用于室内通信系统的基于OFDM技术的PLC‑VLC传输方法

摘要

本发明涉及一种用于室内通信系统的基于OFDM技术的PLC‑VLC传输方法，包括步骤：S1：将通过PLC信道、噪声损坏的信号经OFDM解调后进一步传输；S2：将来自PLC的OFDM信号以交织方法映射到VLC OFDM信号中；S3：在满足通信和照明要求的同时，映射的信号在VLC系统中调整和传输；S4：接收机接收并重建信号以恢复原始信号。与现有技术相比，本发明方案中室内通信中PLC和VLC采用OFDM技术来支持高数据速率传输，首先信息数据经过PLC信道之后，信号被噪声损坏，经OFDM解调后由PLC发送，然后将来自PLC的OFDM信号以交织方法映射到VLC OFDM信号中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可见光通信技术，尤其是涉及一种用于室内通信系统的基于OFDM技术的PLC-VLC传输方法。

背景技术

由于可见光通信(VLC)具有较大带宽和不受调制的频谱，高数据速率的传输，没有电磁干扰和高安全性的优点，使得VLC受到研究者们越来越多的关注。

在基于强度调制/直接检测(IM/DD)的VLC系统中，只有非负信号可以通过光强度来调制。研究者们在IM/DD VLC系统中开发了大量的强度调制，例如开关键控(OOK)，脉冲位置调制(PPM)和色移键控(CSK)。然而，这些调制方案不能实现高带宽效率或易受符号间干扰(ISI)的影响。为了弥补这些缺点，一些研究者们已经向VLC系统引入了诸如直流偏移OFDM(DCO-OFDM)和非对称限幅光OFDM(ACO-OFDM)的正交频分复用。

近来，由多色芯片组成的白光LED，即红色，绿色和蓝色芯片(RGB-LED)或红色，绿色，蓝色和琥珀色芯片(RGBA-LED)，因其具有高调制带宽，使得其在VLC系统中成为有前途的发射机。已经有研究者通过使用基于颜色空间的调制，将OFDM技术应用于基于RGB-LED的VLC系统。此外，由于白光LED由多色芯片组成，不同颜色的混合会引起多色互动，即串扰。同时考虑到照明和通信的要求，如今，在VLC系统应用中引入RGBA-LED用作发射机和接收机。

然而，就目前的技术而言VLC必须接入具有广泛的室内覆盖的骨干网才可以保证良好的通信。由于所有LED都连接到室内VLC系统中的电源线，因此使用电力线作为主干是很自然的。在这种环境下，电力线通信(PLC)的带宽可以达到30MHz，从而可以支持快速可靠的通信。目前，许多文献研究了集成的PLC/VLC系统。研究者们首先提出了一个集成PLC/VLC系统并分析了二进制调制方案的误码率(BER)，然后他们进一步分析了窄带OFDM在PLC/VLC系统的性能。由于中继和多输入多输出(MIMO)的优势使得其成为PLC/VLC系统中实现的潜在技术。在PLC/VLC系统中，PLC中的OFDM信号在通过PLC通道时被背景噪声和脉冲噪声破坏，并在VLC系统中传输时受到多色信号引发的串扰，限制了高阶调制方案的系统性能。因此，我们通过采用OFDM技术和使用RGBA-LED作为VLC中的信息发射器来呈现集成的PLC/VLC系统，并分析不同脉冲噪声影响下的误码率，以获得更好的传输性能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于室内通信系统的基于OFDM技术的PLC-VLC传输方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于室内通信系统的基于OFDM技术的PLC-VLC传输方法，包括步骤：

S1：将通过PLC信道、噪声损坏的信号经OFDM解调后进一步传输；

S2：将来自PLC的OFDM信号以交织方法映射到VLC OFDM信号中；

S3：在满足通信和照明要求的同时，映射的信号在VLC系统中调整和传输；

S4：接收机接收并重建信号以恢复原始信号。

所述步骤S2具体包括步骤：

S21：设定用于PLC和VLC OFDM的子载波的数目：

aN＝b(M-2)

