RS編碼與交織級(jí)聯(lián)在室內(nèi)VLC中的應(yīng)用研究

楊家旺，曹 陽，彭小峰，劉世濤，張 勛

(重慶理工大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶400054)

RS編碼與交織級(jí)聯(lián)在室內(nèi)VLC中的應(yīng)用研究

楊家旺，曹 陽，彭小峰，劉世濤，張 勛

(重慶理工大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶400054)

提出R S與交織級(jí)聯(lián)的室內(nèi)可見光通信(Vi si bl e l i ght com m uni cat i on,VLC)系統(tǒng)模型，系統(tǒng)對(duì)有無R S編碼、有無交織進(jìn)行了性能比較，并討論了交織深度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。仿真結(jié)果表明，R S編碼與交織級(jí)聯(lián)能夠有效降低系統(tǒng)誤符號(hào)率，提高通信系統(tǒng)質(zhì)量。

R S編碼；交織技術(shù)；交織深度；可見光通信

0 引言

室內(nèi)可見光通信(Visible light communication, VLC)是將可見光無線通信技術(shù)應(yīng)用在室內(nèi)定位導(dǎo)航和室內(nèi)設(shè)備通信，可見光無線通信系統(tǒng)是一個(gè)能夠滿足大容量、高數(shù)據(jù)率傳輸?shù)闹匾獰o線室內(nèi)傳輸方案，正逐漸取代現(xiàn)有的無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的室內(nèi)無線寬帶接入技術(shù)。與傳統(tǒng)的無線通信相比，可見光通信更加經(jīng)濟(jì)和安全，未來的可見光無線通信技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿1，2]。但在一般情況下，室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)受到多徑效應(yīng)的影響，并在信息傳遞的過程中很容易受到外界因素的干擾而導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤碼的現(xiàn)象[3]。信道編碼作為重要的通信糾錯(cuò)手段，可以檢測(cè)與糾正通信過程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤，提高編碼增益或降低誤碼率，以保證可見光通信中的實(shí)際需要[4]。在無線信道中，RS碼是一類強(qiáng)大的被廣泛使用的前向糾錯(cuò)技術(shù)，具有同時(shí)糾正突發(fā)錯(cuò)誤和隨機(jī)差錯(cuò)的能力，而且糾正突發(fā)錯(cuò)誤十分有效[5]。當(dāng)信道條件不佳時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)連續(xù)錯(cuò)誤碼元并超出RS糾錯(cuò)碼的糾錯(cuò)能力，降低系統(tǒng)性能，但采用交織技術(shù)能夠?qū)⑼话l(fā)錯(cuò)誤進(jìn)行分散[6]。

因此，本文將RS編碼與交織級(jí)聯(lián)作為系統(tǒng)的糾錯(cuò)手段，研究RS編碼與交織級(jí)聯(lián)以及交織深度對(duì)室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)性能的影響。選取合適的交織深度，使基于RS與交織級(jí)聯(lián)的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)性能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。

1 RS編碼與交織技術(shù)

1.1 RS編碼

在通信系統(tǒng)中，提高信道編碼的冗余度可以減少信道傳輸?shù)恼`碼率，RS碼就是一類具有極強(qiáng)糾突發(fā)和隨機(jī)錯(cuò)誤能力的非二進(jìn)制循環(huán)分組碼，并且RS碼實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用[7]。若碼字C=(Cn-1Cn-2……C1C0)，則碼多項(xiàng)式為：

循環(huán)碼生成多項(xiàng)式為：

則：

校驗(yàn)矩陣H為：

其中RS碼相應(yīng)的參數(shù)為：碼長n=q-1；校驗(yàn)位n-k= 2t；最小距離dmin=2t+1。

1.2 交織技術(shù)

