基于MIMO-OFDM技术的室内可见光通信研究

基于白光发光二极管的可见光通信技术，可以同时实现照明和无线通信，是一种绿色节能、频谱资源更宽、可移 动的接入方式，适用于各种场合，绿色环保而且没有电磁干 扰。因此，本文研究基于MIMO-OFDM技术的室内可见光通信系统的原理，研究MIMO和OFDM技术的优势，通过空 分复用提高系统的传输速率和稳定性，实现系统的算法仿 真，分析了MIMO-OFDM应用于可见光通信的前景。

1 室内可见光通信系统的组成

基于白色可见光的无线通信系统主要包括发射部分、 传输部分和接收部分。将原始的二进制数据经过预处理和编 码调制后，驱动LED，对LED进行强度调制，将电信号转换 成光信号。接收端通过集中器将光信号聚焦到光电探测单元 上，转换成电信号，然后对电信号进行处理、解调、解码等 过程。

2 OFDM技术研究

2.1 OFDM的技术优势正 交 频 分 复 用 （ O r t h o g o n a l F r e q u e n c y D i v i s i o n

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201702/344502.htm

图1 OFDM系统组成框图

图2 OFDM应用于可见光通信物理层框图

Multiplexing，OFDM）技术以及基于正交频分复用调制的多

址接入技术成为下一代移动通信的核心技术之一，OFDM表 现出来的优势使得OFDM技术在无线通信领域被广泛应用。

2.2 OFDM的系统基本构成

OFDM调制技术是多载波传输技术的一种实现方式， 利用快速傅里叶变换和快速傅里叶逆变换分别实现解调和调 制，是应用比较广泛而且实现复杂度较低的一种多载波调制 技术。OFDM的系统基本构成如图1所示。

2.3 OFDM应用于可见光通信

OFDM技术应用于室内可见光通信物理层的原理框图 如图2所示。系统采用卷积编码FEC技术来实现数据保护， 通过使用时间和频率交织算法实现突发错误保护，然后经过 PSK或M-QAM调制，将串行输出数据变成并行数据。由于 OFDM输出的基带信号用来调制LED的亮度，所以基带信号 不能是复数，所以输入到IFFT的序列要满足Hermitian对称 性。IFFT用在OFDM系统中减少了DMT（ Discrete Multiple Tone）系统对多个振荡器的需求。产生的OFDM符号加上循 环前缀（CP）降低由多径引起的符号间干扰，而且因为循 环前缀将原先的线性卷积变成了循环卷积，在接收端只需要 简单的频域均衡器就可以把信号解调出来。经过OFDM调制后的信号包络是双极性的，而光的强 度不能为负，所以在驱动LED时需要加 直 流 偏 置 。 由 于LED的非线性影 响，考虑到OFDM 的峰均比比较高，在选择偏置电流时要 非 常 注 意 ，

可 以 适 当 进 行 信 号 限 幅 处理。

在 接 收 端 ， 通 过 使 用 导 频 和 训 练 队 列 来 实 现 信 号 时 域 的 同 步 和 信 号 的 均 衡 ， 然 后 移 去 保 护 间 隔 ， 通 过

FFT将信号变换到频域然后通过反映射、反向交织和维特比解码出原始信号。

3 MIMO运用于光通信

多输入多输出（MIMO）技术可以显著地降低系统的 误码率和抑制信道衰落的影响，MIMO技术在无线通信中被 广泛应用，由于散射和通道的相互干扰在接收端需要进行 去相关。在可见光通信系统中主要采用强度调制和直接检 测（IM/DD）方法，所以在大多数情况下不需要去相关操 作，当传输距离比较远时由于湍流和散射的作用，在接收 端需要进行去相关操作。LED用于可见光通信主要的缺点是 调制带宽有限，通常只有几兆赫兹。但是室内照明通常使 用LED阵列，而用MIMO技术可以实现并行通信提高通信速 率，MIMO技术可以解决接收者在光通信覆盖的范围内移动 的难题。

