基于智能反射表面的无线光MIMO通信系统LED数目调制方法

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基于智能反射表面的无线光mimo通信系统led数目调制方法
技术领域
1.本发明涉及无线光通信技术，具体涉及一种基于智能反射表面的无线光mimo通信系统led数目调制方法。

背景技术：

2.作为射频无线通信的互补，无线光通信(owc)技术具有频谱资源丰富、无电磁干扰等优点，受到了学术界和工业界的广泛关注。通常，发光二极管(led)被作为owc系统的发射机，但是其调制带宽相对较小，限制了owc系统的容量。迄今为止，许多系统容量提高技术也被提出，其中多输入多输出(mimo)和正交频分复用(ofdm)被认为是最有效的提升系统容量的技术。现有mimo方案主要包括光空间调制(osm)、光空间多路复用(osmp)、广义光空间调制(gosm)和广义光空间多路复用(gosmp)。其中，osm方案从所有led中选择一个用于星座信息的传输；对于osmp方案而言，所有的led都用于传输不同的星座信息；gosm方案则从所有led中选择多个led去传输星座信息；同样地，对于gosmp而言，从所有led中选择多个led去传输不同的星座信息。
3.然而，以上涉及的所有mimo方案在选择传输星座信息的led时都是固定选择，即没有考虑用户的位置信息。当用户和所选led相对距离比较远时，所获得的分集或复用增益就非常小，解码时的误码率就相对较高。同时，传统mimo方案每个时隙所选择的led数目是固定的，因此灵活性比较低。

