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基于可见光通信的MIMO技术研究现状_迟楠.pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.80M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    : DOI 10．13878 / j．cnki．jnuist．2017．02．001 迟楠1 ， 2 乔梁1 ， 2 赵嘉琦1 ， 2 卢星宇1 ， 2 基于可见光通信的 MIMO 技术研究现状 摘要 VLC 随着灯 光 与 光 无 线 通 信 技 术的 结 ) 越来 合，基于 LED 的可见光通信( 越受到人们的关注． 本文首先探讨了可 见光通信的基带处理过程． 为了提高室 内照明度， LED 阵列渐渐被广泛使用，基 于此，可见光通信系统中基于 LED 阵列 的 MIMO 技术也进入研究者的视野，因 此，随后介绍了两种 VLC-MIMO 机制，并 介绍了空时分组编码( ) 在 VLC-MI- MO 系统中的研究进展． 作为对比，最后 对 LTE 系统中的物理层处理过程和多天 线技术进行技术探讨，并大胆预测了可 见光通信基带处理后续可能发展的方向． 关键词 STBC 空时编码技术; 可见光通信; 发光二 极管; 多输入多输出技术 中图分类号 TP929. 1 文献标志码 A 收稿日期 2017-02-21 资助项目 广东省省级科技计划项目( ) 10111002 作者简介 2016B0 迟楠，女，博士，教授，博士生导师 得教育部新世纪优秀人才 上海 市 十 大 、 新 锐 等 荣 誉 称 号，为 IT 可见光通信标准组中国 先后获 上海市曙光学者 ． 、 IEEE 名成员之 2 802. 15. 7 一 ．nanchi@ fudan．edu．cn 电磁波信息科学教育部重点实验室，上海， 200433 复旦大学 信息科学与工程学院，上海， 200433 1 2 0 引言 的可见光通信( 随着灯光与光无线通信的结合，基于 ］ LED Visible ) 越来越受到人们的关注 可见光通信是一 ) 发 射 光 线 的 强度 变 化 来 传 递 信 息 的 技 它在照明的同时，可以提供信息的传输，这有利于降低网络接 具有性价比 VLC 因此，可见光通信 ， VLC Light Communication 种利用发 光 二 极 管 ( 术［ 入成本，提升资源利用率 高 被认为是 无需授权频谱和抗电磁干扰等特性 、 移动通信室内无线网络的可供选择的补充技术之一 相对于传统的无线通信， 安全性高 、 LED 1-2 ． ． ． ． ． 5G 可见光通信技术最早由日本学者于 2000 年提出，他们通过仿真 年，日本在 ］ 4 量级的可见光通信实验［ ．2004 ］ 3 探讨了将 关西国际机场通过实验验证了 LED 灯作为无线传输通信基站的可行性［ 10 Mb / s ． 年，德国布来梅国际大学将正交频分复用调制技术运用到了可 之后，来自英国的研究者 用于可见光通信，将可见光通信速率提升 例如， 研究中心，着重于 2006 见光通信系统，实验验证了技术的可行性［ 们研发了一种新型的 到 宾州州立大学联合佐治亚理工学院成立的 可见光通信系统与应用的创新研究 美国在可见光通信方面也开展了许多项目研究 ［ ］ 6 10 Gb / s COWA LED ］ 5 ． ． ． ． 对于高速短距离光接入系统而言，需要综合考虑系统的架构 ． ］利用 push-pull ) 格式，实现了 成 、 器件方面，代表性的研究工作是加拿大麦吉尔大 的硅基马赫增德尔调制器，结合脉 的信号在单模光纤中传输 无载 、 丹麦科技大学的研 上实现了 ) 等技术引起了人们广泛的关注 和偏振复用技术在直调 正交频分复用( 112 Gb / s PAM、 OFDM ) ． VCSEL 100 Gb / s 在高谱效率调制格式方面， 本和尺寸以及功耗 学的 Chagnon 冲幅度调制( 等［ 7 PAM CAP 10 km． 波幅相调制( 究团队结合 的信号传输［ 的 系统进行了优化［ 成功实现 PAM4 ］ 8 EML ． 英国剑桥大学研究人员利用多带 调制，在 上成功实现了超 100 Gb / s ］ 9-11 文献［ CAP 15 GHz 传输，并采用数字信号处理算法对 技术结合波分复用可以 ］利用 ． 以上的信号在单模光纤中传输 12-13 DMT 400 Gb / s 解放军信息工程大学 、 国内关于可见光通信技术的研究一直到 最近 几年，复旦大学 北京邮 暨 电大学 、 南大学等都在开展相关研究，在政府资金和国家重大项目的支持下， 取得了蓬勃的发展 信 2010 清华大学 、 华中科技大学 、 中国科学院半导体研究所 、 30 km． 年才见报道 东南大学 北京理工大学 、 复旦大学利用 ，成功实现了 、 、 ． ＲGBY-LED 8 Gb / s ．
