基于MIMO-OFDM技术的室内可见光通信研究

     基于白光发光二极管的可见光通信技术，可以同时实现照明和无线通信，是一种绿色节能、频谱资源更宽、可移 动的接入方式，适用于各种场合，绿色环保而且没有电磁干 扰。因此，本文研究基于MIMO-OFDM技术的室内可见光通信系统的原理，研究MIMO和OFDM技术的优势，通过空 分复用提高系统的传输速率和稳定性，实现系统的算法仿 真，分析了MIMO-OFDM应用于可见光通信的前景。

1 室内可见光通信系统的组成
基于白色可见光的无线通信系统主要包括发射部分、 传输部分和接收部分。将原始的二进制数据经过预处理和编 码调制后，驱动LED，对LED进行强度调制，将电信号转换 成光信号。接收端通过集中器将光信号聚焦到光电探测单元 上，转换成电信号，然后对电信号进行处理、解调、解码等 过程。

2 OFDM技术研究
2.1  OFDM的技术优势正 交 频 分 复 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

图1  OFDM系统组成框图    

图2  OFDM应用于可见光通信物理层框图
Multiplexing，OFDM）技术以及基于正交频分复用调制的多
址接入技术成为下一代移动通信的核心技术之一，OFDM表 现出来的优势使得OFDM技术在无线通信领域被广泛应用。
2.2  OFDM的系统基本构成
OFDM调制技术是多载波传输技术的一种实现方式， 利用快速傅里叶变换和快速傅里叶逆变换分别实现解调和调 制，是应用比较广泛而且实现复杂度较低的一种多载波调制 技术。OFDM的系统基本构成如图1所示。
2.3 OFDM应用于可见光通信
OFDM技术应用于室内可见光通信物理层的原理框图 如图2所示。系统采用卷积编码FEC技术来实现数据保护， 通过使用时间和频率交织算法实现突发错误保护，然后经过 PSK或M-QAM调制，将串行输出数据变成并行数据。由于 OFDM输出的基带信号用来调制LED的亮度，所以基带信号 不能是复数，所以输入到IFFT的序列要满足Hermitian对称 性。IFFT用在OFDM系统中减少了DMT（ Discrete Multiple Tone）系统对多个振荡器的需求。产生的OFDM符号加上循 环前缀（CP）降低由多径引起的符号间干扰，而且因为循 环前缀将原先的线性卷积变成了循环卷积，在接收端只需要 简单的频域均衡器就可以把信号解调出来。经过OFDM调制后的信号包络是双极性的，而光的强 度不能为负，所以在驱动LED时需要加 直 流 偏 置 。 由 于LED的非线性影 响，考虑到OFDM 的峰均比比较高，在选择偏置电流时要 非 常 注 意 ，
可 以 适 当 进 行 信 号 限 幅 处理。
在 接 收 端 ， 通 过 使 用 导 频 和 训 练 队 列 来 实 现 信 号 时 域 的 同 步 和 信 号 的 均 衡 ， 然 后 移 去 保 护 间 隔 ， 通 过
FFT将信号变换到频域然后通过反映射、反向交织和维特比解码出原始信号。

3 MIMO运用于光通信
多输入多输出（MIMO）技术可以显著地降低系统的 误码率和抑制信道衰落的影响，MIMO技术在无线通信中被 广泛应用，由于散射和通道的相互干扰在接收端需要进行 去相关。在可见光通信系统中主要采用强度调制和直接检 测（IM/DD）方法，所以在大多数情况下不需要去相关操 作，当传输距离比较远时由于湍流和散射的作用，在接收 端需要进行去相关操作。LED用于可见光通信主要的缺点是 调制带宽有限，通常只有几兆赫兹。但是室内照明通常使 用LED阵列，而用MIMO技术可以实现并行通信提高通信速 率，MIMO技术可以解决接收者在光通信覆盖的范围内移动 的难题。

