CN103746769A - 提高可见光通信***容量的自适应ofdm调制*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高可见光通信***容量的自适应OFDM调制***，包括：可见光通信***下行链路的发送模块和接收模块、上行链路的发送模块和接收模块。下行链路的发送模块主要包括对数据流的LDPC编码、自适应的OFDM调制、白光LED；接收模块包括PD、自适应的OFDM解调、LDPC解编码以及信道估计。上行链路的发送端采用了两种不同的方式将上行数据和反馈信号发送出去：白光LED或者红外LED。本发明利用自适应OFDM调制方式理论上可提高可见光通信***的容量，可提高可见光通信***的数据传输速率和通信质量，且具有易于***升级和成本低廉的优点。

Description

提高可见光通信***容量的自适应OFDM调制***

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体地，涉及一种提高可见光通信***容量的自适应OFDM调制***。

背景技术

在21世纪，多媒体信息充斥在生活中的方方面面，高速数据传输将在我们的日常生活中扮演重要的角色，传统的无线射频技术由于其频谱带宽的限制将越来越无法满足人们对数据传输速率的要求，因此，寻求一种新的无线通信技术来满足人们的需求迫在眉睫，可见光通信技术(Visible Light Communication,VLC)的出现给众多研究者带来了希望。可见光通信技术是一种使用可见光作为信息载体的新型无线光通信方式，它主要利用半导体发光二极管(Light Emitting Diode,LED)所具有的高速响应特性。在电磁辐射、发射功率、通信效率、安全性等方面，VLC和无线射频通信相比具有很大的优势，其作为一种全新的高速数据接入方式，已引起了广泛关注。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，只要灯光照到的地方，就可以实现高速的下载和上传高清晰的图像和视频资料，方便快捷。

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiple，OFDM）以其频谱利用率高、抗多径干扰能力强等特点已在高速数据通信领域获得了广泛应用，但是固定的OFDM调制解调技术并没有充分实现带宽资源的有效利用。在OFDM通信***中，不同的调制方式对***的容量、***的性能产生不同的影响，自适应OFDM调制解调技术是在信道估计获取信道动态特征的基础上，选择合适的参数，动态地改变OFDM信号子载波上的调制和解调方式，对比特和功率进行动态分配，使信道容量达到最大或者使***性能达到最佳，从而达到充分利用频带资源、提高信息传输速率、提高***传输带宽的目的。

经对现有文献检索发现，长春理工大学Zhang Hua,Song Zhengxun等人在2010年发表在长春理工大学学报自然科学版（Journal of Changchun University of Science andTechnology（Natural Science Edition））上的“Research on Indoor Visible LightCommunication System Based on Adaptive OFDM”（基于自适应OFDM的可见光通信***分析）。该文献中，作者提出的自适应OFDM可见光通信***采用固定门限法和最佳调制模式选择标准对***进行了理论分析和仿真测试。作者首先对***结构和信道估计作了理论分析，同时提出了通过固定门限法来判别到底该选择何种调制方式来对子载波进行调制与解调，最后通过对该***结构的仿真，可明显看出自适应OFDM***比固定调制模式的OFDM***性能要好，在相同的信噪比下，自适应OFDM***的误比特率较低，并且可以以最大概率选择最佳载波并以最小的错误概率获得最大的***吞吐量。但是该结构中，作者仅仅分析了可见光通信***的下行链路，并未研究该通信***上行链路是如何实现以及反馈信号是如何传送到发送端的。同时，该结构相对比较复杂、成本相对来说比较高，在实际中可行性不是很高。