技术实现要素：

4.基于上述需求，本发明的目的在于提出一种基于智能反射表面的无线光mimo通信系统led数目调制方法，解决传统的osm、osmp等技术在选择led进行传输星座信息问题上没有考虑用户位置信息的问题。
5.为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
6.一种基于智能反射表面的无线光mimo通信系统led数目调制方法，其关键在于，包括以下步骤：
7.s1：设置多个led发射机与多个pd接收机，在多个led发射机与多个pd接收机之间设置有镜面反射器，所述镜面反射器采用智能反射表面控制使其对应链路的信道增益增加；
8.s2：需要传输数据时，将输入比特流分为两部分，一部分用于星座映射得到星座符号向量；另一部分根据预设的空间映射表和用户的位置自适应的选择led激活模式，生成led激活模式向量；
9.s3：采用基于分集的led数目调制或基于分组多路复用的led数目调制映射后得到发射信号，然后执行并行的ofdm调制、数模转换以及加直流偏置操作；
10.s4：pd接收机将接收的光信号转化为电信号，然后执行并行的模数转换、迫零均衡以及ofdm解调，得到发射信号的估计；
11.s5：对估计出的发射信号进行能量检测，分别生成星座符号向量和空间符号向量的估计值
12.s6：通过星座解映射和空间解映射得到最终的输出比特流。
13.可选地，步骤s2中选择led激活模式时，先计算每个led对应各个pd接收机的信道增益和的平均值，然后根据得到的平均增益逆序排列顺序选择对应的led进行激活。
14.可选地，步骤s5中能量检测步骤包括：
15.s51：计算所使用的正交幅度调制阶数所对应星座符号集合中的最小能量值和估计出的发射信号的二范数值；
16.s52：进行n次遍历，n为pd接收机的数量，将每个pd接收机估计出的发射信号的二范数值和最小能量值的一半进行比较；
17.如果二范数值大于最小能量值的一半，则表示该索引对应的led发射机被激活并且根据该索引和发送信号向量的估计可以得到对应所传星座符号的估计；反之，则表示该索引对应的led发射机未被激活；
18.s53：针对基于分集的led数目调制系统而言，将所得的每个时隙的星座符号估计执行最大比合并生成最终的星座符号向量估计值。
19.可选地，针对基于分组多路复用的led数目调制系统而言，具体包括：
20.s31：将连续的4个时隙看成一个整体，每个时隙来自基于分集的led数目调制映射模式中的一种且互不相同，4个时隙就包含4种不同的led激活模式；
21.s32：进行排列组合，保证每4个时隙所传输的总的星座比特数相等。
22.可选地，led发射机与pd接收机分别设置有4个，且呈2
×
2阵列排布。
23.可选地，在步骤s2生成led激活模式向量后，通过控制所述镜面反射器使其被激活led发射器所对应的链路信道增益增加。
24.本发明的效果是：
25.本发明提出的一种基于智能反射表面的无线光mimo通信系统led数目调制方法，能够根据用户的位置自适应的选择led，能够获得更多的分集或复用增益；且在选择传输星座信息的led数目时，每个时隙是可变的，提高了系统的灵活性，同时在智能反射表面的帮助下，系统能够获得更高的信道增益。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
27.图1为实施例1中基于分集的led数目调制系统原理框图，其中图1(a)为发射端原理框图，图1(b)为接收端原理框图；
28.图2为实施例1中基于分集的led数目调制系统空间映射表；
29.图3为实施例2中基于分组多路复用的led数目调制系统原理框图，其中图3(a)为发射端原理框图，图3(b)为接收端原理框图；
30.图4为实施例2中基于分组多路复用的led数目调制系统空间映射表；
31.图5为led选择原理对比图；
32.图6为镜面反射器中智能反射表面的工作原理图。
具体实施方式
33.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
34.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
35.实施例1：
36.本实施例提供了一种基于智能反射表面的无线光mimo通信系统led数目调制方法，如图1所示，系统一共包含n个pd接收机和n个led发射机，对于空间映射而言，只有可变的nc个(1≤nc≤n)led发射机被激活去传输星座信息，具体包括以下步骤：
37.s1：设置多个led发射机与多个pd接收机，在多个led发射机与多个pd接收机之间设置有镜面反射器，镜面反射器采用智能反射表面控制使其对应链路的信道增益增加；
38.s2：需要传输数据时，将输入比特流分为两部分，一部分用于星座映射得到星座符号向量b；另一部分根据预设的空间映射表和用户的位置自适应的选择led激活模式，生成led激活模式向量c；本例中的空间映射表如图2所示；在选择led激活模式时，先计算每个led发射机对应各个pd接收机的信道增益和的平均值，然后根据得到的平均增益逆序排列顺序选择对应的led进行激活。
39.以led发射机与pd接收机分别设置有4个，且呈2
×
2阵列排布为例，自适应的选择led原理如图5(b)、图5(d)、图5(f)和图5(h)所示，先计算每个led发射机对应4个pd接收机的信道增益和的平均值，然后对得到的平均值进行逆序排序，即平均增益最大的在前面，接着根据得到的平均增益逆序排列顺序对led发射机重新进行排序，即图5(b)、图5(d)、图5(f)和图5(h)中各个led发射机外侧的数字顺序，最后根据这个顺序即可做出自适应的led选择。
40.s3：经过基于分集的led数目调制映射后得到发射信号，然后执行并行的ofdm调制、数模转换以及加直流偏置操作；
41.假设b表示需要传输的星座符号，c＝[1,1,0,0]表示经过空间映射后所得的led激活模式，则执行基于分集的led数目调制(lnm)映射后的发送信号s可以表示为s＝[b,b,0,0]。
[0042]
s4：经过信道传输后，pd接收机将接收的光信号转化为电信号，然后执行并行的模数转换、迫零均衡以及ofdm解调，得到发射信号的估计
[0043]
s5：对估计出的发射信号进行能量检测，分别生成星座符号向量和空间符号向量的估计值；具体实施时，能量检测步骤包括：s51：计算所使用的正交幅度调制阶数所对应星座符号集合中的最小能量值和估计出的发射信号的二范数值；
[0044]
s52：进行n次遍历，n为pd接收机的数量，将每个pd接收机估计出的发射信号的二范数值和最小能量值的一半进行比较；
[0045]
