可見光通信中融合VOOK和分層OFDM的高效頻譜混合調制方法

李寶龍 施建鋒② 吳勤勤 馮斯夢

①(南京信息工程大學電子與信息工程學院 南京 210044)

②(東南大學移動通信國家重點實驗室 南京 210096)

③(南京航空航天大學電子信息工程學院 南京 211106)

1 引言

隨著信息技術的迅猛發展，各式新終端和新應用催生了爆炸式增長的數據量，這對未來移動通信網絡提出了超高速率的傳輸要求，但現有的射頻(Radio Frequency， RF)通信技術由于頻譜資源的匱乏面臨瓶頸，亟需開拓新頻譜以解決頻譜資源匱乏與超高速率傳輸的矛盾。這種背景下，可見光通信(Visible Light Communication， VLC)憑借豐富的頻譜資源備受關注，成為無線通信領域的研究熱點，且被列為6G的潛在關鍵技術之一[1]。VLC是一種構建于發光二極管(Light-Emitting Diode， LED)照明系統之上的通信技術，具有無電磁輻射、無須頻譜許可、成本低、保密性高等優勢，結合當前廣泛普及、密集覆蓋的LED照明設施，VLC能夠實現泛在綠色通信，具有廣闊的應用前景[2]。

不同于其他通信方式，VLC需要兼顧通信和照明的雙重功能[3]。在照明方面，調光控制能夠根據照明需求調整LED的亮度，在調節環境氣氛、節約能量方面發揮重要的作用，被視為VLC系統的一項重要功能，且納入VLC的IEEE 802.15.7標準之中[4]。為了滿足VLC調光控制和數據傳輸的雙重需求，可調光調制方法在VLC中被廣泛地研究，根據調制方式可以分為單載波和多載波的可調光調制方法。在單載波調制方面，文獻[5]研究了可變開關鍵控(Variable On-Off Keying， VOOK)、可變脈沖位置調制(Variable Pulse Position Modulation， VPPM)等，實現了線性調光控制。由于系統的傳輸容量受制于碼間干擾(Inter-Symbol Interference， ISI)，文獻[6]針對VOOK和VPPM調制，提出了ISI的抑制方法。VOOK等單載波調制方法具有實現簡單、調光精度高等優勢，成為IEEE 802.15.7推薦使用的調制方法[4，7]。但這些單載波調制的頻譜效率被限制在1 bit/(s·Hz)之內，在LED有限的調制帶寬下，難以滿足未來高速率傳輸的需求。

正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM)是一種能夠有效對抗ISI的多載波調制，其傳輸速率及帶寬利用率是其他調制方式所無法比擬的，成為高速率VLC的主流選擇[8]。目前，VLC中存在多種OFDM調制方法，包括直流偏置光OFDM(Direct Current biased Optical OFDM， DCO-OFDM)、非對稱限幅光OFDM(Asymmetrically Clipped Optical OFDM，ACO-OFDM)等。為了兼顧LED照明，針對這些OFDM方案的調光控制方法被研究。文獻[9]提出了一種采用分段變換方式的增強型DCO-OFDM，分段變換的參數根據調光水平調整。文獻[10]采用DCO-OFDM，研究了一種基于時域采樣索引調制的調光方法。在ACO-OFDM方面，文獻[11]提出一種兼容脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation，PWM)的反極性光OFDM(Reverse Polarity Optical OFDM， RPO-OFDM)方法。這些可調光OFDM相較單載波調制有效地提升了傳輸速率，但受制于DCO-OFDM和ACO-OFDM低效的能量或頻譜效率，這些方法難以充分地利用VLC的傳輸潛力。