    411 号传输，这是基于商用 LED 的最高传输速率［ 14 ］ ． 为了提高室内照明度以及保证室内灯光照明的 的照明 同时，为了提高系统性 全覆盖，接收机不可避免地出现在多个 范围内，这将降低系统性能 能 和 传 输 速 率，多 输 入 多 输 出 ( LEDs ． Multiple Input ) 技 术 成 为 了 最 直 接 的 技 术 Multiple Output 之一 ， MIMO ． 本文先对目前可见光通信的物理层处理过程进 行探讨，并介绍了目前可见光通信中 的研究 现 状，随 后 对 比 介 绍 了 无 线 通 信 中 的 物 理层 和 技术，并对未来可见光通信系统中的物理层 技 术 提 出 了 可 实 施 性 的 技 术 MIMO MIMO MIMO 处理过 程 和 探讨 ． 1 可见光通信物理层和 MIMO 技术 1. 1 可见光通信物理层过程 理论传输速率高是可见光通信的显著优点之 一，但是受器件带宽限制，特别是 传输速率一直徘徊在 LED 100 Mb / s ～ 1 Gb / s 量级 ． 带宽的限制， 将单维的数据流传输变换成多维的数据流传 输，是一种直接的成倍提升系统传输容量的技术 多 维多阶复用的可见光通信系统被提及，以此提高可 ］具体介绍了偏振分集复用 见光高谱效率 ( ) 波分复用 ( ) 频分复用 、 ) 以 及 成 像 ( ( OFDM ) 和 非 成 像 空 间 分 集 复 用 ( ， ， WDM ， Polarization Division Multiplexing Wavelength Division Multiplexing Frequency Division Multiplexing 文献［ PDM 15 、 ． ． Non-imaging imaging Space Division Multiplexing ， SDM ) 通信系统 ． 图 1 频分复用的可见光通信系统的基带处理流程如 所示 来自高层的数据流通过使用不同调制方式调制 ． 成不同的调制符号，并经过 符号进行发送 ． OFDM 处理产生 OFDM 迟楠，等 基于可见光通信的 ． ， et al．Ｒesearch status of MIMO in visible light communication system． MIMO ． 技术研究现状 CHI Nan 为了达到室内照明规定的标准亮度，一般采用 阵列，这给系统提供了天然空间分集复用或者 ］在可见 文献［ 16-20 LED 多输入多输出系统的硬件设施 光通信中引入了 根据收发端 MIMO ． LED 技术 和探测器的映射关系 ，可将 ． 可见光系统分成成像 和非成像 ． 两种 MIMO MIMO MIMO MIMO 和非成像 MIMO 其中成像 MIMO 区别在于，成像 MIMO． 技术的 收发机需要严格对准，每个 通过成像光学器件映射到指定对应的探测器 LED 因此，这种 系统接收端简化了接收机数据 上 ，不需要收发端 处理的复杂度 严格对准，每个探测器都会接收到来自每个发射端 发射的光信号，因此，在接收端需要采用相关解 系统 LED 空分复用算法，以正确解调出信号 MIMO 虽提高了接收端算法的复杂度，但实用性更强 MIMO 而对于非成像 MIMO 这种 ． ． ． 1. 2 VLC-MIMO 技术 1. 2. 1 成像空分复用可见光通信系统 文献［ ］提出了一种成像空分复用可见光通信 21 为 系统，图 成像的 在发射端，采用两个 2×2 2 MIMO 实验系统 ． ＲGB-LED ，绿光 的可见光; 在接收端，采用两个 ，蓝光 470 nm 520 nm ( 红光峰值波长 ) 作为光源，可产 作为接 APD ) 和 在接收端 ．LED 0. 5 A / W 620 nm 生 收机( 6 lm 处的灵敏度为 APD APD 800 nm 的 10 前面，放置一个直径为 带宽分别为 3 dB APD 的成像透镜，用作 验系 统 采 用 的 调 制 格 式 为 LED 和 100 MHz． 焦距为 76 mm、 成像到特定的 APD Nyquist SC-FDE QAM 入 映射 串并变换和训练序列的添加 、 滤波和上载到中频等过程 、 ． 上采样 CP、 预均衡 、 生成的 生器( 放大，随后经过 AWG Nyquist SC-FDE ) 中， AWG 信号加载到任意波形发 的输出首先经过功率放大器 添加直流信号，再分别用来 bias tee 100 mm 该实 上 ． ，包 括 插 、 图 1 VLC 基带处理流程 Fig. 1 Baseband processing in VLC
