可見光通信中正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)

徐憲瑩，岳殿武 *

（1. 大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116026；2. 大連科技學(xué)院 電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116052）

1 引 言

由于光信號(hào)不受電磁干擾和輻射的影響，因此光通信可以代替射頻通信應(yīng)用在電磁污染嚴(yán)重的環(huán)境下。傳統(tǒng)的光通信包括激光、紅外通信和光纖通信等[1]。發(fā)光二極管（LED）作為第4代照明光源，具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，白光LED已逐漸成為照明領(lǐng)域最具市場(chǎng)競(jìng)爭力的光源，近幾年，白光LED的性能也在不斷提升[4-5]。可見光通信（VLC）是無線光通信的新興領(lǐng)域，基于白光LED的VLC技術(shù)能夠兼顧照明和通信的雙重作用，近些年已成為了研究熱點(diǎn)[6]。經(jīng)過幾年的發(fā)展，VLC已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)速率，與現(xiàn)有的無線通信形式相比，可見光通信具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[7]。

正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是一種高效的多載波調(diào)制技術(shù)，能有效對(duì)抗多徑干擾并提高系統(tǒng)的頻帶利用率?，F(xiàn)代OFDM系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)產(chǎn)生正交的子載波，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、硬件便于設(shè)計(jì)且實(shí)現(xiàn)成本低[8]。單個(gè)LED的調(diào)制帶寬僅有幾MHz，這成為限制系統(tǒng)傳輸速率的主要因素，為滿足室內(nèi)可見光通信高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，可在可見光通信系統(tǒng)中引入OFDM[9]。但是傳統(tǒng)的OFDM符號(hào)是雙極性的復(fù)數(shù)信號(hào)，對(duì)于采用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)（Intensity Modulation/ Direct Detection，IM/DD）技術(shù)的VLC系統(tǒng)，要求OFDM符號(hào)滿足“實(shí)、正”性，需要對(duì)OFDM符號(hào)進(jìn)行單極化處理，因此對(duì)可見光通信中OFDM單極化調(diào)制技術(shù)的研究十分有必要。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)適用于VLC系統(tǒng)的單極性O(shè)FDM調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，主流方案是基于離散傅立葉變換（DFT）實(shí)現(xiàn)OFDM，具有代表性的包括加直流偏置光OFDM（DC-biased Optical OFDM，DCO-OFDM）[10]、非對(duì)稱限幅光OFDM（Asymmetrically Clipped Optical OFDM，ACO-OFDM）[11]、單 極 性O(shè)FDM（Unipolar-OFDM，U-OFDM）[12]、翻轉(zhuǎn)OFDM（Flip-OFDM）[13]、脈沖幅度調(diào)制離散多音頻（Pulse Amplitude Modulated Discrete Multitone，PAM-DMT）[14]和改進(jìn)型ACO-OFDM（Modified ACO-OFDM）[15]。此外，一些學(xué)者在原單極化方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出增強(qiáng)型光OFDM，可獲取更高的頻譜效率，主要包括增強(qiáng)型U-OFDM（enhanced U-OFDM，eU-OFDM）[16]、分層ACO-OFDM（Layered ACO-OFDM，LACO-OFDM）[17]等?；旌险{(diào)制方案是利用兩種或兩種以上單極性光OFDM進(jìn)行調(diào)制，其可充分利用子載波的調(diào)制信息，獲得更加高效的頻譜效率或功率效率，混合調(diào)制方案有非對(duì)稱限幅直流偏置光OFDM（Asymmetrically clipped DC-biased optical OFDM，ADO-OFDM）[18]、混合ACO-OFDM（Hybrid ACO-OFDM，HACOOFDM）[19]、增強(qiáng)型混合ACO-OFDM（Enhanced HACO-OFDM，EHACO-OFDM）[20]、非對(duì)稱限幅絕對(duì)值光OFDM（Asymmetrically clipped Absolute Value optical OFDM，AAO-OFDM）[21]等。

然而，以上調(diào)制方案都需要對(duì)子載波數(shù)據(jù)進(jìn)行厄米特對(duì)稱設(shè)置，不需要厄米特對(duì)稱的單極化方案有位置調(diào)制OFDM（Position Modulating OFDM，PM-OFDM）[22]、極化OFDM（Polar OFDM，P-OFDM）[23]等。

