室內(nèi)LED可見(jiàn)光語(yǔ)音通信網(wǎng)絡(luò)的信道分配算法研究

杜淳

摘 要： 采用SIC算法對(duì)室內(nèi)LED可見(jiàn)光語(yǔ)音通信網(wǎng)絡(luò)的信道分配進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)、白光音頻調(diào)頻信號(hào)傳輸系統(tǒng)原理的分析，設(shè)計(jì)了語(yǔ)音通信收發(fā)機(jī)電路。電路信號(hào)接收效果較好，利用SIC檢測(cè)算法進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)信道功率分配，與采用線性工作范圍為2.25～5 V，工作電流范圍為0.1～1 A的商用照明LED進(jìn)行性能仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的FCA算法相比，SIC算法的阻塞率要高于FCA算法，且算法引入了更小的系統(tǒng)干擾量，在服務(wù)區(qū)內(nèi)使用戶(hù)通信質(zhì)量得到保證。

關(guān)鍵詞： LED； 語(yǔ)音通信； 信道分配算法； 可見(jiàn)光

中圖分類(lèi)號(hào)： TN929.1?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）11?0018?03

Research on channel assignment algorithm for visible?light voice

communication network of indoor LED

DU Chun

（China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China）

Abstract： The SIC algorithm is used to study the channel allocation of indoor LED visible?light voice communication network. The principles of indoor visible?light communication system and white light audio FM signal transmission system are analyzed to design the voice communication transceiver circuit. The SIC detection algorithm is used to distribute the channel power of the communication network. The performance simulation experiment was performed for the commercially?used illumination LED whose linear working range is 2.25～5 V and working current range is 0.1～1 A. The results show that， in comparison with the traditional FCA algorithm， the blocking rate of SIC algorithm is higher， and the smaller system interference is introduced by means of SIC algorithm to guarantee the communication quality of the users in its service area.

Keywords： LED； voice communication； channel assignment algorithm； visible light

0 引 言

白光LED采用低電壓供電、電場(chǎng)發(fā)光，其優(yōu)點(diǎn)是高光效、無(wú)輻射、長(zhǎng)壽命、高安全性、功耗低、耐用、高穩(wěn)定性等[1?3]。同時(shí)，白光LED還具有高速調(diào)制、響應(yīng)時(shí)間較短等特性，白光LED從照明領(lǐng)域擴(kuò)展到了語(yǔ)音通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)通信、照明兩種功能，同時(shí)也相應(yīng)產(chǎn)生了一門(mén)新興的可見(jiàn)光通信技術(shù)VLC[4]。相比于傳統(tǒng)無(wú)線光通信，可見(jiàn)光通信技術(shù)無(wú)電磁輻射、發(fā)射功率高、節(jié)約能源、不占用無(wú)線電頻譜、無(wú)電磁干擾[5]。本文采用SIC算法對(duì)室內(nèi)LED可見(jiàn)光語(yǔ)音通信網(wǎng)絡(luò)的信道分配進(jìn)行研究。

1 室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)

室內(nèi)VLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1，包括LED光源、終端、可見(jiàn)光通信集線器、白光光電探測(cè)器、可見(jiàn)光通信適配器等單元[6]。系統(tǒng)由反向鏈路、前向鏈路兩部分組成，每個(gè)鏈路由發(fā)射部分、接收部分組成。發(fā)射部分包括白光LED光源、信號(hào)處理單元等，接收部分主要包括光電檢測(cè)器、信號(hào)處理單元等。

2 語(yǔ)音通信收發(fā)機(jī)電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試

2.1 LED與PD光收發(fā)器件電路設(shè)計(jì)

通過(guò)自動(dòng)增益控制AGC電路，發(fā)送端對(duì)語(yǔ)音源進(jìn)行整流、放大，采用曼徹斯特編碼處理核心芯片，語(yǔ)音信號(hào)編碼速率小于1 Mb/s，這樣才能使模擬語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)變形成數(shù)字基帶信號(hào)；使用三極管NPN控制電路，根據(jù)LED發(fā)光器調(diào)制靈敏度，對(duì)光波強(qiáng)度進(jìn)行直接調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)光、數(shù)字信號(hào)的發(fā)射。在接收端采用PD光電二極管進(jìn)行光波信號(hào)的接收，通知接收系統(tǒng)電路解碼、控制，處理過(guò)程與發(fā)送端相反。

2.2 電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)

在收發(fā)器件電路中，核心芯片均采用ARM芯片ADUC7020，同時(shí)配以供電模塊、外圍工作電路，電路均采用3.3 V供電。通過(guò)發(fā)送端，音頻信號(hào)由語(yǔ)音終端的耳機(jī)孔發(fā)出，通過(guò)外圍電路的整流放大，輸出到ADUC7020芯片，通過(guò)該芯片模擬信號(hào)輸入引腳，經(jīng)曼徹斯特?cái)?shù)字編碼、模數(shù)轉(zhuǎn)換等信號(hào)處理，數(shù)字基帶信號(hào)被輸出；隨后連到NPN型三極管電路上，對(duì)LED光信號(hào)發(fā)射器信號(hào)進(jìn)行控制。光接收器接收光信號(hào)，光敏三極管檢測(cè)光信號(hào)，光電在進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，電信號(hào)被發(fā)送到均衡芯片中，數(shù)字信號(hào)通過(guò)放大整流后，被連接到ADUC7020芯片，模擬音頻播放得到實(shí)現(xiàn)。

