包榮珍，彭朗，賈松霖，馮春燕，朱志宇，楊洋**

（1.北京郵電大學信息與通信工程學院，北京 100876；2.航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

0 引言

為解決未來高度智能、高度數(shù)字化和高度信息化社會對無線傳輸?shù)男枨螅?G 無線網(wǎng)絡(luò)在無線連接的維度、廣度都將有巨大的提升，支持諸如超大帶寬視頻傳輸、超低延時工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、空天地一體互聯(lián)等諸多場景[1]。為支持上述愿景和應用，6G 通信系統(tǒng)的性能要求必須實現(xiàn)如1 Tbps 超大峰值速率和1 Gbps 超大用戶體驗速率、超低延時0.1 ms 和高移速通信、超高頻譜利用率等[2]。為了支持極高的峰值速率，支持的最大接入帶寬必須大幅增加。毫米波頻段可支持10 GHz 的帶寬[3]，而太赫茲和可見光頻段可高達100 GHz[4]，激光、可見光通信和太赫茲波段通信是6G 研究的主題之一?；诖耍疚闹饕芯靠梢姽馔ㄐ旁谝苿咏K端上的實現(xiàn)，提出了一種基于FEC-UPSOOK（Forward Error Correction-Undersampled Phase Shift On-Off Keying，前向糾錯的欠采樣相移鍵控）調(diào)制技術(shù)，降低了手機攝像頭幀率不穩(wěn)定給通信系統(tǒng)的誤碼性能帶來的影響。

1 可見光通信技術(shù)

近年來，基于LED 的VLC（Visible Light Communication，可見光通信）技術(shù)受到廣泛關(guān)注[5]。與現(xiàn)有的無線通信技術(shù)相比，它具有頻譜資源豐富、安全性好、低成本等優(yōu)勢[6-7]。根據(jù)接收端使用設(shè)備的不同，現(xiàn)有的可見光通信系統(tǒng)可以分為兩類：基于PD（Photodiode，光電探測器）的可見光通信系統(tǒng)和基于IS（Image Sensor，圖像傳感器）的可見光通信系統(tǒng)。其中，基于PD 的可見光通信系統(tǒng)一般用于高速數(shù)據(jù)傳輸場景，可以實現(xiàn)Gbps 速率級別的數(shù)據(jù)傳輸；基于IS 的可見光通信系統(tǒng)則主要用于室內(nèi)環(huán)境中的定位和設(shè)備配對信息傳輸、車輛通信中的碰撞檢測、危險路況信息傳遞等[8-9]。相比于PD，IS 作為接收端接收視場角更大，能夠更大范圍的接收VLC 信號，這一通信方式也被稱為OCC（Optical Camera Communication，光學成像通信）。隨著半導體技術(shù)的迅速發(fā)展，大多數(shù)智能手機都內(nèi)置了CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互補金屬氧化物半導體）相機，為OCC 提供了廣泛的硬件支持[10]。然而，由于手機攝像頭幀率低且不穩(wěn)定，基于手機CMOS 相機實現(xiàn)高可用的可見光通信系統(tǒng)仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有基于手機攝像頭的可見光通信研究主要是利用CMOS 相機的“卷簾效應”進行基于圖案明亮條紋信息的調(diào)制[11-17]，接收端根據(jù)亮暗條紋的寬度或頻率解碼。文獻[11] 通過反射表面捕捉圖像，以緩解LED 光斑的暈染效應，但是該方案造成了光功率的逸散，需要較高的LED 功率；文獻[12] 利用灰度圖像的所有灰度值數(shù)據(jù)進行信號解調(diào)來提高系統(tǒng)的魯棒性，相比于傳統(tǒng)解調(diào)方案中利用單列灰度值實現(xiàn)解調(diào)，其計算量成倍提升；文獻[13]通過灰度校正、直方圖均衡、高通濾波等實現(xiàn)復雜光環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸，但是需要較長的數(shù)據(jù)處理時間。另外，文獻[14] 至[17] 利用數(shù)字圖像處理手段來提高系統(tǒng)的誤碼性能，但是其通信距離受到LED 大小和手機攝像頭硬件的限制，一般小于1 m，如文獻[14] 提出了一種基于LED 能量擴散的列灰度值選擇方案，有效提高了圖像的對比度，但通信距離只能達到30 cm；文獻[15] 提出了HyperSight 圖像解碼算法，利用灰度特征矩陣和臨界灰度值來替代傳統(tǒng)的單列灰度值及函數(shù)擬合閾值，可以實現(xiàn)距離為50 cm 的通信。

