一种LED可见光通信在线自适应比特、功率分配和码率选择方法

摘要

本发明公开了一种LED可见光通信在线自适应比特、功率分配和码率选择方法，首先在线正常通信过程中对CRC校验正确的数据帧反编码和调制，接着利用较为准确EVM估计出信干噪比信息，CRC校验同时统计某段时间内的误帧率，判断其相应状态，然后通过等效信干噪比及相应算法选择编码码率、子载波调制策略和功率分配策略，实现了在线通信过程中，传输参数的自适应调整，提高传输效率与频谱利用率。在线正常通信过程中，采用本发明方法，可以在保证通信可靠性以及总发射功率不变的条件下最大化传输速率，实现通信过程中传输参数随着信道条件的自适应调整，使得传输速率更接近信道容量，并提高了频谱利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种LED可见光通信在线自适应比特、功率分配和码率选择方法，属于可见光通信技术。

背景技术

室内可见光通信是21世纪兴起的一种无线通信解决方案，它利用发光二极管(Light Emitting Diode，LED)发出的白光作为通信介质，并进行数字通信。由于无线频率资源有限，利用可见光进行通信可以很好的缓解传统无线通信频率资源紧张的问题。此外，现在人们越来越注重生态环境问题，绿色通信越来越多的被人们提起，而可见光通信作为一种环保、绿色、没有大功率的辐射污染的通信方式，是当前室内短距离无线通信传输方案的研究热点。LED是一种半导体发光器件，可见直接将电能转换为光能。相比于传统光源，LED具有寿命长、能效高、尺寸小等特点。另外，LED的发光强度能够快速变化，室内可见光通信正是基于此特性利用LED的光强度变化来传递数据。为了提高无线光通信系统的传输速率，对抗多径干扰，OFDM调制方式被引入其中，研究人员从理论及实验中发现OFDM是一种有效提高无线光通信系统性能的方式。

由于可见光通信(VLC)系统中使用的信号发射器件是LED，为了导通LED，驱动电路必须提供正电压。因此LED上调制发送的时域信号必须是正实数信号，这就使得对传统的OFDM调制必须做一些改动才能运用在VLC系统中。两种常用的方法是直流偏置光正交频分复用(DCO-OFDM)和非对称限幅光正交频分复用(ACO-OFDM)。DCO-OFDM最早由Jeffrey B.Carruthers等人在和VLC具有类似特性的无线红外通信中提出，并在VLC技术的相关研究中得到了广泛的应用。该方法将信号在频域子载波上以共轭对称的方式放置，以牺牲一半带宽的代价获取实数的时域信号。并且为了使所得信号为正数，需要再在实数交流信号的基础上叠加一个直流偏置，使得信号为正。ACO-OFDM由J.Armstrong等人提出，该方法在得到实数双极性OFDM时域信号后，截去信号的负数部分以获得正实数时域信号。ACO-OFDM只在奇数子载波上发送信号，频带利用率是DCO-OFDM的一半，但是由于不需要叠加直流偏置，功率利用率较高。除此之外，也有人综合了这两种技术，提出了非对称限幅直流偏置光正交频分复用(ADO-OFDM)。这种方案在奇数子载波上传输ACO-OFDM信号，在偶数子载波上传输DCO-OFDM信号。

但目前出现的无线光OFDM通信系统大都是是针对特定的信道设计的，保证在信道条件不变或信道恶劣的情况下能正常通信，但是若在线通信过程中，信道条件发生变 化，OFDM调制策略不能在线实时调整，不能根据信道情况改变实时传输速率。所以，这样的系统是有缺陷的。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种LED可见光通信在线自适应比特、功率分配和码率选择方法，该方法能够在在线通信过程中根据信道条件的变化自适应地选择码率，改变比特以及功率分配策略，从而在确保系统通信可靠性的同时提高传输速率。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种LED可见光通信在线自适应比特、功率分配和码率选择方法，包括正常通信和配置协商两种状态；

在正常通信状态，对输入信号的数据帧进行CRC校验，若CRC校验正确，则对数据帧进行对应的反编码和调制，得到各个子载波上的发射信号，然后根据误差向量幅度EVM估计出各个子载波的信干噪比SINR信息并保存；

在CRC校验的同时，统计当前时间段内的误帧率FER：若误帧率FER在指标范围内(说明传输速率提升空间不大)，则持续正常通信状态；若误帧率FER高于指标或一直为零(说明传输速率超过系统承载能力或传输速率还有提升空间)，则系统从正常通信状态跳转入配置协商状态，在配置协商状态利用保存的信干噪比SINR信息重新进行比特、功率分配和码率选择，在保证通信可靠性及总功率不变的前提下实现最大速率的传输；

在配置协商状态，基于各个子载波的信干噪比SINR信息及系统等效信干噪比选择配置参数，并将配置参数反馈给发射机；发射机接根据配置参数进行配置，配置成功后发送ACK给接收机；接收机接收到ACK后，根据配置参数进行配置，配置成功后发送ACK给发射机；发射机接收到ACK表示配置结束，则系统由配置协商状态跳转到正常通信状态。

