CN114142929A - 一种基于gmd-bd预编码的可见光通信***及方法 - Google Patents

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CN114142929A CN202111340920.4A CN202111340920A CN114142929A CN 114142929 A CN114142929 A CN 114142929A CN 202111340920 A CN202111340920 A CN 202111340920A CN 114142929 A CN114142929 A CN 114142929A
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Abstract

本发明公开了一种基于GMD‑BD预编码的可见光通信***及方法，属于无线光通信领域。所述***的发射端对待已调制的发送信息进行GMD‑BD预编码处理；所述接收端采用GMD‑BD解码矩阵和决策反馈均衡DFE非线性接收机联合解码，用于消除码间干扰。本发明通过GMD‑BD预编码和DFE非线性接收机，使同一用户终端不同接收机获得相近的误码率性能，提高了最差接收机的性能，降低了用户终端误码率。相比于现有的可见光通信***，本发明的***更适用于同一用户终端配备有多个光接收机的情况。

Description

一种基于GMD-BD预编码的可见光通信***及方法
技术领域
本发明涉及一种基于GMD-BD预编码的可见光通信***及方法，属于无线光通信领域。
背景技术
可见光通信***(Visible Light Communication，VLC)一般包括可见光发射端、可见光信道和可见光接收端三部分。可见光发射端主要进行信号的调制和预编码处理，经过预编码处理的电信号加入直流信号进行耦合，从而驱动LED发射可见光信号。可见光信号经信道传输后，到达可见光接收端。在接收端，光接收机将光信号转化为电信号，进行解码和解调恢复出用户需要的信息。可见光通信***广泛地应用于医学、航空等对电磁敏感的环境中。
LED具有寿命长、功耗低、光电转换效率高等优点，其有望取代传统的光源成为主要的照明设备，被广泛地认为是下一代绿色照明产品。VLC利用白光LED作为光源，随着LED的迅速发展而高速发展，已被IEEE 802.15.7协议标准化，并被认为是对室内传统射频通信的有力补充。VLC在不影响LED照明功能的前提下，通过高频率地调制LED光强来传输数据，将照明与信息传输技术相结合，具有成本低、保密性好、无需频谱许可、无电磁干扰等优点。然而，LED的有限带宽限制了VLC的高速传输，但对于典型室内环境而言，通常安装多个LED来保证充足的照明，因此MIMO技术自然成为了提高数据传输速率的有效方案。
事实上，由于光信号的广播特性，VLC***可以同时支持多个用户，但是多用户会导致用户间干扰的产生，从而降低用户误码率性能。因此，需要利用预编码算法来消除多用户间干扰，此方法可以有效降低用户终端的复杂度。在VLC***中，常用于多用户MISO***的预编码算法有ZF预编码、ZF-DPC预编码、SVD预编码、GMD预编码等，常用于多用户MIMO***的预编码算法有SVD-BD预编码，并且在接收端，以上所提及的预编码VLC***的接收端均采用线性接收机，无法有效地消除不同LED光发射机间产生的信号干扰。
在基于SVD-BD预编码的多用户VLC***中，由于用户终端的微型化，同一用户终端的光接收机相距较近，其接收到的可见光信号几乎完全相同，导致了用户信道矩阵的高度相关性。当信道矩阵相关性较大时，经SVD-BD预编码算法处理后求得奇异值相差较大，即等效子流信道增益相差较大，导致不同接收机误码率性能有较大差别，而用户终端误码率性能受限于最差性能的接收机，从而导致用户终端误码率性能较差。
发明内容
为了当前的可见光通信***中，用户终端误码率性能较差的问题，本发明提供了一种多用户MIMO室内可见光通信***及方法。
本发明的第一个目的在于提供一种多用户MIMO室内可见光通信***，包括发射端、信道和接收端，发射端发出的信号经过信道传输，由接收端接收，其特征在于，所述可见光通信***的发射端对待发送信息进行GMD-BD预编码处理；
所述接收端采用GMD-BD解码矩阵和决策反馈均衡DFE非线性接收机联合解码，用于消除码间干扰。
可选的，所述发射端传输信息的过程包括：
首先通过串并转换将信息由串流信号转化成并流信号，然后对并流信号进行双极性开关键控OOK调制，
Figure BDA0003351952800000021
为用户信息经过OOK调制后的信号，K为接收端用户终端的个数；
Figure BDA0003351952800000022
表示第k个用户终端的信息经过调制后的信号，第k个用户终端有NRk个光接收机，1≤k≤K；
对调制后的信号进行GMD-BD预编码处理，GMD-BD预编码矩阵为：
Figure BDA0003351952800000023
其中，
Figure BDA0003351952800000024
为第k个用户终端对应的预编码矩阵；
Figure BDA0003351952800000025
为接收端总的光接收机的个数；NT为发射端LED阵列的个数，每个LED阵列配备N个LED；
对预编码处理后的信号加上直流偏置驱动发光二极管LED阵列发射可见光信号，最终LED阵列发射的可见光信号x为：
Figure BDA0003351952800000026
其中，PLED为单个LED的功率，mI为调制指数，
Figure BDA0003351952800000027
是一个全为1的NT维列向量。
可选的，所述信道采用直射链路模型，所述可见光通信***的信道矩阵为：
Figure BDA0003351952800000028
其中
Figure BDA0003351952800000029
