江西科技學(xué)院信息工程學(xué)院 方森鵬 張 超 邱 嵐

根據(jù)VLC和正交頻分復(fù)用調(diào)制的特點(diǎn)，分析三種經(jīng)典算法：S&C算法、S&C優(yōu)化算法和Minn算法，通過對其定時測量功能和幀頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)，尋找到了一種改進(jìn)的IA算法，可以有效解決傳統(tǒng)算法實(shí)時性不足和抗干擾能力弱的問題。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的迅速崛起，移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對社會的方方面面都是不可或缺的。其中，移動通信技術(shù)也發(fā)展迅速，滿足了人們視頻、娛樂和購物等各種需求。然而，傳統(tǒng)無線通信的頻譜資源很難滿足人們突發(fā)的、爆炸性的交通需求。此外，傳統(tǒng)的無線通信還受到信道頻帶、頻譜許可、電磁輻射干擾等方面的限制，難以在社會生活的一些領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

基于這一現(xiàn)狀，可視光通信(VLC)技術(shù)被提出作為室內(nèi)綠色無線通信技術(shù)的新解決方案。可見，光通信技術(shù)與傳統(tǒng)的射頻通信相比，具有通信和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。此外，可見光波段覆蓋在380nm和760nm之間，有相當(dāng)多的可用通信頻段可以直接使用，為解決頻譜資源不足的問題提供了一種方法；其次，可見光通信系統(tǒng)不易產(chǎn)生電子干擾，可廣泛應(yīng)用于航空、醫(yī)院、煤礦等電磁敏感領(lǐng)域。由于VLC的傳輸介質(zhì)較輕，不能穿透墻壁或不透明的障礙物，因此其保密性和安全性得到了很大的提高。由于這些特點(diǎn)，非常適合室內(nèi)無線通信。

1 LED通信系統(tǒng)

1.1 光學(xué)保真技術(shù)

光保真是通信領(lǐng)域研究人員正在研究的前沿技術(shù)。主要是我們?nèi)粘Ｕ彰髦惺褂玫陌l(fā)光二極管，它能發(fā)出肉眼無法察覺的高速開關(guān)信號來傳遞信息。在系統(tǒng)的接收端，主要使用PIN光電二極管接收高速閃爍的光信號，然后通過OFDM解調(diào)獲得所需的通信數(shù)據(jù)。與前幾代熒光燈、鈉燈、白熾燈等光源相比，LED燈具有亮度調(diào)節(jié)容易、發(fā)光效率高、中心波長易于控制等特點(diǎn)，作為可見光無線通信的“媒介”具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。通過LED進(jìn)行可見光無線通信的方式也稱為光學(xué)保真技術(shù)。

1.2 OFDM調(diào)制

普通多載波調(diào)制將信號頻帶分成若干不重疊的子信道，將有效信號加載到每個子信道上，通過并行傳輸降低符號間干擾的影響。雖然這是一種消除碼間干擾的有效方法，但它占用了大量的頻譜資源，降低了頻譜效率。正交頻分復(fù)用是在普通多載波調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它的主要原理是將信道分成幾個正交的子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子流，并在每個子信道上調(diào)制它們以供傳播。這種調(diào)制還需要在N個子載波上加載信號，并通過子信道傳輸，允許子信道相互重疊，提高頻譜效率，并在接收端通過相關(guān)技術(shù)將其分離，這樣可以減少子信道的數(shù)量。

1.3 室內(nèi)可見光信道模型

經(jīng)典可見光信道通信模型考慮了信道的多徑效應(yīng)，覆蓋直接信道和任意次數(shù)的傳輸信道。但是這個模型只考慮了單個LED的存在，在實(shí)際應(yīng)用中，可見光通信系統(tǒng)是由多個LED燈完成的。本文基于可見光經(jīng)典信道通信模型存在的不足，構(gòu)建了如圖1所示的室內(nèi)VLC信道模型。室內(nèi)空間坐標(biāo)系以樓層平面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)構(gòu)建。根據(jù)照度均方誤差最小的準(zhǔn)則，考慮一次反射，LED圓形布局方案在照度分布上比傳統(tǒng)的矩形布局模型更加優(yōu)化，通信性能更強(qiáng)，接收功率分布的均勻性更好，信噪比更小。