其中：a为PLC的数据数目，b为VLC OFDM数据数目，N为PLC OFDM子载波数目，M为VLC OFDM的子载波的数目；

S22：将奇数子载波映射到一个VLC OFDM信号中，而偶数子载波则映射到具有Hermitian对称性质的另一个VLC OFDM信号中。

所述PLC的数据数目和VLC OFDM数据数目的数据数目均为1。

所述VLC系统为RGBA-LED组成的白光LED的VLC系统，

所述步骤S3具体包括步骤：

S31：对VLC OFDM信号执行IFFT方式调制分离得到两个单极信号：

x_i＝max(x,0)和x_j＝-min(x,0)，

其中：i，j∈{R,G,B,A}，表示RGBA-LED的颜色标志；

S32：通过剪切后偏置操作来调整分离的单极信号；

S33：根据设定混色比，将四种颜色混合在一起以产生白光，分离调整后的四种信号经RGBA-LED在VLC信道中传输。

所述步骤S31具体为：对VLC OFDM信号执行并/串行转换和循环前缀添加，将双极离散时域信号分离成两个单极信号。

在VLC系统，每种颜色的瞬时强度不应超过最大值I_max。

所述步骤S4具体包括步骤：

S41：接收各颜色的信号，其中，第i路颜色的接收信号为：

其中：y_i为第i路颜色的接收信号，g_i,i为第i路信号的光前端增益，h_i为光信道的响应，为第i路颜色的发射信号，g_i,j为发射端LED的第j个颜色信号与接收端第i个颜色信号的串扰，h_j为光信道的响应，为第j路颜色的发射信号，n_i为均值为0，方差为的加性高斯白噪声，w_i为干扰；

S42：对接收信号依次进行循环前缀去除，串/并行转换和FFT解调操作；

S43：执行迫零均衡器以消除所接收的VLC信号中的符号间干扰，其中对于第i路信号，均衡器的输出为：

其中：为均衡器的输出，Y_i和X_i为y_i和x_i的频域信号，H_i为频域信道响应，W_i和N_i分别为w_i和n_i的频域表示；

S44：在频域中重构从相同数据中分离两个的信号：

S45：根据交织方法对重构的信号进行解映射，然后检测信号来恢复原始信息数据。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明方案中室内通信中PLC和VLC采用OFDM技术来支持高数据速率传输，首先信息数据经过PLC信道之后，信号被噪声损坏，经OFDM解调后由PLC发送，然后将来自PLC的OFDM信号以交织方法映射到VLC OFDM信号中。

2)本发明方法在满足通信和照明要求的同时，对映射的信号采用由红色，绿色，蓝色和琥珀色LED芯片(RGBA-LED)组成的白光LED的VLC系统中调整和传输。使用电力线作为主干，将VLC系统接入到具有广泛室内覆盖的骨干网。在这种环境下，电力线通信(PLC)的带宽可以达到30MHz，从而可以支持快速可靠的通信。

3)本发明方法在PLC和VLC系统中将Hermitian对称映射和信号分离引入到OFDM中，以确保时域信号是非负的。然后，在保证照明要求的同时，为OFDM开发剪切后偏置(BAC)操作。本发明由于同时考虑到了PLC通道中的脉冲噪声以及OFDM调制，所以本方法更贴近实际系统，更具有实际的指导意义。

附图说明

图1为本发明方法的主要步骤流程示意图；

图2为本发明的流程框图；

图3是本发明实施例中，室内可见光通信中，在加性高斯白噪声和脉冲噪声下不同调制和不同信噪比的误码率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种用于室内通信系统的基于OFDM技术的PLC-VLC传输方法，如图1和图2包括步骤：

S1：信息数据首先由PLC发送，在通过PLC信道、噪声损坏的信号经OFDM解调后进一步传输；

S2：使用光OFDM技术调制和传输信号，即将来自PLC的OFDM信号以交织方法映射到VLC OFDM信号中，具体包括步骤：

S21：为了便于映射，应当适当地选择用于PLC和VLC OFDM的子载波的数目，即设定用于PLC和VLC OFDM的子载波的数目：

aN＝b(M-2)

其中：a为PLC的数据数目，b为VLC OFDM数据数目，N为PLC OFDM子载波数目，M为VLC OFDM的子载波的数目；

数据数目是要传送的数据个数，其中多个数据可以经过OFDM调制变成一个OFDM信号。在使用OFDM调制时，需要用到多个子载波调制，这里面对N个子载波进行调制，得到一个PLC OFDM信号，对M个子载波进行调制，得到一个VLC OFDM信号。

S22：当PLC的数据数目和VLC OFDM数据数目的数据数目均为1时，一个PLC OFDM信号以交织方法映射到两个VLC OFDM信号中，在此交织映射中，奇数子载波被映射到一个VLCOFDM信号中，而偶数子载波则映射到具有Hermitian对称性质的另一个VLC OFDM信号中；

