基于ISFA算法的LED車燈可見光通信系統(tǒng)

蔣子豪，梁尚雨，王福民，趙一衡，喬 梁，遲 楠

(復旦大學通信科學與工程系電磁波信息科學教育部重點實驗室，上海 200433)

引言

可見光通信技術于2000年被提出，其利用LED作為光源，使得LED不僅可以用于照明，還可以用于信號傳輸領域。由于如今無線的頻譜資源緊張，而可見光波段的頻譜仍然是空白，所以這可以很有效利用頻譜資源?；贚ED的可見光通信技術擁有以下優(yōu)點：可見光對人眼的相對安全性；可見光的不可穿透而導致的高保密性；可見光與射頻不干擾因而具有抗電磁干擾；高信噪比而帶來的高傳輸速率。綜上所述優(yōu)點，可見光通信推動著下一代通信與照明的進步與發(fā)展，因而成為國際前沿研究的熱點[1-3]。

作為寬帶接入網絡的重要組成部分，終端設備，如移動電話、平板電腦、PC等，可作為VLC的接收終端使用。與此同時，LED的的節(jié)能與極小發(fā)光二極管的可設計性也成為用作車燈的一大優(yōu)勢，所以越來越多的廠商選擇LED作為車燈照明的光源。

在這個實驗中，我們率先使用了符合光學ECE/GB標準的車燈LED作為可見光的光源，同時也使用3.5 mm的耳機孔作為接收端。在許多終端的模擬接口中，3.5 mm耳機接口是一個音頻輸入和輸出接口，可用于充電、控制信道和數據傳輸。

1 車聯網通信技術

車聯網中所運用到的通信技術依據對象可劃分為下面五類:車間通信、車內通信、車與人通信、車與路通信與車與云端通信五種。其中，車間通信指的是移動車輛之間的雙向信息交互，其主要考慮的因素有安全性和實時性，現階段車間通信主要運用微波、紅外和專用短程通信等技術。車內通信主要是汽車內部信息的傳輸，其要求實時且可靠，現階段主要運用的技術有Bluetooth、MOST、CAN、FlexRAY和LIN。車與人通信是指人使用移動終端與車載電子或其他汽車設備之間的通信，其主要采用藍牙、RFID等通信技術。車路通信主要是車輛與外部交通設施之間的無線通信，其特點是短距離和高移速，所用的技術有紅外、微波和專用短程通信。車與云端的通信主要應用于車輛導航、定位、援救、娛樂等服務，現今所用的主要技術包括GPS、GSM等[4-6]。

圖1 車輛可見光網絡Fig.1 Vehicular visible light networks

文獻[7]提出了可以在車聯網中運用可見光通信技術，其中圖1即其設想的車輛可見光網絡，可以主要運用在車間通信與車路通信之中，從而對無線通信等其它通信技術做一個補充。

2 實驗原理

1)DFTS-OFDM調制。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)被稱為正交頻分復用技術，是一種新的、高效的調制技術，同時也可以被看做是一種復用技術。由于子載波具有正交性，子信道的頻譜可以在OFDM系統(tǒng)中重疊，因此有相對高的頻譜效率。其優(yōu)點是減少碼間串擾(inter-symbol interference, ISI)，對抗信道衰弱但缺點是信號的峰均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)會相對偏大。所以我們可以采用DFT-S OFDM來減少PAPR，這個方法也可以使得系統(tǒng)的誤碼性能更好。DFTS-OFDM調制即每個子信道的正交調制和解調都進行離散傅里葉變換(DFT)和離散傅里葉反變換(IDFT)[8]。

圖2顯示了基于DFTS-OFDM的VLC系統(tǒng)框圖。在發(fā)射端，數據首先從時域映射到頻域。數據進行串并轉化之后，進行OFDM調制，其中在OFDM調制前需要進行DFT,在OFDM調制后進行IDFT，最后將并轉串的數據經發(fā)送端發(fā)送。我們采用的子載波數是256，循環(huán)前綴(CP)被放置在每個OFDM信號的前面。而解調過程可以看作是調制過程的逆過程。需要注意的是，在接收端，信號在OFDM恢復和QAM解映射之前應該進行同步。

圖2 基于DFTS-OFDM的可見光通信系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagrams of a VLC system based on DFT-S OFDM

2)ISFA算法。信道估計是OFDM信號傳輸過程中的重要部分，有了準確的信道估計就能夠得到光纖傳輸鏈路中色度色散(CD)和極化模式色散(PMD)給信號造成的干擾，由此可以通過后均衡過程提高信號的質量?；跁r域的平均方法能夠在信道估計過程中有效地抑制噪聲項，但同時它也會造成頻譜效率下降。而ISFA(Intra-symbol frequency-domain averaging)是一種基于滑動平均理論的頻域處理方法，它在抑制噪聲干擾的同時不會降低頻譜效率。由此，我們可以把它看做為一種抽頭數為奇數的低通濾波器(LPF)[9]。