又经检索发现，2013年***立交通大学和台湾信息与通信实验室的C.W.Chow,C.H.Yeh等人在光通信期刊（Optics Communications，OC）上发表的“Adaptive scheme formaintaining the performance of the in-home white-LED visible light communications usingOFDM”（采用自适应OFDM技术来保持室内白光LED可见光通信性能的方案）。该文章主要提出了一种基于自适应OFDM调制与解调技术来提高白光LED可见光通信***带宽的结构。该结构中，下行采用自适应OFDM调制与解调方式，并加入了信道估计模块，上行采用类似于电视机遥控器的红外线发送模块和接收模块来发送和接收上行数据流和反馈信号。相比于未采用自适应OFDM调制，虽然该***在一定程度上提高了频谱资源的利用率、提高了该可见光通信***的传输速率，但是该***的自适应OFDM调制方式中子载波调制只能在正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）和16阶正交幅度调制（16th Quadrature Amplitude Modulation，16QAM）之间切换，通过实验验证，最终该***的传输速率最高也仅仅只能达到6.14Mb/s，还远远不能满足高速通信的要求，同时，由于上行采用的是类似于电视机遥控器的红外线发送模块和接收模块，上行信号的传输速率也是非常低的，因此该***仅适用于对上下行速率要求非常低的通信场合下，对于目前所要求的高速数据传输并不适用。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明提供了一种提高可见光通信***容量的自适应OFDM调制***，该可见光通信***的下行链路首先对数据流进行低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code，LDPC）编码，以提高该***的编码效率和信号传输质量，其次采用可在16QAM、64QAM、256QAM、1024QAM之间切换的自适应OFDM调制方式，可以根据信道特性来动态地选择采用何种阶数的QAM来对子载波进行调制，最后再经过其它后续处理将信号发送出去。在下行链路的接收端相对应地采用了16QAM、64QAM、256QAM、1024QAM解调，同时加入了信道估计模块对信道特性进行估计以及LDPC解码，从而充分利用了OFDM调制技术带来的抗多径效应、频谱效率高等优点；该***的上行链路采用了两种不同的光源来将上行数据和反馈信号发送出去：白光LED和红外LED，相对应地，上行链路的接收端也分别采用了光电二极管（Photoelectric Diode，PD）和红外线接收模块，以适用于不同的应用场景。

根据本发明提供的提高可见光通信***容量的自适应OFDM调制***，包括可见光通信***下行链路的下行发送模块和下行接收模块，还包括可见光通信***上行链路的上行发送模块和上行接收模块，

所述下行发送模块包括：依次连接的下行LDPC编码模块、下行自适应OFDM调制模块、下行白光LED；

所述下行自适应OFDM调制模块包括：依次连接的MQAM调制模块、***导频模块、下行发送侧串并转换模块、下行发送侧快速傅里叶逆变换模块、下行发送侧并串转换模块、加入循环前缀模块；下行LDPC编码模块连接至MQAM调制模块，加入循环前缀模块连接至下行白光LED；M为QAM调制的阶数；

所述下行接收模块包括：依次连接的蓝色滤光片、下行光电二极管、下行自适应OFDM解调模块、下行LDPC解码模块，还包括信道估计模块；

所述下行自适应OFDM解调模块包括：依次连接的去除循环前缀模块、同步模块、下行接收侧串并转换模块、下行接收侧快速傅里叶变换模块、下行接收侧并串转换模块，MQAM解调模块；下行光电二极管连接至去除循环前缀模块，MQAM解调模块连接至LDPC解码模块，下行接收侧并串转换模块连接至信道估计模块；光电二极管通过蓝色滤光片接收下行白光LED发出的光信号；M为QAM解调的阶数。

所述上行发送模块包括：依次连接的上行LDPC编码模块、上行自适应OFDM调制模块、上行光源；

所述上行接收模块包括依次连接的光信号接收模块、上行自适应OFDM解调模块、上行LDPC解码模块；光信号接收模块接收上行光源发出的光信号；

所述下行接收侧并串转换模块通过所述信道估计单元连接至所述上行光源；所述光信号接收模块连接至所述下行自适应OFDM调制模块。

优选地，所述信道估计模块用于对信道特性进行估计并产生反馈信号，所述反馈信号通过上行链路的上行发送模块发送到上行链路的上行接收模块，上行接收模块通过对所述反馈信号进行分析，判断信道条件的好坏，进而动态地改变阶数M的数值。

