点对点VLC直连宽带传输系统在5G移动网络光传输中的应用研究
王伟雄 梁有程 广州民航职业技术学院 广东省 广州市 510403
近年来随着通信行业的发展，其耗电量的剧增也越来越引起人们的关注。作为5G高速率移动数据交互服务的有益补充，利用新型的无线光数据传输方式，可见光通信已经成为近距离无线通信的主要应用技术之一。相较于无线局域网、蓝牙、射频识别等技术，在特定的业务应用场景下，近距离点对点高速率VLC更适合支持安全私密业务的数据交互。
伴随着智能手机、PAD、i-Watch为代表的一系列移动终端设备的广泛使用和互联网业务的大规模兴起，加上人们对通信高速率、低时延需求的不断提升，促进了无线通信的研究与应用。同时面对物联网应用场景增多、呈指数级增长的移动数据、海量化连接设备以及各式各样新型行业突然“上线”等诸多问题，为了尽可能匹配各级互联终端的业务多样性，实现“万物互联”的应用场景，满足更高服务性能要求的第五代移动通信已经进入商用阶段。但是无线频谱带宽资源日益紧张，不益于更好地满足与日俱增的数据交互需求，结合光纤通信与移动通信两者特点的VLC宽带传输技术，已经发展成为当前高速无线交互领域中一个重要研究与应用方向，得到产、学、研三方面的广泛关注。利用成本低廉的LED作为光源，在相对密闭的空间如飞机、车内、室内等近距离环境内进行数据交互的技术，又被称为光保真技术。与无线保真技术使用无线电波传输不同，Li-Fi是用光信号来进行传输，手机、电脑等移动终端设备可以通过内置的光电接收器。
1994年JohnR.Barry发表《WirelessInfrared Com‐munications》拉开对可见光通信最早研究的序幕。家庭G比特接入计划是构建一种集VLC、无线通信及光纤通信于一体，并且能够具有较高宽带和1Gbps以上通信速率的家庭区域通信服务网络。2010年后一些高校及科研机构，包含欧洲爱丁堡大学、牛津大学及美国加州大学等，也取得一定科研成果。
本文简要介绍可见光通信技术的发展过程与应用前景，突出说明光源布局与自适应功率分配方法的相关研究现状。在与研究工作相关的理论基础方面，阐述点对点VLC的系统模型、光源选择与布局、调制技术、信道估计等内容，并且对比分析VLC系统中三种常用多载波调制技术的工作特点。通过测试该系统的传输速度及传输成功率来分析该系统在光传输当中应用的可行性。
1.1 点对点VLC模型
发送端的器件由高速信号调制编码电路芯片、调制器、LED驱动电路及白光LED发光二极管等组成，接收端主要包括光电探测器、PD驱动电路、均衡滤波电路、解调器与高速信号调制编码电路芯片等。
1.2 可见光通信
目前，基于白光LED的可见光通信技术，是无线通信中一个重要研究方向。为了真正实现可见光高速通信的应用，仍然有一些技术难题需要解决。
在可见光通信系统中，光源是影响系统通信性能的关键技术之一，好的光源应该具备低耗能、高亮度、光照均匀、易于调制、环保等优点。合成白光LED具有传输速率快、通信效果好、发射功率高等特点，有益于符合点对点可见光通信系统对光源的性能要求。
随着芯片技术的不断发展，LED已经进入大功率时代，小灯珠数量与发送总功率一定的情况下，需要优化设计更加合理的光源布局，使接收平面能够获得有效实用的光照强度与接收功率，进而提升点对点近距离VLC通信系统中接收信号的信噪比。
近些年来，可见光无线通信技术飞速发展，但是常用白光LED的调制带宽最高不超过20MHz，为了充分利用点对点可见光直连数据通信系统的带宽利用率，使得传输速率从几十kbps到100Mbps甚至到G比特每秒，选择合适的调制方式是关键技术之一。
1.3 信道估计
无线信道的频率选择性衰落会影响各子载波传输信号的能力，VLC信道还受到光源布局、LED与接收端PD连接差异、收发端距离与光线入射角变化等衰落因素的影响，所以对信道进行估计分析是点对点VLC系统高速传输的关键技术之一。通过信道SNR的估计，自适应选择合适的比特功率分配方法，有益减轻这些衰落对系统通信性能的影响。
目前，信道估计主要有盲信道估计和基于导频的信道估计。前者采用盲估值算法，通过自身数据传输的性能指标，来实现对应信道的性能估计，不需要添加导频或训练序列，具有频谱效率高的特点，但是存在运算量大，算法复杂以及收敛速度较慢等不足。后者通过在发送端中添加相关的导频序列或训练信息，根据接收到的实时信道信息，进行信道估计。虽然导频或训练序列额外占用了部分带宽，但是其信道估计算法具有准确快速的优点，在点对点VLC高速数据传输系统中，偏向采用这种相对快速灵活的方法。
1.4 OFDM高速调制技术
日本KEIO大学中川正雄教授所在的科研小组利用白光LED和光电二极管，建立了可见光通信系统模型，将OFDM调制方式应用于VLC中。对无线光通信来说，多径时延是导致符号间串扰存在的重要因素，会严重影响传输速率，所以OFDM被提出用于基于白光LED作为光源的可见光通信系统中，能够有效降低符号间串扰。近年来，人们对高速率、低时延通信质量需求的不断提升，加上DSP技术的进一步发展，OFDM已经被广泛研究与应用于VLC高速传输系统中。