采用離散哈特萊變換（DHT）代替離散傅立葉變換，也可以避免厄米特對(duì)稱，但限制調(diào)制符號(hào)為實(shí)星座映射，目前已有一些文獻(xiàn)對(duì)基于哈特萊變換的光OFDM調(diào)制方案進(jìn)行了論述，包括基于DHT的ACO、DCO、U-OFDM、LACO-OFDM等[24-31]。

通過調(diào)研，考慮到利用LED空間資源可以避免上述方法中的一些限制，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)“實(shí)、正”性要求。基于此，本文對(duì)基于LED索引調(diào)制的光OFDM進(jìn)行了研究分析。在光OFDM調(diào)制方案的基礎(chǔ)上，分析比較了接收機(jī)改進(jìn)方案，以在保證系統(tǒng)頻譜效率的同時(shí)提高系統(tǒng)可靠性。最后，對(duì)光OFDM系統(tǒng)中的峰值平均功率比（Peak to Average Power Ratio，PAPR）抑制技術(shù)、基于子載波索引調(diào)制的光OFDM（O-OFDM-IM）、以及光OFDM與調(diào)光控制技術(shù)和可重構(gòu)智能反射面結(jié)合的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，并提出未來的研究方向。

2 基于離散傅立葉變換的光OFDM

1971年，Weinstein和Eben提出使用離散傅立葉逆/正變換實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)調(diào)制/解調(diào)功能，解決了OFDM系統(tǒng)中子載波嚴(yán)格正交的問題，而快速傅立葉變換，可進(jìn)一步簡化硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，降低實(shí)現(xiàn)成本，所以實(shí)際應(yīng)用中，通常采用IFFT/FFT（快速離散傅立葉逆/正變換）實(shí)現(xiàn)OFDM的調(diào)制/解調(diào)。圖1所示為基于IFFT/FFT的光OFDM系統(tǒng)框圖。

圖 1 基于離散傅立葉變換的光OFDM系統(tǒng)框圖Fig. 1 Block diagram of an optical OFDM system based on discrete Fourier transformation

可見光系統(tǒng)采用IM/DD，且經(jīng)LED發(fā)送前的信號(hào)必須滿足“實(shí)、正”性。為了得到實(shí)信號(hào)，通常需要對(duì)子載波信息進(jìn)行厄米特對(duì)稱設(shè)置，這會(huì)浪費(fèi)一半的子載波資源。無需厄米特對(duì)稱設(shè)置的方案中，又需要幀長加倍，也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的有效性造成一定的影響。下面將針對(duì)是否需要厄米特對(duì)稱分兩部分介紹基于傅立葉變換的光OFDM調(diào)制方案。

2.1 需要厄米特對(duì)稱的光OFDM

本節(jié)首先介紹初期出現(xiàn)的典型單極化方案；在此基礎(chǔ)上，介紹增強(qiáng)型方案，即通過并行傳輸或分層疊加方法，提高頻譜利用率；最后介紹混合調(diào)制方案，即同時(shí)使用兩種或兩種以上的典型方案，更加充分利用子載波資源，能以相對(duì)小的系統(tǒng)復(fù)雜度提高頻帶利用率。

2.1.1 典型單極性光OFDM

表1對(duì)幾種典型單極性光OFDM的調(diào)制原理進(jìn)行對(duì)比，其中N為IFFT點(diǎn)數(shù)，k為子載波序號(hào)，n為時(shí)域信號(hào)序列號(hào)。

表1 典型單極性光OFDM調(diào)制原理對(duì)比Tab. 1 Comparison of modulation principles of typical optical OFDM

對(duì)表1中單極化方案的頻譜效率和功率效率性能進(jìn)行仿真對(duì)比，在誤碼率BER=10?3的情況下，仿真得到發(fā)射端所需光信噪比Eb(opt)/N0的大小，繪制系統(tǒng)頻帶利用率與Eb(opt)/N0的關(guān)系圖，結(jié)果如圖2所示。其中DCO-OFDM系統(tǒng)的直流偏置量取功耗最小情況[18]。

圖 2 光OFDM系統(tǒng)BER=10?3時(shí)光功耗與頻帶利用率的關(guān)系Fig. 2 The relationship between optical power and spectral efficiency in the optical OFDM system under BER=10?3