优选地，阶数M对应于信道条件的优、良、中、差四个级别，分别取1024、256、64、16。

优选地，上行光源为白光LED或者红外LED。

优选地，光信号接收模块包括上行光电二极管PD或者红外线接收模块。

与现有技术相比，本发明具有如下的显著优点：

1）本发明对数据流采用LDPC编码，能够降低译码的复杂度，提高可见光通信***的编码效率，改善整个***的传输性能。

2）本发明采用蓝色滤光片，可从白光束中滤出蓝光，去除其它响应时间慢的成分，从而能够提高整个***的调制带宽。

3）本发明采用四种较高阶数的QAM调制与解调方案，能够得到较高的频谱效率，可大大提高可见光通信***的容量、调制带宽以及***的数据传输速率，同时还具有较强的抗噪声能力。

4）本发明采用自适应OFDM调制方式，可根据信道特性动态地选择OFDM信号子载波的QAM调制和解调方式，以适应信道的要求，达到最佳传输效果。即当信道条件好时，采用高阶的调制方式，当信道条件差时，采用低阶的调制方式，从而能够充分利用频带资源，最大限度的避免频带资源的浪费。

5）在不同的应用环境下，本发明可适当变换QAM调制与解调的阶数，可将调制与解调的阶数变换为较低的阶数，例如二相相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）、QPSK、8QAM等，从而降低***的复杂度，因此，本发明具有较高的灵活性，易于升级维护。

6）针对不同的应用场景，本发明的上行链路采用了两种不同的方案将上行数据和反馈信号发送出去，当对上行链路的速率要求较高时，采用白光LED和PD分别作为上行链路的发送端和接收端，而当对上行链路的速率要求较低时，采用红外LED和红外线接收模块分别作为上行链路的发送端和接收端，从而最大限度降低***的成本，因此，本发明具有易于控制成本的特点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明基于自适应OFDM调制的可见光通信***的结构示意图；

图2为本发明基于自适应OFDM调制的可见光通信***的结构原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例包括：下行链路的下行发送模块和下行接收模块、上行链路的上行发送模块和上行接收模块。其中：

所述下行链路的下行发送模块包括：依次连接的下行LDPC编码模块、下行自适应OFDM调制模块、下行白光LED；

所述的下行自适应OFDM调制模块包括依次连接的MQAM调制模块（M为QAM调制的阶数，M取16、64、256和1024）、***导频模块、下行发送侧串并转换模块、下行发送侧快速傅里叶逆变换（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）模块、下行发送侧并串转换模块、加入循环前缀模块。

下行LDPC编码模块连接至MQAM调制模块，加入循环前缀模块连接至下行白光LED。

所述下行链路的下行接收模块包括：依次连接的蓝色滤光片、下行光电二极管、下行自适应OFDM解调模块、下行LDPC解码模块，还包括信道估计模块；

所述下行自适应OFDM解调模块包括：依次连接的去除循环前缀模块、同步模块、下行接收侧串并转换模块、下行接收侧快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）模块、下行接收侧并串转换模块，MQAM解调模块（M取16、64、256和1024）。

下行光电二极管连接至去除循环前缀模块，MQAM解调模块连接至下行LDPC解码模块，下行接收侧并串转换模块连接至道估计模块。

所述上行链路的上行发送模块包括依次连接的上行LDPC编码模块、上行自适应OFDM调制模块、上行光源，上行光源为白光LED或者红外LED；上行链路的上行接收模块包括依次连接的光信号接收模块、上行自适应OFDM解调模块、上行LDPC解码模块，光信号接收模块包括上行光电二极管PD或者红外线接收模块。

附图中的发送侧的“其它模块”包括依次连接的LDPC编码模块、自适应OFDM调制模块；接收侧的“其它模块”包括依次连接的自适应OFDM解调模块、LDPC解码模块。

整个***的结构原理图如图2所示，当数据流到达时，首先对数据流进行LDPC编码，再通过串/并转换、对子载波进行MQAM调制、***导频、IFFT变换、加入循环前缀等一系列处理，最后通过白光LED将光信号发送出去；在接收端，首先对光信号进行滤光处理，通过PD接收滤出的蓝光，并进过去除循环前缀、同步、FFT变换、MQAM解调等一系列处理后将数据输出，同时对信道特性进行估计并产生反馈信号。反馈信号通过上行链路的发送端发送到上行链路的接收端，通过对上行链路的接收端接收到的反馈信号进行分析，可以判断信道条件的好坏，从而动态地改变MQAM调制的阶数。这里可以将信道条件分为四个等级（优、良、中、差），即当信道条件为“优”时，QAM调制的阶数M取1024；当信道条件为“良”时，QAM调制的阶数M取256；当信道条件为“中”时，QAM调制的阶数M取64；当信道条件为“差”时，QAM调制的阶数M取16。从而可以最大限度的利用频带资源，提高该***的通信容量，达到自适应的效果。