表示LED阵列与第k个用户终端之间的信道矩阵。
可选的，所述接收端将接收到的可见光信号转化为电信号，滤除直流分量后，第k个用户终端接收到的信号为：
Figure BDA0003351952800000031
其中，γ为接收机光电转换因子，
Figure BDA0003351952800000032
表示第j个用户终端对应的预编码矩阵，dj表示第j个用户终端的信息经过调制后的信号，1≤j≤K，
Figure BDA0003351952800000033
表示第k个用户终端的光接收机接收信号的噪声组成的NRk维向量。
可选的，所述发射端中，第k个用户终端对应的预编码矩阵求解步骤包括：
步骤一：在所述可见光通信***中，假设第k个用户对应的预编码矩阵由两部分构成
Figure BDA0003351952800000034
记第k个用户的信道补矩阵为
Figure BDA0003351952800000035
其秩为
Figure BDA0003351952800000036
对
Figure BDA0003351952800000037
进行SVD分解，可得：
Figure BDA0003351952800000038
其中，
Figure BDA0003351952800000039
由
Figure BDA00033519528000000310
的左奇异向量构成，
Figure BDA00033519528000000311
是
Figure BDA00033519528000000312
的奇异值构成的对角矩阵，
Figure BDA00033519528000000313
为补矩阵
Figure BDA00033519528000000314
的前
Figure BDA00033519528000000315
个右奇异向量，
Figure BDA00033519528000000316
为剩下的
Figure BDA00033519528000000317
个右奇异向量，构成
Figure BDA00033519528000000318
的零空间的一组标准正交基，记
Figure BDA00033519528000000319
步骤二：对第k个用户终端的等效信道矩阵
Figure BDA00033519528000000320
进行GMD分解得到：
Figure BDA00033519528000000321
其中，如果
Figure BDA00033519528000000322
的秩
Figure BDA00033519528000000323
则
Figure BDA00033519528000000324
和
Figure BDA00033519528000000325
是半正交矩阵，
Figure BDA00033519528000000326
是对角线元素相等的上三角矩阵，记
Figure BDA00033519528000000327
步骤三：最终第k个用户终端对应的GMD-BD预编码矩阵为：
Figure BDA00033519528000000328
第k个用户终端的解码矩阵为：
Wk＝Qk。
可选的，在接收端中，第k个用户终端的解码步骤如下：
步骤一：Fk由Hk补矩阵的零空间向量组成，因此编码矩阵满足：
Figure BDA0003351952800000041
表明接收信号中的干扰项
Figure BDA0003351952800000042
可以被消除，即可以完全消除多用户干扰，因此，接收到的信号yk为：
yk＝γPLEDmIHkFkdk+nk；
步骤二：采用DFE非线性接收机和解码矩阵
Figure BDA0003351952800000043
联合从yk中恢复出用户所需数据dk；
首先接收到第k个用户的Lk个数据流，对每一个数据流用一个线性解码向量
Figure BDA0003351952800000044
进行解码，第Lk个数据流率先解码判决恢复出用户信息
Figure BDA0003351952800000045
然后依次从解码后的符号中消除已恢复出来的用户信息dk,v来减少码间串扰，恢复的用户信息为：
Figure BDA0003351952800000046
式中，bk(u,v)＝γPLEDmIRk(u,v)，其中Rk(u,v)表示Rk的第(u,v)项，Q[]表示信号的判决。
本发明的第二个目的在于提供一种多用户MIMO室内可见光通信方法，所述方法包括：
发射端发送的信息经过调制后再进行GMD-BD预编码处理，然后加入直流偏置驱动发光二极管LED发射可见光信号；
所述可见光信号通过信道传输至接收端；
在接收端，光接收机将接收到的所述可见光信号转换为电信号，然后通过GMD-BD解码矩阵与决策反馈均衡DFE非线性接收机联合解码消除ISI，最后经过判决恢复出用户需要的信息。
可选的，所述方法包括：
发射端传输用户信息时，首先通过串并转换将信息由串流信号转化成并流信号，然后对并流信号进行双极性开关键控OOK调制，
Figure BDA0003351952800000047
为用户信息经过OOK调制后的信号，K为接收端用户终端的个数；
Figure BDA0003351952800000051
表示第k个用户的信息经过调制后的信号，第k个用户终端有NRk个光接收机，1≤k≤K；
对调制后的信号进行GMD-BD预编码处理，GMD-BD预编码矩阵为：
Figure BDA0003351952800000052
其中，
Figure BDA0003351952800000053
为第k个用户终端对应的预编码矩阵；
Figure BDA0003351952800000054
为接收端总的光接收机的个数；NT为发射端LED阵列的个数，每个LED阵列配备N个LED；
对预编码处理后的信号加上直流偏置驱动发光二极管LED阵列发射可见光信号，最终LED阵列发射的可见光信号x为：
Figure BDA0003351952800000055