由圖2可分析得出：（1）U-OFDM是能效、頻效雙優(yōu)方案；（2）DCO-OFDM與PAM-DMT頻譜效率較高，而DCO-OFDM功率效率更優(yōu)；（3）ACO-OFDM與DCO-OFDM相比，星座映射尺寸較小時(shí)，ACO-OFDM功耗更小，星座映射尺寸較大時(shí)，DCO-OFDM能效更優(yōu)；（4）MACO-OFDM頻譜效率最差，但是功耗最小，在對(duì)光功率限制嚴(yán)格的調(diào)光系統(tǒng)中，可考慮選擇MACO-OFDM。

2.1.2 增強(qiáng)型光OFDM

增強(qiáng)型光OFDM利用多路并行傳輸或分層疊加傳輸?shù)乃枷?，更加充分利用頻譜資源。eUOFDM系統(tǒng)中每路U-OFDM信號(hào)按照特定的幀格式排列，各路信號(hào)疊加后傳輸，其頻譜利用率可提高近一倍，在保留功率效率優(yōu)勢(shì)的同時(shí)提高了頻譜效率[16]。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[32]提出了廣義增 強(qiáng) 型U-OFDM（GeneRalizEd EnhaNcEd unipolaR OFDM，GREENER-OFDM）。將上述多路并行疊加思想進(jìn)行泛化，消除eU-OFDM與DCOOFDM的頻譜差距。同樣，調(diào)制方法可分別得到ePAM-DMT[33]和eACO-OFDM[34]。上述幾種多路并行疊加傳輸方案雖可獲得與DCO-OFDM相同的頻譜效率，但以系統(tǒng)復(fù)雜度為代價(jià)。

LACO-OFDM利用分層概念，對(duì)子載波進(jìn)行分層使用，多層信息疊加同時(shí)進(jìn)行傳輸，相較于ACO-OFDM頻譜效率可提高近一倍，且由于無需引入直流偏置，功率效率高于DCO-OFDM，又由于幀長無需加倍，信息速率高于eU-OFDM[17]。文獻(xiàn)[35]提出三層混合光OFDM（Triple-layer Hybrid Optical OFDM，THO-OFDM），該方案能以較低的運(yùn)算復(fù)雜度獲得與LACO-OFDM相同的頻譜效率；與層數(shù)相同的LACO-OFDM相比，可以獲得3 dB的PAPR增益。

2.1.3 混合光OFDM

以ACO-OFDM為基礎(chǔ)，利用偶載波進(jìn)行DCO-OFDM調(diào)制，可以得到混合調(diào)制方案ADOOFDM。相較于DCO-OFDM系統(tǒng)，其功率效率有所提高，相較于ACO-OFDM系統(tǒng)，其頻譜效率有所提高，同時(shí)可以通過最優(yōu)化能量分配、直流偏置和星座尺寸獲得最優(yōu)的系統(tǒng)性能[18]。然而，由于ADO-OFDM中仍然需要引入直流偏置，所以仍然存在能量損耗。針對(duì)此問題，文獻(xiàn)[19]提出了HACO-OFDM，其可同時(shí)傳輸ACO-OFDM和PAM-DMT符號(hào)，避免直流偏置的加入，可實(shí)現(xiàn)較高的功率效率。在此基礎(chǔ)上，對(duì)偶數(shù)子載波的實(shí)部進(jìn)行DCO-OFDM調(diào)制，得到EHACO-OFDM，能進(jìn)一步提高頻譜效率和功率效率，在高階調(diào)制時(shí)，可以獲得更好的BER性能[20]。文獻(xiàn)[21]提出的AAO-OFDM系統(tǒng)無需添加直流偏置，功率效率高于ADO-OFDM，但是由于雙極性O(shè)FDM的符號(hào)信息占據(jù)了ACO-OFDM部分子載波資源，使得AAO-OFDM系統(tǒng)的頻譜效率低于ADOOFDM及HACO-OFDM。

2.2 無需厄米特對(duì)稱的光OFDM

文獻(xiàn)[22]提出將復(fù)數(shù)OFDM符號(hào)的實(shí)部、虛部及正、負(fù)極性分離，以去除厄米特對(duì)稱性的約束，得到單極性O(shè)FDM符號(hào)，并通過仿真驗(yàn)證了相同頻譜效率下，PM-OFDM系統(tǒng)的誤碼性能和計(jì)算復(fù)雜度優(yōu)于ACO-OFDM、U-OFDM和Flip-OFDM。

