基于NOMA的無(wú)均衡可見(jiàn)光通信系統(tǒng)

祁兆赫

摘 要：可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中的預(yù)均衡能提高LED帶寬，但會(huì)損耗能量。研究表明，輸入信號(hào)頻率數(shù)量級(jí)為KHz時(shí)，有97%的能量損失，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為100MHz時(shí)，有40%的能量損失。為了杜絕預(yù)均衡的能量損失，提出一種無(wú)均衡可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，即發(fā)射端無(wú)預(yù)均衡電路，利用非正交（NOMA）技術(shù)為幾路信號(hào)分配不同大小的功率，并將這幾路信號(hào)進(jìn)行疊加，然后傳輸給帶寬為50MHz的LED進(jìn)行發(fā)射，接收端采用串行干擾消除技術(shù)進(jìn)行解調(diào)。經(jīng)過(guò)仿真，采用兩路信號(hào)在功率域疊加，與有均衡系統(tǒng)相比，在誤碼率為[3.8×10-3]時(shí)，無(wú)均衡系統(tǒng)能節(jié)省能量，即輸入信號(hào)頻率為100MHz時(shí)能夠避免97%的能量損失。因此，該無(wú)均衡可見(jiàn)光通信系統(tǒng)可以有效避免能量損失。

關(guān)鍵詞：可見(jiàn)光通信;預(yù)均衡技術(shù);能量損失;無(wú)均衡通信;非正交多址

DOI：10. 11907/rjdk. 191892 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）005-0209-04

0 引言

白光LED如今已廣泛用于信號(hào)發(fā)射、顯示及照明等，與其它光源相比，白光LED具有更寬的調(diào)制帶寬，而且具有調(diào)制性能好、響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[1]。利用LED的以上特性，可將信號(hào)調(diào)制到LED發(fā)出的可見(jiàn)光上進(jìn)行傳輸。白光LED可以將照明與數(shù)據(jù)傳輸結(jié)合起來(lái)，從而促進(jìn)了一種新型無(wú)線通信技術(shù)，即可見(jiàn)光通信（VLC）技術(shù)[2]的發(fā)展。與其它無(wú)線技術(shù)相比，VLC具有眾多優(yōu)點(diǎn)：①由于白光對(duì)人眼安全性較高，室內(nèi)白光LED燈的功率之和可高達(dá)10W以上，使得可見(jiàn)光通信具有非常高的信噪比，為其高速通信打下良好基礎(chǔ);②由于室內(nèi)表面對(duì)光的漫反射，即使在有遮擋的地方也可以進(jìn)行高速率通信;③由于白光不可穿透墻壁甚至窗簾，因此可見(jiàn)光通信具有高度保密性;④由于白光與射頻信號(hào)不會(huì)相互干擾，所以其可以應(yīng)用在電磁敏感環(huán)境中，如機(jī)艙、醫(yī)院等;⑤由于頻譜無(wú)需授權(quán)即可使用，所以可見(jiàn)光通信應(yīng)用靈活，可以單獨(dú)使用，也可作為射頻無(wú)線設(shè)備的有效備份。

然而，VLC技術(shù)發(fā)展也存在一些限制因素[3]，其中最主要的挑戰(zhàn)在于白光LED帶寬有限，從而限制了傳輸速率。目前研究者們廣泛采用均衡技術(shù)以提高LED的可調(diào)制帶寬及傳輸速率。均衡技術(shù)是指利用電容和電阻的串并聯(lián)調(diào)節(jié)LED的頻率響應(yīng)，根據(jù)均衡器放置的不同位置，可以分為預(yù)均衡技術(shù)和后均衡技術(shù)。如Le-Minh[4]提出一種預(yù)均衡電路，使得LED的3dB帶寬從20MHz提升到50MHz，采用不歸零（NRZ-OOK）數(shù)據(jù)傳輸方式，實(shí)現(xiàn)了100Mb/s的傳輸速率;Chow[5]使用RLC均衡器進(jìn)一步提高帶寬，并且實(shí)現(xiàn)了84.44Mb/s-190Mb/s的傳輸速率;Chi[6-7]使用兩級(jí)橋T形電路作為預(yù)均衡電路，將LED可調(diào)帶寬提高到366MHz，通過(guò)16QAM-OFDM的調(diào)制數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到1.6Gbit/s。以上都是利用均衡電路增加LED可調(diào)帶寬，但這些均衡電路在增加LED可調(diào)帶寬的同時(shí)，是以消耗大量功率為代價(jià)的，即可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中如果存在均衡電路，發(fā)射端就會(huì)有很多功率被均衡電路消耗掉，發(fā)射端必須補(bǔ)償相應(yīng)功率，因此需要消耗大量功率。

因此，本文提出一種無(wú)均衡的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，即利用非正交多址（NOMA）技術(shù)[8]實(shí)現(xiàn)無(wú)均衡通信。非正交多址允許多個(gè)用戶共享相同的時(shí)間和頻率資源，即在功率域疊加不同信號(hào)，以充分利用LED的原始帶寬。接收端采用串行干擾消除（SIC）技術(shù)解調(diào)信號(hào)，以達(dá)到與帶有預(yù)均衡電路系統(tǒng)相同的速率，從而不需要借助均衡電路提高LED可調(diào)帶寬，實(shí)現(xiàn)高速率傳輸，達(dá)到減少能量損失的目的。

1 均衡系統(tǒng)