綜上所述，目前基于圖案明亮條紋信息調(diào)制方式的可見光通信系統(tǒng)中尚存在系統(tǒng)復雜度高、計算量大、通信距離短等問題。與此對應的是基于LED 亮滅狀態(tài)的欠采樣調(diào)制方案復雜度低、計算量小且不存在收發(fā)端距離的限制，如文獻[18] 提出了UPSOOK 調(diào)制方案，只需要計算不同狀態(tài)對應的灰度值范圍，復雜度低且通信距離可達15 m，文獻[19] 針對UPSOOK 調(diào)制方案中的各種問題構(gòu)建了一套參數(shù)模型，在保證誤碼率極低的情況下使得通信距離增加到160 m。然而，手機攝像頭幀率不穩(wěn)定的問題對于收發(fā)端同步要求很高的欠采樣調(diào)制方案而言是一個不小的挑戰(zhàn)[20]，目前還沒有利用手機攝像頭實現(xiàn)基于LED 亮滅狀態(tài)的欠采樣調(diào)制方案的相關(guān)研究。

基于此，本文針對手機攝像頭幀率不穩(wěn)定的問題提出了FEC-UPSOOK 調(diào)制方案。首先為了消除收發(fā)端之間存在的相位誤差，設(shè)計了FEC-UPSOOK 的系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)，然后通過設(shè)計自適應閾值計算策略，以避免收發(fā)端之間距離和角度的差異對采樣亮度值造成的影響，最后設(shè)計針對幀率抖動的前向糾錯機制進行糾錯，從而實現(xiàn)可見光信息的可靠傳輸。為驗證此方案的有效性，本文設(shè)計并搭建了基于手機攝像頭的可見光通信實測平臺，結(jié)果表明相比于傳統(tǒng)的UPSOOK 系統(tǒng)，F(xiàn)EC-UPSOOK 的系統(tǒng)誤碼率從10-1下降到10-3，有效地提高了誤碼性能。

2 系統(tǒng)模型

在OCC 系統(tǒng)中，隨著收發(fā)兩端距離、相對角度等因素的變化，接收到的圖像質(zhì)量會出現(xiàn)明顯改變，影響到對發(fā)送信息的判定、識別，乃至信息恢復。OCC 系統(tǒng)接收的矢量信號可以表示為：

其中，信道矩陣H 由發(fā)送端和接收端之間的直流增益組成。LED 可以建模成朗伯輻射模型[21-22]，因此發(fā)送端到接收端的直流增益可以表示為：

其中，Ψin是入射角；Ts(Ψin) 是光學濾波器增益；g(Ψin)是聚光器增益；Ψir是LED 的輻射角；m是朗伯系數(shù)，可以通過LED 的半功率角φ1/2計算得到；D是收發(fā)機之間的距離；Ac是LED 在圖像傳感器上的投影面積。假設(shè)LED 實際物理尺寸為Al，則Ac可以表示為：

其中，f0是相機的焦距。則相機接收到的光功率為：

其中，Pt是LED 的發(fā)射光功率。

3 FEC-UPSOOK調(diào)制方案

目前大部分商用手機攝像頭的標準幀率為30 fps，即相機的采樣頻率fcamera=30 Hz，而LED 的閃爍頻率至少為100 Hz 才能不被人眼察覺到閃爍，頻率的差距意味著接收機不能完整地把每一個頻閃信息記錄下來。此外，手機攝像頭存在幀率抖動的問題，會造成誤碼率上升。為實現(xiàn)信息的準確接收，本文提出了FEC-UPSOOK 調(diào)制方案，包含幀結(jié)構(gòu)設(shè)計，采樣自適應閾值解調(diào)策略以及針對幀率抖動的糾錯機制。

3.1 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

FEC-UPSOOK 樣本信號波形如圖1 所示，由FH（Frame Header，幀頭）、多個周期方波信號表示的邏輯1 和多個周期反相方波信號表示的邏輯0 組成。

圖1 FEC-UPSOOK樣本信號波形

邏輯1 和邏輯0 方波信號的頻率分別用fmark、fspace表示，滿足：

相位分別用θmark和θspace表示，且滿足θmark=0°、θspace=180°。此外，幀頭也是一個方波信號，其頻率fFH滿足fFH?fcamera（fFH≥20 kHz）。由于相機的采樣信號是具備一定持續(xù)時間的矩形方波信號，這段持續(xù)時間稱為曝光時長（Exposure Time），因此相機采樣到的幀頭符號的亮度會低于正常高電平的亮度（“全亮”狀態(tài)）且高于正常低電平的亮度（“全暗”狀態(tài)），稱為“半亮”狀態(tài)。三種狀態(tài)如圖2 所示：