其中，PLED为单个LED的功率，mI为调制指数，
Figure BDA0003351952800000056
是一个全为1的NT维列向量；
所述可见光通信方法的传输信道采用直射链路模型，信道矩阵为：
Figure BDA0003351952800000057
其中，
Figure BDA0003351952800000058
表示LED阵列与第k个用户终端之间的信道矩阵；
接收端将接收到的可见光信号转化为电信号，滤除直流分量后，第k个用户终端接收到的信号为：
Figure BDA0003351952800000059
其中，γ为接收机光电转换因子，
Figure BDA00033519528000000510
表示第j个用户终端对应的预编码矩阵，dj表示第j个用户终端的信息经过调制后的信号，1≤j≤K，
Figure BDA00033519528000000511
表示第k个用户终端的光接收机接收信号的噪声组成的NRk维向量。
可选的，所述发射端中，第k个用户终端对应的预编码矩阵求解过程包括：
步骤一：假设第k个用户对应的预编码矩阵由两部分构成
Figure BDA00033519528000000512
记第k个用户的信道补矩阵为
Figure BDA00033519528000000513
其秩为
Figure BDA00033519528000000514
对
Figure BDA00033519528000000515
进行SVD分解，可得：
Figure BDA0003351952800000061
其中，
Figure BDA0003351952800000062
由
Figure BDA0003351952800000063
的左奇异向量构成，
Figure BDA0003351952800000064
是
Figure BDA0003351952800000065
的奇异值构成的对角矩阵，
Figure BDA0003351952800000066
为补矩阵
Figure BDA0003351952800000067
的前
Figure BDA0003351952800000068
个右奇异向量，
Figure BDA0003351952800000069
为剩下的
Figure BDA00033519528000000610
个右奇异向量，构成
Figure BDA00033519528000000611
的零空间的一组标准正交基，记
Figure BDA00033519528000000612
步骤二：对第k个用户终端的等效信道矩阵
Figure BDA00033519528000000613
进行GMD分解可得：
Figure BDA00033519528000000614
其中，如果
Figure BDA00033519528000000615
的秩
Figure BDA00033519528000000616
则
Figure BDA00033519528000000617
和
Figure BDA00033519528000000618
是半正交矩阵，
Figure BDA00033519528000000619
是对角线元素相等的上三角矩阵，记
Figure BDA00033519528000000620
步骤三：最终第k个用户终端对应的GMD-BD预编码矩阵为：
Figure BDA00033519528000000621
第k个用户终端的解码矩阵为：
Wk＝Qk。
可选的，所述方法接收端接收信号时，第k个用户终端的解码步骤包括：
步骤一：Fk由Hk补矩阵的零空间向量组成，因此编码矩阵满足：
Figure BDA00033519528000000622
表明接收信号中的干扰项
Figure BDA00033519528000000623
可以被消除，即可以完全消除多用户干扰，因此，接收到的信号yk为：
yk＝γPLEDmIHkFkdk+nk；
步骤二：采用DFE非线性接收机和解码矩阵
Figure BDA00033519528000000624
联合从yk中恢复出用户所需数据dk；
首先接收到第k个用户的Lk个数据流，对每一个数据流用一个线性解码向量
Figure BDA00033519528000000625
进行解码，第Lk个数据流率先解码判决恢复出用户信息
Figure BDA00033519528000000626
然后依次从解码后的符号中消除已恢复出来的用户信息dk,v来减少码间串扰，恢复的用户信息为：
Figure BDA0003351952800000071
其中，bk(u,v)＝γPLEDmIRk(u,v)，其中Rk(u,v)表示Rk的第(u,v)项，Q[]表示信号的判决。
本发明有益效果是：
本发明的可见光通信***，在发射端对调制后的信号进行GMD-BD预编码处理，在接收端利用GMD-BD解码矩阵与决策反馈均衡(DFE)非线性接收机联合解码消除码间干扰(ISI)。在接收端，常用的线性接收机恢复出来的信号存在ISI，本发明采用DFE非线性接收机在恢复剩余的信号时，可以消除已恢复信号的干扰，这使得信号的恢复更可靠；单用户的等效子信道经GMD分解后求得奇异值相同，即等效子流信道增益相同，使同一用户终端不同接收机获得相近的误码率性能，提高了最差接收机的性能，降低了用户终端误码率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为GMD-BD预编码的多用户MIMO室内VLC***基本原理图。
图2为同一用户终端的两个光接收机都采用相同视场角(FOV)为70°的条件下，本发明***与其他***相比，单个光接收机的误码率曲线图。
图3为同一用户终端的两个光接收机都采用相同FOV为70°的条件下，本发明***与其他***相比，用户终端的误码率曲线图。
图4为同一用户终端的两个光接收机分别采用不同FOV，分别为70°和50°的条件下，本发明***与其他***相比，单个光接收机的误码率曲线图。