糾錯(cuò)編碼能夠糾正不連續(xù)的差錯(cuò)和較短的突發(fā)差錯(cuò)，但當(dāng)錯(cuò)誤碼元連續(xù)出現(xiàn)超過糾錯(cuò)編碼的糾錯(cuò)能力時(shí)，系統(tǒng)性能無法得到進(jìn)一步改善。而采用交織可以把突發(fā)差錯(cuò)離散化，把長突發(fā)差錯(cuò)變成短突發(fā)差錯(cuò)甚至是隨機(jī)差錯(cuò)，可以有效應(yīng)對(duì)信道衰落引起的光通信突發(fā)差錯(cuò)，提高系統(tǒng)誤碼率性能。最早應(yīng)用于信道編碼中的交織方式是矩陣交織，其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，原理清晰，且不會(huì)影響對(duì)室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)誤碼率的分析，故本文將矩陣交織作為室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)所采用的交織方式[8]。矩陣交織工作原理如圖1所示，一個(gè)信息組為n個(gè)碼元，交織寬度為m，交織深度d為m× n。將信息碼元中的每d個(gè)碼元按行寫入，按列讀出完成交織。

圖1 矩陣交織原理圖

可以看出，交織實(shí)際上是對(duì)信道在時(shí)間、空間和頻域上進(jìn)行改造，并沒有增加編碼冗余度，也沒有改變編碼傳輸速率。如果通過交織前的編碼能夠?qū)﹂L度低于i的信息碼流進(jìn)行突發(fā)查錯(cuò)，那么通過交織后就能夠?qū)﹂L度低于m×i的信息碼流進(jìn)行突發(fā)查錯(cuò)。顯然，采用交織后提高了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)突發(fā)查錯(cuò)的能力，能夠提高系統(tǒng)性能。

2 系統(tǒng)模型

室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)因多徑效引起碼間干擾，并且在系統(tǒng)實(shí)際傳輸過程中又因信道衰落等因素的干擾，使信息碼元不可避免地會(huì)出現(xiàn)突發(fā)錯(cuò)誤，甚至造成連續(xù)錯(cuò)誤碼元，導(dǎo)致系統(tǒng)性能嚴(yán)重惡化。因此，在通信系統(tǒng)中采用糾錯(cuò)手段也是提高系統(tǒng)性能的一種實(shí)際需要。本文將RS編碼與交織技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用到室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中，研究RS與交織級(jí)聯(lián)對(duì)室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)性能的影響。其系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 RS與交織級(jí)聯(lián)的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)模型

在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)發(fā)射端，信息碼元通過信源編碼后加入與信息碼元之間有一定數(shù)學(xué)或邏輯關(guān)系的冗余碼元實(shí)現(xiàn)RS編碼。然后，通過具有一定交織深度的交織器實(shí)現(xiàn)交織，經(jīng)過RS編碼與交織后的碼元進(jìn)行PSK調(diào)制后需要進(jìn)行直流偏置；最后，通過LED燈進(jìn)行發(fā)射。在系統(tǒng)接收端，光電檢測(cè)器將接收到的可見光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后進(jìn)行與接收端相反的處理，包括PSK解調(diào)、解交織、RS譯碼和信源解碼等，然后將恢復(fù)出信息發(fā)送到受信端，完成信息在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中的傳輸。

3 仿真結(jié)果及其分析

本文根據(jù)文獻(xiàn)[9,10]建立室內(nèi)可見光通信收發(fā)端布局空間與室內(nèi)房間環(huán)境參數(shù)設(shè)置，以此研究RS編碼與交織級(jí)聯(lián)對(duì)室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)性能的影響。由圖3可以看出，室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)采用RS糾錯(cuò)編碼的誤符號(hào)率低于未采用RS糾錯(cuò)編碼的誤符號(hào)率。在低信噪比時(shí)，系統(tǒng)有無采用RS編碼的誤符號(hào)率差異不明顯，隨著信噪比的增大，采用RS編碼降低系統(tǒng)誤符號(hào)率的效果越來越顯著。當(dāng)誤符號(hào)率超過10-4時(shí)，RS糾錯(cuò)編碼的誤符號(hào)率比未采用RS糾錯(cuò)編碼的誤符號(hào)率提高2.5dB左右。顯然，在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中采用RS編碼能夠有效降低系統(tǒng)誤符號(hào)率，提高系統(tǒng)傳輸質(zhì)量。