文獻(xiàn)[23]提出的P-OFDM，利用極坐標(biāo)系分別傳輸復(fù)信號(hào)的幅值和相位，實(shí)現(xiàn)單極化處理，其頻譜效率是ACO-OFDM的2倍，且PAPR性能和誤碼性能更優(yōu)。文獻(xiàn)[36]提出基于星座協(xié)作映射的改進(jìn)P-OFDM方法，可在不犧牲PAPR的同時(shí)獲得更好的平均誤符號(hào)率性能，在功率分配方案中，能取得更好的結(jié)果。

對(duì)以上幾種光OFDM調(diào)制方案從功率效率、頻譜效率和計(jì)算復(fù)雜度方面進(jìn)行比較，見表2。為了簡化結(jié)果忽略循環(huán)前綴，接收機(jī)為傳統(tǒng)接收機(jī)（非分集接收或迭代接收）。表中，M為子載波信號(hào)調(diào)制階數(shù)；D為并行傳輸疊加的總路數(shù)；d為路數(shù)序號(hào)；L為分層算法中子載波總層數(shù)；l為層數(shù)序號(hào)。接收機(jī)復(fù)雜度判斷依據(jù)為包含F(xiàn)FT/IFFT操作的次數(shù)，一次N點(diǎn)FFT/IFFT操作的計(jì)算復(fù)雜度為。部分結(jié)果參考文獻(xiàn)[37]。

表2 光OFDM性能比較Tab. 2 Performance comparison of optical OFDM schemes

3 基于離散哈特萊變換的光OFDM

對(duì)于基于離散傅立葉變換的光OFDM，為使發(fā)送信號(hào)為實(shí)信號(hào)，頻域傳輸序列需要滿足厄米特對(duì)稱性或時(shí)域符號(hào)幀長需要加倍，這都會(huì)損失一半的頻譜效率。哈特萊變換可以保證子載波的正交性且核函數(shù)是實(shí)函數(shù)，且無需厄米特對(duì)稱即可得到實(shí)信號(hào)，可有效提高頻譜效率，且哈特萊變換及其逆變換形式一樣，發(fā)送端和接收端的調(diào)制與解調(diào)可以由同一發(fā)生器實(shí)現(xiàn)，節(jié)約硬件成本，同時(shí)無虛部計(jì)算可以提高運(yùn)算速度，降低計(jì)算復(fù)雜度[38]。因此，可以采用哈特萊變換代替傅立葉變換實(shí)現(xiàn)光OFDM。

2010年，Moreolo首次提出基于離散哈特萊變換（DHT）實(shí)現(xiàn)ACO-OFDM和DCO-OFDM，與離散傅立葉變換（DFT）相比，在相同信息速率下，DHT能以更小尺寸的星座映射實(shí)現(xiàn)光OFDM系統(tǒng)，同時(shí)不損失誤碼性能[24]，且可以不受厄米特限制，采用更加有效的PAPR抑制技術(shù)，在高階星座調(diào)制時(shí)，能夠顯著提高系統(tǒng)的誤碼性能[25]，F(xiàn)HT（快速DHT）計(jì)算成本相較于FFT可節(jié)省約36%[26]。在相同頻譜效率下，歸納比較了同一光OFDM系統(tǒng)基于FFT與FHT的性能，見表3。

表3 基于FFT與FHT的光OFDM對(duì)比Tab. 3 Comparison of optical OFDM with FFT and FHT

鑒于哈特萊變換與光OFDM結(jié)合的性能優(yōu)勢(shì)，文獻(xiàn)[27-31]分別在ACO-OFDM、U-OFDM、P-OFDM、CSK及LACO-OFDM系統(tǒng)中應(yīng)用哈特萊變換，能以更簡單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、更低的計(jì)算復(fù)雜度，使頻譜效率增加一倍，且系統(tǒng)在功率效率和PAPR性能上更具優(yōu)勢(shì)。

