一种基于led阵列的室内光通信自适应脉冲幅度调制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及可见光通信领域，尤其涉及一种基于LED阵列的室内光通信自适应脉 冲幅度调制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，可见光通信已经成为无线通信中的热门领域。与传统无线电通信相比，可 见光通信因为其高可靠性，低功耗和使用寿命长的特点成为了照明和通信领域极其重要的 组成部分。可见光通信（VLC)系统通过将电信号转化为光照强度信号实现数据的传输，在 满足照明的基础上同时实现了数据的传输。相比较于传统的使用天线的无线通信系统，VLC 系统无辐射，更绿色更安全。在对传统天线辐射信号敏感的场合，VLC是对现有通信系统的 重要补充。
[0003] 现有的室内无线可见光通信系统在传输数据所用的方案上先后提出了开关键控 调制（OOK)，幅度调制（PAM)，正交频分复用（OFDM)，三色光频分复用（RGBFDM)，多输入多输 出（Mnro)等方案。其中开关键控调制（OOK)的方案简单易行，不需要复杂的电路结构，也 不需要高性能的数模转换器（DAC)，简单的开关电路管就可以实现最基本的电路结构。
[0004] 室内无线光通信系统正致力于将高速的无线通信和普通室内照明相结合。为了提 高足够的照明强度，现有室内LED照明光源多数由很多LED构成的LED阵列组成。为了能 够很好的使用多LED相较于单LED系统所带来的空间增益，有研究人员提出使用多个LED 协同工作构建PAM调制机制，每一路LED只需要使用简单的开关电路不需要昂贵的高性能 DAC。然而过去有研究人员提出使用多LED实现PAM的方案是在发射端的LED相互之间位 置相当接近，不同LED到接收端的冲击响应很接近的情况下，毫无疑问，这一系统模型是不 适合用在室内无线系统中的。因为室内系统中LED的分布往往是部分集中和总体分散的特 征。集中的是几个LED在一起构成一个整体，分散的是不同的整体在空间上分开以实现对 整个室内较好的覆盖。因此，过去的PAM调制的方式没有考虑不同LED到接收端幅值衰减 的差异的问题，对于室内多LED系统，本发明通过综合考虑不同LED到接收端的不同幅值衰 减，设计了一种多LED协同工作构建PAM调制的方案，从而可以充分利用多LED的空间增 益，提升了系统速率。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了解决现有室内光通信幅度调制方法没有考虑室内环境中不同LED 到接收端幅值衰减的差异的问题，本发明提出一种基于LED阵列的室内光通信自适应脉冲 幅度调制方法，达到提升频谱利用率的效果。
[0006] 技术方案：本发明的基于LED阵列的室内光通信自适应脉冲幅度调制方法，包括 以下步骤：
[0007] (1)接收端根据接收到的导频信号估计信道参数和接收信噪比并反馈给发射端；
[0008] (2)发射端根据传输误比特率要求，利用所述信道参数和所述接收信噪比根据幅 度调制的误比特率计算公式获取调制星座的最小星座点距离；
[0009] (3)根据所述最小星座点距离建立各备选星座点与发射端LED阵列开关组合的对 应关系，并根据所述备选星座点的个数最终确定调制阶数和调制星座图；
[0010] (4)发射端按照所述调制阶数和所述对应关系控制LED阵列开关发送光信号；
[0011] (5)接收端根据所述调制星座图和所述对应关系对接收到的LED光信号进行解 调。
[0012] 其中，步骤（3)中所述确定调制阶数和最终的星座图包括如下步骤：
[0013] (31)将幅值为0的点作为第一个星座点，将幅值为所述最小星座点距离的点作为 第二星座点，并将第二星座点记为当前星座点；
[0014] (32)寻找LED灯组合的接收信号幅值中大于当前星座点对应幅值的最小幅值，若 找到符合要求的LED灯组，则记录该LED灯组并将当前星座点对应幅值更新为该LED灯组 的接收信号幅值，并进行步骤（33);若找不到符合要求的LED灯组，转到步骤（34)，结束查 找；
