基于ISFA算法的LED车灯可见光通信系统

蒋子豪，梁尚雨，王福民，赵一衡，乔 梁，迟 楠

(复旦大学通信科学与工程系电磁波信息科学教育部重点实验室，上海 200433)

引言

可见光通信技术于2000年被提出，其利用LED作为光源，使得LED不仅可以用于照明，还可以用于信号传输领域。由于如今无线的频谱资源紧张，而可见光波段的频谱仍然是空白，所以这可以很有效利用频谱资源。基于LED的可见光通信技术拥有以下优点：可见光对人眼的相对安全性；可见光的不可穿透而导致的高保密性；可见光与射频不干扰因而具有抗电磁干扰；高信噪比而带来的高传输速率。综上所述优点，可见光通信推动着下一代通信与照明的进步与发展，因而成为国际前沿研究的热点[1-3]。

作为宽带接入网络的重要组成部分，终端设备，如移动电话、平板电脑、PC等，可作为VLC的接收终端使用。与此同时，LED的的节能与极小发光二极管的可设计性也成为用作车灯的一大优势，所以越来越多的厂商选择LED作为车灯照明的光源。

在这个实验中，我们率先使用了符合光学ECE/GB标准的车灯LED作为可见光的光源，同时也使用3.5 mm的耳机孔作为接收端。在许多终端的模拟接口中，3.5 mm耳机接口是一个音频输入和输出接口，可用于充电、控制信道和数据传输。

1 车联网通信技术

车联网中所运用到的通信技术依据对象可划分为下面五类:车间通信、车内通信、车与人通信、车与路通信与车与云端通信五种。其中，车间通信指的是移动车辆之间的双向信息交互，其主要考虑的因素有安全性和实时性，现阶段车间通信主要运用微波、红外和专用短程通信等技术。车内通信主要是汽车内部信息的传输，其要求实时且可靠，现阶段主要运用的技术有Bluetooth、MOST、CAN、FlexRAY和LIN。车与人通信是指人使用移动终端与车载电子或其他汽车设备之间的通信，其主要采用蓝牙、RFID等通信技术。车路通信主要是车辆与外部交通设施之间的无线通信，其特点是短距离和高移速，所用的技术有红外、微波和专用短程通信。车与云端的通信主要应用于车辆导航、定位、援救、娱乐等服务，现今所用的主要技术包括GPS、GSM等[4-6]。

图1 车辆可见光网络Fig.1 Vehicular visible light networks

文献[7]提出了可以在车联网中运用可见光通信技术，其中图1即其设想的车辆可见光网络，可以主要运用在车间通信与车路通信之中，从而对无线通信等其它通信技术做一个补充。

2 实验原理

1)DFTS-OFDM调制。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)被称为正交频分复用技术，是一种新的、高效的调制技术，同时也可以被看做是一种复用技术。由于子载波具有正交性，子信道的频谱可以在OFDM系统中重叠，因此有相对高的频谱效率。其优点是减少码间串扰(inter-symbol interference, ISI)，对抗信道衰弱但缺点是信号的峰均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)会相对偏大。所以我们可以采用DFT-S OFDM来减少PAPR，这个方法也可以使得系统的误码性能更好。DFTS-OFDM调制即每个子信道的正交调制和解调都进行离散傅里叶变换(DFT)和离散傅里叶反变换(IDFT)[8]。

图2显示了基于DFTS-OFDM的VLC系统框图。在发射端，数据首先从时域映射到频域。数据进行串并转化之后，进行OFDM调制，其中在OFDM调制前需要进行DFT,在OFDM调制后进行IDFT，最后将并转串的数据经发送端发送。我们采用的子载波数是256，循环前缀(CP)被放置在每个OFDM信号的前面。而解调过程可以看作是调制过程的逆过程。需要注意的是，在接收端，信号在OFDM恢复和QAM解映射之前应该进行同步。

图2 基于DFTS-OFDM的可见光通信系统框图Fig.2 Block diagrams of a VLC system based on DFT-S OFDM

2)ISFA算法。信道估计是OFDM信号传输过程中的重要部分，有了准确的信道估计就能够得到光纤传输链路中色度色散(CD)和极化模式色散(PMD)给信号造成的干扰，由此可以通过后均衡过程提高信号的质量。基于时域的平均方法能够在信道估计过程中有效地抑制噪声项，但同时它也会造成频谱效率下降。而ISFA(Intra-symbol frequency-domain averaging)是一种基于滑动平均理论的频域处理方法，它在抑制噪声干扰的同时不会降低频谱效率。由此，我们可以把它看做为一种抽头数为奇数的低通滤波器(LPF)[9]。

