基于SSD的OFDM技术在可见光通信中的应用

李 红，杨 超

（1.湖北工业大学计算机科学与技术学院，武汉 430068；

2.华中科技大学a.计算机科学与技术学院；b.武汉国家光电实验室，武汉 430074）

基于SSD的OFDM技术在可见光通信中的应用

李 红1，2a，杨 超2b

（1.湖北工业大学计算机科学与技术学院，武汉 430068；

2.华中科技大学a.计算机科学与技术学院；b.武汉国家光电实验室，武汉 430074）

针对信道的衰落效应会大大影响通信速率和可靠性的问题，提出了一种基于SSD（信号空间分集）方案的OFDM（正交频分复用）调制技术解决方法，并通过实验证明了在可见光通信系统中，该方法可以使得在衰落环境中（9～24 dB）信道误码率得到0.7～1.3 dB的改善，并实现120～160 Mbit/s的物理数据速率。

室内白光LED；可见光通信；信号空间分集；正交频分复用

0 引 言

被誉为未来绿色照明之星的白光LED（发光二极管）具有效率高、功耗低和节能等特点，目前正逐渐取代传统照明灯具而被广泛地应用于室内照明。VLC（可见光通信）技术利用白光LED发出的人眼察觉不到的高速明暗闪烁信号来传输数据信息，是目前国内外光无线通信领域研究的热点之一。较之传统的无线通信技术，基于LED的VLC技术具有以下优点［1-2］：高带宽与高发射功率；不受频谱管制；无电磁干扰；对人体非常安全。

由于带宽的限制，一些高效的频谱调制技术，如OFDM（正交频分复用）技术，被广泛地应用于VLC系统中［3］。为了克服巨大的带外衰减，提高数据传输速率并且有效地利用调制带宽，在VLC系统中，也经常采用QAM（正交幅度调制）的DMT（离散多音调）技术以及比特和功率分配算法［4-6］。同时，在实际的VLC系统中，采用多个LED作为光源时会带来多径效应，从而引起频率选择性衰落，这会极大地降低系统的性能。为此，研究人员提出了多种技术解决方案，如STBC（空时块编码）技术和选择性合并技术，这两种技术都能克服多径效应带来的影响并且提高VLC系统的性能［7-8］。然而，所有这些方法都会增加系统的复杂性和带宽消耗。

在本文中，基于普通的市售白光LED，笔者利用SSD（信号空间分集）方案的OFDM调制技术实现了一个VLC系统。实验结果表明，在衰落信道环境下，较之传统的调制技术，基于SSD方案的OFDM调制技术可以有效地提高系统的性能。我们在不同的衰落环境下对速率为160 Mbit/s （16QAM）和120 Mbit/s（QPSK（正交相移键控））的两种情况分别做了实验，无论是在有限带宽衰落信道中，还是在频率选择性衰落信道中，在满足前向纠错码的误码上限为3.8E-3的条件下，采用SSD技术后系统的BER（误码率）性能可以提高0.7～1.3 d B，并且并不影响其带宽效率以及AWGN（加性高斯白噪声）信道的性能。因此，最大传输距离和多径延迟的容差都得到了有效的改善。

1 原理与实验装置设计

SSD是功能强大的带宽高效分集技术，它能在衰落信道中保持欧氏距离不变，并且能显著地提高分集增益，而不会引起AWGN信道的任何退化效应。SSD采用旋转信号星座图和交织技术，由于同相和正交相位同时交织，它们之间的相关性被破坏，分别经历独立的信道衰落，所以即使其中的一路经历了大幅衰减，接收机仍然可以恢复出信息并获得增益。

图1（a）给出了在发送端采用SSD技术产生OFDM信号的过程。输入数据流首先被映射到一个星座符号，经过串/并转换之后，信号星座即被旋转以达到更好的性能，接着被映射的符号的I/Q（同相正交）分量进行交错，之后发射端的信号处理过程与传统的OFDM过程相同。图1（b）展示了OFDM信号的数字信号处理过程。首先用FFT（快速傅里叶变换）算法将信号转换到频域，接下来的信道处理过程与相位噪声估计处理和传统OFDM处理过程相同，最后对信号进行解交织和旋转解调，并最终从比特流中去映射得到原始数据。