    学报( 自然科学版) ， 2017 ( ， 9 Journal of Nanjing University of Information Science and Technology 2 ( ) : 113-122 Natural Science Edition ) ， 2017 ， ( 9 ) : 2 113-122 511 图 2 2×2 成像 MIMO 可见光系统框图 Fig. 2 Block diagram of 2×2 imaging VLC MIMO ． LED APD 芯片 个不同的 经自由空间信道和透镜， 驱动 3 中进行光电转换，生成的电信号再由高 传输到 速实时示波器进行采集，并将采集后的信号送入接 其中，接收流程包 收端数据处理模块进行线下处理 括同步 下变频成基带信号 信道 、 估计和均衡以及并串变换等 串并变换 、 CP、 去 、 ． 为了较好地对信道进行估计，文献［ ］还提出 了一种时分复用的训练序列用于测试两个传输链路 间的串扰，如图 所示 21 3 ． ． 图 3 时分复用的训练序列 Fig. 3 Training sequence in TDM 采用时分复用的训练序列的表达式为 ) ， ( TS1 0 T1 = T2 = ( 0 TS2 ) ， ( ) 1 T1 和 和 和时刻 T2 TS2 分别代表在时刻 分别代表同一个信道里的训练序列 的训练序列， T1 采用 TS1 这种方式，不同发射机在不同时隙发送的信息可以 较好地实现正交 ． 假设在时刻 和时刻 T2 ． ， Y1 ， 2 Y1 ， 1 和 ， 1 Y2 ， 2 T1 ， Y2 和 ， T2 ＲX2 ＲX1 ，则信道矩阵 接收到的 可以表 H 信号为 示成: ) =    H = H11 H12 H21 H22 和 Y1 1 / TS1 ， Y1 2 / TS2 ， Y2 1 / TS1 ， Y2 2 / TS2 ，    ， ( ) 2 其中 H12 和 H21 分别表示两个信道链路中的干扰， 由于在成像的 H22 系统中，不同链路间的信号干扰基本可以忽 分别表示各自信道的响应 ． H11 MIMO 略，信道矩阵可以简化为 ) = ( H11 0 Y1 1 / TS1 ， 0 ) ． ( ) 3 H = ( ( MIMO MIMO 因此，在成像 系统中，接收端无需采用额 解调算法，就可以独立恢复出原始信号 外的 ． 在该系统信道响应的测试过程中，采用了频域平滑 技术，结果表明，成像 系统中空间信道间的干 扰很小 MIMO ． 最后，将经过预均衡的 16 /32QAM SC-FDE LED 信号 光上，红光 信号，绿光和蓝光 信号，通过使用空 传输速率分别为 两 传输后误码 ． 加载到红 绿 蓝 种不同颜色的 3 、 、 调制的是 调制的都是 LED 125-MBd 64QAM LED 分复用技术，红绿蓝 125-MBd 32QAM 3 种颜色 ，实现了速率加倍的效果 LED 和 1. 25 Gb / s 1. 5、1. 25 个信道的误码率性能一致，经过 率都低于 1. 2. 2 非成像空分复用可见光通信系统 3. 8×10 －3． 75 cm 成像的 VLC-MIMO 系统的优势是，通过光学成 像方式实现收发端的分集复用，但是，发射机和接收 机需要一一对应，因此并不需要采用额外的数字信 号处理算法进行 而其缺点和优点 一样明显，收发端需要严格的对准，这对处于移动状 态的系统来说是一大挑战，因为传输距离的改变或 者角度的改变，都会导 致 接 收 端 无 法 正 确 解 调 出 数据 的解复用 MIMO ． ． 非成像的 MIMO VLC-MIMO 系统无需收发端严格对 准，这在一定程度上减少了系统设计的复杂度，但代 价是在接收端需要采用复杂的数字信号处理算法进 的解复用，通过提升数字领域的复杂度来 行 降低系统层面的复杂度，这种系统在实际应用过程 中更为现实 ． 与成像 系统最大的区别是，非成像 VLC-MIMO 系统中的每个接收机都可以探测到来自 为了便于验证该系统，每个 VLC-MIMO 两个发射机的信号 上调制的是 理流经过自由空间传输 及示波器采集后的电信号处理，包括同步 125-MBd 4QAM Nyquist SC-FDE LED 处 探测器的探测以 、 下变频 、 透镜聚光 、 信号 ． ． 、