4 基于LED索引調(diào)制的光OFDM

前文所介紹的光OFDM調(diào)制方案中，為得到實(shí)信號(hào)，基于FFT的調(diào)制方案中限制子載波具有厄米特對(duì)稱性，基于FHT的調(diào)制方案中限制頻域調(diào)制符號(hào)為實(shí)星座映射。為滿足正極性，二者均需要進(jìn)行單極化特殊處理，如奇載波調(diào)制、添加直流偏置、分層疊加等，通常會(huì)犧牲頻譜效率或功率效率，增加系統(tǒng)復(fù)雜度?；贚ED索引調(diào)制的光OFDM，利用LED空間維度，得到實(shí)信號(hào)或滿足正極性的要求，在頻譜效率、功率效率或系統(tǒng)復(fù)雜度上有明顯優(yōu)勢(shì)。

文獻(xiàn)[39]提出一種非直流偏置的光OFDM（NDC-OFDM），在得到實(shí)數(shù)OFDM信號(hào)后，使用兩個(gè)LED分別傳輸正信號(hào)和負(fù)信號(hào)的絕對(duì)值，滿足正極性傳輸要求，但為了得到實(shí)數(shù)OFDM信號(hào)，子載波序列仍然需要滿足厄米特對(duì)稱。為此，文獻(xiàn)[40]提出廣義LED索引調(diào)制的光OFDM（GLIM-OFDM），子載波序列不再需要進(jìn)行厄米特對(duì)稱，使用4個(gè)LED分別傳輸復(fù)數(shù)符號(hào)的實(shí)部和虛部的正、負(fù)極性部分，將頻譜效率提高一倍。文獻(xiàn)[41]提出非厄米特對(duì)稱的光OFDM（NHSOFDM），以兩個(gè)LED分別傳輸復(fù)數(shù)OFDM信號(hào)的實(shí)部和虛部，分別添加直流偏置實(shí)現(xiàn)正極性，與DCO-OFDM相比，NHS-OFDM大幅降低了計(jì)算復(fù)雜度及能量消耗。而無直流偏置的OFDM（SH-OFDM），采用離散哈特萊變換得到實(shí)信號(hào)后，利用兩個(gè)LED分別傳輸正信號(hào)和負(fù)信號(hào)的絕對(duì)值，以更低的計(jì)算復(fù)雜度獲得與GLIM-OFDM相同的頻譜效率，與NDC-OFDM相比，去除了厄米特對(duì)稱的限制，與NHS-OFDM相比，去除了直流偏置的限制[42]。文獻(xiàn)[43]使用最大后驗(yàn)概率和LED選擇技術(shù)，將GLIM-OFDM中LED數(shù)目泛化，應(yīng)用場(chǎng)景擴(kuò)展到LED數(shù)目多于4個(gè)的任意偶數(shù)個(gè)LED場(chǎng)景。

5 光OFDM系統(tǒng)接收機(jī)改進(jìn)方案研究

國內(nèi)外學(xué)者在上述光OFDM系統(tǒng)傳統(tǒng)接收方案的基礎(chǔ)上，對(duì)接收機(jī)改進(jìn)方法進(jìn)行了大量的研究，以提高系統(tǒng)可靠性。由于ACO-OFDM出色的性能和獨(dú)特的調(diào)制原理，其接收機(jī)改進(jìn)方案應(yīng)運(yùn)而生，主要包含噪聲消除[44]、分集合并[45]和迭代接收[46]3種方法。噪聲消除法即成對(duì)裁剪，利用正零關(guān)系判別信號(hào)，在恢復(fù)信號(hào)的同時(shí)去除一半采樣點(diǎn)的噪聲，在ACO系統(tǒng)中可以獲得至少1.3 dB的光功率增益。分集合并法利用偶載波上限幅噪聲恢復(fù)數(shù)據(jù)，與奇載波恢復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，可詳細(xì)劃分為時(shí)域分集合并法（TDDC）與頻域分集合并法（FDDC），經(jīng)驗(yàn)證在視距（Line of Sight，LOS）信道中，TDDC與FDDC的誤碼性能非常接近；在非視距（None Line of Sight，NLOS）信道中FDDC的誤碼性能相較于TDDC改善了1.1 dB。迭代接收機(jī)是在噪聲消除和分集合并的基礎(chǔ)上提出的一種誤碼性能更優(yōu)的迭代處理方法，在4×4 MIMO系統(tǒng)的NLOS傳輸信道中最多可獲得近10 dB的誤碼性能增益。將噪聲消除和分集合并兩種方法聯(lián)合使用，并不會(huì)帶來額外増益[47]，由于噪聲消除不能應(yīng)用于頻域，所以頻域分集合并是頻率選擇性信道的首選。迭代接收方法性能雖好，但是系統(tǒng)復(fù)雜度較高。