图5为同一用户终端的两个光接收机分别采用不同FOV，分别为70°和50°的条件下，本发明***与其他***相比，用户终端的误码率曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一：
本实施例提供一种多用户MIMO室内可见光通信***，包括发射端、信道和接收端，发射端发出的信号经过信道传输，由接收端接收，其特征在于，所述可见光通信***的发射端对待发送信息进行GMD-BD预编码处理；
所述接收端采用GMD-BD解码矩阵和决策反馈均衡DFE非线性接收机联合解码，用于消除码间干扰。
实施例二
本实施例提供一种多用户MIMO室内可见光通信***，包括发射端、信道和接收端，发射端发出的信号经过信道传输，由接收端接收，其特征在于，所述可见光通信***的发射端对待发送信息进行GMD-BD预编码处理；
所述接收端采用GMD-BD解码矩阵和决策反馈均衡DFE非线性接收机联合解码，用于消除码间干扰。
发射端传输信息的过程包括：
首先通过串并转换将信息由串流信号转化成并流信号，然后对并流信号进行双极性开关键控OOK调制，
Figure BDA0003351952800000081
为用户信息经过OOK调制后的信号，K为接收端用户终端的个数；
Figure BDA0003351952800000082
表示第k个用户的信息经过调制后的信号，第k个用户终端有NRk个光接收机，1≤k≤K；
对调制后的信号进行GMD-BD预编码处理，GMD-BD预编码矩阵为：
Figure BDA0003351952800000083
其中，
Figure BDA0003351952800000084
为第k个用户终端对应的预编码矩阵；
Figure BDA0003351952800000085
为接收端总的光接收机的个数；NT为发射端LED阵列的个数，每个LED阵列配备N个LED；
对预编码处理后的信号加上直流偏置驱动发光二极管LED阵列发射可见光信号，最终LED阵列发射的可见光信号x为：
Figure BDA0003351952800000091
其中，PLED为单个LED的功率，mI为调制指数，
Figure BDA0003351952800000092
是一个全为1的NT维列向量。
第k个用户终端对应的预编码矩阵求解步骤包括：
步骤一：在所述可见光通信***中，假设第k个用户终端对应的预编码矩阵由两部分构成
Figure BDA0003351952800000093
记第k个用户终端的信道补矩阵为
Figure BDA0003351952800000094
其秩为
Figure BDA0003351952800000095
对
Figure BDA0003351952800000096
进行SVD分解，可得：
Figure BDA0003351952800000097
其中，
Figure BDA0003351952800000098
由
Figure BDA0003351952800000099
的左奇异向量构成，
Figure BDA00033519528000000910
是
Figure BDA00033519528000000911
的奇异值构成的对角矩阵，
Figure BDA00033519528000000912
为补矩阵
Figure BDA00033519528000000913
的前
Figure BDA00033519528000000914
个右奇异向量，
Figure BDA00033519528000000915
为剩下的
Figure BDA00033519528000000916
个右奇异向量，构成
Figure BDA00033519528000000917
的零空间的一组标准正交基，记
Figure BDA00033519528000000918
步骤二：对第k个用户终端的等效信道矩阵
Figure BDA00033519528000000919
进行GMD分解得到：
Figure BDA00033519528000000920
其中，如果
Figure BDA00033519528000000921
的秩
Figure BDA00033519528000000922
则
Figure BDA00033519528000000923
和
Figure BDA00033519528000000924
是半正交矩阵，
Figure BDA00033519528000000929
是对角线元素相等的上三角矩阵，记
Figure BDA00033519528000000925
步骤三：最终第k个用户终端对应的GMD-BD预编码矩阵为：
Figure BDA00033519528000000926
第k个用户终端的解码矩阵为：
Wk＝Qk。
本实施例的信道采用直射链路模型，信道矩阵为：
Figure BDA00033519528000000927
其中
Figure BDA00033519528000000928
表示LED阵列与第k个用户终端之间的信道矩阵。
接收端将接收到的可见光信号转化为电信号，滤除直流分量后，第k个用户终端接收到的信号为：
Figure BDA0003351952800000101
其中，γ为接收机光电转换因子，
Figure BDA0003351952800000102
表示第j个用户终端对应的预编码矩阵，dj表示第j个用户终端的信息经过调制后的信号，1≤j≤K，
Figure BDA0003351952800000103
表示第k个用户终端的光接收机接收信号的噪声组成的NRk维向量。
在接收端中，第k个用户终端的解码步骤如下：
步骤一：Fk由Hk补矩阵的零空间向量组成，因此编码矩阵满足：
Figure BDA0003351952800000104
表明接收信号中的干扰项
Figure BDA0003351952800000105
可以被消除，即可以完全消除多用户干扰，因此，接收到的信号yk为：