本发明通过在线正常通信过程中对CRC校验正确的数据帧反编码和调制，接着利用较为准确EVM估计出信干噪比信息，CRC校验同时统计某段时间内的误帧率，判断其相应状态,然后通过等效信干噪比及相应算法选择编码码率、子载波调制策略和功率分配策略，实现了在线通信过程中，传输参数的自适应调整，提高传输效率与频谱利用率。

该方法具体包括如下步骤：

(1)正常通信状态

(11)对输入信号的数据帧进行CRC校验，若CRC校验正确，则对数据帧进行对应的反编码和调制，得到各个子载波上的发射信号，然后根据误差向量幅度EVM估计出各个子载波的信干噪比SINR信息并保存；

第i个子载波的误差向量幅度EVM_i定义如下：

${\mathrm{EVM}}_i=|\hat{X}\left(i\right)-X\left(i\right){|}^2$

式中：X(i)表示第i个子载波上的发射信号，表示X(i)使用信道估计均衡后的接收信号；

第i个子载波的信干噪比SINR_i定义如下：

${\mathrm{SINR}}_i\approx \frac{1}{{\mathrm{EVM}}_i}$

本发明采用误差向量幅度EVM进行估计，不仅考虑到了噪声的影响，还考虑到了信道估计误差；若如现有技术，采用导频进行估计，则仅考虑到了信道估计误差；所以采用误差向量幅度EVM进行估计得到的信干噪比更加准确。

(12)在CRC校验的同时，统计当前时间段内的误帧率FER：若误帧率FER在指标范围内，则持续正常通信状态；若误帧率FER高于指标或一直为零，则系统从正常通信状态跳转入配置协商状态，在配置协商状态利用保存的信干噪比SINR信息重新进行比特、功率分配和码率选择，以降低或提高传输速率；

(2)配置协商状态

(21)首先将所有子载波平均分为N组，每组有M个子载波；初始发射功率先按组平均分配，第j个子载波分组分配到的功率为E_j＝E₀；设置目标误帧率，并列出某码率下第k种调制方式对应的信干噪比门限SINR_th-k，SINR_th-k＜SINR_th-k+1；

(22)利用各个子载波的信干噪比计算第j个子载波分组的平均信干噪比SINR_{mean_j}：

${\mathrm{SINR}}_{mean\_j}=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\mathrm{SINR}}_{ji},j=1,2,...,N$

式中：SINR_ji表示第j个子载波分组中第i个子载波的信干噪比；

将SINR_{mean_j}与信干噪比门限进行比较，若SINR_th-k≤SINR_{mean_j}＜SINR_th-k+1，则确定初始分配策略为：第j个子载波分组选择信干噪比门限SINR_th-k对应的第k种调制方式；

(23)计算第j个子载波分组的信干噪比裕量SINR_{diff_j}：

SINR_{diff_j}＝SINR_{mean_j}-SINR_th-k

计算第j个子载波分组的功率裕量g_j：

$g_j=E_j(1-\frac{{\mathrm{SINR}}_{th-k}}{{\mathrm{SINR}}_{mean\_j}})$

计算所有子载波分组的总功率裕量G_j：

$G_j=\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{g}_j$

若G_j＝0，则无功率裕量，循环终止，维持当前调制策略及功率分配策略，进入步骤(24)；

若G_j>0，则有功率裕量，先维持当前调制策略；同时，筛选出所有功率裕量为正的子载波分组以及功率裕量最大的一个子载波分组，若g_j＞0，则将第j个子载波分组的功率降至E_j＝E_j-g_j，累计所有子载波分组节约的功率总量为G₀，将G₀分配给筛选出的功率裕量最大的子载波分组，并将该子载波分组的调制策略升一级，重复步骤(23)；

若G_j<0，则先维持当前调制策略及功率分配策略；同时，筛选出功率裕量最小的一个子载波分组，将该子载波分组的调制策略降一级，重复步骤(23)；

(24)重复步骤(21)～(23)，计算不同码率下的调制策略及功率分配策略，并计算出对应的实际信息比特速率；通过比较，选择实际信息比特速率最大的码率及对应的调制策略和功率分配策略作为配置参数，并将配置参数反馈给发射机；

(25)发射机接根据配置参数进行配置，配置成功后发送ACK给接收机；接收机接收到ACK后，根据配置参数进行配置，配置成功后发送ACK给发射机；发射机接收到ACK表示配置结束，则系统由配置协商状态跳转到正常通信状态。

有益效果：在在线正常通信过程中，采用本发明提供的LED可见光通信在线自适 应比特、功率分配和码率选择方法，可以在保证通信可靠性以及总发射功率不变的条件下最大化传输速率，实现通信过程中传输参数随着信道条件的自适应调整，使得传输速率更接近信道容量，并提高了频谱利用率。

