室內(nèi)可見光通信LEDs選擇及調(diào)制技術(shù)的分析

解然 劉曉民 陳鑫豪 曹馨方

摘 要：室內(nèi)可見光通信是一種綠色節(jié)能通信方式，對其LEDs選擇方法和調(diào)制技術(shù)進(jìn)行研究有利于促進(jìn)該技術(shù)的應(yīng)用推廣。本文分別對室內(nèi)可見光通信LEDs選擇方法和調(diào)制技術(shù)進(jìn)行研究，包括單終端LED選擇、多終端LED選擇、以及自適應(yīng)MPPM調(diào)制的實現(xiàn)等。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)可見光通信；LEDs選擇；調(diào)制技術(shù)

室內(nèi)可見光通信技術(shù)具有超高帶寬、無電磁干擾、頻譜無需授權(quán)和低功耗等特點，可以緩解目前越來越緊張的射頻頻譜資源壓力。但多單元LED陣列存在符號間干擾問題（ISI），還會加劇室內(nèi)信噪比（SNR）分布的不均勻性。因此，合理選擇室內(nèi)可見光通信LEDs十分重要，同時應(yīng)針對ISI動態(tài)變化給自適應(yīng)調(diào)制結(jié)束選擇帶來的困難，采取有效的調(diào)制技術(shù)，確保室內(nèi)可見光通信效果。

1 室內(nèi)可見光通信LEDs選擇方法

1.1 單終端LED選擇

為實現(xiàn)最佳的通信LED選擇，需要在單終端用戶場景下，僅可能選擇出與接收端距離較近、與接收端路徑等長的通信LED單元，從而提高信噪比。目前較為有效的選擇方法是機(jī)遇有效比閾值的選擇方法。由于每路通信信號都包含積極部分和消極部分，可用有效比描述兩者比值，記為VR，并將有效比閾值記為ThVR。因光程差不同，每路信號到接收端的時間存在差異，設(shè)t0是第一個光路信號到達(dá)接收端時間，其他到達(dá)時間為ti，ti=di/c，di表示LED單元與接受端距離。LED單元是否參與通信決定于其有效比，即當(dāng)有效比VRi>閾值THVR時，判斷為參與通信，狀態(tài)因子置1，否則置0。如果閾值THVR設(shè)置較小，會導(dǎo)致多數(shù)LED被選擇為通信LED，進(jìn)而導(dǎo)致ISI增加、SNR降低。而閾值THVR設(shè)置過大，則會導(dǎo)致被選擇通信LED單元較少，有用功率部分降低，SNR也隨之降低?？赏ㄟ^采用遞增窮舉法確定最佳的t0和ThVR，從而獲得最佳信噪比。

1.2 多終端LED選擇

多終端LED選擇實際上是一個通信LED布局優(yōu)化問題，可一般采用自然進(jìn)化優(yōu)化算法。在不同LED狀態(tài)矩陣下，用戶終端SNR不同，最小SNR也不同。為確保多終端同時通信場景的通信質(zhì)量，需要構(gòu)建一個優(yōu)化方案，確定所有終端最小SNR取最大值時的LED狀態(tài)矩陣，設(shè)K為矩陣因子，N為終端用戶數(shù)量，則優(yōu)化目標(biāo)目標(biāo)函數(shù)為SNRmin（K）=min（SNR（K；R1），SNR（K；R2），…SNR（K；RN））。采用進(jìn)化算法確定優(yōu)化方案的步驟依次為：

①初始化種群；②確定適應(yīng)度函數(shù)；③選擇操作；④交叉操作；⑤變異操作；⑥確定算法終止準(zhǔn)則。

2 室內(nèi)可見光通信自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)

2.1 MPPM調(diào)制原理

MPPM調(diào)制技術(shù)即多脈沖位置調(diào)制，可以將其看做是單脈沖位置調(diào)制（PPM）技術(shù)的改進(jìn)形式。其基本原理是將L比特信息映射為由n個時隙組成的r個脈沖，將其記為（n，r）MPPM=Cnr。Cnr≥2L，可同時傳輸L比特信息。比如在n=5，r=2時，（n，r）MPPM=10，大于23，所以可同時傳輸3bit信息。當(dāng)脈沖個數(shù)r固定時，（n，r）MPPM傳信率會隨著時隙數(shù)n的變化而變化。比如從（n，2）MPPM和（n，3）MPPM的傳信率變化曲線來看，時隙數(shù)增加，兩者傳信率均出現(xiàn)上升，說明可傳遞信息量會隨著時隙數(shù)增加而增加。此外還可以發(fā)現(xiàn)，（n，3）MPPM比（n，2）MPPM的傳信率增長幅度大。為適應(yīng)調(diào)光功能，脈沖個數(shù)n應(yīng)由光暗度決定，假設(shè)光暗度為50%，此時一個碼元符號內(nèi)有脈沖的時隙信號為總數(shù)的一半，即r=n/2。由此可確定光暗度（占空比）為50%時的（n，r）MPPM傳信能力與碼元內(nèi)時隙數(shù)n的關(guān)系。隨著時隙數(shù)n增加，傳信率對數(shù)成比例增長。

2.2 自適應(yīng)MPPM調(diào)制的實現(xiàn)

自適應(yīng)MPPM調(diào)制的實現(xiàn)首先要進(jìn)行（n，r）MPPM誤符號率推倒和仿真，因為只要有一個判斷脈沖錯誤，就會影響整個符號。將MPPM誤符號率表示為SER，利用SER=1-（1-Pe）n確定其數(shù)值。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行自適應(yīng)位置最佳（n，r）MPPM的選擇。由于誤符號率SER與n成遞增關(guān)系，可采用逐步遞增法求解n，選擇出最佳調(diào)制方式。然后確定所有LED通信時的MPPM調(diào)制階數(shù)n分布，一次采用逐步地增法求出終端用戶在每個位置下的最佳調(diào)制階數(shù)n分布。為確保所有終端都能安于通信，需要在滿足誤碼率條件下確定初始速率，然后在LED布局模式下確定最佳（n，r）MPPM調(diào)制階數(shù)n分布圖，使其在每個符號周期內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到最高。比如在脈沖數(shù)據(jù)速率為300Mbps情況下，最小信噪比為19.6dB，誤碼率為10-6，初始仿真速率為300Mbps，進(jìn)行LED優(yōu)化選擇后，確定（8，4）MPPM為最佳MPPM選擇，此時數(shù)據(jù)傳輸效率為1800Mbps，比原來的300Mbps提高了6倍。

3 結(jié)束語

綜上所述，在室內(nèi)可見光通信技術(shù)的應(yīng)用過程中，LEDs選擇和調(diào)制技術(shù)應(yīng)用是重要環(huán)節(jié)。通過采取科學(xué)的優(yōu)化選擇方法，可以有效通信干擾，提升LED通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速度，滿足不同場景下的用戶通信需求。通過對其具體選擇方法、應(yīng)用過程進(jìn)行分析，可以為相關(guān)工程的設(shè)計和應(yīng)用提供參考，從而促進(jìn)室內(nèi)可見光通信技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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