圖3 室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)有無RS編碼性能比較

信道衰落時(shí)，信息碼元會(huì)出現(xiàn)突發(fā)錯(cuò)誤，甚至有連續(xù)錯(cuò)誤碼元出現(xiàn)，超出RS編碼糾錯(cuò)能力，這時(shí)可以利用交織技術(shù)將錯(cuò)誤碼元進(jìn)行分散。由圖4可以看出，在信道衰落1ms時(shí)，采用交織技術(shù)的系統(tǒng)誤符號(hào)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于未采用交織技術(shù)的系統(tǒng)誤符號(hào)率；當(dāng)信道衰落達(dá)到3ms時(shí)，采用交織技術(shù)的誤符號(hào)率都低于信道衰落1ms無交織時(shí)的誤符號(hào)率。仿真結(jié)果表明，在信道衰落過程中采用交織能夠很好地降低誤符號(hào)率，提高系統(tǒng)性能。

圖4 信道衰落下有無交織性能比較

交織技術(shù)能夠降低系統(tǒng)誤符號(hào)率，是否交織深度越大對(duì)系統(tǒng)性能越有利，圖5表明了交織深度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。信噪比在0～21dB時(shí)，交織深度為240的誤符號(hào)率低于交織深度為160的誤符號(hào)率；當(dāng)信噪比超過21dB時(shí)，交織深度為240的誤符號(hào)率卻高于交織深度為160的誤符號(hào)率。這表明，并不是交織深度越大越能夠降低誤符號(hào)率，在系統(tǒng)中應(yīng)選取合適的交織深度使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。

圖5 不同交織深度誤符號(hào)率比較

圖6是在交織深度選取為200、信道衰落為2ms時(shí)的系統(tǒng)性能對(duì)比圖。仿真結(jié)果表明，在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中采用RS編碼與交織級(jí)聯(lián)能夠有效降低系統(tǒng)誤符號(hào)率，提高系統(tǒng)性能。

圖6 RS編碼與交織的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)性能對(duì)比

4 結(jié)束語

在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中，誤符號(hào)率超過10-4時(shí)，RS編碼的誤符號(hào)率比未采用RS編碼的誤符號(hào)率提高2.5dB左右。但由于信道衰落等原因致使信息碼元出錯(cuò)，甚至出現(xiàn)連續(xù)錯(cuò)誤碼元，超出RS編碼糾錯(cuò)能力，使系統(tǒng)性能惡化。在信道衰落時(shí)，系統(tǒng)采用交織技術(shù)使出現(xiàn)的連續(xù)錯(cuò)誤碼元離散化，并通過選擇合適的交織深度使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)采用RS編碼的誤符號(hào)率低于未采用RS編碼的誤符號(hào)率，系統(tǒng)采用RS編碼與交織級(jí)聯(lián)的誤符號(hào)率低于只采用RS編碼的誤符號(hào)率。因此，RS編碼與交織級(jí)聯(lián)適用于室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)提高系統(tǒng)性能。

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Application research of RS coding and interweaving technology in indoor visible light communication system

YANG Jia-wang,CAO Yang,PENG Xiao-feng,LIU Shi-tao,ZHANG Xun
(School of Electronic Information&Automation，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

The paper presents the indoor visible light communication system based on RS and interweaving, compers the system performance of RS coding and no RS coding,interleaving and no interweaving,studies the influence of weaving depth on system performance.The simulation result shows that the RS coding and weaving technology can reduce the system symbol error rate,improve the quality of communication system.

RS coding,interweaving tehcnology,interweaving depth,visible light communication

TN929.1

A

1002-5561（2016）02-0037-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.02.011

2015-11-27。

國家自然科學(xué)基金(61205106)資助;博士后科學(xué)基金(2014 M552329)資助;重慶市教委基金(KJ120827,KJ1500934)資助;重慶理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(YCX2014225)資助。

楊家旺(1990-)，男，碩士研究生，主要從事可見光通信方面的研究。