基于非正交復用的可見光通信系統

梁淵博，張 峰，趙 黎

(西安工業大學，陜西 西安 710021)

0 引言

可見光通信(VLC)是一種利用可見光波段作為信息載體，同時實現照明和信息傳輸的技術，也是武器系統的光引信中常采用的一種通信方式[1]。VLC系統通常基于直流偏置光OFDM(DCO-OFDM)實現，具有頻譜效率高和系統復雜度低的特點，但其峰均比過高，可靠性與用戶公平性難以滿足要求。

文獻[2—3]提出了在DCO-OFDM系統中通過設計峰均比抑制算法來減弱DCO-OFDM系統由于高峰均比引起的非線性失真，但未考慮多用戶帶來的系統性能變化；文獻[4]在DCO-OFDM系統中引入多入多出(MIMO)技術進行頻率域與空間域的聯合復用，提高了系統用戶接入量和可靠性，但用戶間的公平性難以保證；文獻[5—7]研究了在可見光通信系統中引入非正交多址技術(NOMA)，但只是對基帶信號進行簡單調制，并未與OFDM進行功率域與頻率域的聯合復用，資源利用率和可靠性沒有得到有效提升。本文針對上述問題，提出了基于非正交復用的可見光通信系統。

1 非正交復用技術

在VLC通信系統中，由于LED、接收器和通信節點的坐標位置相對光信號而言可視為靜止，因此可將VLC系統看作是線性時不變系統。據此本章推導了為非正交復用做鋪墊的信道增益，介紹了非正交復用中重要的DCO-OFDM調制以及串行干擾消除(SIC)技術。

1.1 VLC系統幾何場景與信道分析

可見光通信系統信道可根據光信號和接收器之間有無受到阻礙分為直射視距鏈路(LOS)和非直射視視鏈路[8](NLOS)。在考慮單光源時，以XOY平面作為底面，左下角為原點，建立的VLC系統通信場景如圖1所示。

圖1 VLC系統的幾何場景與光源輻射模型Fig.1 Geometric scene and light source radiation model of VLC system

LED光源服從朗伯輻射模式時，有：

(1)

式(1)中，T(φ)為發射端輻射模式，m為朗伯指數，φ為光源的發射角。

VLC系統的信道基本特征可以通過接收端的沖激響應h(t)表示為：

(2)

式(2)中，Rt為發射端特征，具體包含位置矢量、單位方向矢量nled和光源輻射模式指數m；Rr為接收端特征，具體包含位置矢量、接收面積和接收角度FOV；考慮LOS信道時，光信號不經過反射直接到達接收端，所以K取0；考慮NLOS信道時，K取1[9]。對于接收端的LOS信道，沖激響應為：

(3)

式(3)中，Ar為光接收面積，φ為光電探測器入射角，D=|Rt-Rr|為收發端之間的距離，c為光速。結合式(1)與式(3)，沖激響應可以表示為：

(4)

對于NLOS信道，沖激響應表示為：

(5)

式(5)中，in為反射單元的個數，ΔA為所有反射單元的最小面積，D1表示從LED到反射面的距離，D2為從反射面到用戶的距離，α為反射面光線的出射角。在可見光通信系統中，Rt與Rr之間頻率響應的直流增益H可以表示為：

(6)

則系統的信道增益可以表示為：

(7)

式(7)中，k表示反射階數，Tr表示接收端的抽樣周期，n表示路徑數。信道增益是NOMA進行功率分配的重要依據。

1.2 DCO-OFDM調制

在非正交復用后，本文通過DCO-OFDM技術進行合成數據的調制。為確保經過IFFT變換之后得到的調制信號是實數信號，需要對頻域OFDM符號結構進行共軛對稱處理[10]，即頻域OFDM符號中后一半數據是前一半數據復數共軛得到的，同時保證X0=Xi/2=0，用戶i的信號如下：

(8)

經過共軛對稱處理后進行IFFT，通過N點IFFT后用戶i的信號可表示為：

(9)