yk＝γPLEDmIHkFkdk+nk；
步骤二：采用DFE非线性接收机和解码矩阵
Figure BDA0003351952800000106
联合从yk中恢复出用户所需数据dk；
首先接收到第k个用户的Lk个数据流，对每一个数据流用一个线性解码向量
Figure BDA0003351952800000107
进行解码，第Lk个数据流率先解码判决恢复出用户信息
Figure BDA0003351952800000108
然后依次从解码后的符号中消除已恢复出来的用户信息dk,v来减少码间串扰，恢复的用户信息为：
Figure BDA0003351952800000109
式中，bk(u,v)＝γPLEDmIRk(u,v)，其中Rk(u,v)表示Rk的第(u,v)项，Q[]表示信号的判决。
实施例三
本实施例提供一种基于GMD-BD预编码的可见光通信方法，包括：
发射端发送的信息经过调制后再进行GMD-BD预编码处理，然后加入直流偏置驱动发光二极管LED发射可见光信号；
所述可见光信号通过信道传输至接收端；
在接收端，光接收机将接收到的所述可见光信号转换为电信号，然后通过GMD-BD解码矩阵与决策反馈均衡DFE非线性接收机联合解码消除码间干扰ISI，最后经过判决恢复出用户需要的信息。
实施例四
本实施例提供一种基于GMD-BD预编码的可见光通信方法，包括：
发射端发送的信息经过调制后再进行GMD-BD预编码处理，然后加入直流偏置驱动发光二极管LED发射可见光信号；
可见光信号通过信道传输至接收端；
在接收端，光接收机将接收到的所述可见光信号转换为电信号，然后通过GMD-BD解码矩阵与决策反馈均衡DFE非线性接收机联合解码消除码间干扰ISI，最后经过判决恢复出用户需要的信息。
发射端传输用户信息时，首先通过串并转换将信息由串流信号转化成并流信号，然后对并流信号进行双极性开关键控OOK调制，
Figure BDA0003351952800000111
为用户信息经过OOK调制后的信号，K为接收端用户终端的个数；
Figure BDA0003351952800000112
表示第k个用户的信息经过调制后的信号，第k个用户终端有NRk个光接收机，1≤k≤K；
对调制后的信号进行GMD-BD预编码处理，GMD-BD预编码矩阵为：
Figure BDA0003351952800000113
其中，
Figure BDA0003351952800000114
为第k个用户终端对应的预编码矩阵；
Figure BDA0003351952800000115
为接收端总的光接收机的个数；NT为发射端LED阵列的个数，每个LED阵列配备N个LED；
对预编码处理后的信号加上直流偏置驱动发光二极管LED阵列发射可见光信号，最终LED阵列发射的可见光信号x为：
Figure BDA0003351952800000116
其中，PLED为单个LED的功率，mI为调制指数，
Figure BDA0003351952800000117
是一个全为1的NT维列向量；
所述可见光通信方法的传输信道采用直射链路模型，信道矩阵为：
Figure BDA0003351952800000121
其中，
Figure BDA0003351952800000122
表示LED阵列与第k个用户终端之间的信道矩阵；
接收端将接收到的可见光信号转化为电信号，滤除直流分量后，第k个用户接收到的信号为：
Figure BDA0003351952800000123
其中，γ为接收机光电转换因子，
Figure BDA0003351952800000124
表示第j个用户终端对应的预编码矩阵，dj表示第j个用户的信息经过调制后的信号，1≤j≤K，
Figure BDA0003351952800000125
表示第k个用户终端的光接收机接收信号的噪声组成的NRk维向量。
发射端中，第k个用户终端对应的预编码矩阵求解过程包括：
步骤一：假设第k个用户终端对应的预编码矩阵由两部分构成
Figure BDA0003351952800000126
记第k个用户的信道补矩阵为
Figure BDA0003351952800000127
其秩为
Figure BDA0003351952800000128
对
Figure BDA0003351952800000129
进行SVD分解，可得：
Figure BDA00033519528000001210
其中，
Figure BDA00033519528000001211
由
Figure BDA00033519528000001212
的左奇异向量构成，
Figure BDA00033519528000001213
是
Figure BDA00033519528000001214
的奇异值构成的对角矩阵，
Figure BDA00033519528000001215
为补矩阵
Figure BDA00033519528000001216
的前
Figure BDA00033519528000001217
个右奇异向量，
Figure BDA00033519528000001218
为剩下的
Figure BDA00033519528000001219
个右奇异向量，构成
Figure BDA00033519528000001220
的零空间的一组标准正交基，记
Figure BDA00033519528000001221
步骤二：对第k个用户终端的等效信道矩阵
Figure BDA00033519528000001222
进行GMD分解可得：
Figure BDA00033519528000001223
其中，如果
Figure BDA00033519528000001224
的秩
Figure BDA00033519528000001225
则
Figure BDA00033519528000001226
和
Figure BDA00033519528000001227
是半正交矩阵，