圖2 相機采樣到的LED的亮度（全暗、半亮、全亮分別對應邏輯0、幀頭、邏輯1）

在采樣過程中，每個視頻幀樣本代表一次采樣，但由于相機是隨機采樣，可能會出現(xiàn)圖3 所示的兩種采樣情況，造成接收端無法確定采樣到的“全亮”狀態(tài)是邏輯1 還是由于收發(fā)端相位差造成反向的邏輯0。例如，圖3 中第三個符號采樣2 的值是“全亮”，第四個符號采樣1 的值也是“全亮”，但是這兩個符號對應的邏輯值完全相反，因此需要一種策略來消除這種相位不確定性。

圖3 兩種可能的采樣情況

基于此，本文設(shè)計了一種幀結(jié)構(gòu)如圖4 所示，包含SFD（Start Frame Delimiter，幀分隔符）、數(shù)據(jù)位和校驗位。

圖4 系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

SFD 由FH 和標志位合并而成，是消除相位不確定性的關(guān)鍵。每個SFD 由兩個符號組成：第一個符號是FH；第二個符號是標志位，是頻率為fmark的方波信號，符號周期為1/fcamera，其信號波形與邏輯1 的信號波形相同。對于接收機而言，只需要檢查SFD 的標志位就可以判斷是否存在由相位不確定性引起的誤差。如果SFD 中的標志位是“全亮”，這意味著相位不確定性不會引入誤差；但是如果標志位是“全暗”，就意味著相位不確定性會帶來誤差，后續(xù)數(shù)據(jù)幀中所有的信號邏輯值都應該與接收到的邏輯值相反。

除幀分隔符和數(shù)據(jù)位之外，每一幀結(jié)尾還有一位偶校驗位，是為了糾正由于幀率抖動造成的誤碼，具體將在第3.3 節(jié)的糾錯機制中詳細介紹。

3.2 自適應閾值解調(diào)策略

發(fā)送端按照上述幀結(jié)構(gòu)發(fā)送數(shù)據(jù)后，接收端需要對每個發(fā)送符號采樣，然后通過采樣的亮度值來判斷其邏輯值，從而實現(xiàn)解調(diào)。然而在實際中，收發(fā)端之間距離和角度的差異會造成采樣亮度值的浮動，因此本文設(shè)計了一種自適應閾值解調(diào)策略來消除這種影響。首先，為了避免采樣誤差，需要采集每一幀圖像中以LED 像素中心為圓心的一定區(qū)域的亮度值，而根據(jù)式(3)，LED 投影尺寸的大小和收發(fā)機距離的平方成反比，在不同距離下由于LED 投影尺寸的不同，選取的區(qū)域大小需要具備一般性或自適應性，為了減少計算量，通過多次試驗得到區(qū)域大小與誤碼率的關(guān)系具體如表1 所示：

表1 區(qū)域大小與誤碼率的關(guān)系

因此，首先計算每一幀圖像中以LED 像素中心為圓心的7×7 像素點亮度值之和如下：

假設(shè)每一幀數(shù)據(jù)由N幀圖像組成，即包含符號個數(shù)為N，其中必定包含“全暗”、“半亮”、“全亮”三種狀態(tài)，因此為了計算區(qū)分這三種狀態(tài)對應亮度值范圍的閾值，本文選取了起始的M幀（M>N）圖像來計算閾值。首先將M幀圖像的亮度值之和從小到大排序，得到升序的亮度值序列Gsorted，對Gsorted中的元素逐個作差，得到差值序列，其中第i個值為：

其中，Dk表示第k幀圖像解調(diào)得到的數(shù)據(jù)，“1”、“2”、“0”分別表示邏輯1、幀頭和邏輯0。將Dk按順序存入解調(diào)序列S 中，即S={D1,D2,D3…}。

3.3 針對幀率抖動的前向糾錯機制

對于欠采樣通信系統(tǒng)而言，收發(fā)端頻率是否同步是一個關(guān)鍵問題。如果發(fā)送端的信號頻率fmark和fspace不能滿足式(6)，就有可能造成誤碼性能的嚴重損傷。由于設(shè)備參數(shù)并非完全理想，手機攝像頭通常存在幀率抖動的問題，盡管抖動的幅度很小，但是對于同步要求高的系統(tǒng)而言仍然會造成誤碼。具體表現(xiàn)為：在實際系統(tǒng)中，某一個采樣值會先跳變到“半亮”狀態(tài)，之后的采樣值也會與原本的采樣值狀態(tài)相反，從而產(chǎn)生誤碼。

