LED光通信系统中的传输可靠性研究∗

杨宏兵 冯莉芳 张一治

（1.航天科工防御技术研究试验中心 北京 100854）（2.北京科技大学 北京 100083）

1 引言

随着光无线通信技术的发展，可见光通信技术受到越来越多的关注。可见光通信系统利用半导体器件LED进行数据传输，具有频谱资源丰富，传输速率快，绿色安全等优势［1］。目前，可见光通信技术已经在室内定位、车载通信、人机交互等领域实现应用［2～4］。

在数据传输的过程中，人员或者障碍物的存在和移动将对系统的信号传输产生干扰，因此，对于VLC系统而言，阴影效应是不可能避免的。当阴影效应存在时，差错控制技术是避免传输数据出错或者丢失的有效措施之一。差错控制技术有两种常见的工作方式：一种是选择性重传（Automatic repeat request，ARQ）；另一种是前向纠错（Forward Error Correction，FEC）。但是，在VLC系统中，差错控制技术的两种工作方式都具有一定的不适用性。选择性重传需要利用反馈信道进行信息反馈，但是，VLC的反馈信道不仅代价高而且技术复杂。前向纠错会产生大量的冗余数据，降低系统的传输效率。1998年，Michael Luby第一次提出数字喷泉的概念［5］。2002年，Michael Luby提出了第一种实用化的喷泉码-LT码，充分实现了数字喷泉的概念［6］。2006年，Shokrollahi提出一种改进型的喷泉码-Raptor码（Raptor codes）。与LT码相比，Raptor码具有很多优点，例如线性编码（linear time encoding），线性解码（linear time decoding），复杂度低等［7］。在文献［8］中，喷泉码第一次在可见光系统中实现应用。与其他差错控制方案相比，喷泉码可以提高可见光系统的抗干扰能力和传输效率，降低系统通信协议的复杂度和包延迟。

室内VLC系统利用LED的快速闪烁进行数据传输，另一方面，VLC系统需要满足用户的照明需求，允许用户根据自身的需求，将灯光强度控制在需要的范围之内，从而保护人眼健康。调光控制技术（Dimming Control）可以帮助VLC系统实现对LED亮度的控制，从而实现调光控制。调光控制技术主要包括闪烁缓解和明暗控制两部分。在文献［9］中，作者采用一种反转信源编码（inverse source coding）方案来实现系统的调光控制，但是，该方案是在传输链路可靠的前提条件下进行，没有考虑系统的抗干扰问题。在文献［10］中，一种改进型的RM码（Modified Reed-Muller code）可以帮助VLC系统实现照明控制。RM码属于前向纠错码，也是一种线性分组码，其纠错能力有限。当VLC的传输信道被人或者物体随机阻挡时，数据大面积丢失，RM码无法实现纠错，不能保证系统数据传输的可靠性。在文献［8］中，LT码被应用在VLC系统中，而且实现了系统的调光控制。LT码产生一个编码的运行量与信源信息的长度k成对数关系，即o(clnk)，c是位于0到1之间的常数。与LT码相比，Raptor码每产生一个编码的运行量为常数，即o(ln(1/ε))，该特点使Raptor码更适合应用在VLC系统中。本文中，系统的差错控制方案将采用Raptor码，同时兼顾系统的调光控制功能，也可以称为可调光差错控制方案。该方案不仅可以使系统具有较强的抗干扰能力，而且还可以提高系统的调光控制效率。

2 系统结构

本文提出的可调光差错控制方案的结构如图1所示，由编码器、调光控制器，OOK调制、调光消除器、OOK解调、译码器六部分组成。发送端主要包括编码器、调光控制器，OOK调制；接收端主要包括调光消除器、OOK解调、译码器。本文主要考虑VLC的下行信道，上行信道可以采用额外的射频技术或者红外技术搭建。