附图说明

图1为本发明的工作状态转移图；

图2为本发明的自适应比特、功率分配和码率选择算法的输入输出示意图；

图3为本发明的发射机与接收机的交互示意图；

图4为在硬件平台上测试得到的一组蓝色LED可见光的信干噪比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种LED可见光通信在线自适应比特、功率分配和码率选择方法，系统的工作状态包括正常通信和配置协商两种状态。

在正常通信状态，对输入信号的数据帧进行CRC校验，若CRC校验正确，则对数据帧进行对应的反编码和调制，得到各个子载波上的发射信号，然后根据误差向量幅度EVM估计出各个子载波的信干噪比SINR信息并保存。

在CRC校验的同时，统计当前时间段内的误帧率FER：若误帧率FER在指标范围内，则持续正常通信状态；若误帧率FER高于指标或一直为零，则系统从正常通信状态跳转入配置协商状态，在配置协商状态利用保存的信干噪比SINR信息重新进行比特、功率分配和码率选择，在保证通信可靠性及总功率不变的前提下实现最大速率的传输。

在配置协商状态，基于各个子载波的信干噪比SINR信息及系统等效信干噪比选择配置参数，并将配置参数反馈给发射机；发射机接根据配置参数进行配置，配置成功后发送ACK给接收机；接收机接收到ACK后，根据配置参数进行配置，配置成功后发送ACK给发射机；发射机接收到ACK表示配置结束，则系统由配置协商状态跳转到正常通信状态。

图2给出了本发明的自适应比特、功率分配和码率选择算法的具体步骤：

Step1：首先将所有子载波平均分为N组，每组有M个子载波；初始发射功率先按组平均分配，第j个子载波分组分配到的功率为E_j＝E₀；设置目标误帧率，并列出某码率下第k种调制方式对应的信干噪比门限SINR_th-k，SINR_th-k＜SINR_th-k+1。

Step2：利用各个子载波的信干噪比计算第j个子载波分组的平均信干噪比

${\mathrm{SINR}}_{mean\_j}=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\mathrm{SINR}}_{ji},j=1,2,...,N$

式中：SINR_ji表示第j个子载波分组中第i个子载波的信干噪比；

将SINR_{mean_j}与信干噪比门限进行比较，若SINR_th-k≤SINR_{mean_j}＜SINR_th-k+1，则确定初始分配策略为：第j个子载波分组选择信干噪比门限SINR_th-k对应的第k种调制方式。

Step3：计算第j个子载波分组的信干噪比裕量SINR_{diff_j}：

SINR_{diff_j}＝SINR_{mean_j}-SINR_th-k

计算第j个子载波分组的功率裕量g_j：

$g_j=E_j(1-\frac{{\mathrm{SINR}}_{th-k}}{{\mathrm{SINR}}_{mean\_j}})$

计算所有子载波分组的总功率裕量G_j：

$G_j=\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{g}_j$

若G_j＝0，则无功率裕量，循环终止，维持当前调制策略及功率分配策略，进入Step4；

若G_j>0，则有功率裕量，先维持当前调制策略；同时，筛选出所有功率裕量为正的子载波分组以及功率裕量最大的一个子载波分组，若g_j＞0，则将第j个子载波分组的功率降至E_j＝E_j-g_j，累计所有子载波分组节约的功率总量为G₀，将G₀分配给筛选出的功率裕量最大的子载波分组，并将该子载波分组的调制策略升一级，重复Step3；

若G_j<0，则先维持当前调制策略及功率分配策略；同时，筛选出功率裕量最小的一个子载波分组，将该子载波分组的调制策略降一级，重复Step3。

Step4：重复步骤Step1～Step3，计算不同码率下的调制策略及功率分配策略，并计算出对应的实际信息比特速率；通过比较，选择实际信息比特速率最大的码率及对应的 调制策略和功率分配策略作为配置参数，并将配置参数反馈给发射机。

图3给出了本发明的发射机与接收机的交互示意图：首先，处于正常通信状态下，统计到误帧率高于指标或一直为零。接着，进入配置协商状态，接收机利用信干噪比信息重新进行自适应比特、功率分配和码率选择，并将算法求得的传输参数反馈给发射机；然后，发射机收到配置参数后，进行配置，配置成功后发送ACK给接收机；再次，接收机收到ACK信号之后，按照配置的参数设置接收机，设置成功之后发送ACK给发射机，发射机收到ACK，表示参数配置结束，系统进入正常通信状态。

图4展示的是在硬件平台上在线测试得到的一组可靠蓝色LED可见光的信干噪比。若此时我们设置系统带宽为100M，假设调制方式限制为256QAM、64QAM、16QAM、4QAM。系统共有128个子载波，为简化系统硬件实现，将子载波分为8组，每组有16个子载波，因模拟电路上存在隔直电容会影响低频子载波的性能，固定设置第0～3号子载波为虚拟子载波；高频部分SINR过低，设置高频第112-127号子载波为虚拟子载波。我们使用可见光硬件平台进行在线通信，传输在线视频。初始的比特、功率分配以及码率选择如表1所示。

表1初始传输参数

根据图4中的信干噪比，采用本案方法得到的比特、功率分配以及码率选择结果如表2所示。

表2自适应调整的传输参数

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。