图3 MIMO-OFDM无线光通信的框架图

4 MIMO-OFDM应用于可见光通信的研究

图4 4-PPM调制与MIMO-OFDM调制在不同信噪比下的误码率对比

图5 OFDM调制与MIMO-OFDM调制在不同信噪比下的误码率对比

图6 ZF准则和最小均方误差准则检测算法的性能比较

4.1 系统仿真设计

图3是一个MIMO-OFDM技术应用在室内可见光通信的 典型系统，系统主要由数字调制解调模块、MIMO收发模 块、OFDM调制解调模块和信道组成。

OFDM模块在发送端对QPSK调制后的数据进行处理， 调制后，由频域的信号变成时域信号而且各子载波相互正 交，在通信速率不变的情况下，可大大降低码流速率，并且 经过OFDM调制后的各个码元之间都加有保护间隔，从而有 效降低了多径效应带来的码间串扰问题。在接收端，OFDM 解调模块负责对MIMO输出的信号进行解调，将并行的数据 解调成串行的数据。

MIMO模块在发送端负责对OFDM符号分组发射，为了 提高通信效率，多个LED同时发送不同的OFDM符号。在接 收端用成像式接收方法接收信号，将内容解析出来，在接收 端分别采用ML（最大似然）检测法和ZF（破零）准则检测算法。

4.2 仿真分析

用 不 同 的 调 制 方 式 在 不 同 的 信 噪 比 的 情 况 下 ， 传 输 大量的数据来计算系统的误码率。仿真方式采用三种仿真 模式， 4-PPM调制方式、 OFDM调制方式、 MMSE检测的 MIMO-OFDM调制技术方式，在通信速率相同的情况下比较 三种通信模式在不同的信噪比情况下的误码率。

通过仿真得到可见光通信系统在这三种不同的调制模 式下的误码率随信噪比变化的情况，具体数据如表（1）所 示。从表1和图4、图5可以看出基于PPM调制通信系统的误 码率远高于基于OFDM和MIMO-OFDM的系统的误码率。在 码元周期方面看，在相同的传输速率下OFDM的码元周期远 大于PPM的码元周期，本仿真中OFDM的子载波数为31，而

4-PPM调制方式的信号持续时间只有码元周期的1/4，所以 在相同的传输速率下4-PPM的码元周期是OFDM的1/31，而 采用MIMO-OFDM调制方式的系统，在充分利用MIMO的空 间复用增益基础上，MIMO-OFDM的码元周期为OFDM的2 倍。因为较低比特速率可以减少由多径干扰带来的影响，而 且OFDM优异的抗噪声干扰能力使得系统的误码率很低。

在MIMO-OFDM系统中，MIMO接收端检测算法的效率 高低、性能优劣直接影响整个系统的性能，图6针对MIMO 接收端的检测算法进行了仿真比较，MIMO接收端的检测算 法也影响系统的通信性能，通过仿真对比了破零（ZF）准则检测算法和最小均方根误差（MMSE）检测算法，在4×4

的MIMO系统中，在不同的信噪比下的误码率情况，从仿真 的结果看，最小均方误差检测算法优于破零准则检测算法， 主要是因为在ZF检测算法中，在检测接收数据的过程中， 将接收到的噪声也放大了。在实际的应用中通常采用MMSE 准则检测算法在MIMO接收端检测数据。

5 结束语

本文主要研究的是基于MIMO-OFDM的室内可见光通 信应用技术，是一种节能环保而且具有超高带宽的通信技 术。可见光通信利用发光二极管的高速明灭来传递信号，在 室内被光线照到的地方都可以实现信息的传输，同时实现了 信息的高速传输和室内照明。

本 文 设 计 了 基 于 M I M O - O F D M 技 术 的 可 见 光 通 信 系

统，分析仿真了MIMO-OFDM调制技术和PPM调制技术在 相同的信道环境下的误码率情况，MIMO采用2发2收的天线 阵列，较之传统的单天线收发系统，系统容量提高了2倍， 而且在发送端通过空时编码，可以增加系统的信息分集增 益。MIMO的检测算法有最大似然（ML）检测算法、破零

