LED光通信系統(tǒng)中的傳輸可靠性研究?

楊宏兵 馮莉芳 張一治

（1.航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心 北京 100854）（2.北京科技大學(xué) 北京 100083）

1 引言

隨著光無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，可見(jiàn)光通信技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注?？梢?jiàn)光通信系統(tǒng)利用半導(dǎo)體器件LED進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有頻譜資源豐富，傳輸速率快，綠色安全等優(yōu)勢(shì)［1］。目前，可見(jiàn)光通信技術(shù)已經(jīng)在室內(nèi)定位、車(chē)載通信、人機(jī)交互等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用［2～4］。

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，人員或者障礙物的存在和移動(dòng)將對(duì)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸產(chǎn)生干擾，因此，對(duì)于VLC系統(tǒng)而言，陰影效應(yīng)是不可能避免的。當(dāng)陰影效應(yīng)存在時(shí)，差錯(cuò)控制技術(shù)是避免傳輸數(shù)據(jù)出錯(cuò)或者丟失的有效措施之一。差錯(cuò)控制技術(shù)有兩種常見(jiàn)的工作方式：一種是選擇性重傳（Automatic repeat request，ARQ）；另一種是前向糾錯(cuò)（Forward Error Correction，F(xiàn)EC）。但是，在VLC系統(tǒng)中，差錯(cuò)控制技術(shù)的兩種工作方式都具有一定的不適用性。選擇性重傳需要利用反饋信道進(jìn)行信息反饋，但是，VLC的反饋信道不僅代價(jià)高而且技術(shù)復(fù)雜。前向糾錯(cuò)會(huì)產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)，降低系統(tǒng)的傳輸效率。1998年，Michael Luby第一次提出數(shù)字噴泉的概念［5］。2002年，Michael Luby提出了第一種實(shí)用化的噴泉碼-LT碼，充分實(shí)現(xiàn)了數(shù)字噴泉的概念［6］。2006年，Shokrollahi提出一種改進(jìn)型的噴泉碼-Raptor碼（Raptor codes）。與LT碼相比，Raptor碼具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如線性編碼（linear time encoding），線性解碼（linear time decoding），復(fù)雜度低等［7］。在文獻(xiàn)［8］中，噴泉碼第一次在可見(jiàn)光系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。與其他差錯(cuò)控制方案相比，噴泉碼可以提高可見(jiàn)光系統(tǒng)的抗干擾能力和傳輸效率，降低系統(tǒng)通信協(xié)議的復(fù)雜度和包延遲。

室內(nèi)VLC系統(tǒng)利用LED的快速閃爍進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，另一方面，VLC系統(tǒng)需要滿足用戶的照明需求，允許用戶根據(jù)自身的需求，將燈光強(qiáng)度控制在需要的范圍之內(nèi)，從而保護(hù)人眼健康。調(diào)光控制技術(shù)（Dimming Control）可以幫助VLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度的控制，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制。調(diào)光控制技術(shù)主要包括閃爍緩解和明暗控制兩部分。在文獻(xiàn)［9］中，作者采用一種反轉(zhuǎn)信源編碼（inverse source coding）方案來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)光控制，但是，該方案是在傳輸鏈路可靠的前提條件下進(jìn)行，沒(méi)有考慮系統(tǒng)的抗干擾問(wèn)題。在文獻(xiàn)［10］中，一種改進(jìn)型的RM碼（Modified Reed-Muller code）可以幫助VLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)照明控制。RM碼屬于前向糾錯(cuò)碼，也是一種線性分組碼，其糾錯(cuò)能力有限。當(dāng)VLC的傳輸信道被人或者物體隨機(jī)阻擋時(shí)，數(shù)據(jù)大面積丟失，RM碼無(wú)法實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)，不能保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在文獻(xiàn)［8］中，LT碼被應(yīng)用在VLC系統(tǒng)中，而且實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的調(diào)光控制。LT碼產(chǎn)生一個(gè)編碼的運(yùn)行量與信源信息的長(zhǎng)度k成對(duì)數(shù)關(guān)系，即o(clnk)，c是位于0到1之間的常數(shù)。與LT碼相比，Raptor碼每產(chǎn)生一個(gè)編碼的運(yùn)行量為常數(shù)，即o(ln(1/ε))，該特點(diǎn)使Raptor碼更適合應(yīng)用在VLC系統(tǒng)中。本文中，系統(tǒng)的差錯(cuò)控制方案將采用Raptor碼，同時(shí)兼顧系統(tǒng)的調(diào)光控制功能，也可以稱為可調(diào)光差錯(cuò)控制方案。該方案不僅可以使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，而且還可以提高系統(tǒng)的調(diào)光控制效率。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出的可調(diào)光差錯(cuò)控制方案的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由編碼器、調(diào)光控制器，OOK調(diào)制、調(diào)光消除器、OOK解調(diào)、譯碼器六部分組成。發(fā)送端主要包括編碼器、調(diào)光控制器，OOK調(diào)制；接收端主要包括調(diào)光消除器、OOK解調(diào)、譯碼器。本文主要考慮VLC的下行信道，上行信道可以采用額外的射頻技術(shù)或者紅外技術(shù)搭建。