如果二范数值大于最小能量值的一半，则表示该索引对应的led发射机被激活并且根据该索引和发送信号向量的估计可以得到对应所传星座符号的估计；反之，则表示该索引对应的led发射机未被激活；
[0046]
s53：将所得的每个时隙的星座符号估计执行最大比合并生成最终的星座符号向
量估计值。
[0047]
s6：通过星座解映射和空间解映射得到最终的输出比特流。
[0048]
从图2可以看出，以信息比特“01”为例，表示led#1和led#2被激活用于传输星座符号信息，其它的led仅用于照明，由映射表可以发现提高了系统的灵活性，间接提升了分集增益。
[0049]
实施例2：
[0050]
对于传统的多路复用的lnm系统而言，由于每个时隙的led激活模式是可变的，即每个时隙所选择的led数目是变化的，因此，对应每个时隙传输的星座比特也是可变的，这会导致在接收端解码时发生错误。在实施例1的基础上，为了提升系统的频谱效率，本实施例提出一种分组多路复用的lnm系统，如图3所示，本实施例与实施例1的主要区别在于：步骤s3中采用分组多路复用的led数目调制系统，具体包括：
[0051]
s31：将连续的4个时隙看成一个整体，每个时隙来自基于分集的led数目调制映射模式中的一种且互不相同，4个时隙就包含4种不同的led激活模式；
[0052]
s32：进行排列组合，保证每4个时隙所传输的总的星座比特数相等。
[0053]
针对实施例1提及的基于分集的led数目调制映射和实施例2提及的基于分组多路复用的led数目调制映射而言，其不同点主要在于：基于分集的led数目调制映射是选择的led传输相同的星座符号，而基于分组多路复用的led数目调制技术选择的led是传输不同的星座符号。主要相同点或相似点在于：基于分组多路复用的led数目调制系统所采用的空间映射表是对基于分集的led数目调制系统空间映射表的扩展，每个时隙来自分集空间映射表中的一种，4个时隙互不相同就包含了所有情况，然后进行组合就得到了分组多路复用的空间映射表。
[0054]
如图3所示，在本实施例中，该系统一共包含n个pd接收机和n个led发射机。首先输入比特被分为两部分，一部分根据图4所示的分组空间映射表和用户的位置自适应的选择led激活模式，生成每个时隙的led激活模式向量c。同样地，自适应的选择led原理如图5(b)、图5(d)、图5(f)和图5(h)所示，具体算法描述和实施例1中基于分集的lnm系统相同。假设b1和b2表示需要传输的星座符号，c＝[1,1,0,0]表示经过分组空间映射后所得的某个时隙的led激活模式，则执行分组多路复用的lnm映射后的发送信号s可以表示为s＝[b1,b2,0,0]。然后执行并行的ofdm调制、数模转换以及加直流偏置操作。经过信道后，光信号被pd检测转换为电信号，然后经过并行模数转换、执行迫零均衡以及并行ofdm解调后得到对发送信号的估计接着对估计的信号执行能量检测。具体的基于能量的检测器的算法和前文所述基于分集的lnm系统相同。最后经过分组空间解映射、星座解映射以及并串转换即可得到输出比特流。
[0055]
从图4可以看出，该映射关系是将4个时隙看成一个整体，而每个时隙只包含一种led激活模式，目的是保证每4个时隙所传输的总的星座比特相等。以信息比特“0001”为例，表示在t1时隙led#1被激活，t2时隙，led#1和led#2被激活，t3时隙，所有led都被激活，t4时隙，led#1、led#2和led#3被激活，激活的led用于传输星座信息，未被激活的led则仅用于照明。
[0056]
结合图5可以看出，图5(a)、图5(c)、图5(e)和图5(g)展示了传统技术的led选择原理。即当led的排列顺序初始化后不管用户在哪个位置，led的选择顺序就固定了。图5中n代
表led的个数，nc代表激活的led个数。图5(b)、图5(d)、图5(f)和图5(h)表示按本发明提出的方法所使用的自适应led选择工作原理。它会根据用户的位置自适应的选择led。
[0057]
在实施例1和实施例2中，在步骤s2生成led激活模式向量后，可以通过控制所述镜面反射器使其被激活led发射器所对应的链路信道增益增加。
[0058]
以图6所示智能反射表面为例，假如每块镜面反射器只服务于对应的led发射机和pd接收机之间的链路，用于增强对应链路的信道增益。从图6可以看出，镜面反射器p只服务于led r和pd r，其它的反射光即为干扰。通常智能反射表面被视为点光源。根据斯涅尔反射定律，led所反射的光可认为是其镜像对称的led所发出的光并且其衰减被视为乘性衰减。因此，由led到pd的反射间距被视为是由led到镜面反射器几何中心的距离加上镜面反射器到pd的间距。综上，由智能反射表面所获得的额外信道增益大小可以表示为：
[0059][0060]
其中，δ表示镜面反射器乘性衰减系数，m表示朗伯辐射阶数，ρ表示pd接收机的响应度，a表示pd接收机的激活区域，d
pr
表示led r到镜面反射器p的距离，d
rp
表示镜面反射器p到pd r的距离，表示辐射角，θ表示入射角，ts(θ)表示光滤波器增益，g(θ)表示光学透镜增益。对于传统的视距链路增益大小可表示如下：
[0061][0062]
其中，d
rr
表示led r和pd r的距离，因此，智能反射表面的引入能够显著增强基于分集的lnm技术和基于分组多路复用的lnm技术的传输性能。
[0063]
对于传统的无线光mimo系统而言，我们仅考虑了视距链路，因为漫反射分量远小于视距链路，几乎对系统没有影响，因此通常不考虑。在本发明中，我们引入了智能反射表面，通常智能反射表面被假设为点光源，并且根据斯涅尔反射定律知，led反射的光可认为是由其镜像对称的led所发出的光并且其衰减被视为乘性衰减。因此，用户可以借助智能反射表面获得额外的信道增益，从而达到增强本发明的作用。
[0064]
综上可以看出，本发明提出的一种基于智能反射表面的无线光mimo通信系统led数目调制方法，解决了传统的osm、osmp等技术在选择led进行传输星座信息问题上没有考虑用户位置信息的问题，本发明能够根据用户的位置自适应的选择led，从而获得更多的分集或复用增益，同时，由于每个时隙所选的led数目是可变的，可以解决系统的灵活性问题，最后，智能反射表面的引入解决了信道增益获取不充分问题，通过使用智能反射表面，用户能够获得由智能反射表面所产生的额外信道增益。
[0065]
最后需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，这样的变换均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

