基于MIMO-OFDM技術(shù)的室內(nèi)可見光通信研究

     基于白光發(fā)光二極管的可見光通信技術(shù)，可以同時實現(xiàn)照明和無線通信，是一種綠色節(jié)能、頻譜資源更寬、可移 動的接入方式，適用于各種場合，綠色環(huán)保而且沒有電磁干 擾。因此，本文研究基于MIMO-OFDM技術(shù)的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的原理，研究MIMO和OFDM技術(shù)的優(yōu)勢，通過空 分復(fù)用提高系統(tǒng)的傳輸速率和穩(wěn)定性，實現(xiàn)系統(tǒng)的算法仿 真，分析了MIMO-OFDM應(yīng)用于可見光通信的前景。

1 室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的組成
基于白色可見光的無線通信系統(tǒng)主要包括發(fā)射部分、 傳輸部分和接收部分。將原始的二進(jìn)制數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理和編 碼調(diào)制后，驅(qū)動LED，對LED進(jìn)行強度調(diào)制，將電信號轉(zhuǎn)換 成光信號。接收端通過集中器將光信號聚焦到光電探測單元 上，轉(zhuǎn)換成電信號，然后對電信號進(jìn)行處理、解調(diào)、解碼等 過程。

2 OFDM技術(shù)研究
2.1  OFDM的技術(shù)優(yōu)勢正 交 頻 分 復(fù) 用 （ O r t h o g o n a l F r e q u e n c y  D i v i s i o n

圖1  OFDM系統(tǒng)組成框圖    

圖2  OFDM應(yīng)用于可見光通信物理層框圖
Multiplexing，OFDM）技術(shù)以及基于正交頻分復(fù)用調(diào)制的多
址接入技術(shù)成為下一代移動通信的核心技術(shù)之一，OFDM表 現(xiàn)出來的優(yōu)勢使得OFDM技術(shù)在無線通信領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。
2.2  OFDM的系統(tǒng)基本構(gòu)成
OFDM調(diào)制技術(shù)是多載波傳輸技術(shù)的一種實現(xiàn)方式， 利用快速傅里葉變換和快速傅里葉逆變換分別實現(xiàn)解調(diào)和調(diào) 制，是應(yīng)用比較廣泛而且實現(xiàn)復(fù)雜度較低的一種多載波調(diào)制 技術(shù)。OFDM的系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖1所示。
2.3 OFDM應(yīng)用于可見光通信
OFDM技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)可見光通信物理層的原理框圖 如圖2所示。系統(tǒng)采用卷積編碼FEC技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)保護(hù)， 通過使用時間和頻率交織算法實現(xiàn)突發(fā)錯誤保護(hù)，然后經(jīng)過 PSK或M-QAM調(diào)制，將串行輸出數(shù)據(jù)變成并行數(shù)據(jù)。由于 OFDM輸出的基帶信號用來調(diào)制LED的亮度，所以基帶信號 不能是復(fù)數(shù)，所以輸入到IFFT的序列要滿足Hermitian對稱 性。IFFT用在OFDM系統(tǒng)中減少了DMT（ Discrete Multiple Tone）系統(tǒng)對多個振蕩器的需求。產(chǎn)生的OFDM符號加上循 環(huán)前綴（CP）降低由多徑引起的符號間干擾，而且因為循 環(huán)前綴將原先的線性卷積變成了循環(huán)卷積，在接收端只需要 簡單的頻域均衡器就可以把信號解調(diào)出來。經(jīng)過OFDM調(diào)制后的信號包絡(luò)是雙極性的，而光的強 度不能為負(fù)，所以在驅(qū)動LED時需要加 直 流 偏 置 。 由 于LED的非線性影 響，考慮到OFDM 的峰均比比較高，在選擇偏置電流時要 非 常 注 意 ，
可 以 適 當(dāng) 進(jìn) 行 信 號 限 幅 處理。
在 接 收 端 ， 通 過 使 用 導(dǎo) 頻 和 訓(xùn) 練 隊 列 來 實 現(xiàn) 信 號 時 域 的 同 步 和 信 號 的 均 衡 ， 然 后 移 去 保 護(hù) 間 隔 ， 通 過
FFT將信號變換到頻域然后通過反映射、反向交織和維特比解碼出原始信號。

3 MIMO運用于光通信
多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)可以顯著地降低系統(tǒng)的 誤碼率和抑制信道衰落的影響，MIMO技術(shù)在無線通信中被 廣泛應(yīng)用，由于散射和通道的相互干擾在接收端需要進(jìn)行 去相關(guān)。在可見光通信系統(tǒng)中主要采用強度調(diào)制和直接檢 測（IM/DD）方法，所以在大多數(shù)情況下不需要去相關(guān)操 作，當(dāng)傳輸距離比較遠(yuǎn)時由于湍流和散射的作用，在接收 端需要進(jìn)行去相關(guān)操作。LED用于可見光通信主要的缺點是 調(diào)制帶寬有限，通常只有幾兆赫茲。但是室內(nèi)照明通常使 用LED陣列，而用MIMO技術(shù)可以實現(xiàn)并行通信提高通信速 率，MIMO技術(shù)可以解決接收者在光通信覆蓋的范圍內(nèi)移動 的難題。