為了解決DCO-OFDM等常規方法的不足，分層OFDM調制被提出，該方法將子載波按序號進行分層調制，并生成多層OFDM信號進行疊加傳輸。相比常規OFDM，分層OFDM提升了頻譜效率，同時，無須直流偏置，保持了能量高效的優勢[12]。目前，存在多種分層OFDM方法，包括分層ACOOFDM(Layered ACO-OFDM， LACO-OFDM)、增強頻譜效率型-離散多音、絕對值LACO-OFDM等[12–15]。鑒于分層OFDM在頻譜和能量效率方面的優勢，多種可調光分層OFDM被研究。文獻[16]采用連續電流降低的調光方法，提出了一種可調光多層ACO-OFDM。文獻[17]基于LACO-OFDM方法，研究了一種分數反轉極性光OFDM。在文獻[18]中，一種負極性LACO-OFDM方法被提出，并與正極性LACO-OFDM形成可調光混合LACO-OFDM(Hybrid LACO-OFDM， HLACO-OFDM)方法。這些研究表明分層OFDM相較常規OFDM具有更高的頻譜效率，特別在一些低調光水平的區域，頻譜效率是DCO-OFDM的1倍。但這些可調光方法的信號檢測依賴于準確的調光信息，實際場景中通常存在多個LED光源，準確地獲取調光信息較為困難。此外，現有分層OFDM需采用串行干擾消除(Successive Interference Cancellation， SIC)的方式實現逐層信號檢測，造成較高的接收復雜度和處理時延[19]。

針對VOOK頻譜效率低下和現有可調光分層OFDM接收復雜度、處理時延高的問題，本文提出了一種全新的融合VOOK和分層OFDM的混合調制方法，滿足VLC的調光控制和高效頻譜傳輸的雙重需求。本文的主要貢獻包括以下方面：

(1) 針對子載波分層調制設計了VOOK信號，避免了VOOK信號對分層OFDM信息傳輸的干擾，實現了分層OFDM的信號檢測不依賴于VOOK的調光水平。

(2) 為了確保混合調制信號工作在LED的線性區間，同時，有效地降低接收復雜度和處理時延，提出了一種全新的重構分層光OFDM(Reconstructed Layered Optical OFDM， RLO-OFDM)，在此基礎上，構建了VOOK和RLO-OFDM的融合傳輸方法，實現了調光控制，且有效地提升了頻譜效率。同時，提出方法相比現有分層OFDM方法，具有更優的誤比特率(Bit Error Ratio， BER)性能。

(3)混合調制中VOOK和RLO-OFDM可以并行地完成信號檢測，且在RLO-OFDM信號檢測的同時，實現了VOOK信號的頻域均衡。更為重要的，RLO-OFDM可以采用標準的OFDM接收機，無須依賴SIC方式，相比現有分層OFDM方法，顯著地降低了接收復雜度和處理時延。

本文的其余部分結構如下：第2節給出了高效頻譜混合調制方法；第3節給出了混合調制信號的接收方法；第4節提供了混合調制的復雜度分析；第5節為仿真結果與分析；最后，第6節對本文進行總結。

2 高效頻譜混合調制方法

2.1 VOOK信號設計

VOOK是一種融合PWM和開關鍵控(On-Off Keying， OOK)的調制方法，其中，PWM能夠實現調光控制，OOK提供數據傳輸，因此，VOOK能夠實現調光控制和數據傳輸的雙重功能。將VOOK的碼字表示為

從而證明了當重構信號的時域結構滿足式(4)的對稱性時，其頻域信號滿足式(3)的形式，不會干擾RLO-OFDM的信息傳輸。

2.2 重構分層光OFDM(RLO-OFDM)方法

圖1 采用 ， 3， 4層的頻域結構示意圖

L=2

2.3 融合VOOK和RLO-OFDM的混合調制方法

在混合調制中，VOOK和RLO-OFDM信號疊加傳輸，實現調光控制和高效頻譜信息傳輸的雙重功能，可以表示為

圖2 提出的混合調制流程框圖

3 混合調制的接收方法

本節主要討論混合調制的信號檢測，可見光信號通過光電檢測器件后，轉化為電信號，進一步地經過快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform， FFT)生成頻域信號，可以表示為