为了在有噪声的情况下提高信道估计的准确度，可以使用对信道矩阵取滑动平均的方法。设滑动窗口的长度为2m+1，则每个点在进行ISFA之后的信道估计值为原来这个点之前的m个点和这个点之后的m个点的平均值。对于整个矩阵的前m个点和后m个点，依然保持它们原本的值即可。

因此，ISFA之后的信道矩阵可以表示为

其中，kmax和kmin是有效子载波数的最大和最小值。

3 仿真结果

LED车灯作为该可见光系统的信号发射源，因而了解LED灯的光场强度空间分布对分析系统特性有着相对重要的意义。在本节中，我们采用Lambert模型对光场强度空间分布进行建模与仿真分析。

LED光场强度可表示为

I(θ)=I(0)cosm(θ)(2)

其中I0是LED的中心照明强度，θ是辐射角度，m是Lambert辐射阶数，可以用LED半功率半角Φ1/2表示Lambert辐射阶数m，即

(3)

因此，接收端平面的水平照度Eh可表示为

(4)

其中L是发射端到接收端的距离，ψ是入射角度。

我们已知不同距离的车灯的光场强度，通过仿真我们可以得到图3，从图中可以看出，无论是32QAM还是64QAM信号，误码率随着距离的增加而增加，其中64QAM信号传输的极限距离小于4 m。

图3 距离对信号性能的影响图Fig.3 Simulated BER v.s distance

4 实验装置和结果

图4给出了VLC系统中的DFTS-OFDM的系统框图和实验设置，发射端到接收端的距离是5 m。我们所使用的任意波形发生器(AWG)型号是Tektronix AWG520，车灯作为信号源，3.5 mm的耳机孔作为接收端。在这个系统中，我们将MATALB中生成的数据输入到AWG中，然后通过AWG发送随机的信号。在通过放大器之后，波形与直流电流进行叠加，并将叠加的信号加载到车灯上并进行信号发送，该车灯是由滑动变阻器和驱动电路控制的。光信号通过透镜然后被移动终端接收并进行光电转化，最后，数字信号被解调和处理。由于耳机口的最高频率只有88.2 kbps，根据奈奎斯特采样定理，这个系统的接收移动终端的采样频率为44.1 kbps。

图4 基于DFTS-OFDM的VLC系统实验图Fig.4 Experimental setup for high-speed VLC system based on DFTS-OFDM

通过改变采样倍数，我们得到图5中32 QAM和64QAM信号的BER与上采样倍数的关系。我们选取上采样倍数为4,8,12,16,20的五个点。从图5中可得，上抽样倍数增加，系统的传输速率下降，相对地，误码率也会随之下降。

图5 上采样倍数对信号性能的影响图Fig.5 Measured BER v.s upsampling rate

我们将驱动电流范围从80 mA调节到160 mA，间隔为20 mA，测试了不同调制格式下的系统的误码率性能(如图6所示)与不同距离的系统的误码率性能(如图7所示)。从图6可得，当电流从80 mA调节到160 mA时，32QAM的信号的误码率总是保持在误码门限3.8×10-3以下。然而，64QAM的信号只有在驱动电流为120 mA时，其误码性能才符合要求。车头灯是由恒压驱动的，所以影响头灯光照度的主要因素是驱动电流，由此我们可以得到该车灯的最佳工作电流为120 mA。将图7的数据进行纵向比较，可以得到系统的误码率随传输距离的增大而增大，这与前面仿真得到的结果是相一致的。横向比较图7中的数据，当传输距离为5 m，电流大于150 mA时，系统误码超过门限，而当传输距离为1 m时，电流在80 mA调节到160 mA时，系统传输性能良好。

图6 电流与调制格式对信号性能的影响图Fig.6 Measured BER v.s current and QAM

图7 电流与距离对信号性能的影响图Fig.7 Measured BER v.s current and distance

5 结束语

我们提出了基于LED车灯可见光通信的车联网系统，该系统的调制方式为DFTS-OFDM，实验中用到车灯模组、3.5 mm的耳机孔、高灵敏度的光电探测器等原件。创新点在于运用了LED车灯作为可见光通信的信号源，同时验证了基于滑动平均理论的ISFA算法在抑制噪声干扰的同时，不会降低频谱效率。通过实验我们可以得到，当该车灯的驱动电流设置为80～120 mA，传输距离小于5 m时，32 QAM信号的传输误码小于3.8×10-3。