圖3   MIMO-OFDM無線光通信的框架圖

4 MIMO-OFDM應(yīng)用于可見光通信的研究

圖4   4-PPM調(diào)制與MIMO-OFDM調(diào)制在不同信噪比下的誤碼率對比

圖5    OFDM調(diào)制與MIMO-OFDM調(diào)制在不同信噪比下的誤碼率對比

圖6  ZF準(zhǔn)則和最小均方誤差準(zhǔn)則檢測算法的性能比較

4.1 系統(tǒng)仿真設(shè)計
圖3是一個MIMO-OFDM技術(shù)應(yīng)用在室內(nèi)可見光通信的 典型系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊、MIMO收發(fā)模 塊、OFDM調(diào)制解調(diào)模塊和信道組成。
OFDM模塊在發(fā)送端對QPSK調(diào)制后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 調(diào)制后，由頻域的信號變成時域信號而且各子載波相互正 交，在通信速率不變的情況下，可大大降低碼流速率，并且 經(jīng)過OFDM調(diào)制后的各個碼元之間都加有保護(hù)間隔，從而有 效降低了多徑效應(yīng)帶來的碼間串?dāng)_問題。在接收端，OFDM 解調(diào)模塊負(fù)責(zé)對MIMO輸出的信號進(jìn)行解調(diào)，將并行的數(shù)據(jù) 解調(diào)成串行的數(shù)據(jù)。
MIMO模塊在發(fā)送端負(fù)責(zé)對OFDM符號分組發(fā)射，為了 提高通信效率，多個LED同時發(fā)送不同的OFDM符號。在接 收端用成像式接收方法接收信號，將內(nèi)容解析出來，在接收 端分別采用ML（最大似然）檢測法和ZF（破零）準(zhǔn)則檢測算法。

4.2 仿真分析
用 不 同 的 調(diào) 制 方 式 在 不 同 的 信 噪 比 的 情 況 下 ， 傳 輸 大量的數(shù)據(jù)來計算系統(tǒng)的誤碼率。仿真方式采用三種仿真 模式， 4-PPM調(diào)制方式、 OFDM調(diào)制方式、 MMSE檢測的 MIMO-OFDM調(diào)制技術(shù)方式，在通信速率相同的情況下比較 三種通信模式在不同的信噪比情況下的誤碼率。
通過仿真得到可見光通信系統(tǒng)在這三種不同的調(diào)制模 式下的誤碼率隨信噪比變化的情況，具體數(shù)據(jù)如表（1）所 示。從表1和圖4、圖5可以看出基于PPM調(diào)制通信系統(tǒng)的誤 碼率遠(yuǎn)高于基于OFDM和MIMO-OFDM的系統(tǒng)的誤碼率。在 碼元周期方面看，在相同的傳輸速率下OFDM的碼元周期遠(yuǎn) 大于PPM的碼元周期，本仿真中OFDM的子載波數(shù)為31，而
4-PPM調(diào)制方式的信號持續(xù)時間只有碼元周期的1/4，所以 在相同的傳輸速率下4-PPM的碼元周期是OFDM的1/31，而 采用MIMO-OFDM調(diào)制方式的系統(tǒng)，在充分利用MIMO的空 間復(fù)用增益基礎(chǔ)上，MIMO-OFDM的碼元周期為OFDM的2 倍。因為較低比特速率可以減少由多徑干擾帶來的影響，而 且OFDM優(yōu)異的抗噪聲干擾能力使得系統(tǒng)的誤碼率很低。
在MIMO-OFDM系統(tǒng)中，MIMO接收端檢測算法的效率 高低、性能優(yōu)劣直接影響整個系統(tǒng)的性能，圖6針對MIMO 接收端的檢測算法進(jìn)行了仿真比較，MIMO接收端的檢測算 法也影響系統(tǒng)的通信性能，通過仿真對比了破零（ZF）準(zhǔn)則檢測算法和最小均方根誤差（MMSE）檢測算法，在4×4
的MIMO系統(tǒng)中，在不同的信噪比下的誤碼率情況，從仿真 的結(jié)果看，最小均方誤差檢測算法優(yōu)于破零準(zhǔn)則檢測算法， 主要是因為在ZF檢測算法中，在檢測接收數(shù)據(jù)的過程中， 將接收到的噪聲也放大了。在實際的應(yīng)用中通常采用MMSE 準(zhǔn)則檢測算法在MIMO接收端檢測數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語
本文主要研究的是基于MIMO-OFDM的室內(nèi)可見光通 信應(yīng)用技術(shù)，是一種節(jié)能環(huán)保而且具有超高帶寬的通信技 術(shù)?？梢姽馔ㄐ爬冒l(fā)光二極管的高速明滅來傳遞信號，在 室內(nèi)被光線照到的地方都可以實現(xiàn)信息的傳輸，同時實現(xiàn)了 信息的高速傳輸和室內(nèi)照明。
本 文 設(shè) 計 了 基 于 M I M O - O F D M 技 術(shù) 的 可 見 光 通 信 系
統(tǒng)，分析仿真了MIMO-OFDM調(diào)制技術(shù)和PPM調(diào)制技術(shù)在 相同的信道環(huán)境下的誤碼率情況，MIMO采用2發(fā)2收的天線 陣列，較之傳統(tǒng)的單天線收發(fā)系統(tǒng)，系統(tǒng)容量提高了2倍， 而且在發(fā)送端通過空時編碼，可以增加系統(tǒng)的信息分集增 益。MIMO的檢測算法有最大似然（ML）檢測算法、破零
（ZF）準(zhǔn)則檢測算法和最小均方誤差檢（MMSE）測算方 法，本文仿真對比了MMSE和ZF檢測信息的誤碼率情況，分 析得出MMSE檢測算法具有更高的檢測性能。