圖5 展示了一種典型幀率抖動造成接收誤碼的波形圖。從第二個符號開始因幀率抖動采樣點產(chǎn)生偏移，到第三個符號時，采樣值先從“全亮”狀態(tài)跳變到“半亮”狀態(tài)，然后第四個符號的采樣值從“全暗”狀態(tài)跳變到“全亮”狀態(tài)，因此幀率抖動會嚴重影響系統(tǒng)的誤碼性能。

圖5 實際系統(tǒng)中幀率抖動造成的誤碼示意圖

本文針對這種情況設(shè)計了一種前向糾錯機制，圖6展示了該機制的整體流程。對于已解調(diào)的數(shù)據(jù)序列S 而言，如果其中相鄰幀頭，如第i個幀頭FHi和第i+1 個幀頭FHi+1之間的符號個數(shù)小于N，說明存在誤碼，接下來判斷相間幀頭FHi和FHi+2之間的符號個數(shù)，如果仍然小于N，說明FHi+1和FHi+2都是因誤碼形成的“幀頭”，無法判斷具體的跳變情況，則拋棄這一段數(shù)據(jù)；如果FHi和FHi+2之間的符號個數(shù)等于N，說明FHi+1就是由于幀率抖動而造成的誤碼，需要將其還原成數(shù)據(jù)，但是此時仍不清楚FHi+1是由邏輯1 還是邏輯0 跳變而成的。因此，首先假設(shè)其是由邏輯1 跳變而成的，將其還原成邏輯1，并且把后續(xù)的數(shù)據(jù)全部變成相反的邏輯值，然后再結(jié)合標志位來判斷所有的數(shù)據(jù)是否滿足偶校驗的規(guī)則，即數(shù)據(jù)位以及偶校驗位中是否包含偶數(shù)個邏輯1。如果滿足偶校驗，說明假設(shè)正確；反之，如果不滿足偶校驗，說明假設(shè)錯誤，需要將FHi+1還原成邏輯0 并將后續(xù)數(shù)據(jù)取反。

圖6 針對幀率抖動設(shè)計的前向糾錯算法流程圖

4 實驗平臺設(shè)計與搭建

4.1 硬件系統(tǒng)

平臺硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7 所示，主要包括發(fā)送端和接收端兩個部分。

圖7 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

發(fā)送端通過PC 產(chǎn)生數(shù)據(jù)，編碼封裝后通過USB 連接Arduino 開發(fā)板對數(shù)據(jù)包進行調(diào)制，由于Arduino 板輸出電壓有限，因此需要為LED 設(shè)計專門的驅(qū)動電路，將調(diào)制控制信號轉(zhuǎn)換為符合LED 伏安特性的電信號。LED驅(qū)動主要由DD312 芯片組成，該芯片是一顆低成本高性能恒定電流的LED 驅(qū)動芯片。LED 光源選用普通的商用白光LED。

接收端由手機攝像頭和接收端PC 組成。攝像頭使用的是榮耀V20 手機后置攝像頭，利用手機自帶的專業(yè)錄像模式錄制視頻，并傳送給接收端PC 完成解調(diào)、糾錯和解碼等任務(wù)。

4.2 軟件系統(tǒng)

平臺的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8 所示：

圖8 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

發(fā)送端軟件包括編碼單元、數(shù)據(jù)封裝單元、調(diào)制單元等。數(shù)據(jù)封裝單元將SFD、數(shù)據(jù)位及校驗位封裝在圖8所示的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過UPSOOK 調(diào)制后通過LED 光源發(fā)送至接收端。

接收端軟件主要由圖像處理單元、解調(diào)單元以及糾錯解碼單元組成。圖像處理單元使用OpenCV（Open Source Computer Vision Library，開源資源計算機視覺庫）先對視頻流中每幀圖片進行灰度化、二值化等一系列處理，進而實現(xiàn)LED 圖像的輪廓識別和像素中心定位，再利用上文所提的自適應閾值解調(diào)策略和前向糾錯機制進行解調(diào)及糾錯，待糾錯完成后進行解碼就可以得到原始數(shù)據(jù)并與發(fā)送端數(shù)據(jù)進行計較，從而計算誤碼率。