為了在有噪聲的情況下提高信道估計的準確度，可以使用對信道矩陣取滑動平均的方法。設滑動窗口的長度為2m+1，則每個點在進行ISFA之后的信道估計值為原來這個點之前的m個點和這個點之后的m個點的平均值。對于整個矩陣的前m個點和后m個點，依然保持它們原本的值即可。

因此，ISFA之后的信道矩陣可以表示為

其中，kmax和kmin是有效子載波數的最大和最小值。

3 仿真結果

LED車燈作為該可見光系統(tǒng)的信號發(fā)射源，因而了解LED燈的光場強度空間分布對分析系統(tǒng)特性有著相對重要的意義。在本節(jié)中，我們采用Lambert模型對光場強度空間分布進行建模與仿真分析。

LED光場強度可表示為

I(θ)=I(0)cosm(θ)(2)

其中I0是LED的中心照明強度，θ是輻射角度，m是Lambert輻射階數，可以用LED半功率半角Φ1/2表示Lambert輻射階數m，即

(3)

因此，接收端平面的水平照度Eh可表示為

(4)

其中L是發(fā)射端到接收端的距離，ψ是入射角度。

我們已知不同距離的車燈的光場強度，通過仿真我們可以得到圖3，從圖中可以看出，無論是32QAM還是64QAM信號，誤碼率隨著距離的增加而增加，其中64QAM信號傳輸的極限距離小于4 m。

圖3 距離對信號性能的影響圖Fig.3 Simulated BER v.s distance

4 實驗裝置和結果

圖4給出了VLC系統(tǒng)中的DFTS-OFDM的系統(tǒng)框圖和實驗設置，發(fā)射端到接收端的距離是5 m。我們所使用的任意波形發(fā)生器(AWG)型號是Tektronix AWG520，車燈作為信號源，3.5 mm的耳機孔作為接收端。在這個系統(tǒng)中，我們將MATALB中生成的數據輸入到AWG中，然后通過AWG發(fā)送隨機的信號。在通過放大器之后，波形與直流電流進行疊加，并將疊加的信號加載到車燈上并進行信號發(fā)送，該車燈是由滑動變阻器和驅動電路控制的。光信號通過透鏡然后被移動終端接收并進行光電轉化，最后，數字信號被解調和處理。由于耳機口的最高頻率只有88.2 kbps，根據奈奎斯特采樣定理，這個系統(tǒng)的接收移動終端的采樣頻率為44.1 kbps。

圖4 基于DFTS-OFDM的VLC系統(tǒng)實驗圖Fig.4 Experimental setup for high-speed VLC system based on DFTS-OFDM

通過改變采樣倍數，我們得到圖5中32 QAM和64QAM信號的BER與上采樣倍數的關系。我們選取上采樣倍數為4,8,12,16,20的五個點。從圖5中可得，上抽樣倍數增加，系統(tǒng)的傳輸速率下降，相對地，誤碼率也會隨之下降。

圖5 上采樣倍數對信號性能的影響圖Fig.5 Measured BER v.s upsampling rate

我們將驅動電流范圍從80 mA調節(jié)到160 mA，間隔為20 mA，測試了不同調制格式下的系統(tǒng)的誤碼率性能(如圖6所示)與不同距離的系統(tǒng)的誤碼率性能(如圖7所示)。從圖6可得，當電流從80 mA調節(jié)到160 mA時，32QAM的信號的誤碼率總是保持在誤碼門限3.8×10-3以下。然而，64QAM的信號只有在驅動電流為120 mA時，其誤碼性能才符合要求。車頭燈是由恒壓驅動的，所以影響頭燈光照度的主要因素是驅動電流，由此我們可以得到該車燈的最佳工作電流為120 mA。將圖7的數據進行縱向比較，可以得到系統(tǒng)的誤碼率隨傳輸距離的增大而增大，這與前面仿真得到的結果是相一致的。橫向比較圖7中的數據，當傳輸距離為5 m，電流大于150 mA時，系統(tǒng)誤碼超過門限，而當傳輸距離為1 m時，電流在80 mA調節(jié)到160 mA時，系統(tǒng)傳輸性能良好。

圖6 電流與調制格式對信號性能的影響圖Fig.6 Measured BER v.s current and QAM

圖7 電流與距離對信號性能的影響圖Fig.7 Measured BER v.s current and distance

5 結束語

我們提出了基于LED車燈可見光通信的車聯網系統(tǒng)，該系統(tǒng)的調制方式為DFTS-OFDM，實驗中用到車燈模組、3.5 mm的耳機孔、高靈敏度的光電探測器等原件。創(chuàng)新點在于運用了LED車燈作為可見光通信的信號源，同時驗證了基于滑動平均理論的ISFA算法在抑制噪聲干擾的同時，不會降低頻譜效率。通過實驗我們可以得到，當該車燈的驅動電流設置為80～120 mA，傳輸距離小于5 m時，32 QAM信號的傳輸誤碼小于3.8×10-3。