趙 黎 何歡潔 孟祥艷 王 寧

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021)

1 引言

發(fā)光二極管(Light Emitting Diode， LED)具有綠色節(jié)能[1]、廣闊的頻譜資源和易空間復(fù)用等優(yōu)勢[2]，正交頻分復(fù)用技術(shù)(Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM)[3]同可見光通信系統(tǒng)結(jié)合[4]能夠有效利用頻譜資源，成倍地提升通信效率而成為未來通信的關(guān)鍵技術(shù)之一[5]，但是其峰均功率比(Peak-to-Average Rower Ratio， PAPR)較高和易受多徑干擾[6]等因素降低了系統(tǒng)性能[7]。研究發(fā)現(xiàn)在DCO-OFDM(DC-bias Optical-Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系統(tǒng)引入索引調(diào)制(Index Modulation， IM)[8]，不僅將星座調(diào)制信息加載到激活載波，同時承載索引位置信息[9]，剩余部分保持沉默，利用信號間稀疏性減小頻率偏移降低峰均比，提升系統(tǒng)性能[10]。

對此，文獻[11]提出了激活少量子載波的索引調(diào)制系統(tǒng)，大大降低了系統(tǒng)峰均比；文獻[12]提出了對OFDM-IM系統(tǒng)激活子載波的星座調(diào)制符號實部和虛部分別索引，利用頻域分集效應(yīng)改善了系統(tǒng)誤碼性能，進一步提升了系統(tǒng)頻譜效率；文獻[13]提出了對OFDM-IM系統(tǒng)發(fā)射機進行改進，以此降低接收端運算復(fù)雜度，并對子載波進行分塊處理，提高了系統(tǒng)的頻譜效率；文獻[14]提出了利用靜默子載波和激活子載波發(fā)送OFDM-IM信號，增加系統(tǒng)容量，但當(dāng)信道衰落嚴(yán)重時，對系統(tǒng)誤碼性能造成嚴(yán)重影響。

上述文獻各具優(yōu)勢，但在各個分塊中激活載波組合隨機選取，使系統(tǒng)誤碼性能提升不明顯。為此，本文對基于索引調(diào)制的DCO-OFDM系統(tǒng)誤碼率進行分析，依據(jù)其誤碼率與激活子載波歐氏距離之間的關(guān)系，提出了基于組合索引與歐氏距離相結(jié)合的信號映射約束模型，采用最大化激活載波的最小歐氏距離對子載波進行分塊組合索引，進一步改善系統(tǒng)性能。

2 DCO-OFDM-IM系統(tǒng)模型

圖1 DCO-OFDM-IM模型

對時域信號X添加循環(huán)前綴以減小碼間干擾的影響，接收端檢測到DCO-OFDM-IM序列估計值，經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換，去循環(huán)前綴，F(xiàn)FT等一系列操作，得到頻域信號，OFDM-IM數(shù)據(jù)分塊器將頻域信號分為G塊，解調(diào)相應(yīng)星座比特與索引比特，最后合并得到原始信號。

2.1 信號映射約束模型

在每個子塊中，子載波索引序號k和自然數(shù)映射并利用載波組合發(fā)送數(shù)據(jù)，索引序號與自然數(shù)對應(yīng)依次遞減形成索引序列R。

索引序列R可由長度為k的整數(shù)Z得到，任何Z元素都屬于[ 1，C(L，k)]范圍內(nèi)。

如果選擇索引序列為[ 1，3]，代表位置1和3的子載波被激活，攜帶索引比特為[ 0，1]，經(jīng)映射后信號子塊為[Xi，0，Xj，0]T，其中，零元素表示此位置載波未被激活。在表1中，有兩種歐氏距離相差較近的組合被舍棄，索引序列與索引比特之間是對應(yīng)關(guān)系。

表1 基于最大化最小歐氏距離算法的OFDM-IM映射表

2.2 信號檢測

在發(fā)送端，信息比特被分為索引比特和調(diào)制比特，整合為OFDM-IM子塊后，經(jīng)過可見光多徑信道，由光電檢測器接收，接收信號為

接收端從輸出信號中檢測出正確的發(fā)送信號目前最常使用的方法是ML檢測算法，也稱最大似然檢測算法，主要通過遍歷搜索所有可能發(fā)送的信號，即利用這種窮盡搜索檢測索引組合及調(diào)制符號，尋找最小化索引子載波和調(diào)制符號之間的歐氏距離，他們就是系統(tǒng)此刻最有可能的索引子載波和星座符號。