1.1 均衡電路

圖1（a）為可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中均衡電路所在位置[9]，圖1（b）是該系統(tǒng)中使用的一種均衡電路。在該均衡電路中，將[R2、C1、L1]組成的網(wǎng)絡(luò)等效阻抗設(shè)為[Z1]，由[R3、C2、][L2]組成的網(wǎng)絡(luò)等效阻抗設(shè)為[Z2]。其中[R1]=[R5]，[R0]=[RL]，[RL]表示負(fù)載。

1.2 均衡電路能量損失

本文使用電路仿真軟件Multisim搭建預(yù)均衡電路，如圖2所示，所選的電容器、電感器、電阻器參數(shù)與上文一一對(duì)應(yīng)。為了計(jì)算信號(hào)通過(guò)該均衡電路的功率損耗，使用萬(wàn)用表XMM1、XMM2分別測(cè)量輸入端的電壓值[Ui]和電流值[Ii]，以及負(fù)載[RL]端的電壓值[UL]和電流值[IL]。根據(jù)功率計(jì)算公式：

2 無(wú)均衡系統(tǒng)

2.1 NOMA通信系統(tǒng)發(fā)射端

非正交多址（NOMA）也稱(chēng)為功率域多址技術(shù)[11]，是5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中使用的一種技術(shù)[12]。在非正交多址（NOMA）中，發(fā)射端使用疊加編碼技術(shù)，通過(guò)給不同用戶按比例分配不同功率，將各個(gè)用戶進(jìn)行疊加，從而使每個(gè)用戶都能使用整個(gè)帶寬。NOMA通信系統(tǒng)發(fā)射端如圖3所示。

如圖3所示，該NOMA系統(tǒng)中包含n個(gè)用戶，該n個(gè)用戶分別按照各自的調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制。令[αi]表示第i個(gè)用戶所分配功率的比例，[Pi]表示第i個(gè)用戶被分配的功率，P為總功率，因此有[Pi=αiP]，即[i=1nαi=1]，認(rèn)為[α1>α2>？>αn]。

2.2 NOMA通信系統(tǒng)接收端

NOMA接收端采用串行干擾消除（SIC）技術(shù)[13-15]，即按照功率分配比例系數(shù)[α1>α2>？>αn]降序的順序進(jìn)行解調(diào)。由于用戶1所分配的功率較大，所以先將用戶1的信號(hào)解調(diào)出來(lái)，如圖4所示。在解調(diào)用戶2的信號(hào)時(shí)，先將用戶1的信號(hào)減去，再解調(diào)用戶2的信號(hào)，后面依此類(lèi)推，此即為串行干擾消除（SIC）技術(shù)的原理。

3 結(jié)果與分析

本文提出NOMA無(wú)均衡系統(tǒng)的多個(gè)用戶疊加和速率與用戶數(shù)關(guān)系如圖5所示。從圖中可以看出，當(dāng)只有1個(gè)用戶時(shí)，傳輸速率與LED帶寬接近，隨著用戶數(shù)的增加，剛開(kāi)始傳輸和速率呈明顯上升趨勢(shì)，但達(dá)到一定用戶數(shù)量時(shí)，和速率不再繼續(xù)增加，反而下降。這是由于通信系統(tǒng)功率有限，隨著用戶數(shù)的增加，每個(gè)用戶所分配的功率減少，信噪比下降，導(dǎo)致速率下降。

接下來(lái)將均衡系統(tǒng)與無(wú)均衡系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，無(wú)均衡系統(tǒng)即本文所指NOMA系統(tǒng)。選擇3個(gè)用戶的NOMA系統(tǒng)，首先對(duì)3個(gè)用戶信號(hào)分別進(jìn)行調(diào)制，然后按照文獻(xiàn)[16]所述的增強(qiáng)型功率分配方法（EPA）對(duì)3個(gè)用戶分配功率進(jìn)行疊加傳輸，接收端采用串行干擾消除技術(shù)進(jìn)行解調(diào)。對(duì)比兩種系統(tǒng)在相同輸入功率下的誤碼率[17-19]如圖6所示，從圖中可以看出，當(dāng)誤碼率相同時(shí)，無(wú)均衡系統(tǒng)相比均衡系統(tǒng)可以節(jié)省大量能量。但是隨著輸入功率的增加，均衡系統(tǒng)性能仍優(yōu)于無(wú)均衡系統(tǒng)，兩種系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先研究了可見(jiàn)光中的預(yù)均衡電路，該預(yù)均衡電路能夠提高LED的可調(diào)帶寬，即將LED帶寬從50MHz提高到125MHz。但該均衡電路在輸入信號(hào)頻率數(shù)量級(jí)為KHz時(shí)，會(huì)有97%的能量損耗，在輸入信號(hào)頻率為100MHz時(shí)，也有40%的能量損耗。因此，提出一種無(wú)均衡可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，即利用非正交多址（NOMA）技術(shù)通過(guò)分配不同功率將幾路信號(hào)在功率域疊加[20]。本文采用兩路信號(hào)疊加，并通過(guò)仿真與均衡系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，在誤碼率為[3.8×10-3]時(shí)，該系統(tǒng)相比均衡系統(tǒng)能夠杜絕97%的能量損耗。然而，本文只討論了兩路信號(hào)疊加，還可以疊加更多路信號(hào)，路數(shù)越多，系統(tǒng)越復(fù)雜，接收端解調(diào)越困難。未來(lái)可以研究更多路信號(hào)疊加及其接收端解調(diào)技術(shù)，以充分利用50MHz的LED帶寬，進(jìn)一步提高頻帶利用率。

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