圖1 VLC系統(tǒng)模型圖

2 傳統(tǒng)的定時同步算法

在VLC系統(tǒng)中，一般采用OFDM調(diào)制來提高頻譜利用率，并在傳輸信號前加上保護(hù)間隔，從而消除載波間干擾，減少多徑效應(yīng)的影響。而正是因?yàn)樗谋Ｗo(hù)間隔，在噪聲干擾和低信噪比的情況下，信號定時模糊現(xiàn)象更加嚴(yán)重。為了降低這種影響，下面介紹三種經(jīng)典算法。

2.1 S&C算法

S&C算法原理是通過一個唯一的符號與兩個重復(fù)部分同步定時，是一種經(jīng)典的符號同步算法。，但是會產(chǎn)生“模糊相關(guān)峰值定時”的問題，降低系統(tǒng)的實(shí)時性和抗干擾能力。

2.2 S&C優(yōu)化算法

針對于S&C算法存在的不足，以及他的“相關(guān)峰值定時模糊”問題，提出了他的優(yōu)化算法。他與之前的算法相比，擁有更加明顯的峰值，減少了“相關(guān)峰值定時模糊”的影響，但是該算法抗干擾能力卻不盡人意。

2.3 Minn算法

該算法主要是擴(kuò)展了幀頭結(jié)構(gòu)，使相關(guān)峰值更清晰。與S&C算法相比，其實(shí)時性更好。由于該算法對幀頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擴(kuò)展，導(dǎo)致循環(huán)結(jié)構(gòu)較多，且存在子峰和尖峰等問題。

3 IA改進(jìn)算法

該算法主要是改進(jìn)了幀頭結(jié)構(gòu)和定時測量函數(shù)兩個方面，來減少二次峰值干擾的影響，幀頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 IA改進(jìn)算法的幀頭結(jié)構(gòu)

3.1 AWGN信道中定時測量函數(shù)仿真

為了更加清晰直觀的了解IA改進(jìn)算法的優(yōu)勢，我們對S&C算法、S&C優(yōu)化算法、Minn算法和IA改進(jìn)算法的定時測量函數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。在15dB噪聲比情況下，四種算法在AWGN信道中定時測量函數(shù)仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 AWGN信道中的仿真結(jié)果

3.2 多徑衰落信道中的定時測量函數(shù)的仿真

四種算法在多徑衰落信道中的定時測量函數(shù)的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 多徑衰落信道中的仿真結(jié)果

從圖4中我們可以清晰看出IA改進(jìn)算法只有一個尖銳的峰值，解決了相關(guān)峰值平臺的問題，同步效果更好。

3.3 誤碼率的仿真

四種算法在AWGN信道中誤碼率仿真結(jié)果如表1所示，四種算法在多徑衰落信道中的誤碼率仿真結(jié)果如表2所示。

表1 在AWGN信道中的誤碼率

表2 在多徑衰落信道中的誤碼率

從表中不難看出，IA改進(jìn)算法比傳統(tǒng)算法更好的實(shí)時性和更低的誤碼率。

對于VLC系統(tǒng)來說，抗干擾能力和實(shí)時性是判斷其性能的重要指標(biāo)。但是通過對傳統(tǒng)算法的分析，我們可以知道它們?nèi)匀淮嬖谝恍┎蛔恪Ｃ鎸@種情況，本文通過改變傳統(tǒng)算法的幀頭結(jié)構(gòu)和定時測量的功能，提出了一種改進(jìn)算法——IA改進(jìn)算法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)算法的不足。通過觀察在AWGN信道和多徑衰落信道下這四種算法的定時測量函數(shù)和誤碼率的仿真實(shí)驗(yàn)，可以清楚地看到改進(jìn)后的IA算法具有更好的實(shí)時性、更低的誤碼率和更強(qiáng)的抗干擾能力。