2.3 電路信號(hào)接收效果

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)檢測(cè)PD，LED收發(fā)器件，在室內(nèi)環(huán)境中，LED信號(hào)以2 W的功率進(jìn)行發(fā)射，滿(mǎn)足接收機(jī)PD接收角度，在11 m范圍內(nèi)，接收機(jī)可正常接收信號(hào)，且耳機(jī)收聽(tīng)效果非常清晰。同時(shí)試驗(yàn)通過(guò)數(shù)字誤碼儀對(duì)收發(fā)兩端數(shù)字誤比特率BER值進(jìn)行了測(cè)量，在11 m范圍內(nèi)，誤比特率小于10-4 。當(dāng)增加收發(fā)兩端距離，接收信號(hào)的效果會(huì)隨著距離的增加而下降，當(dāng)收發(fā)距離增加到22 m后，信號(hào)無(wú)法正常接收。

3 基于OOK調(diào)制的功率分配

3.1 多LED匯聚信號(hào)檢測(cè)算法

對(duì)于接收端采集的匯聚信號(hào)，采用串行干擾消除方法進(jìn)行檢測(cè)，接收器PD對(duì)不同燈芯發(fā)送的匯聚光信號(hào)進(jìn)行采集，各燈芯驅(qū)動(dòng)電壓不同，檢測(cè)匯聚信號(hào)可得到實(shí)現(xiàn)。因多LED燈芯、發(fā)送端編碼的約束，因此，在接收端含有一個(gè)解多LED約束的信號(hào)估計(jì)器ESE，個(gè)解編碼約束譯碼器DEC。PD光電轉(zhuǎn)換后的混合信號(hào)通過(guò)串行干擾消除SIC檢測(cè)算法進(jìn)行求解，第個(gè)燈芯外的信息等效為高斯噪聲。

接收端檢測(cè)算法模型見(jiàn)圖2，根據(jù)串行處理原則，先估計(jì)系統(tǒng)初始時(shí)第0層ESE信息，非0層全部的干擾信息等效為高斯噪聲；ESE解出的軟信息輸入DEC作為先驗(yàn)信息，根據(jù)譯碼原則解出DEC第0層軟信息，經(jīng)反饋，對(duì)ESE總軟信息值進(jìn)行更新，然后進(jìn)行第1層燈芯信息的求解，非1層的全部信號(hào)等效為高斯噪聲，這樣一直持續(xù)到第個(gè)燈芯完成檢測(cè)，然后轉(zhuǎn)入下一次迭代，對(duì)接收到的信息進(jìn)行充分挖掘，經(jīng)過(guò)最后一次迭代，進(jìn)行DEC譯碼硬判決信息并聯(lián)與串聯(lián)的轉(zhuǎn)換，隨后原始數(shù)據(jù)恢復(fù)。

4 性能仿真

性能仿真實(shí)驗(yàn)采用商用照明LED，其線性工作范圍為2.25～5 V，工作電流范圍為0.1～1 A，LED線性范圍在一定范圍內(nèi)通過(guò)預(yù)失真技術(shù)可進(jìn)行拓展，向左平移飽和電壓、開(kāi)啟電壓1.25 V，將信道特性等效為低通特性，采用FCA算法和本文使用的SIC算法比較各信道分配算法在信道數(shù)目變化時(shí)的阻塞率。

圖3為兩種算法的阻塞率，從圖3可以看出，在信道數(shù)目較少時(shí)，固定信道分配算法FCA算法的阻塞率高于SIC算法，這是因?yàn)镕CA算法中的新用戶(hù)可對(duì)相鄰基站信道進(jìn)行使用，這樣阻塞率就較少了，隨著每一基站信道數(shù)的不斷增加，F(xiàn)CA算法選擇的信道數(shù)目也會(huì)相應(yīng)的增加，但SIC算法因新用戶(hù)在接入時(shí)要對(duì)干擾小的信道進(jìn)行選擇，這樣便產(chǎn)生了更高的被拒絕服務(wù)率，因此其阻塞率要高于FCA算法。SIC算法是根據(jù)預(yù)測(cè)新用戶(hù)接入后的信道質(zhì)量，在使用中受到影響決定是否對(duì)該用戶(hù)實(shí)施接納，因而其阻塞率要高于FCA算法。

5 結(jié) 論

本文采用SIC算法對(duì)室內(nèi)LED可見(jiàn)光語(yǔ)音通信網(wǎng)絡(luò)的信道分配進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)、白光音頻調(diào)頻信號(hào)傳輸系統(tǒng)原理的分析，設(shè)計(jì)了語(yǔ)音通信收發(fā)機(jī)電路，電路核心芯片采用ARM芯片ADUC7020，在11 m 范圍內(nèi)，誤比特率小于10-4，電路信號(hào)接收效果較好，SIC檢測(cè)算法進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)信道功率分配，采用線性工作范圍為2.25～5 V，工作電流范圍為0.1～1 A的商用照明LED進(jìn)行性能仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的FCA算法相比，本文采用的阻塞率要高于FCA算法，SIC算法引入了更小系統(tǒng)的干擾量，在服務(wù)區(qū)內(nèi)使用戶(hù)通信質(zhì)量得到保證。

參考文獻(xiàn)

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