技术特征：

1.一种基于智能反射表面的无线光mimo通信系统led数目调制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：设置多个led发射机与多个pd接收机，在多个led发射机与多个pd接收机之间设置有镜面反射器，所述镜面反射器采用智能反射表面控制使其对应链路的信道增益增加；s2：需要传输数据时，将输入比特流分为两部分，一部分用于星座映射得到星座符号向量；另一部分根据预设的空间映射表和用户的位置自适应的选择led激活模式，生成led激活模式向量；s3：采用基于分集的led数目调制或基于分组多路复用的led数目调制映射后得到发射信号，然后执行并行的ofdm调制、数模转换以及加直流偏置操作；s4：pd接收机将接收的光信号转化为电信号，然后执行并行的模数转换、迫零均衡以及ofdm解调，得到发射信号的估计；s5：对估计出的发射信号进行能量检测，分别生成星座符号向量和空间符号向量的估计值；s6：通过星座解映射和空间解映射得到最终的输出比特流。2.根据权利要求1所述的基于智能反射表面的无线光mimo通信系统led数目调制方法，其特征在于，步骤s2中选择led激活模式时，先计算每个led对应各个pd接收机的信道增益和的平均值，然后根据得到的平均增益逆序排列顺序选择对应的led进行激活。3.根据权利要求1所述的基于智能反射表面的无线光mimo通信系统led数目调制方法，其特征在于，步骤s5中能量检测步骤包括：s51：计算所使用的正交幅度调制阶数所对应星座符号集合中的最小能量值和估计出的发射信号的二范数值；s52：进行n次遍历，n为pd接收机的数量，将每个pd接收机估计出的发射信号的二范数值和最小能量值的一半进行比较；如果二范数值大于最小能量值的一半，则表示该索引对应的led发射机被激活并且根据该索引和发送信号向量的估计可以得到对应所传星座符号的估计；反之，则表示该索引对应的led发射机未被激活；s53：针对基于分集的led数目调制系统而言，将所得的每个时隙的星座符号估计执行最大比合并生成最终的星座符号向量估计值。4.根据权利要求1-3任一所述的基于智能反射表面的无线光mimo通信系统led数目调制方法，其特征在于，针对基于分组多路复用的led数目调制系统而言，具体包括：s31：将连续的4个时隙看成一个整体，每个时隙来自基于分集的led数目调制映射模式中的一种且互不相同，4个时隙就包含4种不同的led激活模式；s32：进行排列组合，保证每4个时隙所传输的总的星座比特数相等。5.根据权利要求4所述的基于智能反射表面的无线光mimo通信系统led数目调制方法，其特征在于，led发射机与pd接收机分别设置有4个，且呈2
×
2阵列排布。6.根据权利要求1所述的基于智能反射表面的无线光mimo通信系统led数目调制方法，其特征在于，在步骤s2生成led激活模式向量后，通过控制所述镜面反射器使其被激活led发射器所对应的链路信道增益增加。

技术总结

本发明提供一种基于智能反射表面的无线光MIMO通信系统LED数目调制方法，在多个LED发射机与多个PD接收机之间设置有镜面反射器；当需要传输数据时，输入比特流一部分用于星座映射；另一部分根据预设的空间映射表和用户的位置自适应选择LED激活模式；接着基于分集或分组多路复用的LED数目调制得到发射信号；PD接收机执行并行的模数转换、迫零均衡、OFDM解调，得到发射信号的估计；通过能量检测分别生成星座符号向量和空间符号向量的估计值，最后通过星座解映射和空间解映射得到最终的输出比特流。本发明能根据用户位置自适应选择LED，在选择传输星座信息的LED数目时，每个时隙可变，提高了系统灵活性，同时在智能反射表面的帮助下，能够获得更高的信道增益。能够获得更高的信道增益。能够获得更高的信道增益。