最終，混合調制的接收流程如圖3所示，接收到的可見光信號通過光電檢測器件轉化為電信號，在執行IFFT操作和頻域均衡后，并行地進行VOOK和RLO-OFDM的信號檢測，無須采用SIC方式，兩種信號檢測過程不會相互影響。更為重要的，RLOOFDM中各分層不存在層間干擾，可以直接采用標準的OFDM接收機結構，利用單個IFFT模塊完成信號檢測，避免了SIC方式導致的復雜度和處理時延的急劇提升。此外，接收機充分地利用RLO-OFDM的IFFT操作，實現了VOOK信號的頻域均衡。

圖3 混合調制的接收流程框圖

4 混合調制的復雜度分析

針對提出的混合調制方法，本文進一步地分析計算復雜度和處理時延。與VLC中傳統OFDM方法相比，混合調制的主要區別在于重構信號和所采用的IFFT/FFT操作。重構信號的計算過程主要是求取最大和最小值，由于傳統OFDM方法中的限幅操作等價于求取信號幅值與零的最大值，重構信號的計算復雜度接近限幅操作的復雜度，且明顯低于IFFT/FFT中乘法操作的復雜度。因此，本文主要分析調制方法中涉及的IFFT/FFT操作的計算復雜度。以看出，傳統分層OFDM方法接收端的處理時延隨著層數L的增大顯著增加，而提出方法接收端的處理時延保持穩定，且明顯低于傳統分層OFDM方法。

5 仿真結果與分析

本節針對提出的方法，給出仿真結果和性能分析。與文獻[18]采用相同的仿真設置，LED的最小和最大電流值分別設置為IL=0 A和IH=1 A，即LED的線性動態區間為[ 0，1]，超出該線性區間的信號將被限幅。同時，在仿真中，考慮平坦信道的情況，并不失一般性將信道增益設置為Hk=1，?k。此外，RLO-OFDM的子載波數目設定為256個。本文首先給出了提出方法的調光性能，然后分析了其峰均比(Peak-to-Average Power Ratio， PAPR)情況，進一步地，給出了在LED有限的線性動態區間下的BER性能，最后，研究了提出方法的頻譜效率。

通過改變數據占空比δd，VOOK能夠線性地調節調光水平，提出的混合調制方法融合了VOOK，因此，能夠實現線性調光控制。為了驗證這一點，圖4 描述了提出的VOOK-RLO-OFDM方法實現的調光水平與數據占空比δd的關系，可以看到，提出的混合調制的調光水平隨數據占空比δd線性地變化，保持了VOOK調光控制的優勢。此外，圖4 給出了不同比例因子下的調光水平，可以觀察到，隨著比例因子α的增大，實現的調光水平范圍逐漸增大。因此，當需要相對較低或者較高的調光水平時，可以通過增大比例因子α的方式實現。

圖4 提出混合調制方法實現的調光水平與數據占空比δ d的關系

PAPR是衡量OFDM對抗非線性能力的一項重要指標，在非線性情況下，過高的PAPR會導致嚴重失真，降低傳輸性能。圖5給出了各種OFDM方法PAPR的互補累積分布函數(Complementary Cumulative Distribution Function， CCDF)。通過圖5可以看到，相比傳統ACO-OFDM和LACOOFDM，提出方法在PAPR方面具有顯著的性能優勢，在L=4的情況下，分別實現了近6 dB和3 dB的PAPR降低。因此，提出方法具有更優的對抗非線性失真的能力，能夠在LED非線性下，獲得更好的傳輸性能。此外，類似于LACO-OFDM，隨著采用的分層數目L增加，更多的子載波用于信息傳輸，OFDM信號平均功率隨之增大，因此，從圖5可以觀察到，PAPR隨著分層數目L增加而逐漸降低。