（ZF）准则检测算法和最小均方误差检（MMSE）测算方 法，本文仿真对比了MMSE和ZF检测信息的误码率情况，分 析得出MMSE检测算法具有更高的检测性能。

LTE关键技术OFDM和MIMO

概述：

LTE是Long TermEvolution,大多数资料也都有介绍，是3G伙伴组织3GPP牵头制定的第四代移动通信技术。我这里特别要指出的是LTE是一个站在巨人肩膀上的技 术，借鉴了很多其它通信技术的优点，如OFDM和MIMO都是借鉴的Wimax，HARQ是借鉴的CDMA,所以通信技术发展到LTE算是一个集大成者， 另外随着3GPP2没落和高通宣布CDMA支持LTE的演进，LTE可以说将来有一统通信技术的趋势。

背景简述：

在讲LTE关键技术之前先讲讲影响通信速率的关键点吧，大家都知道通信技术越发展速率越快，可是到底是哪些技术促成了速率的提升呢？下面我写一个公式:

C = B x V

在这里，C表示为速率，B是带宽，V是每Hz的速率，通过这个公式我们可以发现，如果想提高网络的速度有2个方法，一个是增加带宽，一个是增加频带利用率。那么LTE是如何在这两方面进行实现的呢？

首 先讲讲增加带宽，这个技术说起来简单但是实际上是非常复杂的，也是直接导致CDMA技术在4G被pass的原因之一。如果将一个通信技术的频谱从 1.25MHz扩展到20MHz，要面临很多的问题，第一个是多载波的聚合，举个例子，你原来只需要管理个单车道，现在突然给你个100车道，第一个就是 协调问题，要保证不乱，其次调度问题，要保证高效，所以复杂程度大大的增加，其次是频谱特性问题，那有的人会问，干嘛要多载波聚合，直接一个载波不行了么？如果你真的搞一个20Mhz的载波，跨度那么大，频率特性就很难兼顾，包括传播特性，扩频效率等，另外包太大的话调度的精度也受影响，因此LTE选择 了含正交子载波技术的OFDM技术来实现多增加带宽。

其 次就是增加频带利用率，在这里简单说明一下信道编码的方式，信源要最终发射必须要经过编码和调制，编码的作用是将前后的信息位建立联系并最终保证纠错，相当于一种冗余，而调制的方式则是通过相位来区别更多的符号，相当于一种压缩，那么高效的编码和高阶的调制无疑会增加频谱利用率，在这点上LTE并没有多大 进步，和3G一样，最高速率用的是turbo编码和64QAM调制技术，但是LTE支持MIMO也是一种增加频谱利用率的方式。

所以，LTE速率的提升关键就在于OFDM和MIMO这两个技术，下面先重点讲解这两个技术。

LTE 关键技术：

一、 OFDM（orthogonalfrequently division multiplexing）正交频分复用。

OFDM原理很简单，就是将大的频谱分为若干小的子载波，各相邻子载波相互重叠，相邻子载波互相正交（通过傅里叶变实现），从而使其重叠但不干扰。然后将串行数据映射到子载波上传输，实现统一调度。

图1 OFDM

由上图可以看出，OFDM和传统的FDM多载波调制技术的区别，传统的多载波是分开的，载波之间要有保护间隔，而OFDM则是重叠在一起的，最大的一个好处就是节省了带宽，同时OFDM是统一调度，而传统的FDM是子载波分别调度，效率是不一样的。

同 时OFDM的子载波也不同于传统的载波，他非常小，小于信道相干带宽，这样的好处是可以克服频率选择性衰落，举个例子，1hz和1.1hz之间的无线特性 几乎一样，而1hz和101hz之间的无线特性就差别大了，带宽越小，衰落越一致，同理一个OFDM符号的时间也是很小的，小于相干时间可以克服时间选择 性衰落，等效为一个线性时不变系统。

而对于OFDM来说，最难的还是在于如何保证各个子载波间的正交，其重要的一点就是利用了快速傅里叶变换，还有就是近代芯片运算能力的增加。傅里叶变换本身很复杂（LTE用的是快速傅里叶变换，简单了很多），下面是个简化版的公式

由 于是简化版的，所以这个公式的版本还有很多，表明意思即可，看公式只有当m和n相等时才会得出1，m和n不等的话就是0。这就是正交的自相关性，也就是只 有自己才能解出自己，别人不行，这点很重要。下面举个例子，例如信息A在子载波m上传递，信息B在n上传递，那么当子载波重叠后，我要将A取出怎么办？可 以计算下。由于A在m子载波上，所以我用