图3   MIMO-OFDM无线光通信的框架图

4 MIMO-OFDM应用于可见光通信的研究

图4   4-PPM调制与MIMO-OFDM调制在不同信噪比下的误码率对比

图5    OFDM调制与MIMO-OFDM调制在不同信噪比下的误码率对比

图6  ZF准则和最小均方误差准则检测算法的性能比较

4.1 系统仿真设计
图3是一个MIMO-OFDM技术应用在室内可见光通信的 典型系统，系统主要由数字调制解调模块、MIMO收发模 块、OFDM调制解调模块和信道组成。
OFDM模块在发送端对QPSK调制后的数据进行处理， 调制后，由频域的信号变成时域信号而且各子载波相互正 交，在通信速率不变的情况下，可大大降低码流速率，并且 经过OFDM调制后的各个码元之间都加有保护间隔，从而有 效降低了多径效应带来的码间串扰问题。在接收端，OFDM 解调模块负责对MIMO输出的信号进行解调，将并行的数据 解调成串行的数据。
MIMO模块在发送端负责对OFDM符号分组发射，为了 提高通信效率，多个LED同时发送不同的OFDM符号。在接 收端用成像式接收方法接收信号，将内容解析出来，在接收 端分别采用ML（最大似然）检测法和ZF（破零）准则检测算法。

4.2 仿真分析
用 不 同 的 调 制 方 式 在 不 同 的 信 噪 比 的 情 况 下 ， 传 输 大量的数据来计算系统的误码率。仿真方式采用三种仿真 模式， 4-PPM调制方式、 OFDM调制方式、 MMSE检测的 MIMO-OFDM调制技术方式，在通信速率相同的情况下比较 三种通信模式在不同的信噪比情况下的误码率。
通过仿真得到可见光通信系统在这三种不同的调制模 式下的误码率随信噪比变化的情况，具体数据如表（1）所 示。从表1和图4、图5可以看出基于PPM调制通信系统的误 码率远高于基于OFDM和MIMO-OFDM的系统的误码率。在 码元周期方面看，在相同的传输速率下OFDM的码元周期远 大于PPM的码元周期，本仿真中OFDM的子载波数为31，而
4-PPM调制方式的信号持续时间只有码元周期的1/4，所以 在相同的传输速率下4-PPM的码元周期是OFDM的1/31，而 采用MIMO-OFDM调制方式的系统，在充分利用MIMO的空 间复用增益基础上，MIMO-OFDM的码元周期为OFDM的2 倍。因为较低比特速率可以减少由多径干扰带来的影响，而 且OFDM优异的抗噪声干扰能力使得系统的误码率很低。
在MIMO-OFDM系统中，MIMO接收端检测算法的效率 高低、性能优劣直接影响整个系统的性能，图6针对MIMO 接收端的检测算法进行了仿真比较，MIMO接收端的检测算 法也影响系统的通信性能，通过仿真对比了破零（ZF）准则检测算法和最小均方根误差（MMSE）检测算法，在4×4
的MIMO系统中，在不同的信噪比下的误码率情况，从仿真 的结果看，最小均方误差检测算法优于破零准则检测算法， 主要是因为在ZF检测算法中，在检测接收数据的过程中， 将接收到的噪声也放大了。在实际的应用中通常采用MMSE 准则检测算法在MIMO接收端检测数据。

5 结束语
本文主要研究的是基于MIMO-OFDM的室内可见光通 信应用技术，是一种节能环保而且具有超高带宽的通信技 术。可见光通信利用发光二极管的高速明灭来传递信号，在 室内被光线照到的地方都可以实现信息的传输，同时实现了 信息的高速传输和室内照明。
本 文 设 计 了 基 于 M I M O - O F D M 技 术 的 可 见 光 通 信 系
统，分析仿真了MIMO-OFDM调制技术和PPM调制技术在 相同的信道环境下的误码率情况，MIMO采用2发2收的天线 阵列，较之传统的单天线收发系统，系统容量提高了2倍， 而且在发送端通过空时编码，可以增加系统的信息分集增 益。MIMO的检测算法有最大似然（ML）检测算法、破零
（ZF）准则检测算法和最小均方误差检（MMSE）测算方 法，本文仿真对比了MMSE和ZF检测信息的误码率情况，分 析得出MMSE检测算法具有更高的检测性能。