蔡翠翠,王本有,孟憲猛

(1.皖西學(xué)院電子與信息工程學(xué)院;2.安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司,安徽六安237012)

可見(jiàn)光MIMO 通信系統(tǒng)自適應(yīng)均衡技術(shù)的研究

蔡翠翠1,王本有1,孟憲猛2

(1.皖西學(xué)院電子與信息工程學(xué)院;2.安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司,安徽六安237012)

在室內(nèi)可見(jiàn)光通信MIMO通信系統(tǒng)中,信號(hào)的多徑傳輸會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間干擾,影響系統(tǒng)的傳輸性能.為了減小系統(tǒng)的碼間干擾,通過(guò)室內(nèi)可見(jiàn)光MIMO通信系統(tǒng)的信道特性分析,采用最小二乘法(LMS)、遞歸最小二乘(RLS)算法對(duì)信道進(jìn)行補(bǔ)償.仿真結(jié)果顯示,采用均衡技術(shù)可以有效降低系統(tǒng)的誤碼率,相比LMS算法,系統(tǒng)采用RLS算法的誤碼率更低,收斂速度更快.

可見(jiàn)光通信;碼間干擾;MIMO;均衡技術(shù)

0 引言

可見(jiàn)光通信是一種新型無(wú)線光通信技術(shù),利用實(shí)際照明LED發(fā)出高速的、人眼無(wú)法察覺(jué)的閃爍信號(hào)來(lái)進(jìn)行信息傳輸,具有無(wú)射頻輻射、無(wú)需頻譜資源申請(qǐng)、安全性好等優(yōu)點(diǎn),[1－2]受到廣泛關(guān)注.但LED的低調(diào)制特性,會(huì)限制信號(hào)的高速率傳輸.因此,將多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)應(yīng)用到室內(nèi)可見(jiàn)光通信中,可獲得較高的系統(tǒng)增益,提高信號(hào)傳輸速率和系統(tǒng)可靠性.[3－4]

由于室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性,信號(hào)傳輸過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)直射和多次反射進(jìn)入接收端,多徑傳輸會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間干擾,影響了可見(jiàn)光通信系統(tǒng)性能與穩(wěn)定性.[5－6]對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)線通信,信道均衡技術(shù)可以有效解決系統(tǒng)的碼間干擾問(wèn)題,但可見(jiàn)光通信受到光強(qiáng)的限制,不能將無(wú)線通信的均衡技術(shù)直接應(yīng)用于可見(jiàn)光通信中.目前關(guān)于可見(jiàn)光通信均衡技術(shù)文獻(xiàn)研究大多是單輸入單輸出,而關(guān)于可見(jiàn)光MIMO通信均衡技術(shù)的研究還很少,對(duì)室內(nèi)可見(jiàn)光MIMO通信的自適應(yīng)均衡技術(shù)進(jìn)行研究,分別采用LMS算法和RLS算法對(duì)信道的傳輸進(jìn)行均衡補(bǔ)償,并分析系統(tǒng)的性能.

1 信道特性分析

室內(nèi)可見(jiàn)光MIMO通信系統(tǒng)的發(fā)射端對(duì)光功率進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制,通過(guò)LED進(jìn)行信號(hào)發(fā)射,信號(hào)通過(guò)自由空間到達(dá)接收端,接收端進(jìn)行直接檢測(cè)恢復(fù)傳輸?shù)男畔?如圖1所示.假設(shè)系統(tǒng)具有Nt個(gè)LED發(fā)送端和Nr個(gè)光檢測(cè)器,接收端接收的可見(jiàn)光信號(hào)可以表示為:

其中,Y＝[y1,…,yNr]T為接收端的信號(hào)矢量,X＝[x1,…,xNt]T為發(fā)送端的信號(hào)矢量,H是信道矩陣,N＝[n1,…,nNt]T為噪聲矢量,H是Nr×Nt維信道傳輸矩陣,表示為:

其中,hntnr表示為發(fā)送端nt和接收端nr之間的傳輸系數(shù).

圖1 室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)示意圖

對(duì)于室內(nèi)環(huán)境,信息的傳輸距離短,鏈路間的時(shí)間色散可以忽略不計(jì).由朗伯輻射模型可知,[7]信道增益表示為:

其中,k為朗伯輻射階數(shù),k＝－ln(2)/ln (cosφ1/2);φ1/2為半功率角;Ψ1/2為視場(chǎng)角(FOV)的1/2,A是接收端光檢測(cè)器的接收面積;d是發(fā)送端nt到接收端nr的距離;φ是發(fā)送端的發(fā)射角;φ是接收端的入射角.如果接收端光檢測(cè)器超出視場(chǎng)角范圍,則hntnr為0.

2 自適應(yīng)均衡技術(shù)

通過(guò)對(duì)信道特性分析可知,可見(jiàn)光MIMO通信信道是個(gè)復(fù)雜的多徑信道,信號(hào)傳輸會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重碼間干擾,自適應(yīng)均衡技術(shù)是指在系統(tǒng)中插入一種可調(diào)濾波器來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)的性能,可以有效減少碼間干擾對(duì)系統(tǒng)的影響.

圖2 室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡

自適應(yīng)判決反饋均衡是由前置反饋濾波器(FFF)和后置反饋濾波器(FBF)兩部分組成[8].后置反饋濾波器的抽頭系數(shù)由前一時(shí)刻的均衡器輸出信號(hào)決定,可以進(jìn)行實(shí)時(shí)更新,用于減小下一個(gè)時(shí)刻信號(hào)傳輸產(chǎn)生的碼間干擾.自適應(yīng)均衡器的輸出信號(hào)可表示為:

式中,c?n和F?i分別為前置濾波器和后置濾波器的抽頭系數(shù);yk－n為當(dāng)前時(shí)刻均衡器的輸入信號(hào);dk－i為前一時(shí)刻均衡器反饋的輸出信號(hào); NFF和NFB分別為前置、后置濾波器的抽頭數(shù).

