適用於可見光OCDMA通信的二維光地址碼的構造方法與流程
2023-10-06 10:21:59 3
本發明屬於通信
技術領域：
，具體涉及一種可見光光碼分多址通信系統中二維光地址碼的構造方法，可用於對多用戶隨機接入、抗幹擾和系統容量有較高要求的可見光通信中。
背景技術：
：基於LEDs照明的可見光通信(VisibleLightCommunication，VLC)技術，照明的同時可以提供通信。相比其它室內無線通信方式，VLC具有大容量、免頻譜申請、抗電磁幹擾、安全性高，低成本，綠色環保等的特點，使其適應於更多室內環境。例如，在醫院和飛機等禁止電磁波的環境中，電磁波會干擾儀器的正常使用，甚至可能產生嚴重後果，抗電磁幹擾的可見光通信是最好選擇。隨著網際網路技術的高速發展，以信息技術為基礎的數字空間急速擴張，室內數據流量正快速增長，利用可見光通信提高室內通信網絡性能具有廣泛的應用前景。在可見光通信系統中，多用戶處在同一LEDs設備通信覆蓋範圍，通過同一個LEDs設備傳送信息時，需要多址策略保證多用戶有效接入和使用網絡。可見光通信網絡中已有的主流多址復用技術主要包括光時分復用(OTDM)、光波分復用(OWDM)和光碼分多址(OCDMA)。OTDM和OWDM系統分別通過給不同用戶分配時隙和波長來實現多用戶通信。OTDM和OWDM系統有許多不足之處，例如帶寬資源利用率較低，要求精準時間同步。OCDMA技術在發送端通過編碼器將不同用戶的數據比特「1」編碼為專屬的碼字(比特「0」不編碼，即為全零碼)，來區分不同用戶發送的數據，在接收端通過解碼器將接收信號與本地碼字進行卷積來解碼出數據。OCDMA技術能充分利用帶寬資源，允許更多的用戶隨機共享信道。在OCDMA技術的實際應用過程中，構造性能優良的光地址碼是主要任務之一。在使用時域上擴頻的一維光地址碼時，OCDMA系統要容納更多的用戶，必須增加碼字長度。碼字長度增加則導致用戶數據比特率的下降，碼片脈衝位的控制難度增大。同時，對於多用戶、長碼字的OCDMA系統，隨著用戶數量的增加，多址幹擾增大，系統性能下降。為了增加系統的碼容量，提升系統性能，需要一種性能更好、碼容量更大的地址碼。通過在時域擴頻/頻域跳頻對波長片和時間片進行適當組合，在時域和頻域同時進行編碼和信道復用，可以構造出二維光地址碼，能有效提高帶寬利用率，大大增加碼字容量，提升系統性能。在二維光地址碼構造的研究上，國內外部分學者提出了以下構造方案：西南交通大學梁宏斌等人在「ConstructionsofOptimal2-DOpticalOrthogonalCodesviaGeneralizedCyclotomicClasses」(PublishedinIEEETransactionsonInformationTheory,Volume:61,Issue:1,Page(s):688–695,Jan.2015.)中通過廣義割圓類提出了同時具有AM-0PPTS(atmostonepulseper-timeslot)和AT-OPPW(atmostonepulseperwavelength)限制的二維光正交碼(Two-DimensionalOpticalOrthogonalCodes，2-DOOCs)，並且通過向同時具有AM-0PPTS和AT-OPPW限制的2-DOOCs添加新的碼字，可以很容易的獲得具有AT-OPPW限制的2-DOOCs，或者具有AT-OPPW限制的2-DOOCs，但是基於抽象代數理論的構造方法比較複雜，不容易通過編解碼器件實現靈活快速編碼，並且構造參數之間相互影響，無法通過單獨地改變某一個參數而不影響其他參數的情況下，改變碼字的性能。電子科技大學的萬生鵬等人在「Two-DimensionalOpticalCDMADifferentialSystemWithPrime/OOCCodes」(PublishedinIEEEPhotonicsTechnologyLetters,vol.13,pp.1373–1375,Dec.2001.)中通過結合現有的一維光地址碼PCs(PrimeCodes)和OOCs，將PCs用於時域擴頻，OOCs用於頻域跳頻，提出了二維組合碼Prime/OOCs。這種二維碼複雜度低，構造簡單，易於實現，但是在構造過程中碼長、碼重和波數同樣相互影響。Yu-CheiLin等人在「ConstructionofOptimal2DOpticalCodesUsing(n,w,2,2)OpticalOrthogonalCodes」(PublishedinIEEETransactionsonCommunications,Volume:59,Issue:1,Page(s):194-200,January2011.)