在發(fā)送端中，首先將輸入的信源符號(hào)序列分成K組，即S=（s1，s2，… ，sK），每組的長(zhǎng)度可根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)定。然后經(jīng)過(guò)編碼器，按照Raptor碼的編碼規(guī)則進(jìn)行編碼，產(chǎn)生編碼包C=（c1，c2，…），該過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，直到收到來(lái)自接收端的ACK信號(hào)，編碼器才會(huì)開(kāi)始處理下一組信源符號(hào)序列。然后，調(diào)光控制器會(huì)對(duì)Raptor碼的編碼包重新進(jìn)行數(shù)字編碼，輸出符合調(diào)光需要的碼字序列U=（u1，u2，…）。OOK調(diào)制自身不具備閃爍緩解和明暗控制的功能，如果系統(tǒng)不采用調(diào)光控制器，當(dāng)編碼包c(diǎn)n中含有較長(zhǎng)連續(xù)的信息比特“0”或者“1”時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生光源閃爍現(xiàn)象，危害人眼的健康；室內(nèi)VLC系統(tǒng)也需要具有明暗控制功能，否則無(wú)法允許用戶根據(jù)需要來(lái)控制LED光源的亮度。最后，經(jīng)過(guò)OOK調(diào)制，利用驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)使LED光源產(chǎn)生光信號(hào)s（t），輻射到整個(gè)通信空間。

圖1 可調(diào)光差錯(cuò)控制方案的結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)信道傳輸，在接收端，光電探測(cè)器將接收到的光信號(hào)r（t）轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)OOK解調(diào)，恢復(fù)出碼字序列U=（u1，u2，…）。該序列中，un中不僅包括用于通信的碼字，也包括用于調(diào)光控制的碼字，因此需要經(jīng)過(guò)調(diào)光消除器，先將非通信用途的碼字消除掉，恢復(fù)出C=（c1，c2，…）。然后再按照Raptor碼的譯碼規(guī)則進(jìn)行譯碼，最終恢復(fù)出輸入的信源符號(hào)序列S=（s1，s2，…，sK）。

光信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中，會(huì)受到不同的干擾，如圖1所示，室內(nèi)人員或者物體的移動(dòng)對(duì)阻擋光信號(hào)的傳輸鏈路，造成通信中斷，引起突發(fā)錯(cuò)誤。相比于其他調(diào)制方式，例如OFDM、CSK等，OOK調(diào)制方式簡(jiǎn)單［11］，容易部署實(shí)現(xiàn)。本文主要考慮如何增強(qiáng)室內(nèi)VLC系統(tǒng)的抗干擾能力與調(diào)光控制能力，調(diào)制方式非本文的研究重點(diǎn)。

3 可調(diào)光差錯(cuò)控制方案

可調(diào)光差錯(cuò)控制方案主要具有兩大功能：差錯(cuò)控制和調(diào)光控制。本章將對(duì)兩大功能進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

3.1 差錯(cuò)控制技術(shù)

可調(diào)光差錯(cuò)方案的差錯(cuò)控制通過(guò)Raptor碼實(shí)現(xiàn)，主要包括編碼和譯碼兩個(gè)過(guò)程。

在進(jìn)行編碼之前，首先，將輸入的信源符號(hào)序列分成K組，S=（s1，s2，…，sK）。Raptor碼的編碼過(guò)程如圖2所示，編碼包括兩部分：預(yù)編碼和LT碼編碼。在進(jìn)行LT碼的編碼過(guò)程之前，先進(jìn)行預(yù)編碼，產(chǎn)生中間編碼序列V=（v1，v2，… ，vK）。預(yù)編碼采用低密度奇偶校驗(yàn)碼（Low Density Parity Check Code，LDPC）作為編碼方式。預(yù)編碼會(huì)產(chǎn)生少量的冗余節(jié)點(diǎn)，如圖中黑色的方框所示，詳細(xì)過(guò)程可參考文獻(xiàn)［12～14］；然后信源符號(hào)和冗余節(jié)點(diǎn)一起進(jìn)行弱化的LT編碼，最終輸出Raptor碼的編碼包。不斷重復(fù)上述過(guò)程，直到來(lái)自接收端的ACK信號(hào)為止。ACK信號(hào)表示接收端已經(jīng)接收到足夠數(shù)量的編碼符號(hào)ck并且成功進(jìn)行了譯碼。在上述流程中，其Raptor碼的度分布函數(shù)Ω采用弱化的度分布，計(jì)算公式為