自適應(yīng)均衡可以根據(jù)不同的準(zhǔn)則,采用不同的算法,下面分別對(duì)最小均方(LMS)算法和遞歸最小二乘(RLS)算法進(jìn)行分析.

2.1 LMS算法

最小均方算法(LMS)是B.Widrow和Hoff基于最小均方誤差準(zhǔn)則而提出的,[9]實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單,得到廣泛應(yīng)用.

假設(shè)y(n)＝[yn,yn－1,…,yn－N]為均衡器的輸入信號(hào)向量,w(n)＝[w0,w1,…,wN]T為均衡器的抽頭權(quán)系數(shù)那個(gè)向量.如果均衡器的期望輸出信號(hào)已知,則誤差信號(hào)e(n)為

其中在第n時(shí)刻均衡器輸出d∧(n),若該時(shí)刻期望得到的信號(hào)為d(n).

LMS算法是最簡(jiǎn)單的均衡算法,假設(shè)變量n為迭代序列,LMS算法的迭代過(guò)程可以表示為:

式中,λ為控制算法收斂速度和穩(wěn)定性的步長(zhǎng)因子.

2.2 RLS算法

RLS算法是一種遞推的最小二乘算法,[10]主要是利用已知的初始條件進(jìn)行計(jì)算,并通過(guò)輸入新數(shù)據(jù)信息對(duì)原來(lái)的濾波器參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新.性能函數(shù)如下式表示:

其中,λ稱(chēng)為遺忘因子,取值范圍為0＜λ＜1.λ值越小,跟蹤能力越強(qiáng).

誤差信號(hào)為e(n)＝d(n)－d∧(n),其中在第n時(shí)刻均衡器輸出d∧(n),若該時(shí)刻期望得到的信號(hào)為d(n).

RLS算法迭代過(guò)程為:

3 仿真分析

針對(duì)前面分析的室內(nèi)可見(jiàn)光MIMO通信系統(tǒng)信道模型,假設(shè)房間的長(zhǎng)為5米,寬為5米,高為3米,室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)有4個(gè)LED光源發(fā)射機(jī),分別位于(1,1,3)、(1,4,3)、(4,1,3)和(4, 4,3),接收端有四個(gè)光檢測(cè)器,分別位于(1,1,1)、(1,4,1)、(4,1,1)和(4,4,1),其它的仿真參數(shù)如表1所示.[11－13]

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

分別從誤碼率、均方誤差、收斂速度等方面對(duì)RLS和LMS算法進(jìn)行仿真分析.假設(shè)均衡濾波器的階數(shù)均為8,迭代步長(zhǎng)為0.01,遺忘因子為0.99,數(shù)據(jù)傳輸速率為400 Mbit/s,仿真結(jié)果如下圖所示.

圖3為RLS算法和LMS算法信噪比與誤碼率的關(guān)系曲線.從圖中可以看出,相對(duì)未均衡,采用RLS算法和LMS算法對(duì)信道進(jìn)行均衡,可以有效降低系統(tǒng)誤碼率,提高通信質(zhì)量.另外,相對(duì)LMS算法,RLS算法對(duì)信道進(jìn)行均衡,系統(tǒng)的誤碼率得到進(jìn)一步降低,系統(tǒng)性能更優(yōu).

圖4為RLS算法和LMS算法收斂性能曲線,從圖中可以看出,RLS算法的收斂速度更快, RLS算法只需迭代50次就可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),而LMS算法需要迭代250次以上才可以達(dá)到收斂狀態(tài).

圖3 RLS均衡和LMS均衡誤碼率曲線

圖4 RLS均衡和LMS均衡收斂性能曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

首先分析建立了室內(nèi)可見(jiàn)光MIMO通信的信道特性,為減小多徑效應(yīng)對(duì)室內(nèi)可見(jiàn)光MIMO系統(tǒng)的影響,研究室內(nèi)可見(jiàn)光MIMO通信自適應(yīng)均衡技術(shù),分別采用LMS、RLS算法對(duì)通信信道進(jìn)行均衡補(bǔ)償.結(jié)果顯示,采用均衡技術(shù)進(jìn)行信道均衡補(bǔ)償,可以有效降低系統(tǒng)誤碼率,提高了信號(hào)的傳輸質(zhì)量.

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[責(zé)任編輯 范 藻]

Research on Equalization Technology for Visible Light MIMO Communication System

CAI Cuicui1,WANG Benyou1,MENG Xianmeng2
(1.Electronics and Information Engineering School of West Anhui University,Lu’an Anhui 237012; 2.Anhui Brainware Chang’an Electronics Co.,Ltd.,Lu’an Anhui 237012,China)

In the indoor visible light communication(M IMO)communication system,multipath transm ission of signals causes serious inter symbol interference,which affects the transm ission performance of the system.In order to reduce the inter symbol interference,the channel characteristics of indoor visible light M IMO communication system are analyzed by using least square method(LMS)and recursive least squares(RLS)algorithm.The simulation results show that the algorithm can reduce the bit error rate of the system effectively,and compared w ith the LMS algorithm,the RLS algorithm has lower bit error rate and faster convergence rate.

visible light communication;ISI;M IMO;equalization technology

TN929.1

A

1674－5248(2017)05－0019－04

2017－05－10

安徽省高校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2010B265);安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目(2015jyxm289)

蔡翠翠(1989—),女,安徽宿州人.助教,碩士,主要從事無(wú)線通信、可見(jiàn)光通信技術(shù)研究.