Figure BDA00033519528000001228
是对角线元素相等的上三角矩阵，记
Figure BDA00033519528000001229
步骤三：最终第k个用户终端对应的GMD-BD预编码矩阵为：
Figure BDA00033519528000001230
第k个用户终端的解码矩阵为：
Wk＝Qk。
接收端接收信号时，第k个用户终端的解码步骤包括：
步骤一：Fk由Hk补矩阵的零空间向量组成，因此编码矩阵满足：
Figure BDA0003351952800000131
表明接收信号中的干扰项
Figure BDA0003351952800000132
可以被消除，即可以完全消除多用户干扰，因此，接收到的信号yk为：
yk＝γPLEDmIHkFkdk+nk；
步骤二：采用DFE非线性接收机和解码矩阵
Figure BDA0003351952800000133
联合从yk中恢复出用户所需数据dk；
首先接收到第k个用户的Lk个数据流，对每一个数据流用一个线性解码向量
Figure BDA0003351952800000134
进行解码，第Lk个数据流率先解码判决恢复出用户信息dk,Lk，然后依次从解码后的符号中消除已恢复出来的用户信息dk,v来减少码间串扰，恢复的用户信息为：
Figure BDA0003351952800000135
其中，bk(u,v)＝γPLEDmIRk(u,v)，其中Rk(u,v)表示Rk的第(u,v)项，Q[]表示信号的判决。
为了进一步验证本发明能够获得了更好的误码率性能，针对实施例四的方法做了一系列仿真实验，实验结果如图2至5所示。
仿真***选取典型的室内房间模型，房间尺寸为5m*5m*3m，天花板上对称设置NT＝4个LED阵列，每个LED阵列中有N＝3600个LED灯，它们排列成60*60的方阵，相邻LED灯之间相距0.01m。此时室内有K＝2个用户终端，用户终端1和2分别配备有NR1＝2和NR2＝2个光接收机，光接收机距离地面0.85m。考虑到用户终端的小型化，同一用户终端的2个光接收机相距0.1m，用户终端1位于LED附近，用户终端2位于室内边缘位置。在两种情形下，通过仿真分析对比了本发明的GMD-BD***与SVD-BD***的光接收机和用户终端误码率性能。情形1：同一用户终端的两个光接收机都采用相同的FOV＝70°；情形2：同一用户终端的两个光接收机分别采用不同FOV，分别为70°和50°。最后在情形2条件下，分析了本发明***的用户终端2所处位置对用户终端误码率性能的影响。
图2和图3分别为同一用户终端的两个光接收机都采用相同FOV的条件下，单个LED发射功率与用户终端单个光接收机误码率和用户终端误码率的关系。与传统SVD-BD***相比，本发明的***使同一用户终端的光接收机1和2获得了相近的误码率，改善了最差接收机的误码率性能，从而降低了用户终端的误码率。
图4和图5分别为同一用户终端的两个光接收机都采用不同FOV的条件下，单个LED发射功率与用户终端单个光接收机误码率和用户终端误码率的关系。分别与图2和图3相比可知，用户终端1的误码率性能有较小改善，因为用户终端1位于LED阵列附近，其光接收机分别采用不同FOV对光接收机所接收到的光信号影响较小。而用户终端2的误码率性能都显著提升，这种现象是因为用户终端2位于室内边缘，当用户终端2的光接收机分别采用不同FOV时，该方法使其光接收机所接收到的光信号有较大差别，能够有效降低他们信道之间的相关性，从而提高光接收机的误码率性能。在此条件下，由图4和图5可知，与传统SVD-BD***相比，本发明的***也使用户终端获得了更好的误码率性能。
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多用户MIMO室内可见光通信***，包括发射端、信道和接收端，发射端发出的信号经过信道传输，由接收端接收，其特征在于，所述可见光通信***的发射端对待发送信息进行GMD-BD预编码处理；
所述接收端采用GMD-BD解码矩阵和决策反馈均衡DFE非线性接收机联合解码。
2.根据权利要求1所述的可见光通信***，其特征在于，所述发射端传输信息的过程包括：
首先通过串并转换将信息由串流信号转化成并流信号，然后对并流信号进行双极性开关键控OOK调制，
Figure FDA0003351952790000011
为用户信息经过OOK调制后的信号，K为接收端用户终端的个数；
Figure FDA0003351952790000012
表示第k个用户终端的信息经过调制后的信号，第k个用户终端有NRk个光接收机，1≤k≤K；
对调制后的信号进行GMD-BD预编码处理，GMD-BD预编码矩阵为：
Figure FDA0003351952790000013
其中，
Figure FDA0003351952790000014
为第k个用户终端对应的预编码矩阵；
Figure FDA0003351952790000015
为接收端总的光接收机的个数；NT为发射端LED阵列的个数，每个LED阵列配备N个LED；
对预编码处理后的信号加上直流偏置驱动发光二极管LED阵列发射可见光信号，最终LED阵列发射的可见光信号x为：
Figure FDA0003351952790000016
其中，PLED为单个LED的功率，mI为调制指数，
Figure FDA0003351952790000017
是一个全为1的NT维列向量。
3.根据权利要求2所述的可见光通信***，其特征在于，所述信道采用直射链路模型，所述可见光通信***的信道矩阵为：
Figure FDA0003351952790000018
其中
Figure FDA0003351952790000019
表示LED阵列与第k个用户终端之间的信道矩阵。
4.根据权利要求3所述的可见光通信***，其特征在于，所述接收端将接收到的可见光信号转化为电信号，滤除直流分量后，第k个用户终端接收到的信号为：
