基于SSD的OFDM技術在可見光通信中的應用

李 紅，楊 超

（1.湖北工業大學計算機科學與技術學院，武漢 430068；

2.華中科技大學a.計算機科學與技術學院；b.武漢國家光電實驗室，武漢 430074）

基于SSD的OFDM技術在可見光通信中的應用

李 紅1，2a，楊 超2b

（1.湖北工業大學計算機科學與技術學院，武漢 430068；

2.華中科技大學a.計算機科學與技術學院；b.武漢國家光電實驗室，武漢 430074）

針對信道的衰落效應會大大影響通信速率和可靠性的問題，提出了一種基于SSD（信號空間分集）方案的OFDM（正交頻分復用）調制技術解決方法，并通過實驗證明了在可見光通信系統中，該方法可以使得在衰落環境中（9～24 dB）信道誤碼率得到0.7～1.3 dB的改善，并實現120～160 Mbit/s的物理數據速率。

室內白光LED；可見光通信；信號空間分集；正交頻分復用

0 引 言

被譽為未來綠色照明之星的白光LED（發光二極管）具有效率高、功耗低和節能等特點，目前正逐漸取代傳統照明燈具而被廣泛地應用于室內照明。VLC（可見光通信）技術利用白光LED發出的人眼察覺不到的高速明暗閃爍信號來傳輸數據信息，是目前國內外光無線通信領域研究的熱點之一。較之傳統的無線通信技術，基于LED的VLC技術具有以下優點［1-2］：高帶寬與高發射功率；不受頻譜管制；無電磁干擾；對人體非常安全。

由于帶寬的限制，一些高效的頻譜調制技術，如OFDM（正交頻分復用）技術，被廣泛地應用于VLC系統中［3］。為了克服巨大的帶外衰減，提高數據傳輸速率并且有效地利用調制帶寬，在VLC系統中，也經常采用QAM（正交幅度調制）的DMT（離散多音調）技術以及比特和功率分配算法［4-6］。同時，在實際的VLC系統中，采用多個LED作為光源時會帶來多徑效應，從而引起頻率選擇性衰落，這會極大地降低系統的性能。為此，研究人員提出了多種技術解決方案，如STBC（空時塊編碼）技術和選擇性合并技術，這兩種技術都能克服多徑效應帶來的影響并且提高VLC系統的性能［7-8］。然而，所有這些方法都會增加系統的復雜性和帶寬消耗。

在本文中，基于普通的市售白光LED，筆者利用SSD（信號空間分集）方案的OFDM調制技術實現了一個VLC系統。實驗結果表明，在衰落信道環境下，較之傳統的調制技術，基于SSD方案的OFDM調制技術可以有效地提高系統的性能。我們在不同的衰落環境下對速率為160 Mbit/s （16QAM）和120 Mbit/s（QPSK（正交相移鍵控））的兩種情況分別做了實驗，無論是在有限帶寬衰落信道中，還是在頻率選擇性衰落信道中，在滿足前向糾錯碼的誤碼上限為3.8E-3的條件下，采用SSD技術后系統的BER（誤碼率）性能可以提高0.7～1.3 d B，并且并不影響其帶寬效率以及AWGN（加性高斯白噪聲）信道的性能。因此，最大傳輸距離和多徑延遲的容差都得到了有效的改善。

1 原理與實驗裝置設計

SSD是功能強大的帶寬高效分集技術，它能在衰落信道中保持歐氏距離不變，并且能顯著地提高分集增益，而不會引起AWGN信道的任何退化效應。SSD采用旋轉信號星座圖和交織技術，由于同相和正交相位同時交織，它們之間的相關性被破壞，分別經歷獨立的信道衰落，所以即使其中的一路經歷了大幅衰減，接收機仍然可以恢復出信息并獲得增益。

圖1（a）給出了在發送端采用SSD技術產生OFDM信號的過程。輸入數據流首先被映射到一個星座符號，經過串/并轉換之后，信號星座即被旋轉以達到更好的性能，接著被映射的符號的I/Q（同相正交）分量進行交錯，之后發射端的信號處理過程與傳統的OFDM過程相同。圖1（b）展示了OFDM信號的數字信號處理過程。首先用FFT（快速傅里葉變換）算法將信號轉換到頻域，接下來的信道處理過程與相位噪聲估計處理和傳統OFDM處理過程相同，最后對信號進行解交織和旋轉解調，并最終從比特流中去映射得到原始數據。

圖1 利用SSD方案的OFDM調制技術示意圖

VLC系統中利用SSD方案的OFDM信號實驗裝置如圖2所示。圖中表明，不管采用SSD方案與否，被用來傳輸的OFDM信號都由MATLAB程序離線生成，然后映射到16QAM或者QPSK星座圖，繼而使用AWG（任意波形發生器）以200 MS/s的速度產生射頻信號。AWG輸出的信號被電放大器放大（25 d B的增益），然后輸出信號結合直流驅動LED工作。本實驗中，LED光源由白光LED （Cree R5）組成，在有限帶寬衰落信道實驗環境下僅僅采用了一個光源，而在頻率選擇性衰落信道實驗環境中采用了兩個具有一定時延的光源。在接收端，用大有效面積的PD（光檢測器，日本濱松硅光子S6968）作為接收模塊，將一個濾鏡放置在PD之前以濾除LED發出的黃光，并用一個玻璃透鏡將光聚焦到PD的活動區域，然后接收到的信號依次通過電放大器和均衡器。最后信號被記錄在高速示波器中，并被發送到遠端的離線數字信號處理器中進行下一步的處理。

