[发明专利]基于IHDAF协议的室内VLC空间调制系统的工作方法

权利要求书

1.一种基于IHDAF协议的室内VLC空间调制系统的工作方法，该系统包括一个信源节点、一个中继节点和一个目的节点，信源节点和中继节点配备N_t＝2ⁿ个发送LED，其中n表示N_t个发送LED可承载的信息比特数，中继节点和目的节点配备一个光电检测器，系统工作在半双工模式下，其数据传输过程分为三个步骤：首先，信源信息比特经过串并转换为两部分进入空间调制模块，一部分用来选择发送LED，另一部分被映射为传统的M阶光强调制信号x_q＝I_mw(t)，其中m和I分别表示光强级数和光强系数，w(t)表示单位幅度的可见光波形；其次，x_q由所选发送LED传送至中继节点和目的节点，并通过将信源节点到目的节点链路瞬时信噪比γ_sd以及信源节点到中继节点链路瞬时信噪比γ_sr与预先设定的对应链路信噪比门限阈值SNR_sd和SNR_sr分别进行比较，选择相应的直接传输、译码前传或放大前传方案；最后，目的节点端的光电检测器对接收信号进行解调恢复，得到原始信号，该方法的具体步骤如下：

1)信源信息按照(log₂N_t+log₂M)个比特经过串并分组转换为两部分进入信源节点的空间调制部分，其中第一部分log₂N_t个比特信息用来选择发送LED，其序号记为l，另一部分log₂M个比特信息用来映射M阶光强调制信号x_q，经过空间调制后的发射信号向量表示为x＝[0,0,...,0,x_q,0,...,0]^T，其中x_q位于向量x的第l个位置，T表示向量的转置；

2)第一通信时隙，信源节点通过被激活发送LED，将光强调制信号x_q向中继节点和目的节点广播，目的节点接收到的信号表示为其中h^sd表示信源节点到目的节点的信道系数向量；表示信源第l个发送LED到目的节点的信道系数，其表达式为其中A_r表示目的节点光电检测器的有效接收面积、d表示信源第l个发送LED到目的节点光电检测器的有效距离、Ф表示信源第l个发送LED到目的节点光电检测器的俯视角度、Ψ表示目的节点光电检测器到信源第l个发送LED的仰视角度、m₁的表达式为其中Ф_1/2表示信源第l个发送LED的半角功率；n^sd表示信源节点到目的节点的信道噪声向量；中继节点接收到的信号表示为其中h^sr表示信源节点到中继节点的信道系数向量；表示信源第l个发送LED到中继节点的信道系数，其表达式为其中A′_r表示中继节点光电检测器的有效接收面积、d′表示信源第l个发送LED到中继节点光电检测器的有效距离、Ф′表示信源第l个发送LED到中继节点光电检测器的俯视角度、Ψ′表示中继节点光电检测器到信源第l个发送LED的仰视角度；n^sr表示信源节点到中继节点的信道噪声，转入下一步；

3)目的节点将信源节点到目的节点链路上的瞬时信噪比γ_sd同预先设定的对应链路噪比门限值SNR_sd相比较，如果γ_sd≥SNR_sd，则转入下一步，否则转入步骤5)，其中表示均值为零的高斯随机噪声的方差，另外γ_sr和γ_rd分别表示信源节点到中继节点链路和中继节点到目的节点链路上的瞬时信噪比，分别记为和其中P_s＝δP和P_R＝(1-δ)P分别表示信源节点和中继节点的发送功率，P表示系统总功率，δ表示功率分配系数，和分别表示信源第l个发送LED到目的节点之间、信源第l个发送LED到中继节点之间和中继节点第个发送LED到目的节点之间的信道系数模值的平方；

4)当γ_sd≥SNR_sd时，直传链路信道状况较好，目的节点正确译码，则中继节点无需参与协作，信源节点采用直接传输的方式，并在下一个时隙传输新的信息；目的节点对接收信号利用最大似然算法进行检测和解调恢复，即其中| |²表示模值的平方，l'和x′_q分别表示目的节点经过最大似然检测后得到的发送LED序号和调制信号，表示求有最小值时所对应的发送LED序号及对应光强调制信号；

5)当γ_sd＜SNR_sd时，此时直传链路信道状态较差，目的节点不能正确译码，则需要中继节点参与协作，中继节点将信源节点到中继节点链路的瞬时信噪比γ_sr与对应链路上设定信噪比门限值SNR_sr相比较，如果γ_sr≥SNR_sr，则转入下一步，否则转入步骤7)；

6)当γ_sr≥SNR_sr时，中继节点在第二个时隙采用译码前传的协作方式，目的节点将第一时隙和第二时隙接收到的信号合并后，采用最大似然检测对原信号进行解调恢复，并在下一时隙传输新的信息，其具体过程如下：

(1)中继节点对接收信号利用最大似然检测，即进行解调恢复，并将解调恢复后的调制信号x_q通过第个发送LED发送给目的节点，其中和x_q分别表示中继节点经最大似然检测后得到的信源发送LED序号和调制信号；

(2)在第二个时隙，目的节点接收到的来自中继节点的信号表示为其中表示中继节点第个发送LED到目的节点之间的信道系数，n^rd为中继节点与目的节点之间的信道噪声；

(3)目的节点将来自信源节点和中继节点的信号合并后进行检测，合并后信号及最大似然检测公式分别表示为及其中表示中继节点采用译码前传协议时的有效信道系数，和分别表示目的节点经最大似然检测后得到的信源发送LED序号和调制信号；

7)当γ_sr＜SNR_sr时，中继节点在第二个时隙采用放大前传的协作方式，目的节点将第一时隙和第二时隙接收到的信号合并后采用最大似然检测对原信号进行解调恢复，并在下一时隙传输新的信息，其具体过程如下：

(1)中继节点将接收信号放大，并选择一个到目的节点信道状况最好的LED作为中继节点的发送LED，通过该LED将放大后的信号发送给目的节点；

(2)在第二个时隙，目的节点接收到的来自中继节点的信号表示为其中表示放大因子，此时表示中继节点所选发送LED到目的节点链路的信道系数为最大，n^rd表示中继节点到目的节点间的信道噪声；

(3)目的节点将接收到的来自信源节点和中继节点的信号合并后进行检测，合并后的信号以及最大似然检测公式分别表示为及其中表示中继节点采用放大前传协议时的有效信道系数，和分别表示目的节点通过最大似然检测后得到的信源发送LED序号和调制信号。