图1 利用SSD方案的OFDM调制技术示意图

VLC系统中利用SSD方案的OFDM信号实验装置如图2所示。图中表明，不管采用SSD方案与否，被用来传输的OFDM信号都由MATLAB程序离线生成，然后映射到16QAM或者QPSK星座图，继而使用AWG（任意波形发生器）以200 MS/s的速度产生射频信号。AWG输出的信号被电放大器放大（25 d B的增益），然后输出信号结合直流驱动LED工作。本实验中，LED光源由白光LED （Cree R5）组成，在有限带宽衰落信道实验环境下仅仅采用了一个光源，而在频率选择性衰落信道实验环境中采用了两个具有一定时延的光源。在接收端，用大有效面积的PD（光检测器，日本滨松硅光子S6968）作为接收模块，将一个滤镜放置在PD之前以滤除LED发出的黄光，并用一个玻璃透镜将光聚焦到PD的活动区域，然后接收到的信号依次通过电放大器和均衡器。最后信号被记录在高速示波器中，并被发送到远端的离线数字信号处理器中进行下一步的处理。

图2 VLC系统中利用SSD方案的OFDM信号实验装置示意图

2 仿真结果和分析

在本实验中，我们首先比较了在室内VLC系统中采用SSD方案和不采用SSD方案两种情况下OFDM调制的BER性能，采用16QAM和QPSK两种调制方法，占用带宽分别为40和60 MHz，速率分别为160和120 Mbit/s，选取的旋转角度分别为16.8和29°。

在真实的实验环境中，有限带宽系统响应的情况如图3所示。由图可见，在40和60 MHz两种带宽情况下的衰减分别为12和24 dB。而在频率选择性衰落信道中，两个LED之间的延迟在4～8 ns之间变化。如图4所示，在40 MHz带宽下，约有9 dB的衰减和8 ns的延迟；在60 MHz带宽下，约有21 dB的衰减和7 ns的延迟。

图3 有限带宽系统响应

在有限带宽衰落信道的实验中，传输距离以0.1 m为步长从1.2 m增加到1.6 m。在VLC系统中，使用SSD与不使用SSD两种情况下，处理16QAM OFDM和QPSK OFDM信号的BER与距离之间的对比关系如图5所示。在FEC（前向纠错码）误码上限为3.8E-3的范围内，采用SSD技术后，系统的BER性能在16QAM和QPSK两种调制方式下分别提高0.7和1.1 dB。

图4 信道响应的各种相对延迟

在频率选择性衰落信道的实验中，我们使用两个信号发生器来模拟实际的多径干扰环境。为了比较系统的BER性能，两者的信号源均被放置在距离PD为1.8 m的地方，且具有相同的接收SNR（信噪比）和0 ns的延迟。由图6（a）和图6（b）可以看出，在一定的频率选择性衰落信道中，使用SSD技术的OFDM的BER性能能够得到约1 dB（16QAM）和1.3 dB（QPSK）的改进。从以上结果中我们可以看到，SSD技术是应对衰落环境的有效方法，能获得分集增益，从而有效地提高系统的性能。

图6 使用SSD与不使用SSD时处理16QAM OFDM和QPSK-OFDM信号的BER与延迟之间的对比

3 结束语

本文通过实验论证了利用SSD技术进行OFDM调制的方案可应用于实际的基于白光的室内VLC系统中。采用SSD方案，即使在急剧衰落环境下，系统仍可获得160 Mbit/s（16QAM）和120 Mbit/s（QPSK）的物理数据速率。与不采用SSD方案的OFDM调制相比，在满足FEC误码上限为3.8E-3的条件下，误码率性能可得到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.

［2］ Grubor J，Randel S，Langer K D，et al.Broadband Information Broadcasting Using LED-Based Interior Lighting［J］.Journal of Lightwave Technology，2008，26（24）：3883-3892.

［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

国家自然科学基金资助项目（61170135）

李红（1981-），女，湖北武汉人。讲师，博士，主要从事计算机体系结构和集成电路的研究工作。