[0015] (33)将所述当前星座点的幅值和最小距离的和作为下一个星座点，并将该星座点 设为当前星座点，返回步骤（32);
[0016] (34)将所述第一星座点至当前星座点作为备选星座点，并根据备选星座点的总数 确定调制阶数和最终的星座图。
[0017] 其中，步骤（32)中所述寻找LED灯组合的接收信号幅值中大于当前星座点对应幅 值的最小幅值，包括以下步骤：
[0018] (321)将发射端不同LED灯到接收端的信道衰减值Ill按降序排列得到信道衰减序 列H = Ih11 i = 1，2, ...，N}，i表示LED灯的序号，每个Ii1在所述信道衰减序列H中均对 应一个降序序号j，设当前星座点对应的幅值为stage_，当前星座点对应幅值所需打开的 LED灯的最小数目为N_;
[0019] (322)若发射端所有LED灯均打开，接收端的接收信号幅值小于所述当前星座点 对应幅值stage_，则当前星座点找不到对应的LED灯组合，结束查找；
[0020] 否则，设置第一中间变量N_和第二中间变量stage进行LED灯组合的确认，令N_ =Nminj stage = stagenow；
[0021] 用数组u(i)，i = 1~N表示LED灯组中每个灯在当前组合下是否被选取使用， u(i) = 0表示i号灯未打开，u(i) = 1表示i号灯已打开，初始化u(i) = 0，N表示发射端 LED灯的个数，每个LED灯不能重复打开；
[0022] (333)利用二分法从所述信道衰减序列H中选取大于stage/NncJ^最小信道衰减 值Ii 1，包括以下循环步骤：
[0023] 若 u(i) = 0,则进入步骤（334);
[0024] 若u(i) = 1，判断j的值，若j = 1，进入步骤（335);
[0025] 若j > 1，则令j = j_l，从信道衰减序列H中序号j之前的序列段中继续选取大 于stage/N_的最小信道衰减值h i，判断u (i)的值；
[0026] (334)令 stage = Stage-Hw= Nnciw-1，u ⑴=1，若 stage <= 0,则找到当前 星座点对应的LED灯组合，结束查找；若stage > 0且N_> 0,继续执行（333);若stage > 〇且N_= 0,进入步骤（335);
[0027] (335)令 Nniin= Ul，跳转至（322)。
[0028] 其中，步骤（3)中所述根据所述备选星座点的个数最终确定调制阶数和调制星座 图，包括以下步骤：
[0029] 设所述备选星座点的总数为L，k为最大调制阶数，若L = 1，则表明没有满足情况 的PAM调制；
[0030] 若L彡2,则找出满足式2k< L < 2 k+1的k值：
[0031] 若L = 2k，则所有备选星座点为最终确定的星座点；
[0032] 若L· > 2、贝IJ选取序号为1~2k+1_L·区间的每个星座点，以及等间隔选取序号为 2k+1-L~L区间的星座点，总共#个备选星座点为最终确定的星座点形成调制星座图，所述 间隔为2。
[0033] 有益效果：本发明基于LED阵列的室内光通信自适应脉冲幅度调制方法，综合考 虑不同LED到接收端的不同幅值衰减，能够充分利用多LED带来的空间增益，首先根据系统 误码率的要求确定了星座点的最小距离要求保证了接收信噪比；再建立星座点与LED组合 的对应关系，保证每两个星座点之间的距离大于等于最小距离，充分保障了系统对误码率 的要求，同时，星座点与LED组合的对应关系可以根据信道条件进行自适应修改，提升了系 统速率，并大大增强了系统的鲁棒性。自适应PAM调制的方案降低了对每个LED的工作功 率以及LED的位置要求，与SISO系统相比，降低了系统对LED的功率要求；此外，该方法还 提升了传输速率和频谱利用率。
【附图说明】
[0034] 图1是本发明的LED阵列光通信模型；
[0035] 图2是本发明中寻找当前星座点对应幅值的LED灯组合的流程图；
[0036] 图3是室内无线光通信系统LED阵列的仿真模型；
[0037] 图4是本发明方法在场景1条件下的性能仿真图；图4(a)是接收信噪比与参考信 噪比