室内可见光通信：基于光OFDM的技术研究

考虑下行信道MIMO空间复用系统，LED同步发射不同的光信号，可见光MIMO-ACO-OFDM系统原理如图6.6所示。

图6.6　MIMO-ACO-OFDM系统

6.4.1　MIMO-ACO-OFDM发送端

将调制符号Xnt（n）进行映射，使输出的信号Xmap，nt满足厄米特（Hermitian）对称，且所有奇数子载波包含信息，偶数子载波都为零。

平均光功率对应的电功率为

空间复用 MIMO-ACO-OFDM系统的频谱效率为NTlog2（M）/4（bits/s/Hz）。假设LED的调制带宽为 BLED，根据Nyquist定理，LED的调制符号周期限制为1/（2BLED），那么MIMO-ACO-OFDM系统的可达数据速率为R=NTBLEDlog2（M）/2（bit/s）。

6.4.2　MIMO-ACO-OFDM接收端

接收端检测光信号并转换为电信号，其中第 nr个PD上得到的电信号经过A/D、S/P和删除CP，再输入FFT模块，输出频域信号Ynr为

与发送端相对应，提取Ynr的前一半奇数子载波作为解调信号，其中Ynr（m），m=1，3，…，N/2-1，表示为

因为限幅噪声项不对奇数子载波产生影响，所以式（6-27）中去掉了限幅噪声项。

提取信号分别输入MIMO检测器，其中第m个检测器的输入信号表示为(www.xing528.com)

最后，将估计符号输入MQAM解调器，恢复出原始信息。当ZF和MMSE检测时，输入第m个MQAM解调器的估计符号信噪比为

6.4.3　数值仿真和分析

图6.7　位置变化时MIMO-ACO-OFDM系统的BER性能（其中标示符代表理论值，曲线代表仿真结果）

在典型的室内环境下，建立MIMO-ACO-OFDM系统Monte Carlo分析仿真模型，对理论分析结果进行仿真验证。采用6.3.4节的仿真条件，LED间隔为1m，当PD阵列的中心坐标在室内三个典型位置：（3，3，0.85）（0.5，0.5，0.85）和（0.5，1.5，0.85）时，图6.7所示为MIMO-ACO-OFDM系统误码率性能。可以看出，仿真结果和理论值相吻合，验证了理论分析的正确性。MMSE检测算法优于ZF算法，但随着 Es/N0逐渐变大，ZF和MMSE检测算法的性能越来越接近；随着调制阶数的增大，误码率性能变差，当调制阶数大于64时，ZF和MMSE检测算法的误码性能几乎相同。调制阶数越小，MMSE相对于ZF越有优势。当PD在房间中心位置时，多径增益比较小，因此性能最好；在墙角落时，接收信号变小且多径增益相对较强，因此性能最差。

按照式（6-21），计算得到μ[0.5，0.5]=-11.3285dB。由图6.7可以得到，当采用ZF检测，误码率达到10-3时，PD阵列在位置（0.5，0.5，0.85）比在位置（3，3，0.85）需要的 Es/N0大18dB，其大于接收功率的减少量。这是因为靠近墙角时的多径信道路径衰减慢，因此系统性能变差，而在房间中心时的多径信道路径衰减快，且多径效应相对较小，因此系统性能好。

图6.8　半功率角为30°时MIMO-ACO-OFDM系统的BER性能（标示符代表理论值，曲线代表仿真结果）

图6.8为LED半功率角θ1/2变为30°时的误码率性能。可以看出，当LED半功率角变小，PD阵列在房间中心时光束更汇聚，接收的光功率更大，则反射引起的多径信号越微弱，系统的BER性能就越好；随着调制阶数的增大，误码性能变差，当调制阶数大于64时，ZF和MMSE检测算法的性能几乎相同；当PD移动到（0.5，0.5，0.85）和（0.5，1.5，0.85）时，接收到的光信号很小，误码率几乎不随信噪比的增大而变化，出现了错误平层现象。

图6.9为PD在不同位置，视场角变为60°时，MIMO-ACO-OFDM系统的误码率性能。可以看出，当PD阵列在房间中心时，BER性能比图6.7所示的BER性能要好，这是因为视场角变小，收到的多径干扰信道增益将变小，则性能变好。当靠近墙角落时，接收到的信号变弱性能变差。

图6.9　视场角为60°时MIMO-ACO-OFDM系统的BER性能（标示符代表理论值，曲线代表仿真结果）