中通過素數序列將不同的波長映射到時域擴頻OOCs相應的脈衝「1」上，得到了一種新型的二維光地址碼。由于波長的映射規則是由素數序列決定，與用來進行時域擴頻的OOCs相互獨立。所以在構造MWOOCs過程中，可以通過單獨增加碼長/波數來提升碼字性能，同時還不影響波數/碼長的選擇。但是該二維光地址碼只有在波數為素數時，碼集才會達到既定的最大值，即對波數的選擇有一定限制。技術實現要素：本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提出了一種適用於可見光OCDMA通信的二維光地址碼的構造方法，用於解決現有可見光OCDMA通信的二維光地址碼的構造方法中存在的波數選擇有限制以及大碼集和低互相關值難以兼得的技術問題。為實現上述目的，本發明採取的技術方案包括如下步驟：(1)從一維光地址碼中選出(N,ω,λa＝1,λc＝1)光正交碼OOC，其中N為碼長，ω為碼重，λa為最大自相關旁瓣，λc為最大互相關值；(2)在素數域ZP＝{0,1,2,......,P-1}上選取一個不可約的n階多項式q(x)，其中P為素數，n為任意正整數；(3)求取素數域ZP的多項式集合ZP[x]模多項式q(x)的餘環，得到模-q(x)的伽羅華域GF(Pn)＝ZP[x]/(q(x))＝{bn-1xn-1+......+bixi+......+b1x+b0|bi∈ZP,i＝0,1,......,n-1}，其中Pn為伽羅華域GF(Pn)中元素的個數；(4)對伽羅華域GF(Pn)二次多項式a2x2+a1x+a0中的a2、a1和a0分別取0～Pn-1不同的值，得到(Pn)3個二次多項式，其中a2、a1和a0二次項係數，且a2,a1,a0∈GF(Pn)；(5)對(Pn)3個二次多項式中的變量x在區間0～Pn-1從小到大依次取不同值，根據所取的值計算每個二次多項式，並將計算的結果按如下方式排列：(a2·02+a1·0+a0,a2·12+a1·1+a0,......,a2·(Pn-1)2+a1·(Pn-1)+a0)，得到(Pn)3個用於將不同波長映射到(N,ω,λa＝1,λc＝1)光正交碼OOC碼字脈衝上的映射序列，其中x∈GF(Pn)；(6)將步驟(5)生成的映射序列的前ω個元素對應的波長，映射到步驟(1)中選出的(N,ω,λa＝1,λc＝1)光正交碼OOC碼字的ω個脈衝「1」上，得到碼集為Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)3的(L×N,ω,λa＝1,λc＝2)二維光地址碼，其中L為波數，且等於伽羅華域GF(Pn)中元素的個數Pn，Φ(N,ω,1,1)OOC為(N,ω,λa＝1,λc＝1)光正交碼OOC的碼集；(7)將碼集為Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)3的(L×N,ω,λa＝1,λc＝2)二維光地址碼分成Pn組碼集為Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)2的(L×N,ω,λa＝1,λc＝1)二維光地址碼，並為每個LEDs照明通信終端分配一組碼集為Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)2的(L×N,ω,λa＝1,λc＝1)二維光地址碼。本發明與現有技術相比，具有以下優點：第一、本發明由於在生成映射序列的過程中採用了基於伽羅華域的方法，使得二維光地址碼波數的選擇不再局限於素數，而是拓展到了素數的n次冪，提高了波數選擇的自由度。第二、本發明由於映射序列的生成過程和時域擴頻碼的選擇過程是相互獨立的，使得二維光地址碼的波數與碼長和碼重相互獨立，故可以通過單獨增加碼長/波數的方法來提升碼字性能，同時還不影響波數/碼長的選擇。第三、本發明中二維光地址碼具有分組特性，即Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)3個最大互相關值為2的碼字可以被分成Pn組碼集為Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)2，最大互相關值為1的二維光地址碼，最大互相關值為1的二維光地址碼能降低誤碼率，提供更好的通信質量，通過為每個LEDs照明通信終端分配一組最大互相關值為1的二維光地址碼，既保證了最多Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)3個用戶的同時接入VLC網絡，又進一步抑制了同一個LEDs照明通信終端覆蓋範圍下的多用戶幹擾。