圖2 VLC系統中利用SSD方案的OFDM信號實驗裝置示意圖

2 仿真結果和分析

在本實驗中，我們首先比較了在室內VLC系統中采用SSD方案和不采用SSD方案兩種情況下OFDM調制的BER性能，采用16QAM和QPSK兩種調制方法，占用帶寬分別為40和60 MHz，速率分別為160和120 Mbit/s，選取的旋轉角度分別為16.8和29°。

在真實的實驗環境中，有限帶寬系統響應的情況如圖3所示。由圖可見，在40和60 MHz兩種帶寬情況下的衰減分別為12和24 dB。而在頻率選擇性衰落信道中，兩個LED之間的延遲在4～8 ns之間變化。如圖4所示，在40 MHz帶寬下，約有9 dB的衰減和8 ns的延遲；在60 MHz帶寬下，約有21 dB的衰減和7 ns的延遲。

圖3 有限帶寬系統響應

在有限帶寬衰落信道的實驗中，傳輸距離以0.1 m為步長從1.2 m增加到1.6 m。在VLC系統中，使用SSD與不使用SSD兩種情況下，處理16QAM OFDM和QPSK OFDM信號的BER與距離之間的對比關系如圖5所示。在FEC（前向糾錯碼）誤碼上限為3.8E-3的范圍內，采用SSD技術后，系統的BER性能在16QAM和QPSK兩種調制方式下分別提高0.7和1.1 dB。

圖4 信道響應的各種相對延遲

在頻率選擇性衰落信道的實驗中，我們使用兩個信號發生器來模擬實際的多徑干擾環境。為了比較系統的BER性能，兩者的信號源均被放置在距離PD為1.8 m的地方，且具有相同的接收SNR（信噪比）和0 ns的延遲。由圖6（a）和圖6（b）可以看出，在一定的頻率選擇性衰落信道中，使用SSD技術的OFDM的BER性能能夠得到約1 dB（16QAM）和1.3 dB（QPSK）的改進。從以上結果中我們可以看到，SSD技術是應對衰落環境的有效方法，能獲得分集增益，從而有效地提高系統的性能。

圖6 使用SSD與不使用SSD時處理16QAM OFDM和QPSK-OFDM信號的BER與延遲之間的對比

3 結束語

本文通過實驗論證了利用SSD技術進行OFDM調制的方案可應用于實際的基于白光的室內VLC系統中。采用SSD方案，即使在急劇衰落環境下，系統仍可獲得160 Mbit/s（16QAM）和120 Mbit/s（QPSK）的物理數據速率。與不采用SSD方案的OFDM調制相比，在滿足FEC誤碼上限為3.8E-3的條件下，誤碼率性能可得到0.7～1.3 d B的改善。

［1］ Elgala H，Mesleh R，Haas H.Indoor optical wireless communication：potential and state-of-the-art［J］. IEEE Communications Magazine，2011，49（9）：56-62.

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［3］ Mesleh R，Elgala H，Haas H.On the Performance of Different OFDM Based Optical Wireless Communication Systems［J］.Journal of Optical Communications &Networking，2011，3（8）：620-628.

［5］ Khalid A M，Cossu G，Corsini R，et al.1-Gb/s Transmission Over a Phosphorescent White LED by U-sing Rate-Adaptive Discrete Multitone Modulation［J］. IEEE Photonics Journal，2012，4（5）：1465-1473.

［6］ Cossu G，Khalid A M，Choudhury P，et al.3.4 Gbit/s visible optical wireless transmission based on RGB LED ［J］.Optics Express，2012，20（26）：B501-B506.

［7］ Wang C，Wei W，Zhang W，et al.Optimal Wavelength Scheduling for Hybrid WDM/TDM Passive Optical Networks［J］.Journal of Optical Communications &Networking，2011，3（6）：522-532.

［8］ Papagiannakis I，Klonidis D，Curri V，et al.Electronic distortion compensation in the mitigation of optical transmission impairments：The view of joint project on mitigation of optical transmission impairments by electronic means ePhoton/ONe+project［J］.Optoelectronics Iet，2009，3（2）：73-85.

OFDM Modulation with Signal Space Diversity for Indoor Visible Light Communications

LI Hong1，2a，YANG Chao2b
（1.College of Computer Science and Technology，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China；2.a.School of Computer Science and Technology； b.Wuhan National Laboratory for Optoelectronics，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

The communication rate and reliability is greatly affected by the channel fading effect.In order to solve the problem，we propose a method based on Signal Space Diversity（SSD）in OFDM modulation scheme in this paper.The experimental results show that the method can achieve 0.7～1.3 dB Bit Error Rate（BER）improvement at the data rate of 120～160 Mbit/s in fading environment with over 9～24 dB attenuation in Visible Light Communication（VLC）system.

indoor white LED；VLC；SSD；OFDM

TN929.1

A

1005-8788（2016）03-0062-03

10.13756/j.gtxyj.2016.03.020

2016-01-28

國家自然科學基金資助項目（61170135）

李紅（1981-），女，湖北武漢人。講師，博士，主要從事計算機體系結構和集成電路的研究工作。