基於MIMO-OFDM技術的室內可見光通信研究

     基於白光發光二極體的可見光通信技術，可以同時實現照明和無線通信，是一種綠色節能、頻譜資源更寬、可移 動的接入方式，適用於各種場合，綠色環保而且沒有電磁幹 擾。因此，本文研究基於MIMO-OFDM技術的室內可見光通信系統的原理，研究MIMO和OFDM技術的優勢，通過空 分復用提高系統的傳輸速率和穩定性，實現系統的算法仿 真，分析了MIMO-OFDM應用於可見光通信的前景。

1 室內可見光通信系統的組成
基於白色可見光的無線通信系統主要包括發射部分、 傳輸部分和接收部分。將原始的二進位數據經過預處理和編 碼調製後，驅動LED，對LED進行強度調製，將電信號轉換 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，轉換成電信號，然後對電信號進行處理、解調、解碼等 過程。

2 OFDM技術研究
2.1  OFDM的技術優勢正 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

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201702/344502.htm

圖1  OFDM系統組成框圖    

圖2  OFDM應用於可見光通信物理層框圖
Multiplexing，OFDM）技術以及基於正交頻分復用調製的多
址接入技術成為下一代移動通信的核心技術之一，OFDM表 現出來的優勢使得OFDM技術在無線通信領域被廣泛應用。
2.2  OFDM的系統基本構成
OFDM調製技術是多載波傳輸技術的一種實現方式， 利用快速傅立葉變換和快速傅立葉逆變換分別實現解調和調 制，是應用比較廣泛而且實現複雜度較低的一種多載波調製 技術。OFDM的系統基本構成如圖1所示。
2.3 OFDM應用於可見光通信
OFDM技術應用於室內可見光通信物理層的原理框圖 如圖2所示。系統採用卷積編碼FEC技術來實現數據保護， 通過使用時間和頻率交織算法實現突發錯誤保護，然後經過 PSK或M-QAM調製，將串行輸出數據變成並行數據。由於 OFDM輸出的基帶信號用來調製LED的亮度，所以基帶信號 不能是複數，所以輸入到IFFT的序列要滿足Hermitian對稱 性。IFFT用在OFDM系統中減少了DMT（ Discrete Multiple Tone）系統對多個振蕩器的需求。產生的OFDM符號加上循 環前綴（CP）降低由多徑引起的符號間幹擾，而且因為循 環前綴將原先的線性卷積變成了循環卷積，在接收端只需要 簡單的頻域均衡器就可以把信號解調出來。經過OFDM調製後的信號包絡是雙極性的，而光的強 度不能為負，所以在驅動LED時需要加 直 流 偏 置 。 由 於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 進 行 信 號 限 幅 處理。
在 接 收 端 ， 通 過 使 用 導 頻 和 訓 練 隊 列 來 實 現 信 號 時 域 的 同 步 和 信 號 的 均 衡 ， 然 後 移 去 保 護 間 隔 ， 通 過
FFT將信號變換到頻域然後通過反映射、反向交織和維特比解碼出原始信號。

3 MIMO運用於光通信
多輸入多輸出（MIMO）技術可以顯著地降低系統的 誤碼率和抑制信道衰落的影響，MIMO技術在無線通信中被 廣泛應用，由於散射和通道的相互幹擾在接收端需要進行 去相關。在可見光通信系統中主要採用強度調製和直接檢 測（IM/DD）方法，所以在大多數情況下不需要去相關操 作，當傳輸距離比較遠時由於湍流和散射的作用，在接收 端需要進行去相關操作。LED用於可見光通信主要的缺點是 調製帶寬有限，通常只有幾兆赫茲。但是室內照明通常使 用LED陣列，而用MIMO技術可以實現並行通信提高通信速 率，MIMO技術可以解決接收者在光通信覆蓋的範圍內移動 的難題。

圖3   MIMO-OFDM無線光通信的框架圖

4 MIMO-OFDM應用於可見光通信的研究

圖4   4-PPM調製與MIMO-OFDM調製在不同信噪比下的誤碼率對比

圖5    OFDM調製與MIMO-OFDM調製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MIMO-OFDM技術應用在室內可見光通信的 典型系統，系統主要由數字調製解調模塊、MIMO收發模 塊、OFDM調製解調模塊和信道組成。
OFDM模塊在發送端對QPSK調製後的數據進行處理， 調製後，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，並且 經過OFDM調製後的各個碼元之間都加有保護間隔，從而有 效降低了多徑效應帶來的碼間串擾問題。在接收端，OFDM 解調模塊負責對MIMO輸出的信號進行解調，將並行的數據 解調成串行的數據。
MIMO模塊在發送端負責對OFDM符號分組發射，為了 提高通信效率，多個LED同時發送不同的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，在接收 端分別採用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 大量的數據來計算系統的誤碼率。仿真方式採用三種仿真 模式， 4-PPM調製方式、 OFDM調製方式、 MMSE檢測的 MIMO-OFDM調製技術方式，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在這三種不同的調製模 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可以看出基於PPM調製通信系統的誤 碼率遠高於基於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 大於PPM的碼元周期，本仿真中OFDM的子載波數為31，而
4-PPM調製方式的信號持續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 採用MIMO-OFDM調製方式的系統，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幹擾帶來的影響，而 且OFDM優異的抗噪聲幹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、性能優劣直接影響整個系統的性能，圖6針對MIMO 接收端的檢測算法進行了仿真比較，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於破零準則檢測算法， 主要是因為在ZF檢測算法中，在檢測接收數據的過程中， 將接收到的噪聲也放大了。在實際的應用中通常採用MMSE 準則檢測算法在MIMO接收端檢測數據。

5 結束語
本文主要研究的是基於MIMO-OFDM的室內可見光通 信應用技術，是一種節能環保而且具有超高帶寬的通信技 術。可見光通信利用發光二極體的高速明滅來傳遞信號，在 室內被光線照到的地方都可以實現信息的傳輸，同時實現了 信息的高速傳輸和室內照明。
本 文 設 計 了 基 於 M I M O - O F D M 技 術 的 可 見 光 通 信 系
統，分析仿真了MIMO-OFDM調製技術和PPM調製技術在 相同的信道環境下的誤碼率情況，MIMO採用2發2收的天線 陣列，較之傳統的單天線收發系統，系統容量提高了2倍， 而且在發送端通過空時編碼，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。