附圖說明圖1是本發明的實現流程框圖；圖2是本發明實施例中的室內可見光通信網絡模型圖。具體實施方式下面結合附圖和實例，對本發明作進一步的詳細描述。參照圖1，本發明包括如下步驟：步驟1：從一維光地址碼中選出(N,ω,λa＝1,λc＝1)光正交碼OOC，其中N為碼長，ω為碼重，λa為最大自相關旁瓣，λc為最大互相關值；從一維光地址碼中選出(40,4,1,1)光正交碼OOC作為時域擴頻碼，其碼集為3，以其中的一個碼字(1100100000000100000000000000000000000000)為例(簡寫為11001000000001)。步驟2：在素數域ZP＝{0,1,2,......,P-1}上選取一個不可約的n階多項式q(x)，其中P為素數，n為任意正整數；選取一個在素數域Z2＝{0,1}上不可約的多項式x3+x2+1。步驟3：求取素數域ZP的多項式集合ZP[x]模多項式q(x)的餘環，得到模-q(x)的伽羅華域GF(Pn)＝ZP[x]/(q(x))＝{bn-1xn-1+....+bixi+....+b1x+b0|bi∈ZP,i＝0,1,....,n-1}，其中Pn為伽羅華域GF(Pn)中元素的個數；求素數域Z2＝{0,1}的多項式集合Z2[x]模x3+x2+1的餘環，得到模-x3+x2+1的伽羅華域GF(23)＝{0,1,x,x+1,x2,x2+1,x2+x,x2+x+1}，將GF(23)中的個23元素轉化為十進位的形式GF(23)＝{0,1,2,3,4,5,6,7},即對應波長{λ0,λ1,λ2,λ3,λ4,λ5,λ6,λ7}。GF(23)中的元素服從模-x3+x2+1的加法和乘法，其加法表和乘法表分別如表1和表2所示。表101234567001234567110325476223016745332107654445670123554761032667452301776543210表201234567000000000101234567202465713303651274404517326505723641606172435707346152步驟4：對伽羅華域GF(Pn)二次多項式a2x2+a1x+a0中的a2、a1和a0分別取0～Pn-1不同的值，得到(Pn)3個二次多項式，其中a2、a1和a0為二次項係數，且a2,a1,a0∈GF(Pn)；對GF(23)二次多項式a2x2+a1x+a0中的係數a2、a1和a0分別取{0,1,2,3,4,5,6,7}不同值時，能夠得到512個不同的二次多項式。步驟5：對(Pn)3個二次多項式中的變量x在區間0～Pn-1從小到大依次取不同值，根據所取的值計算每個二次多項式，並將計算的結果按如下方式排列：(a2·02+a1·0+a0,a2·12+a1·1+a0,......,a2·(Pn-1)2+a1·(Pn-1)+a0)，得到(Pn)3個用於將不同波長映射到(N,ω,λa＝1,λc＝1)光正交碼OOC碼字脈衝上的映射序列，其中x∈GF(Pn)；對變量x分別取{0,1,2,3,4,5,6,7}，計算多項式，其中加法運算需服從表1，乘法運算需服從表2，將計算結果按如下方式進行排列：(a2·02+a1·0+a0,a2·12+a1·1+a0,......,a2·72+a1·7+a0)，得到基於GF(23)的512個長度為8的映射序列，詳見表3。表3步驟6：將步驟(5)生成的映射序列的前ω個元素對應的波長，映射到步驟(1)中選出的(N,ω,λa＝1,λc＝1)光正交碼OOC碼字的ω個脈衝「1」上，得到碼集為Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)3的(L×N,ω,λa＝1,λc＝2)二維光地址碼，其中L為波數，且等於伽羅華域GF(Pn)中元素的個數Pn，Φ(N,ω,1,1)OOC為(N,ω,λa＝1,λc＝1)光正交碼OOC的碼集；因為步驟1中選出的(40,4,1,1)光正交碼OOC碼重為4，故截取每個映射序列的前4個元素將相應的波長映射到碼字(11001000000001)的4個脈衝「1」上。例如，當a2＝0,a1＝2,a0＝2時，生成的映射序列為{02465713}，故將波長λ0,λ2,λ4,λ6按順序映射到4個脈衝「1」上後，得到一個碼字(λ0λ200λ400000000λ6)。最終得到碼集為1536的(8×40,4,1,2)二維光地址碼。其中將波長映射到碼字(11001000000001)脈衝上，得到的512個(8×40,4,1,2)二維光地址碼碼字詳見表4。