除上述基于ACO-OFDM符號(hào)特殊性提出的接收機(jī)改進(jìn)方案，文獻(xiàn)[48]針對(duì)可見光MIMO（16QAM-ACO）系統(tǒng)提出基于不同視場(chǎng)角檢測(cè)器和角度分集的接收機(jī)設(shè)計(jì)，降低了信道相關(guān)性，室內(nèi)97%的位置最小信噪比在45 dB以上，提高了系統(tǒng)可靠性。

除ACO-OFDM系統(tǒng)外，分集合并接收方法應(yīng)用在PAM-DMT系統(tǒng)上，可獲得至少2.3 dB的誤碼性能增益[49]；將迭代接收機(jī)分別應(yīng)用在PAM-DMT、Flip-OFDM和eU-OFDM系統(tǒng)上，均可獲得顯著的誤碼性能改善[50?52]。LACO-OFDM作為ACO-OFDM的增強(qiáng)方案，其接收機(jī)改進(jìn)方案也備受關(guān)注。應(yīng)用噪聲消除法加迭代處理可獲得2.25 dB的誤碼性能增益（L=3，16QAM，BER=10?4）[53]；采用分集合并接收方法，誤碼性能可以改善2 dB[54]；在分集合并中采用連續(xù)干擾抵消，并從限幅噪聲中提取分集成分，誤碼性能在分集合并基礎(chǔ)上改善了2 dB[55]。

混合光OFDM接收解調(diào)時(shí)由支路解調(diào)錯(cuò)誤帶來的干擾會(huì)嚴(yán)重影響接收機(jī)性能。利用混合光OFDM中每一路信號(hào)的特殊對(duì)稱性，可以在時(shí)域分離各路信號(hào)，采用成對(duì)裁剪或成對(duì)平均技術(shù)減小信道噪聲對(duì)支路信號(hào)的干擾，重構(gòu)時(shí)域信號(hào)，減小對(duì)其他支路信號(hào)的干擾，迭代處理上述操作，可以顯著提高接收機(jī)性能，且迭代次數(shù)越多，誤碼性能提高越大[56]，但迭代接收計(jì)算復(fù)雜度較高。為此文獻(xiàn)[57]針對(duì)HACO-OFDM提出一種新型接收機(jī)，充分利用時(shí)域信號(hào)的結(jié)構(gòu)特殊性，消除ACO支路限幅噪聲的影響，計(jì)算復(fù)雜度下降58.3%，且誤碼性能更具優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[35]采用相同方法對(duì)THO-OFDM進(jìn)行解調(diào)，這種利用時(shí)域信號(hào)結(jié)構(gòu)特殊性的接收機(jī)改進(jìn)方法是混合光OFDM的高效檢測(cè)方案。

6 未來研究方向

盡管可見光OFDM單極化調(diào)制技術(shù)的研究已經(jīng)比較成熟，頻譜效率已經(jīng)可以達(dá)到與射頻OFDM系統(tǒng)相同的水平，光OFDM系統(tǒng)仍然存在很多挑戰(zhàn)和值得研究的地方，總結(jié)如下：

6.1 光OFDM優(yōu)化方案

目前光OFDM調(diào)制技術(shù)大致分為3類，其中基于離散傅立葉變換的方案中，多數(shù)需要厄米特對(duì)稱設(shè)置，會(huì)浪費(fèi)頻譜資源；基于離散哈特萊變換的方案中，限制使用實(shí)星座映射；基于LED索引調(diào)制的方案中，會(huì)占用更多的LED資源且存在信道相關(guān)性問題。因此結(jié)合各類方案的優(yōu)勢(shì)、避免限制、提出更加優(yōu)化的光OFDM方案是未來主要研究方向。如在哈特萊變換前引入復(fù)-實(shí)轉(zhuǎn)換函數(shù)，使得復(fù)星座映射符號(hào)也可以應(yīng)用于哈特萊系統(tǒng)中，在不損失誤碼率的情況下，計(jì)算復(fù)雜度相較于傅立葉變換可下降一半[58]。未來，提出頻譜、功率更加高效、計(jì)算復(fù)雜度更低的光OFDM調(diào)制方案仍然具有很大的研究空間。