    611 CHI Nan 迟楠，等 基于可见光通信的 ． ， et al．Ｒesearch status of MIMO in visible light communication system． MIMO ． 技术研究现状 表成: H = 其中 H11 ) = ( H11 H21 和 Y1 Y1 1 / TS1 ， 2 / TS2 ，    分别表示两个信道链路间的串扰， 2 / TS2 ， 1 / TS1 ，    ， Y2 Y2 4 ( ) CP 和频域均衡 移除 其中 衡通过训练序列同时完成 ( ) ． 6 ． 的解复用和信道均 MIMO 训练序列的设计采用式 ． 非成 像 VLC-MIMO 系 统 中 信 道 矩 阵 可 以 H H21 H12 和 利用获取的信道信息矩阵，可以恢复出发射的 分别表示各自信道的增益 H22 ． / / 5 ( ( ) ) ) ，( ( ) H22 × H11 － H12 × H21 H22 × H11 － H12 × H21 原始信号，具体恢复公式如下: X1 = ( X2 = ( ) H22 × Y1 － H12 × Y2 ) H11 × Y2 － H21 × Y1 6 从恢复公式可以看出，获取的信道信息对后续 的解复用和后均衡至关重要，因此采用时域平滑和 从频域上 频域平滑方式来获取更精准的信道信息 看，每个频点 周围的频率成分都会对其造成影 响，因此可以采用长度为( 的滑动窗进行平滑，具体平滑过程如下所示: 左右长度各为 、 2m + 1 wk m ) ． ． ( Hi wk k +m 1 ) = ) 表示第 2m + 1 ∑ n = k －m ( Hi wn ) ， ( ) 7 i ( wk Hi 个训练序列的估计信道， m 的 其中 另外，由于 大小可以根据信道噪声抖动情况来选择 室内空间信道是一个慢变的信道，相邻的训练序列 可以认为经历相同的信道，因此可以采用时域平滑 来进一步提升信道的准确度 具体表示式为 ． ． ( ) ( ) 8 ( ) = N 1 N ∑ ． i = 1 wk wk Hi H 在实验系统中，两个商用的蓝光 ) 作为光源，两个 ( 中心波长 其中两个 470 nm ， 发射机的间距为 10 cm 收发端中心的偏置距离为 这样的设计可以 打破系统的对称性，避免接收端处理的信道矩阵是 ，两个接收机的间距为 LED 作为接收机 2. 5 cm． 5 cm APD ． 奇异矩阵，导致信号不能恢复 收发端的距离在 ． ． 在 的照度是 之间变化 20 ～ ，这远小于 50 cm 标准的照度，说明系统的容量和传输距离可以大幅 提升 非成像 ． 仿真结果表明，两个接收机的性能基本一致，误 可见光系统框图如图 3. 5 lx MIMO 40 cm 所示 4 ． 码率随着传输距离的增加都会下降 ． 传输后误码率的性能可以低于硬判决阈值 但是经过 40 cm 3. 8×10－3． 其 中 的 情 况 ． 针 对 和 VLC-MIMO VLC-SISO 情况下，每个空间链路传输 MIMO Nyquist SC-FDE 情况 下，传 输 号，总速率也为 下， 125-MBd 4QAM ; 在 信号，总速率为 125-MBd 16QAM Nyquist SC-FDE 500 Mb / s SISO 信 在相同传输速率的前提 500 Mb / s． 的误码率性能较优 ． MIMO 在可见光通信系统中的应用 MIMO 通过合理安排收发机的位置，可以很好地验证 非成像 这种位 置的安排只需要打破系统的对称性即可，不同于成 通过采用基于时分复 像 用的训练序列结构，就可以在接收端对信号进行恢 复，通过频域平滑和时域平均，可以进一步提升系统 的性能 系统中要求的精准 MIMO ． ． ． 2 基于 STBC 的 VLC MIMO 技术 ］将空时分组 编 码 ( 22 ) 技术运用到了 文献［ ， VLC MIMO STBC 后星座图的发送端和接收端如图 传输信号分别经过 和 Code STBC 4QAM 和 收信号分别变成了 的信号是两个发送信号经过 9QAM ． Space-Time Block 经过 系统中 所示 调制后，接 这是因为接收 5 ． 16QAM 49QAM． STBC 编码的累和 ． 文献［ ］使用 22 种 多 输 入 单 输 出 ( ) 的 技术，通过 VLC MISO 有用信息，并使用 高数据速率 ． STBC-OFDM 编码技术提出了一 ， Multiple Input Single Output 上的红灯发送 调制方式用以提 ＲGB-LEDs 和 OFDM 16QAM 图 4 2×2 非成像 MIMO 可见光系统框图 Fig. 4 Block diagram of 2×2 non-imaging VLC MIMO