1.3 SIC檢測

為提高系統可靠性，本文在NOMA-DCO-OFDM系統中引入串行干擾消除(SIC)技術進行解調，檢測的過程如圖2所示。

圖2 SIC檢測原理圖Fig.2 SIC test schematic diagram

假設p1>p2。在SIC檢測時，按照用戶信道增益Hi從大到小的順序進行解調。第i個用戶發送的信號是Xi，用戶的功率為pi，對一個i用戶的NOMA應用場景來說，接收端信號可以表示為：

(10)

式(10)中，Pn表示噪聲，其功率譜密度為N0。圖2所示的雙用戶系統，根據設定的功率關系，首先將用戶2的信號看作噪聲，解調出用戶1的信號，然后從接收端的信號y中減去用戶1的信號，再解調出用戶2的信號。由于減去用戶1的信號后，系統存在的干擾僅為高斯白噪聲，因此用戶2的可靠性在理論上要高于用戶1。

2 非正交多址接入可見光通信系統及可靠性

系統考慮下行傳輸，LED發送包含用戶信息的信號，接收端采用SIC檢測，形成如圖3所示的基于NOMA-DCO-OFDM的VLC系統模型，并對系統的誤碼性能進行理論分析。

2.1 NOMA-DCO-OFDM系統模型

在基于DCO-OFDM的VLC系統基礎上，考慮環境中多用戶同時通信的需要，引入NOMA進行更合理與更高效的信道復用，根據信道增益對用戶進行功率分配，建立的NOMA-DCO-OFDM系統模型如圖3所示。

圖3所示系統模型中共有N個不同用戶。在發送端，將每個用戶所產生的二進制比特流進行M-QAM調制，然后依據式(7)所確立的N個用戶的信道增益關系，對用戶進行功率分配，然后將用戶進行疊加編碼。疊加編碼后的信號經DCO-OFDM調制后驅動LED進行通信信號傳輸。在接收端，經過光信道的可見光通信信號被光電探測器接收，將接收到的信號先進行解調，然后采用SIC檢測進行N個用戶之間的區分，最后將各用戶信息進行M-QAM解調形成接收二進制比特流。

圖3 基于NOMA-DCO-OFDM的VLC系統原理圖Fig.3 VLC system schematic diagram based on NOMA-DCO-OFDM

2.2 疊加編碼中的功率域復用方法

為實現功率域復用，并保證多用戶背景下的公平性，NOMA-DCO-OFDM系統根據用戶的信道增益并結合VLC系統的信道特性來進行用戶功率分配，假設用戶i的位置坐標為(xi,yi,0)，光源位置坐標為(x0,y0,z0)，根據式(3)可求得兩者之間的距離為：

(11)

結合式(7)與式(10)，計算出用戶i的信道增益為：

(12)

具體算法是按將所有i個用戶的信道增益進行降序排列，按下式進行功率分配：

(13)

式(13)中，pi表示第i個用戶的功率，α表示功率分配因子，且0≤α≤1，其具體值為：

(14)

由于用戶增益大的分配更多的功率，α為大于 0小于1的值[11]，也就是后者功率始終比前者大。

在功率域復用中，i個用戶經過星座映射與疊加編碼后的調制符號為：

(15)

2.3 系統誤碼性能分析

在實際應用中，當大功率用戶解調出錯后，總是會影響小功率用戶的解調，這就是誤碼傳播問題，在DCO-OFDM系統中，調制后的輸出信號x(l)可以用式(9)表示，用WDCO表示(N/2-1)×(N/2-1)維的等效傳輸矩陣，輸入信號的估計符號[12]可表示為：

(16)

(17)

用WNOMA表示(N-1)×(N-1)維的矩陣，輸入信號X(l)的估計符號可表示為：

(18)

(19)

式(19)中，erf( )為誤差函數，ΓSNR為信噪比[13]，如下式所示：

(20)

式(20)中，γ為光電轉換因子，假設γ=1 A/W；ρ為限幅尺度衰減因子；HE為歸一化信道增益；pi表示用戶的功率；σclip為限幅噪聲的標準差。

系統總的BER即所有用戶數據流BER的平均值[7]，即：

(21)