Figure FDA0003351952790000021
其中，γ为接收机光电转换因子，
Figure FDA0003351952790000022
表示第j个用户终端对应的预编码矩阵，dj表示第j个用户终端的信息经过调制后的信号，1≤j≤K，
Figure FDA0003351952790000023
表示第k个用户终端的光接收机接收信号的噪声组成的NRk维向量。
5.根据权利要求4所述的可见光通信***，其特征在于，所述发射端中，第k个用户终端对应的预编码矩阵求解步骤包括：
步骤一：在所述可见光通信***中，假设第k个用户终端对应的预编码矩阵由两部分构成
Figure FDA0003351952790000024
记第k个用户终端的信道补矩阵为
Figure FDA0003351952790000025
其秩为
Figure FDA0003351952790000026
对
Figure FDA0003351952790000027
进行SVD分解，可得：
Figure FDA0003351952790000028
其中，
Figure FDA0003351952790000029
由
Figure FDA00033519527900000210
的左奇异向量构成，
Figure FDA00033519527900000211
是
Figure FDA00033519527900000212
的奇异值构成的对角矩阵，
Figure FDA00033519527900000213
为补矩阵
Figure FDA00033519527900000214
的前
Figure FDA00033519527900000215
个右奇异向量，
Figure FDA00033519527900000216
为剩下的
Figure FDA00033519527900000217
个右奇异向量，构成
Figure FDA00033519527900000218
的零空间的一组标准正交基，记
Figure FDA00033519527900000219
步骤二：对第k个用户终端的等效信道矩阵
Figure FDA00033519527900000220
进行GMD分解得到：
Figure FDA00033519527900000221
其中，如果
Figure FDA00033519527900000222
的秩
Figure FDA00033519527900000223
则
Figure FDA00033519527900000224
和
Figure FDA00033519527900000225
是半正交矩阵，
Figure FDA00033519527900000226
是对角线元素相等的上三角矩阵，记
Figure FDA00033519527900000227
步骤三：最终第k个用户终端的GMD-BD预编码矩阵为：
Figure FDA00033519527900000228
第k个用户终端的解码矩阵为：
Wk＝Qk。
6.根据权利要求5所述的可见光通信***，其特征在于，在接收端中，第k个用户终端的解码步骤如下：
步骤一：Fk由Hk补矩阵的零空间向量组成，因此编码矩阵满足：
Figure FDA0003351952790000031
表明接收信号中的干扰项
Figure FDA0003351952790000032
可以被消除，即可以完全消除多用户干扰，因此，接收到的信号yk为：
yk＝γPLEDmIHkFkdk+nk；
步骤二：采用DFE非线性接收机和解码矩阵
Figure FDA0003351952790000033
联合从yk中恢复出用户所需数据dk；
首先接收到第k个用户终端的Lk个数据流，对每一个数据流用一个线性解码向量
Figure FDA0003351952790000034
进行解码，第Lk个数据流率先解码判决恢复出用户信息
Figure FDA0003351952790000035
然后依次从解码后的符号中消除已恢复出来的用户信息dk,v来减少码间串扰，恢复的用户信息为：
Figure FDA0003351952790000036
式中，bk(u,v)＝γPLEDmIRk(u,v)，其中Rk(u,v)表示Rk的第(u,v)项，Q[]表示信号的判决。
7.一种基于GMD-BD预编码的可见光通信方法，其特征在于，所述方法包括：
发射端发送的信息经过调制后再进行GMD-BD预编码处理，然后加入直流偏置驱动发光二极管LED发射可见光信号；
所述可见光信号通过信道传输至接收端；
在接收端，光接收机将接收到的所述可见光信号转换为电信号，然后通过GMD-BD解码矩阵与决策反馈均衡DFE非线性接收机联合解码消除ISI，最后经过判决恢复出用户需要的信息。
8.根据权利要求7所述的可见光通信方法，其特征在于，所述方法包括：
发射端传输用户信息时，首先通过串并转换将信息由串流信号转化成并流信号，然后对并流信号进行双极性开关键控OOK调制，
Figure FDA0003351952790000041
为用户信息经过OOK调制后的信号，K为接收端用户终端的个数；
Figure FDA0003351952790000042
表示第k个用户终端的信息经过调制后的信号，第k个用户终端有NRk个光接收机，1≤k≤K；
对调制后的信号进行GMD-BD预编码处理，GMD-BD预编码矩阵为：
Figure FDA0003351952790000043
其中，
Figure FDA0003351952790000044
为第k个用户终端对应的预编码矩阵；
Figure FDA0003351952790000045
为接收端总的光接收机的个数；NT为发射端LED阵列的个数，每个LED阵列配备N个LED；
对预编码处理后的信号加上直流偏置驱动发光二极管LED阵列发射可见光信号，最终LED阵列发射的可见光信号x为：
Figure FDA0003351952790000046
其中，PLED为单个LED的功率，mI为调制指数，