    学报( 自然科学版) ， 2017 ( ， 9 Journal of Nanjing University of Information Science and Technology 2 ( ) : 113-122 Natural Science Edition ) ， 2017 ， ( 9 ) : 2 113-122 711 ． 图 为分别采用 6 调制之后 4QAM、16QAM 和 的仿真 以及 由图 9QAM 和 可以分 BEＲ 49QAM 析看出，考虑到接收灵敏度的高要求，高阶的 调制很难在系统中应用 SNＲ 6 ． QAM ( 具体实现流程为: 驱使信号由 AWG Matlab ) 产生并通过 AWG710 预均衡和放大之后，与直流电流通过 传输到 和 通过红光传输信号，蓝光和绿光关闭 面，通过使用高灵敏度硅 信号 Tektronix 线下处理，将信号进行 合并 灯分别 LED2 在发射机的前 合并透镜用于探测光 透镜用于增强捕获光的灵敏度，以提高系统的 ． ( 信噪比) ＲGB-LEDs 其中， bias Tee 灯上 LED1 APD ． ． ． SNＲ 图 5 发送和接收星座点 Fig. 5 Constellation diagrams of transmitted and received signals 灯的非平坦频率响应 此外，结合预均衡和后均衡技术可以较好地解 的自由空间传 ，误 码 率 决 ． 输 系 统 中，传 输 速 率 达 到 了 ( 500 Mb / s LEDs 5 m 在 ) 低于 BEＲ 在 MISO 1×10 －5． 系统中， 用，其空时编码表达式为 Alamouti's STBC [ ] ， c1 － c* 和 1 c2 c* 是需要传输的复信号， * 2 c2 不同接收机接收到的信号表达式如下: 其中， c1 算 ． 机制［ ］被运 22 ( ) 9 表示共轭运 y1 = h1c1 + h2c2 + n1 y2 = － h1c* h2 2 + h2c* 分别表示 和 h1 分别表示 和 T1 T2 1 + n2 LED1 时刻的噪声 和 LED2 ． ， 其中， 和 n2 n1 达式如下所示: ( ) 10 的信道响应， 信号矢量的表 ] = [ [ y1 y2 h1 h* 2 ] [ c1 c2 ] + [ n1 n2 ] ． ( ) 11 h2 － h* 1 珋y = 珘h1 =h1 在上述表达式中，如果信道估计较好，意味着 ，珘h2 = h2 珓y = ρc + n' ，则 ， 12 ( ) 表示信道响应系数， 其中， ρ 考虑到存在的噪声，最终表达式为 H·HH = ρI2 × 2 ， n' = HHn． ‖珓y － ρ ^c‖2， ( ) 13 ^c = arg min ^c∈c 表示接收的信号， 珓c 珓y 表示解调的数据 ． 在 ) 和 MISO ( y2 t ( y1 t 系统中，接收机接收到的最终数据是 ) 的累和 ． ， OFDM 图 6 BEＲ 和 SNＲ 的仿真 Fig. 6 BEＲ versus SNＲ for different QAM orders 传输的信号首先通过不同的调制方式变成调制 技术变成两路信号源，随后进行 符号，并经过 STBC 调制 在相距 信号占用了 ． 5 m 处， 16QAM 的 调制下， STBC- 个子载波，传输 128 125 MHz 500 Mb / s． 上采样率因子设定为 OFDM 速率可达到 的采样率和数字示波器的采样率分别为 和 过 采样之后的数据 625 MS / s ，随后通过线下数字信号处理算法解调通 ， AWG 5 1 GS / s OSC ． 文献［ ］在基于 23 Alamouti's STBC 上结合基于等增益合并技术( 技术的基础 ， Equal-Gain Combining ． EGC 1. 6 m EGC-STBC 处理 的自由空间中，使用 的速率 技术，数据在 OFDM 在发射机和接收机间 ) ，提出了一种 EGC 解调之前需要进行 距为 技术可以获取 EGC-STBC 解码算法中，最终的数据也使用线性合并技术进行 处理，解调的信号的表达式为 ) － ( 2 × 2 ． 2 × 2 EGC-STBC 1. 8 Gb / s 的 的 ( ) ( ) ^s‖2． 珓r1 + 珓r2 ρ 1 + ρ 2 14 ‖ ^s = arg min ^s∈s 图 CPU 类似于文献［ 为 7 22 运行时间和比特数之间的关系 ． ］的实验处理方式，传输的信号首
