基于MIMO-OFDM技術(shù)的室內可見(jiàn)光通信研究

     基于白光發(fā)光二極管的可見(jiàn)光通信技術(shù)，可以同時(shí)實(shí)現照明和無(wú)線(xiàn)通信，是一種綠色節能、頻譜資源更寬、可移 動(dòng)的接入方式，適用于各種場(chǎng)合，綠色環(huán)保而且沒(méi)有電磁干 擾。因此，本文研究基于MIMO-OFDM技術(shù)的室內可見(jiàn)光通信系統的原理，研究MIMO和OFDM技術(shù)的優(yōu)勢，通過(guò)空 分復用提高系統的傳輸速率和穩定性，實(shí)現系統的算法仿 真，分析了MIMO-OFDM應用于可見(jiàn)光通信的前景。

1 室內可見(jiàn)光通信系統的組成
基于白色可見(jiàn)光的無(wú)線(xiàn)通信系統主要包括發(fā)射部分、 傳輸部分和接收部分。將原始的二進(jìn)制數據經(jīng)過(guò)預處理和編 碼調制后，驅動(dòng)LED，對LED進(jìn)行強度調制，將電信號轉換 成光信號。接收端通過(guò)集中器將光信號聚焦到光電探測單元 上，轉換成電信號，然后對電信號進(jìn)行處理、解調、解碼等 過(guò)程。

2 OFDM技術(shù)研究
2.1  OFDM的技術(shù)優(yōu)勢正 交 頻 分 復 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系統組成框圖    

圖2  OFDM應用于可見(jiàn)光通信物理層框圖
Multiplexing，OFDM）技術(shù)以及基于正交頻分復用調制的多
址接入技術(shù)成為下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)之一，OFDM表 現出來(lái)的優(yōu)勢使得OFDM技術(shù)在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域被廣泛應用。
2.2  OFDM的系統基本構成
OFDM調制技術(shù)是多載波傳輸技術(shù)的一種實(shí)現方式， 利用快速傅里葉變換和快速傅里葉逆變換分別實(shí)現解調和調 制，是應用比較廣泛而且實(shí)現復雜度較低的一種多載波調制 技術(shù)。OFDM的系統基本構成如圖1所示。
2.3 OFDM應用于可見(jiàn)光通信
OFDM技術(shù)應用于室內可見(jiàn)光通信物理層的原理框圖 如圖2所示。系統采用卷積編碼FEC技術(shù)來(lái)實(shí)現數據保護， 通過(guò)使用時(shí)間和頻率交織算法實(shí)現突發(fā)錯誤保護，然后經(jīng)過(guò) PSK或M-QAM調制，將串行輸出數據變成并行數據。由于 OFDM輸出的基帶信號用來(lái)調制LED的亮度，所以基帶信號 不能是復數，所以輸入到IFFT的序列要滿(mǎn)足Hermitian對稱(chēng) 性。IFFT用在OFDM系統中減少了DMT（ Discrete Multiple Tone）系統對多個(gè)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(xiàn)性卷積變成了循環(huán)卷積，在接收端只需要 簡(jiǎn)單的頻域均衡器就可以把信號解調出來(lái)。經(jīng)過(guò)OFDM調制后的信號包絡(luò )是雙極性的，而光的強 度不能為負，所以在驅動(dòng)LED時(shí)需要加 直 流 偏 置 。 由 于LED的非線(xiàn)性影 響，考慮到OFDM 的峰均比比較高，在選擇偏置電流時(shí)要 非 常 注 意 ，
可 以 適 當 進(jìn) 行 信 號 限 幅 處理。
在 接 收 端 ， 通 過(guò) 使 用 導 頻 和 訓 練 隊 列 來(lái) 實(shí) 現 信 號 時(shí) 域 的 同 步 和 信 號 的 均 衡 ， 然 后 移 去 保 護 間 隔 ， 通 過(guò)
FFT將信號變換到頻域然后通過(guò)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(zhù)地降低系統的 誤碼率和抑制信道衰落的影響，MIMO技術(shù)在無(wú)線(xiàn)通信中被 廣泛應用，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(jiàn)光通信系統中主要采用強度調制和直接檢 測（IM/DD）方法，所以在大多數情況下不需要去相關(guān)操 作，當傳輸距離比較遠時(shí)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(jiàn)光通信主要的缺點(diǎn)是 調制帶寬有限，通常只有幾兆赫茲。但是室內照明通常使 用LED陣列，而用MIMO技術(shù)可以實(shí)現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移動(dòng) 的難題。