去取A，都积分

也就是A的m载波和m载波自相关，所以=1，而B的n载波和m载波完全不想关，所以=0。从而保证了各个子载波虽然重叠但是不会互相干扰。

OFDM有很多优点，但是也有其不可克服的缺点，如由于一个OFDM符号时间和频率都很小所以对频偏比较敏感，还有由于信号重叠厉害就会需要克服较大的峰均比PARA。

二、 OFDMA正交频分多址Orthogonal Frequency Division Multiple Access

OFDM是一种频分技术，而OFDMA则是利用这种频分技术而实现的多址技术，很多人会搞混，举个例子说，OFDM像是数字，而OFDMA是学号，利用学好可以区分学生，但是实际讲述的时候还是很难分开讲，因为OFDMA就是基于OFDM。

严格的是OFDMA=OFDM+FDMA+TDMA从而实现区分用户的目的

OFDMA要实现主要有2点

1、将高速串行数据流转化为并行，实现串并转换，必须为并行能进行傅里叶变换。

2、将每一路调制到各个子载波上，子载波在经过快速傅里叶变换FFT（或者IFFT）实现互相正交。

图2 OFDM发射图

OFDMA继 承了OFDM的特点，具有随着带宽的增加，OFDMA信号仍能保持正交的特点，而CDMA则会因为多载波多径而失去正交。同时OFDMA可以轻松实现频域 调度，避免了传统FDMA技术的调度和协调难题，还有就是更加支持MIMO。尤其是OFDMA对频谱的支持多样，现网是支持6种带宽，如下图，可以根据实 际需要灵活使用。

图3 支持带宽

另外，OFDMA在实际应用中分为集中式和分布式，如图4，集中式会将连续的子载波都分给1个用户，而分布式则是交叉分布，各有优缺点，但是现网多用集中式，调度起来简单效率高。

图4 子载波分配方式

其实OFDM还有很多东西要讲，也很复杂，但是我个人认为大家只需要理解精髓就可以了，OFDM技术在我们LTE中最重要的一点就是可以快速的实现子载波的正交。

注：LTE 上行的技术是SC-FDMA，很多人说不是OFDM，其实就是理解错了，因为SC-FDMA字面理解是单载波频分多址，实际上就是在OFDM之前增加了一 步，DFT扩频，模拟出一个单载波，由于单载波可以克服OFDMA多子载波造成的峰均比问题，所以对于功放能力较差的手机来说也是一种变通的做法。

三、 CP（cyclic prefix）循环前缀

在上面的图2，在并串转换后需要插入一个CP，那么CP的作用是干嘛用的呢。众所周知，信号在空间的传递是会经过反射和折射的，那么一路信号到达接收端会变成几路，这几路会存在时延导致互相干扰，如图5

图5 多径导致符号间干扰

上面就是典型的多径导致符号间干扰，由于第2径的第一个信号延迟，一部分落到第1径的第二个符号上，导致第二个符号正交性破坏从而失去正交性无法解调出来。为了避免这种状况，就设计了保护间隔出来，在每个信号之前增加一个间隔，只要时延小于间隔就不会互相影响，如图6

图6 加入保护间隔

加 入了保护间隔后，虽然第2径第一个信号延迟了，但是刚好落入第1径的第二个符号的保护间隔内，在解调时会随着CP一起抛弃，不会干扰到第二个符号，但是上 图有个问题，就是第2径的第二个符号的保护间隔落入了第1径的第二个符号内，会不会产生干扰呢？答案是肯定的，因为保护间隔本身也不是正交的，那么解决的 办法就是采用CP，循环前缀。

图7 CP

所谓循环前缀CP的意思就是我这个保护间隔不用传统的全0，而是用我自身的一部分，如图7，将符号的最后一部分拿出来放到前面当保护间隔，就是CP。由于保护间隔是信号的一部分，所以不会破坏符号本身的正交性，是一种非常聪明的做法。