    811 CHI Nan 迟楠，等 基于可见光通信的 ． ， et al．Ｒesearch status of MIMO in visible light communication system． MIMO ． 技术研究现状 短的时间内获得相应比特数 ． 在线下处理过程中，对于 机接收的两路数据流首先通过 的 解 码 之 前 进 行 STBC OFDM 机制中，接收机 和接收机 STBC 解调，并将解调出的数据发送至 1 2 传统 2 × 2 STBC 和 2×1 STBC、 如图 所示 ． 8 同时，文献［ 机制，接收 EGC-STBC 处理，并在 EGC 解 调 而 在 2 × 2 ． 通过 OFDM 译码器 ． STBC 2×1 的 进行 传统 流程 2 × 2 EGC-STBC 23 ］还研究了不同 1 具有相同发射功率，通过 LED 当 功 率 比 为 灯的发射功 时，意 味 着 算法， 当功率比上升或者下降时， STBC ． 率和 之 间 的 关 系 BEＲ 和 LED1 可以获得更好的性能 LED2 ． BEＲ 性能都会恶化 最后，该文献还通过 算法和 ． EGC-STBC STBC 示，传统的 特性差不多 值 ． 算法和 2×2 STBC 当调制带宽为 3. 8×10 －3时，可以达到 所示，该技术较传统的 1 7 性能对传统的 BEＲ 算法进行对比 ． 2 × 2 实验结果显 算法的误码 低于门限 综合图 ． 技术， EGC- EGC-STBC ， BEＲ 的吞吐量 225 MHz 1. 8 Gb / s 的 2 × 2 STBC 在计算复杂度方面具有较好的优势 STBC 3 无线通信物理层和 MIMO 技术 ． 图 7 运行时间和传输比特数 Fig. 7 CPU running time versus number of bits 先通过不同的调制方式变成调制符号，并经过 技术变成两路信号源，随后进行 处理 ． 号占用了 STBC 调制和软均衡 信 个子载波，传输速率达到了 的 125 MHz 该系统中，上采样率因子设定为 OFDM 调制下， 处， 的 STBC-OFDM 在相距 16QAM 5 m 128 800 Mb / s． 采样率和数字示波器的采样率分别为 4 ， AWG 和 800 MS / s ，随后通过线下数字信号处理用于解调通过 ， Agilent 54855A 的 GS / s ( OSC 知， 据进行预处理，极大提升了系统性能 ． 较传统的 OSC ) 可 技术需要对发送的数 仿真结果表明， 算法可以在较 ) 采样的数据 ． 分析等式( 算法，基于 系统中， MIMO STBC 2×2 14 STBC EGC-STBC 目前，第五代移动通信技术正处于紧张的标准 化阶段，相对于发展周期较短的可见光通信技术，可 图 8 STBC 实验流程 Fig．8 Block diagrams and experimental setup of STBC-OFDM VLC system
    学报( 自然科学版) ， 2017 ( ， 9 Journal of Nanjing University of Information Science and Technology 2 ( ) : 113-122 Natural Science Edition ) ， 2017 ， ( 9 ) : 2 113-122 911 将一些无线通信系统中的技术运用到可见光通信系 统中，比如无线通信系统中用于解决码字和天线端 口不对应问题的 用于获取信道状态信息 的参考信号以及下行多天线技术中多用户 波束赋形等技术 层映射 ”、 “ MIMO、 因此本文随后对目前 系统中物理层的处理 LTE 过程及下行多天线技术进行介绍和探讨 ． 存放 4 bit 数据) 调制 ． 3. 1. 3 空域 ． 1 3. 1 LTE 时频资源 3. 1. 1 时域 了一个基本的时间单位: LTE Ts = 系统中，为了提供一致而准确的时间，定义 15 000 × 2 048 该时间单位可以看作是基于 且 采样时间 大于等于 2 048 FFT FFT 的发射机 / = 1 /30 720 000 s ， ( ) 15 ( 快速傅里叶变换) 接收机所使用的 ． 