3 理論誤碼率分析

4 仿真分析

為了驗證本文算法的性能，采用蒙特卡羅方法，對DCO-OFDM和DCO-OFDM-IM系統(tǒng)在BPSK，QPSK， 8PSK調(diào)制階數(shù)下的系統(tǒng)性能分別進行理論計算及仿真驗證，參數(shù)設(shè)置為：OFDM符號數(shù)為2048，子載波數(shù)N=256，有效子載波數(shù)為128，循環(huán)長度為16，載波分塊數(shù)G=64，每塊包含子載波數(shù)L=4，每次激活載波數(shù)k=2。結(jié)果如圖2所示，可以看出：(1)當(dāng)調(diào)制階數(shù)一定時，DCO-OFDMIM系統(tǒng)可靠性優(yōu)于DCO-OFDM，在QPSK調(diào)制條件下，當(dāng)誤碼率為10–3，DCO-OFDM-IM所需信噪比比DCO-OFDM改善了約2 dB；(2)當(dāng)信噪比較小時，DCO-OFDM-IM的仿真誤碼率略高于理論誤碼率，但當(dāng)信噪比增大時，二者漸漸重合；(3)當(dāng)分塊數(shù)G一定時，隨著調(diào)制階數(shù)的增加，DCO-OFDMIM的頻譜效率提升，但系統(tǒng)誤碼率有所損失，這是因為調(diào)制階數(shù)越高，星座圖復(fù)雜度變大增加系統(tǒng)解調(diào)的誤判率，當(dāng)信噪比為30 dB時，8PSK的誤碼率性能比BPSK誤碼率性能約損失10 dB，但頻譜效率增加了0.5 bps/Hz。

圖2 OFDM和OFDM-IM在不同調(diào)制階數(shù)理論誤碼率和仿真誤碼率

圖3為在QPSK調(diào)制階數(shù)下，采用基于組合索引與歐氏距離相結(jié)合的信號映射算法與隨機載波組合映射算法誤碼性能對比圖，可以看出：(1)相對于隨機選取載波組合而言，采取組合索引與歐氏距離相結(jié)合的算法系統(tǒng)誤碼性能改善更明顯，當(dāng)誤碼率為10–3，采用組合算法時，較隨機選取載波組合系統(tǒng)所需信噪比平均改善約2 dB；(2)當(dāng)激活子載波數(shù)k一定時，分塊數(shù)G越多，每塊包含子載波數(shù)L越小，系統(tǒng)誤碼性能越好，當(dāng)誤碼率為10–3，采用組合算法時，激活子載波數(shù)k為1時，每塊包含載波數(shù)L=8比L=2所需信噪比改善了約4 dB；(3)每塊包含的子載波數(shù)L一定時，激活子載波數(shù)k越小系統(tǒng)誤碼性能越好，當(dāng)誤碼率為10–3時，每塊包含子載波數(shù)為L=8時，激活載波數(shù)為k=1比k=7所需信噪比改善了約10 dB。

圖3 不同組合數(shù)下DCO-OFDM-IM系統(tǒng)誤碼率

采用限幅法(Clipping)對DCO-OFDM和DCOOFDM-IM進行峰均功率比驗證，設(shè)置門限為6 dB，從圖4可以看出，相比于DCO-OFDM系統(tǒng)，DCOOFDM-IM系統(tǒng)峰均功率比性能更優(yōu)越。這是因為在DCO-OFDM系統(tǒng)中，輸出端是子載波信號相互疊加，如果不同的子載波在正交空間中相位一致時，會產(chǎn)生高的峰均功率比。但是在DCO-OFDM-IM系統(tǒng)中，不是所有的子載波都參與信號傳輸，可以有效降低峰均功率比。當(dāng)互補累積分布函數(shù)(Complementary Cumulative Distribution Function，CCDF)為10–1時，(4，2)OFDM-IM系統(tǒng)原始信號的峰均功率比比OFDM下降約2.4 dB，L=4，k=1比L=4，k=2峰均功率比降低了約0.5 dB；采用限幅法抑制系統(tǒng)峰均功率比，當(dāng)CCDF為10–1時，(4，1)OFDM-IM系統(tǒng)峰均功率比比OFDM下降約0.8 dB。

圖4 OFDM和OFDM-IM系統(tǒng)峰均功率比性能

表2 系統(tǒng)頻譜效率對比與運行時間對比

5 結(jié)束語

利用索引調(diào)制的信號疏松性特征，提出了適用于可見光的OFDM-IM系統(tǒng)索引調(diào)制方案，推導(dǎo)出理論誤碼率，與傳統(tǒng)可見光OFDM系統(tǒng)在可靠性及峰均比等方面相比，本文所提系統(tǒng)性能更優(yōu)越。在每塊包含載波數(shù)L=4，激活載波k=2及調(diào)制階數(shù)為4情況下，誤碼率為10–3時，DCO-OFDM-IM比DCO-OFDM系統(tǒng)信噪比提升約2 dB增益；采用基于組合索引與歐氏距離相結(jié)合信號映射模型，DCO-OFDM-IM系統(tǒng)較隨機選取載波所需信噪比平均改善約2 dB；在峰均功率比方面，DCO-OFDMIM比DCO-OFDM系統(tǒng)性能更好。在實際系統(tǒng)中，可以根據(jù)信道狀態(tài)靈活選擇每組激活子載波數(shù)量，當(dāng)信道狀態(tài)較差時，選擇激活較少子載波保證系統(tǒng)誤碼率性能，當(dāng)信道狀態(tài)良好時，選擇激活較多子載波使系統(tǒng)攜帶更多信息。本文采用基于DCOOFDM-IM通信系統(tǒng)比傳統(tǒng)OFDM具有更加靈活的子載波選擇方案，可有效提升發(fā)展未來可見光應(yīng)用前景。