圖2 Raptor碼的編碼示意圖

在接收端，譯碼器接收到足夠長(zhǎng)度的C=（c1，c2，…）時(shí)，開(kāi)始譯碼。與發(fā)射端的編碼過(guò)程相反，首先進(jìn)行 LT 譯碼［6～7］，然后再進(jìn)行 LDPC 譯碼［13～14］。LT譯碼碼過(guò)程的采用置信傳播（Belief Propagation，BP）算法，通過(guò)在結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)之間相互傳遞信息進(jìn)行譯碼。

3.2 調(diào)光控制技術(shù)

調(diào)光控制器是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)光控制的關(guān)鍵，結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括兩部分：擾碼（Scrambling Codes）和補(bǔ)碼（Dimming Compensator）。擾碼的主要作用是解決LED光源的閃爍問(wèn)題；補(bǔ)碼則是對(duì)光源的亮度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)明暗控制功能。噴泉碼的編碼包中，比特“0”和“1”是隨機(jī)產(chǎn)生的。在每一個(gè)編碼包c(diǎn)n的中，“0”和“1”各個(gè)所占的比例也是隨機(jī)不確定的，直接經(jīng)過(guò)OOK調(diào)制則會(huì)產(chǎn)生光源閃爍現(xiàn)象。調(diào)光控制器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與Raptor編碼包長(zhǎng)度N相同的偽噪聲序列（Pseudo-noise Sequence），然后與編碼包進(jìn)行異或運(yùn)算。經(jīng)過(guò)擾碼處理之后，比特“0”和“1”的數(shù)量相等，各占總長(zhǎng)度的50%，從而解決LED光源的閃爍問(wèn)題。照明控制功能通過(guò)補(bǔ)碼的方式實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)擾碼處理之后，比特“0”和“1”的數(shù)量相等，需要在編碼包中插入不同數(shù)量的比特“1”或“0”，才能實(shí)現(xiàn)任意的照明值d。照明值d的計(jì)算公式如下：

式中Nc代表需要產(chǎn)生的插入補(bǔ)碼的數(shù)量，N代表單個(gè)編碼包的長(zhǎng)度。插入不同數(shù)量的補(bǔ)碼，LED光源的點(diǎn)亮和熄滅次數(shù)也會(huì)產(chǎn)生變化，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的明暗控制功能。

圖3 調(diào)光控制器的工作原理圖

4 仿真與分析

4.1 系統(tǒng)抗干擾性

當(dāng)人員和物體的移動(dòng)對(duì)可見(jiàn)光信號(hào)的傳輸鏈路造成阻擋時(shí)，接收端光信號(hào)的信噪比會(huì)迅速衰落。當(dāng)信噪比低于13.6dB時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量的誤碼，甚至造成通信中斷［15］。對(duì)信源符號(hào)序列分組長(zhǎng)度K=500、1000、2000三種情況進(jìn)行誤碼率仿真，仿真結(jié)果如圖4所示?？杖€代表源符號(hào)序列分組長(zhǎng)度K=500的誤碼率；星線代表源符號(hào)序列分組長(zhǎng)度K=1000的誤碼率；倒三角線代表源符號(hào)序列分組長(zhǎng)度K=2000的誤碼率。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在信道條件惡劣時(shí)，當(dāng)接收端光信號(hào)的信噪比大于4dB時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)通信。如果不采用該方案，接收端光信號(hào)的信噪比大于13.6dB時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)差錯(cuò)通信。另外，在信道條件處于比較惡劣的1dB～4dB之間時(shí)，對(duì)比K=500，1000，2000三種情況可以發(fā)現(xiàn)，信源符號(hào)序列分組長(zhǎng)度K越長(zhǎng)，系統(tǒng)輸出的誤碼率低，增加信源符號(hào)序列分組K的長(zhǎng)度可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，但是，信源符號(hào)序列分組K較長(zhǎng)時(shí)，會(huì)增加系統(tǒng)的譯碼復(fù)雜度，因此，需要在系統(tǒng)的抗干擾能力和譯碼復(fù)雜度之間尋找平衡點(diǎn)。