S3：在满足通信和照明要求的同时，映射的信号在VLC系统中调整和传输，VLC系统为RGBA-LED组成的白光LED的VLC系统，具体包括步骤：

S31：在信号映射之后，：对VLC OFDM信号执行并/串行转换和循环前缀(CP)添加，将双极离散时域信号分离成两个单极信号：

x_i＝max(x,0)和x_j＝-min(x,0)，

其中：i，j∈{R,G,B,A}，表示RGBA-LED的颜色标志；

在RGBA‐LED中，为确保LED工作在线性范围内，每种颜色的瞬时强度不应超过最大值I_max。

S32：通过剪切后偏置(BAC)操作来调整分离的单极信号，信号经BAC操作后为：其中λ_i＝I_max-β_i，β_i为偏置因子。

S33：根据设定混色比(CMR)，将四种颜色混合在一起以产生白光，分离调整后的四种信号经RGBA-LED在VLC信道中传输。

S4：接收机接收并重建信号以恢复原始信号，具体包括步骤：

S41：接收各颜色的信号，其中，第i路颜色的接收信号为：

其中：y_i为第i路颜色的接收信号，g_i,i为第i路信号的光前端增益，h_i为光信道的响应，为第i路颜色的发射信号，g_i,j为发射端LED的第j个颜色信号与接收端第i个颜色信号的串扰，h_j为光信道的响应，为第j路颜色的发射信号，n_i为均值为0，方差为的加性高斯白噪声，w_i为干扰；

S42：对接收信号依次进行循环前缀去除，串/并行转换和FFT解调操作；

S43：执行迫零(ZF)均衡器以消除所接收的VLC信号中的符号间干扰(ISI)，其中对于第i路信号，均衡器的输出为：

其中：为均衡器的输出，Y_i和X_i为y_i和x_i的频域信号，H_i为频域信道响应，W_i和N_i分别为w_i和n_i的频域表示；

S44：在频域中重构从相同数据中分离两个的信号：i，j∈{R,G,B,A}表示从数据流分离的两个信号的标志，由于FFT的线性特性，因此重构操作在频域中执行，等效于在时域中的重构操作；

S45：根据交织方法对重构的复数信号Y进行解映射，然后检测信号来恢复原始信息数据。

本发明的方案，首先，信息数据由PLC发送。将信号调制，然后执行IFFT操作，并/串行转换和循环前缀(CP)添加，在通过PLC信道之后，噪声损坏的信号经OFDM解调后进一步传输。其次将来自PLC的OFDM信号以交织方法映射到VLC OFDM信号中，在满足通信和照明要求的同时，映射的信号在由红色，绿色，蓝色和琥珀色LED芯片(RGBA-LED)组成的白光LED的VLC系统中调整和传输。在信号映射之后，对VLC OFDM信号执行IFFT操作，并/串行转换和循环前缀(CP)添加。然后，双极离散时域信号被分离成两个单极信号。通过在剪切后偏置(BAC)操作来调整分离的信号。再次，根据用于产生照明光的四种颜色的特定混色比(CMR)将四种颜色混合在一起以产生白光，分离调整后的四种信号经RGBA‐LED在VLC信道中传输。最后，接收机接收并重建信号以恢复原始信号。

下面以一个具体案例对本发明方案进行说明。

采用本发明的传输方案，其中N＝1024,CR＝10dB，对于PLC通道中的脉冲噪声，K＝3,a＝0.01,Γ＝0.1，而对于VLC通道中的串扰，ξ＝0.06。

采用本发明的传输方案，应用不同的调制方案，在不同的干扰比率下，分别进行系统的误码率测试。测试结果如图3所示，图3中，横坐标表示通信系统的信噪比，单位：dB；纵坐标表示误码率。

我们展示图3中不同调制方案的BER性能。图3中，每条曲线代表的含义分别为：带十字形的实曲线表示采用4QAM调制，ξ＝0时不同信噪比的误码率；带十字形的虚曲线表示采用4QAM调制，ξ＝0.06时不同信噪比的误码率；带空心圆的实曲线表示采用16QAM调制，ξ＝0时不同信噪比的误码率；带空心圆的虚曲线表示采用16QAM调制，ξ＝0.06时不同信噪比的误码率；带正三角形的实曲线表示64QAM调制，ξ＝0时不同信噪比的误码率；带正三角形的虚曲线表示64QAM调制，ξ＝0.06时不同信噪比的误码率。从由图3中可以看出，脉冲噪声严重降低了不同调制方案的系统性能。例如，对于每个调制方案，由脉冲噪声引起的性能损失约为20dB。另一方面，在VLC信道下的串扰恶化了AWGN信道下的系统性能，而在具有脉冲噪声的信道下可以忽略该恶化。因此，可以发现集成PLC/VLC系统性能受到脉冲噪声的支配，且64QAM的性能在具有串扰的VLC信道下有更小的误差。本发明提出的室内通信系统中采用OFDM技术的PLC/VLC的传输方案，可以获得更好的传输性能。