方式。可见光通信(visible light communication，vlc)技术在这种情况下应运而生。可见光通信技术是光无线通信(optical wireless communication，owc)的一种，采用的可见光频段目前尚属于未开发利用的无线频谱，理论上拥有400-thz的频谱资源，不需申请即可使用，有效地缓解了当今日益紧张的传统射频(radio frequency，rf)频谱资源。可见光技术采用发光二极管作为系统光源，利用led灯的高速明暗闪烁传输信息，使led在照明时实现高速无线通信。

2、ofdm技术具有较高的频谱利用率、、良好的抗多径衰落能力和易于在硬件中实现等优点，已经在可见光通信中得到了广泛的使用。作为一种多载波传输技术，ofdm子载波之间相互正交，可以有效降低符号间干扰的影响，同时子载波间的重叠，可以极大提升频谱的利用率。但是传统的二维信号映射器由于其最小欧式距离的限制，系统的鲁棒性很难有较大的提升。因此近年来在可见光ofdm系统中逐渐产生了一种使用三维信号映射器的方法，可以通过提高信号的最小欧式距离，进而有效提升系统的误码性能。不过，可见光3d-ofdm技术却并没有考虑由可见信道性质所产生的高频子载波衰落，以及高峰均功率比(peak toaverage power ratio，papr)所产生的系统性能的影响。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种算法简单、实用性强的可见光通信的3d-ofdm调制方法。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种可见光通信的3d-ofdm调制方法，包括以下步骤：

3、步骤一：在发送端通过映射表将二进制比特序列映射为三维星座矩阵c，再进行复数化操作，得到复数化后的三维星座矩阵c'；

4、步骤二：对复数化后的三维星座矩阵c'进行预编码处理，得到重新分配能量后的符号矩阵cpre；

5、步骤三：对重新分配能量后的符号矩阵cpre进行二维傅里叶逆变换操作，获得时域信号x，并添加循环前缀；

6、步骤四：对添加循环前缀后的时域信号x进行并串变换，然后添加训练序列成为一个数据帧；

7、步骤五：在接收端，通过训练序列对接收信号进行同步，得到时域接收信号y，利用最小二乘法ls通过训练序列得到信道响应h；

8、步骤六：通过二维傅里叶变换将时域接收信号变换为频域信号，并通过信道响应h进行均衡，得到均衡后的频域信号；

9、步骤七：对均衡后的频域信号进行预编码的解码，得到接收端的星座符号，将接收端的星座符号解映射为二进制比特序列。

10、上述可见光通信的3d-ofdm调制方法，所述步骤一的具体步骤为：

11、1-1)在发送端通过映射表将二进制比特序列映射为三维星座矩阵c，三维星座矩阵表示为：

12、

13、其中x2n-1为三维星座矩阵c第一行第2n个元素，y2n-1为三维星座矩阵c第二行第2n个元素，z2n-1为三维星座矩阵c第三行第2n个元素，n为有用子载波数；

14、1-2)将三维星座矩阵c进行复数化操作，复数化后的三维星座矩阵c'表示为：

15、

16、其中j表示虚数。

17、上述可见光通信的3d-ofdm调制方法，所述步骤二的具体步骤为：

18、2-1)构建预编码矩阵f，即：

19、

20、其中fnn代表预编码矩阵f中第n行第n列的元素；

21、2-2)对复数化后的三维星座矩阵c'进行预编码操作，得到重新分配能量后的符号矩阵cpre，cpre＝f*c′。

22、上述可见光通信的3d-ofdm调制方法，所述步骤三的具体步骤为：

23、3-1)对预编码后的三维符号cpre进行二维傅里叶逆变换，即

24、

25、得到时域信号x，其中m为ofdm符号数，m、n分别为频域中的子载波索引和符号索引，u,v分别为时域中对应频域位置的索引，u＝0,1,…,m-1，v＝0,1,…,n-1；

26、3-2)对时域信号添加循环前缀。

27、上述可见光通信的3d-ofdm调制方法，所述步骤四的具体步骤为：

28、4-1)将低速并行的预编码3d-ofdm符号，即时域信号x通过串并变换转换为高速串行的数据帧；

29、4-2)将训练序列添加到数据帧的帧头，用于后续的同步于信道均衡，训练序列由bpsk符号产生，位置对应于ofdm符号有效子载波位置。

30、上述可见光通信的3d-ofdm调制方法，所述步骤五的具体步骤为：

31、5-1)通过发送端已知的训练序列，作为一个滑动块，通过最大化滑动块与接收数据的相似性，即计算训练序列的自相关函数，找到数据的起始点；

32、5-2)找到起始点位置以后，通过最小二乘法ls，计算出通过信道后的信道响应h：

33、h＝yts/xts

34、其中yts与xts分别为接收端与发送端的训练序列。

35、上述可见光通信的3d-ofdm调制方法，所述步骤六的具体步骤为：

36、6-1)首先通过串并变换，将接收到的数据帧转换为矩阵的形式；

37、6-2)将接收到的数据矩阵中的每一个符号，进行二维傅里叶变换，即

38、

39、其中y是时域中的接收信号矩阵，y是经过二维傅里叶变换后由时域转换为频域的符号矩阵；

40、6-3)利用信道响应h，通过最小二乘法ls对y进行信道均衡，得到均衡后的符号矩阵

41、上述可见光通信的3d-ofdm调制方法，所述步骤七的具体步骤为：

42、7-1)对接收的符号矩阵进行解预编码处理，得到解预编码后的星座符号矩阵s，其中ft是预编码矩阵f的转置；

43、7-2)将星座符号矩阵s通过步骤一中的逆变换的方法，进行解映射操作，得到接收后的比特序列。

44、本发明的有益效果在于：本发明通过预编码矩矩阵f对三维星座矩阵c进行预编码处理，从而得到预编码后的符号矩阵cpre，这种方式可以将预编码技术的优势体现到可见光3d-ofdm通信系统中去。对于由可见光信道所产生高频子载波衰落，本发明可以有效进行均衡，在不改变整体信噪比的情况下，提升高频子载波的信噪比，有效增强了系统的鲁棒性，降低了误码率。而对于高峰均功率比的问题，可以通过预编码技术，重新分配三维星座符号的能量，降低发送信号能量的峰值，以此降低系统的峰均功率比，减少对系统硬件的需求，进而减少经济上的开销。