5 實驗設(shè)計與結(jié)果分析

下面對基于傳統(tǒng)UPSOOK 和FEC-UPSOOK 調(diào)制方案的可見光通信系統(tǒng)（以下簡稱UPSOOK 系統(tǒng)和FECUPSOOK 系統(tǒng)）進行性能測試。表2 為系統(tǒng)發(fā)送端和接收端的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，為了避免環(huán)境光和噪聲干擾，接收端的曝光時間和感光度（ISO）分別設(shè)置為其可支持的最小值1/4 000 s、100。為了保證結(jié)果的準確性，通過在同一個位置進行多次重復實驗，取誤碼率的平均值作為當前距離或角度下的誤碼率。

表2 相關(guān)參數(shù)設(shè)置

5.1 不同傳輸距離下誤碼性能測試

圖9 展示了兩種系統(tǒng)誤碼率隨傳輸距離變化的曲線。收發(fā)機朝向平行，發(fā)射機輻射角為0°。發(fā)送端通過LED發(fā)送10 000 bits 二進制數(shù)據(jù)，接收端通過手機攝像頭接收信號，并將圖像數(shù)據(jù)傳輸給接收端PC 進行處理?？梢钥闯?，F(xiàn)EC-UPSOOK 系統(tǒng)誤碼率性能始終優(yōu)于UPSOOK通信系統(tǒng)誤碼率性能。當距離小于3 m 時，UPSOOK 系統(tǒng)誤碼率保持在10-1左右，這種情況下無法實現(xiàn)正常通信，而FEC-UPSOOK 系統(tǒng)的誤碼率下降至10-3左右；當距離大于3 m 時，兩系統(tǒng)誤碼率均有所上升，但FECUPSOOK 系統(tǒng)誤碼率仍低于UPSOOK 系統(tǒng)的誤碼率，說明了本方案的有效性。

圖9 不同傳輸距離下誤碼率對比

圖10 展示了FEC-UPSOOK 系統(tǒng)中使用不同功率LED 時的誤碼率變化情況?？梢钥闯觯诒鞠到y(tǒng)中使用發(fā)射功率更大的發(fā)射機可以獲得更好的誤碼性能。當傳輸距離大于3 m 時，使用功率為65 mW 的LED 的通信系統(tǒng)誤碼率明顯上升；當傳輸距離為5 m 時，誤碼率接近50%。而使用功率為130 mW 的LED 的通信系統(tǒng)誤碼率保持在10-2以下，且距離越大時性能提升越明顯。

圖10 使用不同功率LED誤碼率對比

5.2 不同輻射角度下誤碼性能測試

為了驗證當收發(fā)機朝向存在一定角度時本系統(tǒng)是否能夠正常通信，測試了發(fā)射機輻射角10°～80°的系統(tǒng)誤碼率。

角度性能測試場景示意圖如圖11 所示。典型室內(nèi)場景天花板的高度約為2.8 m，人體坐高約為0.8 m，因此固定收發(fā)端傳輸距離為2 m，LED 平面法向量與收發(fā)機連線的夾角為輻射角θ。

圖11 角度性能測試場景示意圖

圖12 展示了FEC-UPSOOK 和UPSOOK 兩種通信系統(tǒng)誤碼率隨θ變化的曲線：

圖12 不同輻射角度下誤碼率對比

在10°～80°的測試角度范圍內(nèi)，F(xiàn)EC-UPSOOK 系統(tǒng)誤碼率保持在10-3左右，而UPSOOK 系統(tǒng)誤碼率保持在10-1以上，這說明本文提出的FEC-UPSOOK 調(diào)制方案在輻射角度變化時也能有效提高誤碼性能，進而驗證了在一些實際場景中收發(fā)機朝向存在一定角度的情況下本系統(tǒng)的可靠性。

6 結(jié)束語

本文針對手機攝像頭幀率不穩(wěn)定限制通信可靠性的挑戰(zhàn)提出了FEC-UPSOOK 調(diào)制方案，設(shè)計并實現(xiàn)了基于UPSOOK 的系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、自適應閾值計算策略和前向糾錯機制。此外，還搭建了一套基于手機攝像頭的可見光通信系統(tǒng)，并在不同距離和不同輻射角度下對系統(tǒng)的誤碼性能進行了測試。結(jié)果表明，本方案能明顯提升系統(tǒng)誤碼性能，相比于UPSOOK 系統(tǒng)，F(xiàn)EC-UPSOOK 系統(tǒng)誤碼率從10-1下降到10-3，并且當發(fā)射機輻射角在0°～80°時，誤碼率仍保持在10-3左右，驗證了本方案的有效性。