6.2 PAPR抑制技術(shù)

影響可見光通信傳輸質(zhì)量的一大因素就是白光LED的非線性特性[59]，OFDM信號(hào)通常具有較高的PAPR，會(huì)造成非線性失真，因此PAPR抑制技術(shù)是光OFDM的一個(gè)重要研究方向。關(guān)于可見光OFDM信號(hào)PAPR抑制的研究，主要包括預(yù)失真技術(shù)（限幅類和壓擴(kuò)類）和無失真技術(shù)（編碼類和概率類），其中預(yù)失真技術(shù)可能會(huì)使系統(tǒng)的誤碼性能變差。還有一些與傳統(tǒng)抑制技術(shù)不同的新方法，如利用導(dǎo)頻插入[60]、LED陣列[61]及自動(dòng)編碼器[62]的方法也取得了不錯(cuò)的PAPR抑制效果。

在可見光OFDM系統(tǒng)中應(yīng)用傳統(tǒng)的PAPR抑制技術(shù)，需要針對(duì)光信號(hào)的特殊性做出調(diào)整與改進(jìn)，往往會(huì)增加系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，甚至使系統(tǒng)誤碼性能優(yōu)勢(shì)消失。此外，受可見光OFDM調(diào)制過程中子載波數(shù)據(jù)厄米特對(duì)稱性等的限制，一些在射頻OFDM中高效的PAPR無法在可見光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用。因此，適用于可見光OFDM的可靠性高、復(fù)雜度低的PAPR抑制技術(shù)仍有很大的研究空間。

6.3 基于子載波索引調(diào)制的光OFDM

光OFDM調(diào)制技術(shù)致力于更加充分地利用子載波調(diào)制映射符號(hào)，不斷提升頻譜效率，而子載波除了可以調(diào)制映射符號(hào)，自身的空間資源也包含豐富的信息量。O-OFDM-IM通過星座映射符號(hào)和子載波序號(hào)共同傳輸信息，合理選擇激活子載波數(shù)目可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)光OFDM更高的頻譜效率和誤碼性能；同時(shí)由于未激活子載波并不發(fā)送信息，因此可以有效克服符號(hào)間干擾[63]。

目前O-OFDM-IM的研究限于典型單極化光OFDM系統(tǒng)與索引調(diào)制的結(jié)合，如ACO、DCO、Flip，采用更加高效的光OFDM與索引調(diào)制結(jié)合，或在子載波索引調(diào)制過程中巧妙實(shí)現(xiàn)OFDM符號(hào)“實(shí)、正”性，仍有很大的研究空間。此外，OOFDM-IM的解調(diào)除了需要解星座映射，還需要估計(jì)每個(gè)子塊的激活子載波組合，因此其接收機(jī)復(fù)雜度更高，當(dāng)子載波數(shù)增大時(shí)，計(jì)算復(fù)雜度呈指數(shù)倍增長，因此研究O-OFDM-IM的低復(fù)雜度檢測(cè)算法，降低接收機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度是很有必要的。

6.4 光OFDM與其他技術(shù)結(jié)合的應(yīng)用

6.4.1 與調(diào)光控制技術(shù)結(jié)合

VLC利用室內(nèi)照明設(shè)備進(jìn)行通信，應(yīng)同時(shí)兼顧通信與照明的雙重作用，在保證可靠的通信鏈路的同時(shí)滿足高效安全的照明狀態(tài)。因此，調(diào)光控制技術(shù)是VLC的一個(gè)重要研究方向?？梢姽釵FDM系統(tǒng)中常用的調(diào)光技術(shù)主要分為模擬調(diào)光[64]和數(shù)字調(diào)光[65-66]，兩種技術(shù)分別通過調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)電流的幅度和占空比來實(shí)現(xiàn)。這兩種技術(shù)往往會(huì)犧牲通信速率，尤其在白天的樓梯間、會(huì)議室等場(chǎng)景下，希望以盡可能低的照明實(shí)現(xiàn)通信需求，需要進(jìn)行信號(hào)削峰或降低占空比及調(diào)制階數(shù)，會(huì)極大地限制通信速率，造成頻譜資源的浪費(fèi)。在光OFDM系統(tǒng)中引入空間調(diào)光（Spatial Dimming，SD）技術(shù)實(shí)現(xiàn)照明控制，利用LED的空間維度，通過改變激活LED的數(shù)目實(shí)現(xiàn)光功率調(diào)節(jié)，對(duì)LED集合進(jìn)行優(yōu)化，可以提升系統(tǒng)在特定亮度下的通信性能[67]。