在发送端中，首先将输入的信源符号序列分成K组，即S=（s1，s2，… ，sK），每组的长度可根据系统的实际需要进行设定。然后经过编码器，按照Raptor码的编码规则进行编码，产生编码包C=（c1，c2，…），该过程持续进行，直到收到来自接收端的ACK信号，编码器才会开始处理下一组信源符号序列。然后，调光控制器会对Raptor码的编码包重新进行数字编码，输出符合调光需要的码字序列U=（u1，u2，…）。OOK调制自身不具备闪烁缓解和明暗控制的功能，如果系统不采用调光控制器，当编码包cn中含有较长连续的信息比特“0”或者“1”时，则会产生光源闪烁现象，危害人眼的健康；室内VLC系统也需要具有明暗控制功能，否则无法允许用户根据需要来控制LED光源的亮度。最后，经过OOK调制，利用驱动电路驱使LED光源产生光信号s（t），辐射到整个通信空间。

图1 可调光差错控制方案的结构

经过信道传输，在接收端，光电探测器将接收到的光信号r（t）转化为电信号，经过OOK解调，恢复出码字序列U=（u1，u2，…）。该序列中，un中不仅包括用于通信的码字，也包括用于调光控制的码字，因此需要经过调光消除器，先将非通信用途的码字消除掉，恢复出C=（c1，c2，…）。然后再按照Raptor码的译码规则进行译码，最终恢复出输入的信源符号序列S=（s1，s2，…，sK）。

光信号在传输的过程中，会受到不同的干扰，如图1所示，室内人员或者物体的移动对阻挡光信号的传输链路，造成通信中断，引起突发错误。相比于其他调制方式，例如OFDM、CSK等，OOK调制方式简单［11］，容易部署实现。本文主要考虑如何增强室内VLC系统的抗干扰能力与调光控制能力，调制方式非本文的研究重点。

3 可调光差错控制方案

可调光差错控制方案主要具有两大功能：差错控制和调光控制。本章将对两大功能进行详细的阐述。

3.1 差错控制技术

可调光差错方案的差错控制通过Raptor码实现，主要包括编码和译码两个过程。

在进行编码之前，首先，将输入的信源符号序列分成K组，S=（s1，s2，…，sK）。Raptor码的编码过程如图2所示，编码包括两部分：预编码和LT码编码。在进行LT码的编码过程之前，先进行预编码，产生中间编码序列V=（v1，v2，… ，vK）。预编码采用低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code，LDPC）作为编码方式。预编码会产生少量的冗余节点，如图中黑色的方框所示，详细过程可参考文献［12～14］；然后信源符号和冗余节点一起进行弱化的LT编码，最终输出Raptor码的编码包。不断重复上述过程，直到来自接收端的ACK信号为止。ACK信号表示接收端已经接收到足够数量的编码符号ck并且成功进行了译码。在上述流程中，其Raptor码的度分布函数Ω采用弱化的度分布，计算公式为

图2 Raptor码的编码示意图

在接收端，译码器接收到足够长度的C=（c1，c2，…）时，开始译码。与发射端的编码过程相反，首先进行 LT 译码［6～7］，然后再进行 LDPC 译码［13～14］。LT译码码过程的采用置信传播（Belief Propagation，BP）算法，通过在结点与结点之间相互传递信息进行译码。

3.2 调光控制技术

调光控制器是实现系统调光控制的关键，结构如图3所示，主要包括两部分：扰码（Scrambling Codes）和补码（Dimming Compensator）。扰码的主要作用是解决LED光源的闪烁问题；补码则是对光源的亮度进行控制，实现明暗控制功能。喷泉码的编码包中，比特“0”和“1”是随机产生的。在每一个编码包cn的中，“0”和“1”各个所占的比例也是随机不确定的，直接经过OOK调制则会产生光源闪烁现象。调光控制器会产生一个与Raptor编码包长度N相同的伪噪声序列（Pseudo-noise Sequence），然后与编码包进行异或运算。经过扰码处理之后，比特“0”和“1”的数量相等，各占总长度的50%，从而解决LED光源的闪烁问题。照明控制功能通过补码的方式实现。经过扰码处理之后，比特“0”和“1”的数量相等，需要在编码包中插入不同数量的比特“1”或“0”，才能实现任意的照明值d。照明值d的计算公式如下：

