基于SSD的OFDM技術(shù)在可見光通信中的應(yīng)用

李 紅，楊 超

（1.湖北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430068；

2.華中科技大學(xué)a.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；b.武漢國家光電實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

基于SSD的OFDM技術(shù)在可見光通信中的應(yīng)用

李 紅1，2a，楊 超2b

（1.湖北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430068；

2.華中科技大學(xué)a.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；b.武漢國家光電實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

針對(duì)信道的衰落效應(yīng)會(huì)大大影響通信速率和可靠性的問題，提出了一種基于SSD（信號(hào)空間分集）方案的OFDM（正交頻分復(fù)用）調(diào)制技術(shù)解決方法，并通過實(shí)驗(yàn)證明了在可見光通信系統(tǒng)中，該方法可以使得在衰落環(huán)境中（9～24 dB）信道誤碼率得到0.7～1.3 dB的改善，并實(shí)現(xiàn)120～160 Mbit/s的物理數(shù)據(jù)速率。

室內(nèi)白光LED；可見光通信；信號(hào)空間分集；正交頻分復(fù)用

0 引 言

被譽(yù)為未來綠色照明之星的白光LED（發(fā)光二極管）具有效率高、功耗低和節(jié)能等特點(diǎn)，目前正逐漸取代傳統(tǒng)照明燈具而被廣泛地應(yīng)用于室內(nèi)照明。VLC（可見光通信）技術(shù)利用白光LED發(fā)出的人眼察覺不到的高速明暗閃爍信號(hào)來傳輸數(shù)據(jù)信息，是目前國內(nèi)外光無線通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。較之傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)，基于LED的VLC技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)［1-2］：高帶寬與高發(fā)射功率；不受頻譜管制；無電磁干擾；對(duì)人體非常安全。

由于帶寬的限制，一些高效的頻譜調(diào)制技術(shù)，如OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于VLC系統(tǒng)中［3］。為了克服巨大的帶外衰減，提高數(shù)據(jù)傳輸速率并且有效地利用調(diào)制帶寬，在VLC系統(tǒng)中，也經(jīng)常采用QAM（正交幅度調(diào)制）的DMT（離散多音調(diào)）技術(shù)以及比特和功率分配算法［4-6］。同時(shí)，在實(shí)際的VLC系統(tǒng)中，采用多個(gè)LED作為光源時(shí)會(huì)帶來多徑效應(yīng)，從而引起頻率選擇性衰落，這會(huì)極大地降低系統(tǒng)的性能。為此，研究人員提出了多種技術(shù)解決方案，如STBC（空時(shí)塊編碼）技術(shù)和選擇性合并技術(shù)，這兩種技術(shù)都能克服多徑效應(yīng)帶來的影響并且提高VLC系統(tǒng)的性能［7-8］。然而，所有這些方法都會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和帶寬消耗。

在本文中，基于普通的市售白光LED，筆者利用SSD（信號(hào)空間分集）方案的OFDM調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)VLC系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在衰落信道環(huán)境下，較之傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)，基于SSD方案的OFDM調(diào)制技術(shù)可以有效地提高系統(tǒng)的性能。我們?cè)诓煌乃ヂ洵h(huán)境下對(duì)速率為160 Mbit/s （16QAM）和120 Mbit/s（QPSK（正交相移鍵控））的兩種情況分別做了實(shí)驗(yàn)，無論是在有限帶寬衰落信道中，還是在頻率選擇性衰落信道中，在滿足前向糾錯(cuò)碼的誤碼上限為3.8E-3的條件下，采用SSD技術(shù)后系統(tǒng)的BER（誤碼率）性能可以提高0.7～1.3 d B，并且并不影響其帶寬效率以及AWGN（加性高斯白噪聲）信道的性能。因此，最大傳輸距離和多徑延遲的容差都得到了有效的改善。

1 原理與實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

SSD是功能強(qiáng)大的帶寬高效分集技術(shù)，它能在衰落信道中保持歐氏距離不變，并且能顯著地提高分集增益，而不會(huì)引起AWGN信道的任何退化效應(yīng)。SSD采用旋轉(zhuǎn)信號(hào)星座圖和交織技術(shù)，由于同相和正交相位同時(shí)交織，它們之間的相關(guān)性被破壞，分別經(jīng)歷獨(dú)立的信道衰落，所以即使其中的一路經(jīng)歷了大幅衰減，接收機(jī)仍然可以恢復(fù)出信息并獲得增益。

圖1（a）給出了在發(fā)送端采用SSD技術(shù)產(chǎn)生OFDM信號(hào)的過程。輸入數(shù)據(jù)流首先被映射到一個(gè)星座符號(hào)，經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換之后，信號(hào)星座即被旋轉(zhuǎn)以達(dá)到更好的性能，接著被映射的符號(hào)的I/Q（同相正交）分量進(jìn)行交錯(cuò)，之后發(fā)射端的信號(hào)處理過程與傳統(tǒng)的OFDM過程相同。圖1（b）展示了OFDM信號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理過程。首先用FFT（快速傅里葉變換）算法將信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，接下來的信道處理過程與相位噪聲估計(jì)處理和傳統(tǒng)OFDM處理過程相同，最后對(duì)信號(hào)進(jìn)行解交織和旋轉(zhuǎn)解調(diào)，并最終從比特流中去映射得到原始數(shù)據(jù)。

