裝甲車輛DCO-OFDM可見光通信系統性能研究

趙梓旭， 宋小慶， 魏有財， 王慕煜

(陸軍裝甲兵學院控制工程系， 北京 100072)

可見光通信(Visible Light Communication, VLC)具有傳輸效率高、保密性能好、頻譜資源充裕，安全、綠色、無輻射以及有效節能等優點[1]。該技術采用強度調制/直接檢測(Intensity Modulate/Direct Detective, IM/DD)的調制方式，通過正實信號驅動LED發光，運用開關鍵控(On-Off Keying, OOK)和脈沖位置調制(Pulse Position Modulation, PPM)等單載波調制技術，可以有效地進行光通信[2-3]。隨著裝甲車內通信速率和帶寬需求不斷增加，車內多陣列光源產生的多徑效應會引起碼間串擾(Inter Symbol Interference, ISI)。因此，人們開始研究能夠提高帶寬、實現高速率傳輸和抵抗多徑失真的相關技術，如均衡、編碼調制、波分復用以及多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)技術等。因正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術可有效地解決頻率選擇性衰落和窄帶干擾問題，抵抗多徑干擾和提升系統的通信速率[4-5]，且具有較高的頻譜利用率，被廣泛用于VLC系統中。由于VLC系統中LED光源只能傳輸正值信號，因此需對OFDM頻域信號結構進行改進，如直流偏置光正交頻分復用(DC-biased Optical OFDM, DCO-OFDM)和非對稱限幅光正交頻分復用(Asymmetrically Clipped Optical OFDM, ACO-OFDM)等。WU等[6]提出了一種自適應OFDM調制系統，采用16-QAM子載波調制技術提升了室內無線光通信信道的吞吐量。CHEN等[7]對ACO-OFDM與DCO-OFDM光通信系統進行了研究對比，通過對4-QAM調制技術下的功率效率、截斷信號的統計學特性和接收端有效的信噪比等參數進行仿真分析，驗證了OFDM技術的有效性。SULTAN等[8]通過DCO-OFDM光通信系統的光照約束條件來確定最優的直流偏置與信號功率，尋取最優誤比特率(Bit Error Rate, BER)性能。上述研究均采用調制階數較低的子載波調制方法，沒有從減小碼間串擾的角度去考慮VLC-OFDM技術。鑒于此，筆者針對車內多光源陣列下高速VLC系統中多徑效應導致的碼間串擾問題，運用DCO-OFDM技術抗干擾和抗衰落特性，從提高通信速率的角度來優化車內VLC系統的整體通信性能。

1 車內可見光通信系統信道建模

1.1 脈沖響應

建立車內空間為2 m×2 m×1.5 m的模型，采用1 W白光LED作為信號光源，發射端共由36個LED光源組成。LED陣列光源布局結構如圖1所示，建立車內A、B、C、D、E五光源陣列位置坐標系，求解最優光源陣列位置，選定x、y值確定最優布局結構[9]。

圖1 LED陣列光源布局結構

可見光通信系統信道特性與脈沖響應函數有關，其表達式為

(1)

式中：NLED為LED總數；ΦN為每個光源的脈沖響應；

(2)

為每個光源在車內經k次反射后的總脈沖響應[10]，其中Li為光源經過每條路徑時的損耗，S為車內反射面，c為光速，di為反射路徑，δ(·)為響應函數，Aref為車內四周反射面積微元，θk+1為第k+1次反射的入射角，F為視場角，rect(·)為矩形函數；

(3)

為經k次反射后的總功率，ρi(λ)為第i次反射功率，λ為波長。

1.2 信噪比

車內可見光通信系統接收端的信號功率為

(4)

式中：R為光電轉換系數；

(5)

為信號光功率[11]，其中T為碼元周期，X(t)為發射端光脈沖信號。

(6)

碼間串擾噪聲功率為

(7)

散粒噪聲表達式為

(8)

式中：q為電荷電量；B為等效噪聲帶寬；Ibg為暗電流；I2為散粒噪聲帶寬因子。

熱噪聲表達式為

(9)

式中：k為玻爾茲曼常數；AR為光電探測器有效接收面積；Tk為絕對溫度；η為光電探測器單位面積的固定電容；I3為熱噪聲帶寬因子；G為開環電壓增益；Г為場效應管溝道噪聲因子；gm為場效應管跨導。

信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)為

(10)

1.3 均方根時延擴展與最大傳輸速率

均方根時延擴展是一個常用參數，用于量化多徑信號的時間色散特性，其表達式為

(11)

式中：

(12)

為平均時延擴展。

在使用OOK調制技術時，通信系統最大可能數據傳輸速率Rb與DRMS有如下關系[10]：

Rb≤1/(10DRMS)。

(13)

2 DCO-OFDM調制策略

DCO-OFDM調制解調過程如圖2所示。首先，

將高速的串行數據轉換成低速的并行數據，對并行的二進制數據源進行正交振幅調制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)，對調制后的復數符號進行共軛對稱變換；然后,經過IFFT變換得到時域的OFDM符號，并串轉換后在時域符號首部加上循環前綴(Cycle Prefix,CP)，經過數模轉換器(Digital-to-Analog Converter,DAC)和直流偏置操作后，最終發送給LED驅動電路，使光源發光。在接收端，首先由PIN光電探測器完成光電轉換后，模數轉換器(Analog-to-Digital Converter，ADC)將模擬信號轉換為數字信號，最后經過相反的數字信號處理就得到解調后的QAM符號。