在数据传输系统中，将载波信号的功率谱进行对比。单载波信号能够完全占用信道带宽，但是当信道发生选择性衰落时，传输信号会发生重叠甚至遭到破坏；
利用传统的频分复用多载波技术传输高速率数据时，子信道可以看成平坦慢衰落的信道，从而避免严重的ISI，提高频带利用率；
若子信道的频谱允许重叠，就形成了OFDM多载波信号，能够进一步节省带宽而获得更高的频带效率。此外，子载波是两两相互正交的，频谱虽然有重叠，但是信号只会受到较小的干扰。
OFDM系统原理：发送端的高速数据经编码映射转变为低速的数据流，分别加载到正交的子载波上，并且对各子载波上的信号进行调制处理，调制方式不固定，能够选择OOK、CAP、PSK、QAM等。在点对点VLC高速数据传输系统中，子载波数据传输适合采用多进制的QAM或PSK，其中QAM能够同时调制载波的幅度与相位信息，高效且便于实现。经快IFFT处理后，所有并行信号合成OFDM信号，发射到光信道中。在接收端进行逆变化，恢复出原始数据。
随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源日益紧张趋势的加重，自适应资源分配技术获得人们更多关注与应用。自适应资源分配技术是基于时变信道的状态，根据子载波的数目，动态地分配传输比特数与发射功率。相较于单载波系统，在OFDM的各子载波上能够采用不同的调制方式，所以考虑将OFDM技术与自适应资源分配方法相结合。
1.5 相关公式
映射产生的频域序列如（1）所示：
经过IFFT后得到时域信号如（2）（3）所示：
系统的频带利用率如（4）所示：
2.1 OFDM系统固定资源分配方案
常用的固定资源分配方案主要有时分多址、频分多址以及交织的频分多址。由于OFDM分成若干子信道并行传输，传统的固定比特功率分配方法能够做到与OFDM系统的有机结合。
与OFDM-TDMA技术相似，在OFDM-FDMA中，将传输系统的频域资源分割为一定数量的等间隔子频道，不同的用户分配到彼此之间不重叠的频段来使用。频分多址是以频率来区分信道的，因此，频道就是信道。这种方式可传输数字信号和模拟信号，发送端输出的数据被调制到频率不同的子载频上，按照固定的多址方式进行连接，并且还需预留一定长度的保护频带用于防止相邻频道之间的混叠。早期的模拟蜂窝移动通信就是采用这种多址方式，现代数字移动通信一般不单独采用这种方式，而更多的是将这种方式与其他多址方式结合在一起运用。另外，信道特性相对较好的子信道会优先被分配给用户使用，进而提升系统的整体性能。
2.2 自适应模块设计
针对点对点VLC高比特数据传输系统，重点研究自适应比特功率分配算法，如何根据信道SNR估计，让专为近距离高速率VLC直连数据传输系统设计的Im-SBLA算法得到实际应用，自适应模块设计主要包括VLC硬件系统，与自适应技术相关的调制模块、参数生成模块及解调模块，并且进行高速文件传输性能的测试工作。
3.1 传输速度测试
由图1可知，在点对点高速率VLC直连数据传输系统中，进行文件传输性能的测试工作，实验结果显示该系统文件的传输速率已接近100Mbps，能够满足点对点VLC近距离传输系统的高比特率数据交互业务需求。
图1 实验网络传输速率测试
3.2 传输成功率测试
由图2可知，在设计的点对点高速率VLC直连数据传输系统中，进行文件传输成功率的测试工作，实验结果显示该系统文件的传输成功率基本稳定在90%，偶尔出现丢包情况，速率下降，但总体能够满足点对点VLC近距离传输系统的高比特率数据交互业务需求。
图2 实验网络传输成功率测试
3.3 接收光功率对比
如表1所示，相较于方形、环形及六边形LED光源阵列布局，环形-角补偿光源布局接收光功率的最大值和最小值都有所提升，相对峰值功率偏差能够降低5%左右，功率分布更加均匀。
表1 四种LED阵列光源布局的比较
3.4 SNR分布对比
表2结果显示，环形-角补偿光源布局阵列整体提升了接收平面的通信性能，尤其增强了在边缘位置的SNR。SNRQ较常见的三种光源布局分别提高12.6%、20.4%以及31.9%，表明采用环形-角补偿光源布局阵列能够提升点对点VLC系统光接收信号的稳定性。
表2 SNR四种LED阵列光源布局参数
作为5G高速率移动数据交互服务的有益补充，利用新型的无线光数据传输方式，VLC已经成为近距离无线通信的主要应用技术之一。相较于WLAN、蓝牙、RFID等技术，在特定的业务应用场景下，近距离点对点高速率VLC更适合支持安全私密业务的数据交互。在点对点近距离VLC高速传输系统中，本文致力于优化LED光源布局与研究自适应资源分配算法，以符合高速率、低时延数据交互业务的通信性能指标要求。
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