圖1 利用SSD方案的OFDM調(diào)制技術(shù)示意圖

VLC系統(tǒng)中利用SSD方案的OFDM信號(hào)實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。圖中表明，不管采用SSD方案與否，被用來傳輸?shù)腛FDM信號(hào)都由MATLAB程序離線生成，然后映射到16QAM或者QPSK星座圖，繼而使用AWG（任意波形發(fā)生器）以200 MS/s的速度產(chǎn)生射頻信號(hào)。AWG輸出的信號(hào)被電放大器放大（25 d B的增益），然后輸出信號(hào)結(jié)合直流驅(qū)動(dòng)LED工作。本實(shí)驗(yàn)中，LED光源由白光LED （Cree R5）組成，在有限帶寬衰落信道實(shí)驗(yàn)環(huán)境下僅僅采用了一個(gè)光源，而在頻率選擇性衰落信道實(shí)驗(yàn)環(huán)境中采用了兩個(gè)具有一定時(shí)延的光源。在接收端，用大有效面積的PD（光檢測器，日本濱松硅光子S6968）作為接收模塊，將一個(gè)濾鏡放置在PD之前以濾除LED發(fā)出的黃光，并用一個(gè)玻璃透鏡將光聚焦到PD的活動(dòng)區(qū)域，然后接收到的信號(hào)依次通過電放大器和均衡器。最后信號(hào)被記錄在高速示波器中，并被發(fā)送到遠(yuǎn)端的離線數(shù)字信號(hào)處理器中進(jìn)行下一步的處理。

圖2 VLC系統(tǒng)中利用SSD方案的OFDM信號(hào)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 仿真結(jié)果和分析

在本實(shí)驗(yàn)中，我們首先比較了在室內(nèi)VLC系統(tǒng)中采用SSD方案和不采用SSD方案兩種情況下OFDM調(diào)制的BER性能，采用16QAM和QPSK兩種調(diào)制方法，占用帶寬分別為40和60 MHz，速率分別為160和120 Mbit/s，選取的旋轉(zhuǎn)角度分別為16.8和29°。

在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，有限帶寬系統(tǒng)響應(yīng)的情況如圖3所示。由圖可見，在40和60 MHz兩種帶寬情況下的衰減分別為12和24 dB。而在頻率選擇性衰落信道中，兩個(gè)LED之間的延遲在4～8 ns之間變化。如圖4所示，在40 MHz帶寬下，約有9 dB的衰減和8 ns的延遲；在60 MHz帶寬下，約有21 dB的衰減和7 ns的延遲。

圖3 有限帶寬系統(tǒng)響應(yīng)

在有限帶寬衰落信道的實(shí)驗(yàn)中，傳輸距離以0.1 m為步長從1.2 m增加到1.6 m。在VLC系統(tǒng)中，使用SSD與不使用SSD兩種情況下，處理16QAM OFDM和QPSK OFDM信號(hào)的BER與距離之間的對(duì)比關(guān)系如圖5所示。在FEC（前向糾錯(cuò)碼）誤碼上限為3.8E-3的范圍內(nèi)，采用SSD技術(shù)后，系統(tǒng)的BER性能在16QAM和QPSK兩種調(diào)制方式下分別提高0.7和1.1 dB。

圖4 信道響應(yīng)的各種相對(duì)延遲

在頻率選擇性衰落信道的實(shí)驗(yàn)中，我們使用兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器來模擬實(shí)際的多徑干擾環(huán)境。為了比較系統(tǒng)的BER性能，兩者的信號(hào)源均被放置在距離PD為1.8 m的地方，且具有相同的接收SNR（信噪比）和0 ns的延遲。由圖6（a）和圖6（b）可以看出，在一定的頻率選擇性衰落信道中，使用SSD技術(shù)的OFDM的BER性能能夠得到約1 dB（16QAM）和1.3 dB（QPSK）的改進(jìn)。從以上結(jié)果中我們可以看到，SSD技術(shù)是應(yīng)對(duì)衰落環(huán)境的有效方法，能獲得分集增益，從而有效地提高系統(tǒng)的性能。

圖6 使用SSD與不使用SSD時(shí)處理16QAM OFDM和QPSK-OFDM信號(hào)的BER與延遲之間的對(duì)比

3 結(jié)束語

本文通過實(shí)驗(yàn)論證了利用SSD技術(shù)進(jìn)行OFDM調(diào)制的方案可應(yīng)用于實(shí)際的基于白光的室內(nèi)VLC系統(tǒng)中。采用SSD方案，即使在急劇衰落環(huán)境下，系統(tǒng)仍可獲得160 Mbit/s（16QAM）和120 Mbit/s（QPSK）的物理數(shù)據(jù)速率。與不采用SSD方案的OFDM調(diào)制相比，在滿足FEC誤碼上限為3.8E-3的條件下，誤碼率性能可得到0.7～1.3 d B的改善。

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OFDM Modulation with Signal Space Diversity for Indoor Visible Light Communications

LI Hong1，2a，YANG Chao2b
（1.College of Computer Science and Technology，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China；2.a.School of Computer Science and Technology； b.Wuhan National Laboratory for Optoelectronics，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

The communication rate and reliability is greatly affected by the channel fading effect.In order to solve the problem，we propose a method based on Signal Space Diversity（SSD）in OFDM modulation scheme in this paper.The experimental results show that the method can achieve 0.7～1.3 dB Bit Error Rate（BER）improvement at the data rate of 120～160 Mbit/s in fading environment with over 9～24 dB attenuation in Visible Light Communication（VLC）system.

indoor white LED；VLC；SSD；OFDM

TN929.1

A

1005-8788（2016）03-0062-03

10.13756/j.gtxyj.2016.03.020

2016-01-28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61170135）

李紅（1981-），女，湖北武漢人。講師，博士，主要從事計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和集成電路的研究工作。