而現(xiàn)有空間調(diào)光均是與模擬調(diào)光相結(jié)合，雖然實(shí)現(xiàn)簡單，但需要根據(jù)不同的照明需求不斷調(diào)整信號(hào)幅度，且現(xiàn)有調(diào)光控制未考慮PAPR抑制技術(shù)，高PAPR引起的性能惡化沒有得到抑制。此外，現(xiàn)有研究大部分集中于下行通信場(chǎng)景且僅考慮LED激活數(shù)目，未來可結(jié)合上行鏈路的需求，綜合考慮LED布局優(yōu)化對(duì)單極化實(shí)現(xiàn)和調(diào)光控制的影響。

6.4.2 可重構(gòu)智能反射面的應(yīng)用

室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)信道包括視距路徑和反射路徑，由于視場(chǎng)角的限制和墻面等對(duì)信號(hào)的吸收作用，反射路徑對(duì)信號(hào)的衰減較大，通常到達(dá)接收端的能量很有限，因此，相關(guān)研究大多數(shù)以視距信道為主，這也限制了可見光通信的應(yīng)用，必須具有視距路徑，否則無法保證通信質(zhì)量。可重構(gòu)智能反射面（Reconfigurable Intelligent Surfaces，RIS）可以有效解決這一限制[68-69]，RIS是一種新型的數(shù)字編碼超材料，能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)電磁波和光波進(jìn)行反射、計(jì)算以及編程控制，通過編程來調(diào)節(jié)電磁波的強(qiáng)度、相位、頻率和極性，精確地調(diào)整出射光束的方向以跟隨使用者，在室內(nèi)光通信環(huán)境中設(shè)置多個(gè)光學(xué)可重構(gòu)智能反射面，以使被障礙物遮擋的、無視距傳播路徑的用戶接收來自智能反射面的信號(hào)，從而提高能量利用效率，降低中斷概率，進(jìn)而改善系統(tǒng)性能。

智能反射面是在有障礙物的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定光通信的解決方案，拓寬了光通信的應(yīng)用場(chǎng)景。系統(tǒng)中的RIS節(jié)點(diǎn)并不接收和轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，僅對(duì)光信號(hào)進(jìn)行物理反射，從而降低了通信成本和通信延遲。而且不僅可以通過對(duì)接收信號(hào)的智能反射來提高接收效果，還可巧妙地利用多接收天線進(jìn)行索引調(diào)制來提高頻譜效率[70]。因此，未來智能反射面在可見光通信領(lǐng)域的應(yīng)用極具吸引力。

7 結(jié)束語

可見光通信系統(tǒng)采用IM/DD，傳輸?shù)腛FDM信號(hào)必須滿足“實(shí)、正”性，本文針對(duì)光OFDM單極化調(diào)制技術(shù)展開研究，分析了實(shí)現(xiàn)光OFDM單極化的3類方法，分別為基于離散傅立葉變換的光OFDM、基于離散哈特萊變換的光OFDM，以及基于LED索引調(diào)制的光OFDM。研究初期出現(xiàn)的方案中，頻域子載波信號(hào)需要滿足厄米特對(duì)稱等特殊要求，造成部分子載波資源浪費(fèi)，因此頻譜效率較低，同時(shí)，本文對(duì)頻譜效率的改善方案進(jìn)行了研究，包含并行傳輸或分層疊加的增強(qiáng)型方案、混合方案以及基于哈特萊變換的方案，以更加充分地利用子載波資源，并對(duì)多種光OFDM系統(tǒng)的性能進(jìn)行綜合比較。鑒于基于FFT或FHT的方案中，對(duì)子載波設(shè)置或星座映射存在限制，本文對(duì)基于LED索引調(diào)制的光OFDM進(jìn)行了研究與分析，利用LED的空間維度，實(shí)現(xiàn)單極化的光OFDM。為提高系統(tǒng)的可靠性、減小解調(diào)錯(cuò)誤，文中對(duì)接收機(jī)改進(jìn)方案進(jìn)行研究與分析，主要包含噪聲消除、分集合并和迭代接收3種方案。最后本文總結(jié)了光OFDM調(diào)制技術(shù)存在的問題和未來的研究方向。