圖4 可調(diào)光差錯(cuò)控制方案誤碼率仿真圖

4.2 冗余率

冗余率ε（Overhead）反映接收端以一定概率恢復(fù)信源數(shù)據(jù)時(shí)，需要接收的額外編碼包的程度，其計(jì)算公式為

式中L代表接收端接收到的編碼包數(shù)量，當(dāng)接收端接收到L編碼包，接收端可以一定概率成功進(jìn)行譯碼；K代表信源編碼序列的分組數(shù)量，通過(guò)下面的公式可推出：

對(duì)在信源編碼分組的長(zhǎng)度K=500、1000、2000三種情況下對(duì)譯碼失敗概率與冗余率的關(guān)系進(jìn)行了分析與仿真，重復(fù)譯碼100次，保證接收端以0.99的概率成功進(jìn)行譯碼，仿真結(jié)果如圖5所示。從仿真的結(jié)果中可以看出，接收端需要在接收到一定數(shù)量的編碼包后才能保證以0.99的概率成功進(jìn)行譯碼，其數(shù)量L會(huì)比信源編碼分組長(zhǎng)度K大。接收到的編碼包越多，則冗余率ε越高，譯碼成功的概率越大。當(dāng)信源的原始長(zhǎng)度不同時(shí)，保證接收端進(jìn)行譯碼所需要的冗余率也不一樣。K=1000，冗余率ε=0.36才能保證接收端以0.99的概率成功進(jìn)行譯碼；K=2000時(shí)，冗余率ε=0.25；K=3000時(shí)，則需要冗余率ε=0.22?？梢酝茢喑?，信源符號(hào)序列的分組長(zhǎng)度K越大，則接收端成功譯碼所需要的冗余率則越低。

圖5 冗余率與譯碼失敗概率的關(guān)系

4.3 照明效率

當(dāng) K=500時(shí)，ε=0.36，K=1000時(shí)，ε=0.25，K=2000時(shí)，ε=0.22，即接收端可以0.99的概率成功譯碼的條件下，為了獲得預(yù)定的照明值，調(diào)光控制器對(duì)每一個(gè)編碼包插入額外的碼字。此時(shí)，實(shí)際碼率Ra（Code Rate）是一項(xiàng)反映調(diào)光效率的重要參數(shù)，其計(jì)算公式為

式中Nc代表實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)照明值d而插入補(bǔ)碼的數(shù)量，N代表單個(gè)Raptor碼編碼包的長(zhǎng)度，通過(guò)該下面的公式可以計(jì)算Nc：

對(duì)實(shí)際碼率Ra與系統(tǒng)照明值的關(guān)系進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示。當(dāng)目標(biāo)照明值是0.5時(shí)，實(shí)際碼率最大，原因在于系統(tǒng)在進(jìn)行照明控制時(shí)，首先經(jīng)過(guò)擾碼。經(jīng)過(guò)擾碼的編碼包中，其比特“0”和“1”的數(shù)量相等，照明值為50%，此時(shí)系統(tǒng)不要添加任何用于照明功能的碼字。當(dāng)目標(biāo)照明值不是50%時(shí)，則需要插入補(bǔ)碼。目標(biāo)照明值偏離50%越遠(yuǎn)，需要插入的補(bǔ)碼數(shù)量越多，實(shí)際碼率Ra越低。通過(guò)仿真圖的縱向比較可以看出，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的照明值d相同時(shí)，K值越大，系統(tǒng)的編碼效率越高。仿真圖中，將Raptor碼與LT碼和RM碼的調(diào)光性能進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)橫線對(duì)比，系統(tǒng)采用的噴泉碼可以進(jìn)行任意照明值的調(diào)光控制，調(diào)光控制功能更加精準(zhǔn)；通過(guò)縱向?qū)Ρ?，可以看出，系統(tǒng)采用的Raptor碼進(jìn)行的調(diào)光控制的效率更高。

圖6 照明值與實(shí)際碼率的關(guān)系

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于Raptor碼的可調(diào)光差錯(cuò)控制方案，該方案不僅提高了系統(tǒng)的抗干擾性，而且提高了系統(tǒng)的調(diào)光控制性能。可調(diào)光差錯(cuò)控制方案的抗干擾性能主要依靠Raptor碼實(shí)現(xiàn)，調(diào)光控制性能主要依靠擾碼和補(bǔ)碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)仿真、對(duì)比與分析，本文針對(duì)VLC系統(tǒng)提出的方案，在誤碼率、冗余率以及照明效率三方面性能出色，具有一定的實(shí)用意義。