經過QAM映射和串并轉換后的數據流信號為X1-XN/2-1，經過共軛變換后的數據流信號變為X0-XN-1。為保證在時域上全部為實數，需滿足

圖2 DCO-OFDM調制解調過程

(14)

X= {X0,X1,X2,X3,…,XN/2-1,

(15)

復數X經過IFFT變換得到連續的OFDM信號：

(16)

式中:n為每個子載波上OFDM符號的個數。

將式(15)代入式(16)，得到實際的DCO-OFDM時域實值信號：

(17)

由式(17)可知：影響DCO-OFDM系統的只是經過QAM調制后的信號和其共軛對稱部分的信號。

假定一個OFDM符號的長度為Ts，原來數據傳碼率為b，符號周期為Tb=1/b。當子載波個數為N時，通過并行發射N/2個符號后，使OFDM符號長度擴展到Ts=N/2×Tb。每個DCO-OFDM系統的子載波調制方式為M-QAM(M為調制階數)，其系統的帶寬BW為

BW=(N/2+1)/Ts≈N/2Ts。

(18)

每個DCO-OFDM符號XN都對應著相應的子載波，由于X中有一半的子載波都是其共軛復數，即實際用來傳輸數據的子載波只有N/2，假設DCO-OFDM系統中CP的長度為Ng，那么DCO-OFDM系統的通信速率為

(19)

DCO-OFDM系統的帶寬利用率(頻譜效率)為

(20)

可以看出：DCO-OFDM系統的帶寬利用率比傳統的OFDM系統小了將近一半。

DCO-OFDM系統具有由非線性削波導致的畸變，采用傳統的信噪比來衡量系統的性能存在一定的誤差。因此，通過引入系統的有效信號功率與畸變和噪聲功率比(Signal-to-Noise-plus-Distortion Ratio,SNDR)來衡量系統的誤比特率性能，DCO-OFDM系統中第k個子載波的SNDR為

(21)

對于DCO-OFDM系統，其誤比特率是實際信噪比SNDR的函數。采用子載波調制的M-QAM的第k個子載波誤比特率為

(22)

式中：Q為誤差補函數。

在AWGN信道下，由于每個子載波的調制方式、功率和信道系數都相同，因而所有信道的誤比特率相同，式(22)即為DCO-OFDM系統的誤比特率。

3 性能仿真

筆者對車內可見光通信系統相應性能進行仿真，仿真參數見表1。 圖3為在碼間串擾的影響下，直射視距鏈路下和一次反射鏈路中最優布局結構的系統信噪比分布情況。圖3(a)、(b)中信噪比均值分別為57.34、20.92 dB，可見：車內光鏈路的反射會導致系統信噪比均值降低，下降了63.5%，說明車內多徑效應產生的碼間串擾影響了系統的通信性能。

表1 仿真參數

均方根時延擴展能夠有效地反映出碼間串擾引起的信噪比損失。圖4為車內接收端平面各點位置的均方根時延擴展和平均時延擴展分布情況，可見：在車內光源陣列下方的均方根時延擴展值比其他位置的大，表明在LED陣列光源下方及其附近點的多徑延遲干擾較大，其余位置的多徑干擾較小。

圖3 信噪比分布情況

圖4 均方根時延擴展和平均時延擴展分布情況

OOK調制下的最大數據傳輸速率如圖5所示，根據式(13)計算出OOK調制技術下的最大數據傳輸速率Rb為107.8～373.3 Mbit/s。

圖5 OOK調制下的最大數據傳輸速率

由式(19)可知：DCO-OFDM系統的通信速率與BW、N和M有關。根據式(18)、(19)可得BW=100 MHz，FFT點數為256，Ng=10時調制階數M=4，16，64，256的系統通信速率為RDCO=95.49，190.96，381.92，477.4 Mbit/s。由于當使用OOK調制技術時Rb為107.8～373.3 Mbit/s，因此選擇子載波調制為64-QAM和256-QAM的DCO-OFDM系統能夠有效地提升系統的通信速率。

而影響誤比特率性能的因素主要是信道噪聲和限幅噪聲。圖6為DCO-OFDM系統采用64-QAM和256-QAM子載波調制時的誤比特率性能曲線?？梢钥闯觯撼跏茧A段的誤比特率較高，因為此時的OFDM符號幅值較大，會產生限幅噪聲；隨著信噪比增大，相應的信號功率增大，誤比特率降低，性能得到改善；當信噪比達到一定值時，誤比特率可達到10-5數量級，滿足車內數據通信需求。

圖6 DCO-OFDM系統誤比特率性能曲線

4 結論

筆者基于DCO-OFDM調制策略構建了車內可見光通信系統信道模型，并對基于DCO-OFDM調制策略的可見光通信系統性能進行了仿真驗證，結果表明： DCO-OFDM調制策略可以有效地抵抗碼間串擾、提升系統通信速率，為研究車內狹小空間內的可見光通信系統性能分析提供了理論指導。下一步，將以此為基礎進行基于DCO-OFDM調制策略的車內可見光通信系統硬件搭建。

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