更进一步，如图2所示，分别用接收端的四个不同位置来模拟信道条件的四个等级，即（a）、（b）、（c）、（d）四个位置。（a）位置与发送端直视且距离为1m，（b）位置与发送端偏离15o其距离为1.2m，（c）位置与发送端偏离30o且距离为1.4m，（d）位置与发送端偏离45o且距离为1.6m，这四个位置分别代表了信道条件为优、良、中、差。当接收端在位置（a）时，此时的信道条件为“优”，QAM调制的阶数M取1024；当接收端在位置（b）时，此时的信道条件为“良”，QAM调制的阶数M取256；当接收端在位置（c）时，此时的信道条件为“中”，QAM调制的阶数M取64；当接收端在位置（d）时，此时的信道条件为“差”，QAM调制的阶数M取16。从而达到了自适应的效果，并提高了该可见光通信***的容量。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种提高可见光通信***容量的自适应OFDM调制***，包括可见光通信***下行链路的下行发送模块和下行接收模块，还包括可见光通信***上行链路的上行发送模块和上行接收模块，其特征在于：

所述下行发送模块包括：依次连接的下行LDPC编码模块、下行自适应OFDM调制模块、下行白光LED；

所述下行自适应OFDM调制模块包括：依次连接的MQAM调制模块、***导频模块、下行发送侧串并转换模块、下行发送侧快速傅里叶逆变换模块、下行发送侧并串转换模块、加入循环前缀模块；下行LDPC编码模块连接至MQAM调制模块，加入循环前缀模块连接至下行白光LED；M为QAM调制的阶数，

所述下行接收模块包括：依次连接的蓝色滤光片、下行光电二极管、下行自适应OFDM解调模块、下行LDPC解码模块，还包括信道估计模块；

所述下行自适应OFDM解调模块包括：依次连接的去除循环前缀模块、同步模块、下行接收侧串并转换模块、下行接收侧快速傅里叶变换模块、下行接收侧并串转换模块，MQAM解调模块；下行光电二极管连接至去除循环前缀模块，MQAM解调模块连接至LDPC解码模块，下行接收侧并串转换模块连接至信道估计模块；光电二极管通过蓝色滤光片接收下行白光LED发出的光信号；M为QAM解调的阶数；

所述上行发送模块包括：依次连接的上行LDPC编码模块、上行自适应OFDM调制模块、上行光源；

所述上行接收模块包括依次连接的光信号接收模块、上行自适应OFDM解调模块、上行LDPC解码模块；光信号接收模块接收上行光源发出的光信号；

所述下行接收侧并串转换模块通过所述信道估计单元连接至所述上行光源；所述光信号接收模块连接至所述下行自适应OFDM调制模块。

2.根据权利要求1所述的提高可见光通信***容量的自适应OFDM调制***，其特征在于，所述信道估计模块用于对信道特性进行估计并产生反馈信号，所述反馈信号通过上行链路的上行发送模块发送到上行链路的上行接收模块，上行接收模块通过对所述反馈信号进行分析，判断信道条件的好坏，进而动态地改变阶数M的数值。

3.根据权利要求2所述的提高可见光通信***容量的自适应OFDM调制***，其特征在于，阶数M对应于信道条件的优、良、中、差四个级别，分别取1024、256、64、16。

4.根据权利要求1所述的提高可见光通信***容量的自适应OFDM调制***，其特征在于，上行光源为白光LED或者红外LED。

5.根据权利要求1所述的提高可见光通信***容量的自适应OFDM调制***，其特征在于，光信号接收模块包括上行光电二极管PD或者红外线接收模块。

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