的 GI LTE OFDM Inter Symbol Interference 作为保护间隔 ( ( 载波间干扰( 系统中，可以插入一段空白符号 ) ，这样做虽能消除符号间干扰 ) ，但是却不能消除子 基于此， 系 统 中，引 入 了 循 环 前 缀 的 概 念，通 过 将 信号最后一段长度的符号取出来放在 Inter Carrier Interference ， ICI OFDM ， ISI ) ． 符号拉长 OFDM 问题，还能解决 ． 通过引入 问题 ． CP ICI OFDM ，不但 OFDM 信号的头部，将 可以解决 ISI 3. 1. 2 频域 频域中， ． ) subcarrier LTE ( 正常 ， 间隔为 15 kHz 内可用的符号时间为 上可用的所有资源称为系统带宽 系 统 的 基 本 单 位 是 一 个 子 载 波 情况下，上行和下行的子载波 的子载波间隔对应每个符号 频域 2 048 ×Ts 66. 7 μs． ，近似 15 kHz CP ( E ) 是 ， l k LTE 时间轴上的一个 成的二维矩形区域 ( 应一个 Modulation Symbol 存放 ＲE OFDM 系统中的最小物理资源，它是由 符号和频域上一个子载波组 可存放一个调制符号 ( 对 一个 ． ) ，该调制符号可使用 ＲE 2 bit 数据) 、16QAM QPSK ( 对应一个 ＲE ． 数据) 或 64QAM ( 对应一个 存放 ＲE 6 bit ． ) “ ” 层( LTE layer 系统中，空间维度是以 来度量 的，并通过多维度的发射机和多维度的接收机来实 如果不进行空间维度的复用，则在相同的时频资 现 源上，只存在单层，意味着只能传输一条数据流，即 如果使用空间维度的复用技术，则在相同 SISO 的视频资源上，可同时传输多跳数据流，以达到提高 频谱利用率和吞吐量的目的 系统 ． ． 3. 2 物理层处理过程 ． 系统共定义了多种物理层信道用于信号的 LTE 不同物理信道传输不同的数据，其中，物理层 传输 处理过程大致相同，本文主要对下行系统中的物理 下行 共 享 信 道 ( ， Physical Downlink Shared Channel ) 的物理层处理过程进行分析和讨论 ．PDSCH PDSCH 的物理层处理过程如图 3. 2. 1 加扰 所示 ． 9 来自高层的传输块在经过 速率匹配之后，得到数据流 、 码 随机化，先对来自高层的数据( 如图 过加扰处理，即进行模 2 ) + cq( 加: ) ) sq( i ． 、 插入 信道编 CＲC 为使传输的数据流 中的码字) 经 9 i 珓sq( LTE ) = ( ) 系统中，在一个子帧中最多可传输两个码 { mod2． 16 } ( i 字，即 0 3. 2. 2 调制 q∈ ， 1 ． 对于每个加扰之后的数据，通过使用不同的调 ． 层 系统中引入了 如图 制方式变成调制信号 3. 2. 3 层映射 如前述， LTE 空分复用的目的 流，被映射到一个或者多个层上，即被映射到 ) ］T 上，其 中， ) ( ［ i x i ， Mlayer symb － 1 … 制符号个数 ． 的概念，以实现 所示，经过调制后的比特 ) = i ， ， 1 为每一层中的调 ) ， … 表示层的个数， ) ( i ， v ) ， x i = 0 Mlayer ， ( x “ ” ) ( symb v － 1 4 x ( ． 0 1 ( ( 图 9 下行基带信号处理过程 Fig. 9 Physical channel processing in LTE downlink
    021 CHI Nan 迟楠，等 基于可见光通信的 ． ， et al．Ｒesearch status of MIMO in visible light communication system． MIMO ． 技术研究现状 系统中，共定义了两种类型的天线端口数: 表 2 空间复用使用的码本 LTE Table 2 Codebook index for spatial multiplexing 码本 序号 0 1 2 3 1 槡2 1 槡2 1 槡2 1 槡2 1 1 1 1 －1 [ ] [ ] [ ] ] [ 1 j 1 －j 层数目 v 1 槡2 1 槡2 1 槡2 2 1 0 0 1 1 1 1 －1 1 j 1 －j ] ] ] [ [ [ 阵，并通过下行控制信息指示( ． ， CＲS PDSCH ， DCI ) 告诉终端对应的下行 Downlink Control In- 传输所 formation 二者的区别在于，前者使用的是 使用的预编码矩阵 小区特定参考信号进行信道估计，即公共参考信号 ( ) ，后者使用的是终 端特定的参考信号进行信道估计，即 3. 