由于基站覆盖的距离远近不同，多径延迟也不同，所以CP也分3种。常规，扩展和超长扩展，应用范围也不同。

图8 cp长度

一般来说超长扩展除非在海边等特殊场景其它地方是用不到的，所以常见的就常规和扩展2种，CP的长度也会影响物理层资源块的大小，间接影响速率。（以目前移动LTE实验网的密度，我估计只有常规CP就行了）

四、 MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系统

MIMO技术可以说是4G必备的技术，无论哪种4G制式都会用，原理是通过收发端的多天线技术来实现多路数据的传输，从而增加速率。

MIMO大致可以分为3类，空间分集，空间复用和波束赋形。有的资料加了一个多用户MIMO，其实就是单用户的一个引申。

1、空间分集（发射分集、传输分集）

利用较大间距的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性，发射或接收一个数据流，避免单个信道衰落对整个链路的影响。其实很简单，看图就明白了。

图9 空间分集

其实说白了，就是2跟天线传输同一个数据，但是2个天线上的数据互为共轭，一个数据传2遍，有分集增益，保证数据能够准确传输。

2、空间复用（空分复用）

利用较大间距的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性，向一个终端/基站并行发射多个数据流，以提高链路容量（峰值速率）。

图10 空间复用

如果上一个技术是增加可靠性，这个技术就是增加峰值速率，2个天线传输2个不同的数据流，相当于速率增加了一倍，当然，必须要在无线环境好的情况下才行。

另外注意一点，采用空间复用并不是天线多了就行，还要保证天线之间相关性低才行，否则会导致无法解出2路数据，直说大家理解不了，可以通过数学公式来阐明。假设收发双方是MIMO2*2，如图11

图11 例子

那么UE侧的计算公式是

由于是UE接收，所以y1和y2都知道，h和n是天线的相关特性也都知道，求x。假如天线的相关性较高，h11和h21相等，h12和h22相等，或者等比例，那么这个公式就无解。如

是一个二元一次方程，由于上下两个方程成比例，所以无法解出x1和x2的。也就无法使用空间复用，因为这两根天线相关性太高了，如果想解决的话，可以增加天线的间隔从而使h不成比例，一般建议大于4倍波长，具体要看天线说明。

3、波束赋形

利用较小间距的天线阵元之间的相关性，通过阵元发射的波之间形成干涉，集中能量于某个（或某些）特定方向上，形成波束，从而实现更大的覆盖和干扰抑制效果。

图12 各种波束赋形

上面是单播波束赋形，波束赋形多址和多播波束赋形，通过判断UE位置进行定向发射，提高传输可靠性。这个在TD-SCDMA上已经得到了很好的应用。

而 至于多用户MU-MIMO，实际上是将两个UE认为是一个逻辑终端的不同天线，其原理和单用户的差不多，但是采用MU-MIMO有个很重要的限制条件，就 是这2个UE信道必须正交，否则解不出来。这个在用户较多的场景还行，用户少了的话很难找到。（也有中说法只要相关性弱就行）

4、LTE r8版本中的MIMO分类

目前的R8版本主要分了7类MIMO，具体现网中使用哪种需要网优人员结合实际情况去设置相关的门限和条件。下面列出这7类分别讲解下原理和适用场景。

（1） 单天线传输，也是基础模式，兼容单天线ue。

（2） 不同模式在不同天线上传输同一个数据，适用于覆盖边缘。

（3） 开环空分复用，无需用户反馈，不同天线传输不同的数据，相当于速率增加一倍，适用于覆盖较好区域

（4） 同上，只不过增加了用户反馈，对无线环境的变化更敏感

（5） 多个天线传输给多个用户，如果用户较多且每个用户数据量不大的话可以采用，增加小区吞吐量。

（6） 闭环波束赋形一种，基于码本的（预先设置好），预编码矩阵是在接收端终端获得，并反馈PMI，由于有反馈所以可以形成闭环。

（7） 无需码本的波束赋形，适用于TDD，由于TDD上下行是在同一频点，所以可以根据上行推断出下行，无需码本和反馈，FDD由于上下行不同频点所以不能使用。

小结：

OFDM和MIMO虽然不是LTE最先采用但是确是LTE精髓所在，如果你能理解的话就有一定编码的知识就会知道为何LTE能够实现那么高的速率了，希望看完本文能让你对此有个整体的认识。

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