【OFDM通信】室内NOMA-OFDM-VLC系统Matlab仿真

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🔥 内容介绍

一、引言

随着室内无线通信需求的不断增长，可见光通信（VLC）以其绿色环保、无电磁干扰、频谱资源丰富等优势受到广泛关注。然而，单一的 VLC 系统在多用户接入和高速数据传输方面存在一定局限。将非正交多址接入（NOMA）和正交频分复用（OFDM）技术引入 VLC 系统，构建室内 NOMA - OFDM - VLC 系统，能够有效提升系统性能，满足日益增长的室内通信需求。

二、技术原理基础

可见光通信（VLC）

1. 基本原理

   ：VLC 利用发光二极管（LED）的快速开关特性来传输数据。LED 在正常照明时，通过调制其亮度来加载信息，接收端利用光电探测器（PD）将光信号转换为电信号，进而恢复出原始数据。例如，通过改变 LED 的驱动电流来控制其亮度，实现数字信号的 0 和 1 编码。

2. 优势与局限

   ：VLC 的优势在于安全性高、无电磁干扰、照明与通信一体化。但它也存在一些局限，如信号传播距离有限、多用户接入能力弱、对环境光干扰敏感等。

非正交多址接入（NOMA）

1. 多址接入原理

   ：NOMA 通过在功率域对用户信号进行叠加编码，不同用户的信号以不同功率水平发送。在接收端，利用连续干扰消除（SIC）技术依次解码各个用户的信号。例如，对于两个用户的 NOMA 系统，基站将用户 1 和用户 2 的信号分别以不同功率叠加发送，接收端先解码功率较强的用户 1 信号，再从接收信号中减去用户 1 信号，从而解码出用户 2 信号。

2. 提升多用户性能

   ：相比传统正交多址接入技术，NOMA 能显著提升系统的频谱效率和多用户接入能力，尤其适用于室内多用户通信场景，可有效提高系统容量。

正交频分复用（OFDM）

1. 频分复用机制

   ：OFDM 将高速数据流分解为多个低速子数据流，分别调制到相互正交的子载波上进行传输。这些子载波紧密排列，通过正交性避免相互干扰。例如，在 OFDM 系统中，通过快速傅里叶变换（FFT）和逆快速傅里叶变换（IFFT）实现信号在频域和时域的转换，将高速数据分配到多个子载波上并行传输。

2. 应对信道衰落

   ：OFDM 对多径衰落具有很强的抵抗能力，能有效提高通信系统的可靠性。通过将信号分散到多个子载波上，即使部分子载波受到衰落影响，其他子载波仍能正常传输数据，从而保证整体通信质量。

三、室内 NOMA - OFDM - VLC 系统架构

发射端架构

1. 数据预处理

   ：首先对输入的用户数据进行编码和调制，如采用低密度奇偶校验码（LDPC）进行信道编码，提高数据传输的可靠性。然后将编码后的数据进行串并转换，将高速串行数据转换为低速并行数据，以便后续 OFDM 处理。

2. OFDM 调制

   ：对并行数据进行 OFDM 调制。通过 IFFT 将频域数据转换为时域信号，添加循环前缀（CP）以对抗多径干扰。例如，对于 N 个子载波的 OFDM 系统，将并行数据映射到 N 个子载波上，经过 IFFT 变换得到时域 OFDM 符号，再添加 CP。

3. NOMA 功率分配与叠加

   ：根据 NOMA 原理，对不同用户的 OFDM 信号进行功率分配。通常，信道条件较差的用户分配较高功率。然后将分配好功率的用户信号进行叠加，得到复合信号。

4. VLC 调制

   ：将叠加后的复合信号通过强度调制（IM）加载到 LED 驱动电流上，实现可见光信号的发射。例如，采用脉冲幅度调制（PAM）或正交幅度调制（QAM）等强度调制方式，将电信号转换为光信号。

接收端架构

1. 光电转换

   ：接收端的 PD 将接收到的光信号转换为电信号。由于光信号在传输过程中会受到环境光等噪声干扰，需要对转换后的电信号进行放大和滤波处理，提高信号质量。

2. OFDM 解调

   ：去除接收到信号中的 CP，通过 FFT 将时域信号转换回频域，恢复出原始的 OFDM 子载波信号。然后对这些子载波信号进行解调，得到用户数据的估计值。

3. NOMA 信号分离与解码

   ：利用 SIC 技术对 NOMA 复合信号进行分离和解码。先根据信号功率水平，解码出功率较强用户的信号，然后从接收信号中减去该用户信号，再解码出其他用户信号。最后对解码后的数据进行信道解码，恢复出原始用户数据。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

%% ===================== 1. 系统全局参数配置 =====================

NFFT = 64; % OFDM FFT长度

CP_len = 16; % 循环前缀长度

Num_subc = 31; % 有效子载波数

Mod_order = 4; % QPSK调制

bits_per_sym = 2; % QPSK固定2bit

Num_OFDM_sym = 100; % OFDM符号数

SNR_range = 0:2:12; % 信噪比范围

% VLC 室内信道参数

Room_size = [5 5 3]; % 房间尺寸：长5m 宽5m 高3m

LED_pos = [2.5 2.5 3]; % LED灯位置（天花板中心）

User1_pos = [1.5 1.5 0.8]; % 用户1位置（近用户，高功率）

User2_pos = [3.5 3.5 0.8]; % 用户2位置（远用户，低功率）

PD_area = 1e-4; % 光电探测器面积

FOV = 60; % 视场角

Reflect_index = 1.5; % 折射率

LED_power = 10; % LED总发射功率 (W)

% NOMA 功率分配系数

🔗 参考文献

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