2. 5 天线端口 Common Ｒeference Signal DＲS． 天线端口是一个逻辑上的概念，一个天线端口 可以是一个物理发射天线，也可以是多个物理发射 天线的合并 因为每个天线端口对应一个时频资源 网格，所以每个天线端口对应一种类型的参考信号 ( ) ． Ｒeference Signal ， ＲS ． 对于下行，一个小区支持的天线端口集合依赖 于该小区的参考信号配置 ． 3. 3 多天线技术 针对 LTE 种传输模式( 下行的多天线技术，目前共定义了 9 ) : Transmission Mode 为单输入单输出系统，即 ， TM ) 1 TM1 单天线 层，码字直接映 端口传输中只有 射到层上，且经过层映射之后的调制符号直接映射 到天线端口上 个码字，只使用 SISO． 1 1 ． 据传输的可靠性 的数据可以提高 ． ) 支持传输分集的 2 模式主要用于提高数 通过在多根发射天线上发送相同 TM2 SINＲ ，但是却不能提高吞吐量 ． ) TM3 3 ，只需反馈 又称为开环空分复用，终端无需反馈 即可，是一种较为简单的 和 CQI PMI 下行 ＲI 技术 MIMO ) 相比于 ． 4 ， TM4 TM3 需要终端反馈 ，闭环 需要利用信道条件信息来调整发射端发送 的 的数据，但考虑到反馈和调整所带来的时延问题，信 道变化较快的高速环境中，不适合使用 TM4 PMI TM4． 单天线端口的层映射和多天线的层映射 ． 对于传输分集，传输的码字 ，层的数目 等 p = 1 v 传输分集的层映射如表 1 于信道传输的天线端口数 所示 ． ． 对于空间复用，层的数目 所使用的天线端口数 文献［ ． ］ ． 小于或者等于传输 空间复用的层映射图可参考 v 24 同时，层也是一种用于解决和天线端口数不匹 在下行系统中，通过终端反馈的秩指示 ， ＲI ) 来确定所使用的层的数目 ． 配的技术 ( ． Ｒank Indicator 表 1 传输分集的层映射 Table 1 Codeword-to-layer mapping for transmit diversity 层数目 码字数目 码字到层的映射 ( ( ( 2 4 1 1 ) ( ) ( 0 1 ) ( ) ( ) ( ) ( 0 1 2 3 ( ( ( ( ( ( x x x x x x i i i i i i ) = d ) = d ) = d ) = d ) = d ) = d ( ( ( ) ( 0 ) ( 0 0 ) ( 0 ) ( ) ( ) ( 0 0 ) 2i 2i + 1 ) 4i 4i + 1 4i + 2 4i + 3 ) ) ) ) Mlayer symb = M0 symb /2 Mlayer symb = M0 symb /4 3. 2. 4 预编码 ( ( 0 i ( y ) ( ) ( ) ， y ) = ［ y ) ， … 系统共定义了多种天线端口， 层映射之后的调制符号，经过预处理映射到不 同的天线端口上，映射到每一个天线端口上的向量 ］T． ) ， 表达式为 … i ， } 是传 5 LTE 输所使用的单天线端口序号，此时层的数目等于天 线端口数 天线端口数 的空分复用的预编码技术，可使用的天线端口序号 分别为 对于分别支持 天线端口和 ) ( ， 4 ， ( y { } 和 p ∈ 0 2 4 { } i i ． 1 p { ， 1 预编码矩是 p ∈ 0 ， 1 ， 2 ， 3 0 p ∈ ． 的矩阵，其中， Ｒ Ｒ × P 为传输秩，即 空间复用的预编码 为天线端口的个数 层的数目 的表达式如下定义: ， P v     ( ) ( 0 y ) i ( ) ( 0 x ) i     ( )     ， ( ) 17 ( ( ． = w i i i i ( ) ) y x v － 1 p － 1 w  ) (  ) ( 预编码矩阵 中选取 通过选择合适的预编码矩阵进行上报 天线端口所使用的码本如表 用的码本具体可参考文献［ ) 从基站和终端协定配置好的码本 码本是有限的可用预编码矩阵的集合，终端 空分复用， ． 2 天线端口所使 所示， 2 4 ］ ． LTE 共支持两种方式的下行天线预编码: 基于 码本的预编码和基于非码本的预编码［ 基于码本 的预编码，基站只能从码本中选择合适的预编码矩 24 ］ 24 ． ．    
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