Figure FDA0003351952790000047
是一个全为1的NT维列向量；
所述可见光通信方法的传输信道采用直射链路模型，信道矩阵为：
Figure FDA0003351952790000048
其中，
Figure FDA0003351952790000049
表示LED阵列与第k个用户终端之间的信道矩阵；
接收端将接收到的可见光信号转化为电信号，滤除直流分量后，第k个用户终端接收到的信号为：
Figure FDA00033519527900000410
其中，γ为接收机光电转换因子，
Figure FDA00033519527900000411
表示第j个用户终端对应的预编码矩阵，dj表示第j个用户终端的信息经过调制后的信号，1≤j≤K，
Figure FDA00033519527900000412
表示第k个用户终端的光接收机接收信号的噪声组成的NRk维向量。
9.根据权利要求8所述的可见光通信方法，其特征在于，所述发射端中，第k个用户终端对应的预编码矩阵求解过程包括：
步骤一：假设第k个用户终端对应的预编码矩阵由两部分构成
Figure FDA00033519527900000413
记第k个用户终端的信道补矩阵为
Figure FDA0003351952790000051
其秩为
Figure FDA0003351952790000052
对
Figure FDA0003351952790000053
进行SVD分解，可得：
Figure FDA0003351952790000054
其中，
Figure FDA0003351952790000055
由
Figure FDA0003351952790000056
的左奇异向量构成，
Figure FDA0003351952790000057
是
Figure FDA0003351952790000058
的奇异值构成的对角矩阵，
Figure FDA0003351952790000059
为补矩阵
Figure FDA00033519527900000510
的前
Figure FDA00033519527900000511
个右奇异向量，
Figure FDA00033519527900000512
为剩下的
Figure FDA00033519527900000513
个右奇异向量，构成
Figure FDA00033519527900000514
的零空间的一组标准正交基，记
Figure FDA00033519527900000515
步骤二：对第k个用户终端的等效信道矩阵
Figure FDA00033519527900000516
进行GMD分解可得：
Figure FDA00033519527900000517
其中，如果
Figure FDA00033519527900000518
的秩
Figure FDA00033519527900000519
则
Figure FDA00033519527900000520
和
Figure FDA00033519527900000521
是半正交矩阵，
Figure FDA00033519527900000522
是对角线元素相等的上三角矩阵，记
Figure FDA00033519527900000523
步骤三：最终第k个用户终端对应的GMD-BD预编码矩阵为：
Figure FDA00033519527900000524
第k个用户终端的解码矩阵为：
Wk＝Qk。
10.根据权利要求9所述的可见光通信方法，其特征在于，所述方法接收端接收信号时，第k个用户终端的解码步骤包括：
步骤一：Fk由Hk补矩阵的零空间向量组成，因此编码矩阵满足：
Figure FDA00033519527900000525
表明接收信号中的干扰项
Figure FDA00033519527900000526
可以被消除，即可以完全消除多用户干扰，因此，接收到的信号yk为：
yk＝γPLEDmIHkFkdk+nk；
步骤二：采用DFE非线性接收机和解码矩阵
Figure FDA00033519527900000527
联合从yk中恢复出用户所需数据dk；
首先接收到第k个用户的Lk个数据流，对每一个数据流用一个线性解码向量
Figure FDA0003351952790000061
进行解码，第Lk个数据流率先解码判决恢复出用户信息
Figure FDA0003351952790000062
然后依次从解码后的符号中消除已恢复出来的用户信息dk,v来减少码间串扰，恢复的用户信息为：
Figure FDA0003351952790000063
其中，bk(u,v)＝γPLEDmIRk(u,v)，其中Rk(u,v)表示Rk的第(u,v)项，Q[]表示信号的判决。
CN202111340920.4A 2021-11-12 2021-11-12 一种基于gmd-bd预编码的可见光通信***及方法 Active CN114142929B (zh)

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Application publication date: 20220304

Assignee: Zhongke Yihai Intelligent Equipment Jiangsu Co.,Ltd.

Assignor: Jiangnan University

Contract record no.: X2024980000482

Denomination of invention: A visible light communication system and method based on GMD-BD precoding

Granted publication date: 20230428

License type: Common License

Record date: 20240112