圖3   MIMO-OFDM無(wú)線(xiàn)光通信的框架圖

4 MIMO-OFDM應用于可見(jiàn)光通信的研究

圖4   4-PPM調制與MIMO-OFDM調制在不同信噪比下的誤碼率對比

圖5    OFDM調制與MIMO-OFDM調制在不同信噪比下的誤碼率對比

圖6  ZF準則和最小均方誤差準則檢測算法的性能比較

4.1 系統仿真設計
圖3是一個(gè)MIMO-OFDM技術(shù)應用在室內可見(jiàn)光通信的 典型系統，系統主要由數字調制解調模塊、MIMO收發(fā)模 塊、OFDM調制解調模塊和信道組成。
OFDM模塊在發(fā)送端對QPSK調制后的數據進(jìn)行處理， 調制后，由頻域的信號變成時(shí)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(guò)OFDM調制后的各個(gè)碼元之間都加有保護間隔，從而有 效降低了多徑效應帶來(lái)的碼間串擾問(wèn)題。在接收端，OFDM 解調模塊負責對MIMO輸出的信號進(jìn)行解調，將并行的數據 解調成串行的數據。
MIMO模塊在發(fā)送端負責對OFDM符號分組發(fā)射，為了 提高通信效率，多個(gè)LED同時(shí)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，將內容解析出來(lái)，在接收 端分別采用ML（最大似然）檢測法和ZF（破零）準則檢測算法。

4.2 仿真分析
用 不 同 的 調 制 方 式 在 不 同 的 信 噪 比 的 情 況 下 ， 傳 輸 大量的數據來(lái)計算系統的誤碼率。仿真方式采用三種仿真 模式， 4-PPM調制方式、 OFDM調制方式、 MMSE檢測的 MIMO-OFDM調制技術(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(guò)仿真得到可見(jiàn)光通信系統在這三種不同的調制模 式下的誤碼率隨信噪比變化的情況，具體數據如表（1）所 示。從表1和圖4、圖5可以看出基于PPM調制通信系統的誤 碼率遠高于基于OFDM和MIMO-OFDM的系統的誤碼率。在 碼元周期方面看，在相同的傳輸速率下OFDM的碼元周期遠 大于PPM的碼元周期，本仿真中OFDM的子載波數為31，而
4-PPM調制方式的信號持續時(shí)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調制方式的系統，在充分利用MIMO的空 間復用增益基礎上，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(lái)的影響，而 且OFDM優(yōu)異的抗噪聲干擾能力使得系統的誤碼率很低。
在MIMO-OFDM系統中，MIMO接收端檢測算法的效率 高低、性能優(yōu)劣直接影響整個(gè)系統的性能，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 法也影響系統的通信性能，通過(guò)仿真對比了破零（ZF）準則檢測算法和最小均方根誤差（MMSE）檢測算法，在4×4
的MIMO系統中，在不同的信噪比下的誤碼率情況，從仿真 的結果看，最小均方誤差檢測算法優(yōu)于破零準則檢測算法， 主要是因為在ZF檢測算法中，在檢測接收數據的過(guò)程中， 將接收到的噪聲也放大了。在實(shí)際的應用中通常采用MMSE 準則檢測算法在MIMO接收端檢測數據。

5 結束語(yǔ)
本文主要研究的是基于MIMO-OFDM的室內可見(jiàn)光通 信應用技術(shù)，是一種節能環(huán)保而且具有超高帶寬的通信技 術(shù)?？梢?jiàn)光通信利用發(fā)光二極管的高速明滅來(lái)傳遞信號，在 室內被光線(xiàn)照到的地方都可以實(shí)現信息的傳輸，同時(shí)實(shí)現了 信息的高速傳輸和室內照明。
本 文 設 計 了 基 于 M I M O - O F D M 技 術(shù) 的 可 見(jiàn) 光 通 信 系
統，分析仿真了MIMO-OFDM調制技術(shù)和PPM調制技術(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(xiàn) 陣列，較之傳統的單天線(xiàn)收發(fā)系統，系統容量提高了2倍， 而且在發(fā)送端通過(guò)空時(shí)編碼，可以增加系統的信息分集增 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。