式中Nc代表需要产生的插入补码的数量，N代表单个编码包的长度。插入不同数量的补码，LED光源的点亮和熄灭次数也会产生变化，从而实现系统的明暗控制功能。

图3 调光控制器的工作原理图

4 仿真与分析

4.1 系统抗干扰性

当人员和物体的移动对可见光信号的传输链路造成阻挡时，接收端光信号的信噪比会迅速衰落。当信噪比低于13.6dB时，系统会产生大量的误码，甚至造成通信中断［15］。对信源符号序列分组长度K=500、1000、2000三种情况进行误码率仿真，仿真结果如图4所示。空圈线代表源符号序列分组长度K=500的误码率；星线代表源符号序列分组长度K=1000的误码率；倒三角线代表源符号序列分组长度K=2000的误码率。通过对比可以发现，在信道条件恶劣时，当接收端光信号的信噪比大于4dB时，系统可以实现无差错通信。如果不采用该方案，接收端光信号的信噪比大于13.6dB时，才能实现系统无差错通信。另外，在信道条件处于比较恶劣的1dB～4dB之间时，对比K=500，1000，2000三种情况可以发现，信源符号序列分组长度K越长，系统输出的误码率低，增加信源符号序列分组K的长度可以提高系统的抗干扰能力，但是，信源符号序列分组K较长时，会增加系统的译码复杂度，因此，需要在系统的抗干扰能力和译码复杂度之间寻找平衡点。

图4 可调光差错控制方案误码率仿真图

4.2 冗余率

冗余率ε（Overhead）反映接收端以一定概率恢复信源数据时，需要接收的额外编码包的程度，其计算公式为

式中L代表接收端接收到的编码包数量，当接收端接收到L编码包，接收端可以一定概率成功进行译码；K代表信源编码序列的分组数量，通过下面的公式可推出：

对在信源编码分组的长度K=500、1000、2000三种情况下对译码失败概率与冗余率的关系进行了分析与仿真，重复译码100次，保证接收端以0.99的概率成功进行译码，仿真结果如图5所示。从仿真的结果中可以看出，接收端需要在接收到一定数量的编码包后才能保证以0.99的概率成功进行译码，其数量L会比信源编码分组长度K大。接收到的编码包越多，则冗余率ε越高，译码成功的概率越大。当信源的原始长度不同时，保证接收端进行译码所需要的冗余率也不一样。K=1000，冗余率ε=0.36才能保证接收端以0.99的概率成功进行译码；K=2000时，冗余率ε=0.25；K=3000时，则需要冗余率ε=0.22。可以推断出，信源符号序列的分组长度K越大，则接收端成功译码所需要的冗余率则越低。

图5 冗余率与译码失败概率的关系

4.3 照明效率

当 K=500时，ε=0.36，K=1000时，ε=0.25，K=2000时，ε=0.22，即接收端可以0.99的概率成功译码的条件下，为了获得预定的照明值，调光控制器对每一个编码包插入额外的码字。此时，实际码率Ra（Code Rate）是一项反映调光效率的重要参数，其计算公式为

式中Nc代表实现系统照明值d而插入补码的数量，N代表单个Raptor码编码包的长度，通过该下面的公式可以计算Nc：

对实际码率Ra与系统照明值的关系进行仿真，结果如图6所示。当目标照明值是0.5时，实际码率最大，原因在于系统在进行照明控制时，首先经过扰码。经过扰码的编码包中，其比特“0”和“1”的数量相等，照明值为50%，此时系统不要添加任何用于照明功能的码字。当目标照明值不是50%时，则需要插入补码。目标照明值偏离50%越远，需要插入的补码数量越多，实际码率Ra越低。通过仿真图的纵向比较可以看出，系统需要实现的照明值d相同时，K值越大，系统的编码效率越高。仿真图中，将Raptor码与LT码和RM码的调光性能进行对比。通过横线对比，系统采用的喷泉码可以进行任意照明值的调光控制，调光控制功能更加精准；通过纵向对比，可以看出，系统采用的Raptor码进行的调光控制的效率更高。

图6 照明值与实际码率的关系

5 结语

本文提出了一种基于Raptor码的可调光差错控制方案，该方案不仅提高了系统的抗干扰性，而且提高了系统的调光控制性能。可调光差错控制方案的抗干扰性能主要依靠Raptor码实现，调光控制性能主要依靠扰码和补码来实现。通过仿真、对比与分析，本文针对VLC系统提出的方案，在误码率、冗余率以及照明效率三方面性能出色，具有一定的实用意义。