(22)

誤碼傳播會導致系統誤碼率的提高，用戶數量的增加使得功率劃分越來越細，導致解調時出現差錯的幾率增大，其結果是系統的誤碼率會變高。但對比式(21)與式(22)，可以看出NOMA的引入降低了DCO-OFDM系統的誤碼率。

3 仿真實驗與系統性能驗證

仿真環境的房間長、寬、高設置為6 m、6 m、4 m，在屋頂的中心安裝垂直于地面的LED，光電探測器位于地面，其他仿真參數如表1所示。

表1 可見光信道仿真參數

設定LED調制帶寬為5×107Hz，子載波帶帶寬為1.562 3×106Hz。本文在通信可靠性分析中，以雙用戶系統為例，將用戶1位置設置在邊緣處，用戶2位置設置在中心處，并通過計算出來的信道增益采用固定功率分配算法進行功率分配。在下行系統的并串轉換后，首先基于星座圖進行通信可靠性的定性分析，其次根據通信的誤碼率曲線進行可靠性的定量分析，仿真得到的接收端用戶1和用戶2星座圖如圖4所示。

圖4 解調之前用戶1和用戶2星座圖Fig.4 User 1 and user 2 constellation before demodulation

圖4中，用戶1和用戶2的功率分配比為2∶1。對圖4的用戶1和用戶2的星座圖進行分析可知，用戶1在被正確解調之后，用戶2的星座圖可以區分其信號是否正確。通過兩個用戶的星座圖可以看出，本文提出的NOMA解調方法能夠保證兩個用戶信號均可以被正確解調。

在基于誤碼率的可靠性定量分析中，采用蒙特卡洛方法進行誤碼率計算，雙用戶下的誤碼率仿真IFFT、FFT長度N=128。圖5為NOMA-DCO-OFDM系統在不同階次調制下的誤碼率曲線圖。在4QAM調制下，系統的可靠性和用戶公平性都較好，而隨著調制階次的增高，系統的BER性能隨之變差，用戶公平性也隨之變差，并且隨著信噪比的增大，BER會逐漸降低，最終趨于零。

圖5 不同調制階次下系統BER性能Fig.5 The system BER performance comparison when the modulation order changes

進一步，將NOMA-DCO-OFDM系統與DCO-OFDM系統在4QAM調制下的誤碼率性能進行對比，如圖6所示。

圖6 誤碼率性能Fig.6 Bit error rate performance curve

對誤碼率曲線進行分析可以看出，NOMA應用于VLC系統能夠提高通信的可靠性。在雙用戶的系統中，用戶1在誤碼率為10-4時，NOMA系統相較于OFDM系統有2.4 dB左右的性能提升；用戶2在誤碼率為10-4時，NOMA系統相較于OFDM系統有4.7 dB左右性能的提升。

由圖6還可以看出，NOMA系統中不論用戶1還是用戶2在通信可靠性上都高于OFDM系統，通信可靠性得到有效提升。圖7為光電探測器在不同角度下系統的誤碼率性能。

圖7 視場角變化的BER性能Fig.7 Comparison of BER performance with different FOV

由圖7可以看出，隨著FOV的增加，系統BER性能變差，這是因為接收器接收到的反射光信號越來越多，信道增益變大，但誤碼率都能達到10-4，并且也可以進一步說明不管用戶位于任何位置，NOMA的引入都可以提高通信可靠性，且用戶公平性能夠得到保證，驗證了理論推導。

4 結論

本文提出了基于非正交復用的可見光通信系統，該系統在發送端根據信道增益對用戶進行功率分配，在接收端利用串行干擾消除進一步提高可靠性。數值仿真結果表明，在VLC系統中引入NOMA，用戶1在誤碼率為10-4時有2.4 dB的性能提升，用戶2也有4.7 dB左右的性能提升，可靠性明顯提高，且用戶間誤碼率差異明顯低于基于DCO-OFDM系統的VLC系統，用戶公平性更加良好。