表4因為波數與碼長和碼重相互獨立，所以可以在不改變時域擴頻碼(40,4,1,1)OOC的情況下，通過增加波數來獲得更大的碼集，讓更多的用戶隨機接入和使用VLC網絡。例如在不改變時域擴頻碼(40,4,1,1)光正交碼OOC的基礎上，將波數增加到9。用在素域Z3＝{0,1,2}上的不可約多項式x2+x+1生成模-x2+x+1的伽羅華域GF(32)，由二次多項式，a2x2+a1x+a0，其中a2,a1,a0,x∈GF(32)，生成映射序列(a2·02+a1·0+a0,a2·12+a1·1+a0,......,a2·82+a1·8+a0)。當二次多項式的係數a2、a1和a0，分別取{0,1,2,3,4,5,6,7,8}不同值時，能夠得到729個不同的映射序列。根據映射序列將波長映射到相同的(40,4,1,1)光正交碼OOC的碼字上後，得到碼集為2187的(9×40,4,1,2)二維光地址碼。其中將波長映射到碼字(11001000000001)上，得到的729個(9×40,4,1,2)二維光地址碼碼字詳見表5。表5步驟7：將碼集為Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)3的(L×N,ω,λa＝1,λc＝2)二維光地址碼分成Pn組碼集為Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)2的(L×N,ω,λa＝1,λc＝1)二維光地址碼，並為每個LEDs照明通信終端分配一組碼集為Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)2的(L×N,ω,λa＝1,λc＝1)二維光地址碼，其中將碼集為Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)3的(L×N,ω,λa＝1,λc＝2)二維光地址碼分成Pn組碼集為Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)2的(L×N,ω,λa＝1,λc＝1)二維光地址碼，其分組方法為將由二次項係數a2相同的多項式生成的碼集為Φ(N,ω,1,1)OOC(Pn)3的(L×N,ω,λa＝1,λc＝2)二維光地址碼碼字歸為一組。將碼集為1536的(8×40,4,1,2)二維光地址碼碼字分為8組碼集為192的(8×40,4,1,2)二維光地址碼，每組192個碼字都是源自於a2相同的二次多項式。由於具有相同a2的多項式之間交點最多為1，故屬於同組的碼字之間最大互相關值為1。更小的互相關值能大大減小用戶之間的幹擾，提升通信質量。而屬於不同組碼字之間的最大互相關值為2，故屬於不同組的用戶之間發生碰撞時，會比同組內用戶之間發生碰撞時產生更大的多址幹擾。如果能設法使不同組的用戶之間不發生碰撞，則用戶只會遭受到來自單個幹擾用戶最大為1的多址幹擾，這有利於降低誤碼率，提升系統性能。單個照明通信終端的照明和通信範圍是有限的，因此，室內空間需要多個終端共同完成室內整個面積的照明和通信。給每一個照明通信終端分配一組最大互相關值為1的二維光地址碼。由於處於同一個照明通信終端覆蓋範圍下的用戶被分配的二維光地址碼碼字屬於同一組，且不會受到來自不同照明通信終端(被分配了不同組二維光地址碼碼字)的信號幹擾，所以不會受到互相關值為2的碰撞，這能有效降低誤碼率，提升通信質量。當然單個照明通信終端通信面積是圓形，當各個圓形相切時，有些位置無法通信，因此不同的LEDs終端通信範圍應該適當重疊，以保證室內任何位置都能有效通信。但是可以通過設計照明通信終端在室內的分布，在保證室內任何位置都能有效通信的條件下，減小照明通信終端覆蓋區域之間的重疊，使不重疊的區域仍然佔大部分，因此用戶處於重疊區域的概率很小，提出的策略仍能有效抑制多用戶之間的幹擾。以圖2所示4個LED照明通信終端組成的光照覆蓋模型為例，4個照明通信終端的光照區域分別為A、B、C、D。為此通過GF(22)上的二次多項式構造波數為4的二維光地址碼，將所有碼字按照上述方法分成A、B、C、D四組碼集為Φ(N,ω,1,1)OOC16，最大互相關值為1的二維光地址碼，並分配給A、B、C、D四個照明通信終端，用於管理各自覆蓋範圍內的多用戶接入和使用VLC網絡。每個照明通信終端可以允許最多Φ(N,ω,1,1)OOC16個用戶同時和終端進行通信。當用戶處於非重疊區域內時，他們只會受到最大會相關值為1的幹擾，而不會受到最大會相關值為2的幹擾。所以該方法既能保證最多Φ(N,ω,1,1)OOC64個用戶同時使用VLC網絡，又進一步抑制了VLC網絡中的同多用戶幹擾。當前第1頁1 2 3