圖5 提出的RLO-OFDM方法的PAPR性能

圖6進一步地研究了在LED有限的線性動態區間下，提出的VOOK-RLO-OFDM調制方法的BER性能隨比例因子α的變化趨勢，同時給出了基于LACO-OFDM的可調光HLACO-OFDM方法的BER性能。在仿真中，各層均采用32-QAM調制，VOOK利用兩個OFDM采樣時刻傳輸一個比特信息，噪聲的功率設置為–5 dBm。比例因子α能夠衡量OFDM信號在LED有限的線性區間下的非線性失真情況，比例因子α取值越小，表示OFDM信號的功率越大，非線性失真程度越嚴重，反之，OFDM信號的功率越小，非線性失真程度越輕。從圖6可以看到，RLO-OFDM的性能隨比例因子α的增大，BER性能首先變好，隨后逐漸惡化。這是因為在比例因子α取值較小的區間，非線性失真是影響傳輸性能的主要因素，而隨著比例因子α的增大，非線性失真程度逐漸變輕，因而傳輸性能逐漸變好。但隨著比例因子α進一步的增大，OFDM信號的有效傳輸功率也逐漸變小，因此，BER性能又逐漸惡化。對于VOOK的信號檢測，由于將RLO-OFDM作為干擾進行處理，隨著比例因子α的增大，RLOOFDM對VOOK信號的干擾逐漸降低，因此，通過圖6可以觀察到，VOOK的BER隨著α的增大逐漸下降。此外，鑒于其更低的PAPR， RLO-OFDM具有更好的對抗LED非線性的能力，因此，在采用相同的層數情況下，RLO-OFDM相比HLACOOFDM表現出更優的BER性能。

圖6 在不同比例因子α 下，提出的混合調制方法的BER性能

圖7展示了在不同的調光水平下，提出的VOOKRLO-OFDM調制方法達到目標BER的可達頻譜效率，類似于文獻[18]，BER目標設定為 2×10-3，同時，考慮–15 dBm 和–5 dBm的噪聲功率。為了比較，同時給出了基于ACO-OFDM的可調光RPOOFDM和基于LACO-OFDM的HLACO-OFDM方法的頻譜效率，其中，相關研究已經表明HLACOOFDM相比DCO-OFDM等常規方法具有更高的頻譜效率，是目前已知的頻譜高效的可調光OFDM傳輸方案。通過圖7可以觀察到，在頻譜效率方面，提出的VOOK-RLO-OFDM可調光傳輸方法相比于RPO-OFDM具有明顯的性能優勢。同時，與現有的頻譜高效的HLACO-OFDM方法相比，在較寬的調光范圍內，取得了更高的頻譜效率，從而驗證了提出方法的頻譜高效性。此外，噪聲功率較大的情況下，在相對較低和較高的調光水平區間，提出的混合調制方法具有略微的頻譜效率損失，但提出方法在接收機復雜度和處理時延方面，顯著低于HLACO-OFDM。

圖7 不同調光水平下可調光調制方法的頻譜效率

6 結束語

為了滿足VLC的照明和高速率傳輸的雙重需求，本文提出了一種融合VOOK和RLO-OFDM的混合調制方法，同時實現了調光控制和高效頻譜通信的功能。相比傳統的VOOK和其他可調光O-OFDM方法，本文提出的VOOK-RLO-OFDM混合調制方法具有更高的頻譜效率，且相較傳統的分層O-OFDM方法，顯著地降低了接收復雜度和處理時延。相關仿真結果表明，本文提出混合調制方法能夠保持VOOK線性調光控制的優勢，同時，具有更低的PAPR，提升了對抗LED非線性的能力，在LED有限的線性工作區間下，具有更好的BER傳輸性能。本文提出方法在接收復雜度、頻譜效率、BER性能等方面的顯著優勢，使其成為一種具有競爭力的高效調制方法，能夠滿足未來6G中VLC的高速率傳輸需求。