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。

參考文獻(xiàn)：

[1] 唐超，王茜竹. NOMA技術(shù)研究及其在5G場(chǎng)景中的應(yīng)用分析[J]. ?廣東通信技術(shù)，2015，35（10）：59-64.

[2] 唐超. 一種基于SIC的NOMA下行鏈路信號(hào)檢測(cè)方法[J]. ?郵電設(shè)計(jì)技術(shù)， 2016（4）： 41-44.

[3] 畢奇，梁林，楊?yuàn)櫍? 面向5G的非正交多址接入技術(shù)[J]. 電信科學(xué)，2015，31（5）：14-21.

[4] MARSHOUD H，KAPINAS V M，KARAGIANNIDIS G K，et al.Non-orthogonal multiple access for visible light communications[J]. IEEE Photonics Technology Letters，2016，28（1）：51-54.

[5] KOTTKE C，HABEL K，GROBE L，et al. Single-channel wireless transmission at 806 Mbit/s using a white-light LED and a PIN-based receiver[C]. Coventry：2012 14th International Conference on Transparent Optical Networks （ICTON）， 2012.

[6] HUANG X，WANG Z，SHI J，et al. 16 Gbit/s phosphorescent white LED based VLC transmission using a cascaded pre-equalization circuit and a differential outputs PIN receiver[J]. Optics Express， 2015， 23（17）：22034-22042.

[7] HUANG X，SHI J，LI J，et al. 750Mbit/s visible light communications employing 64QAM-OFDM Based on amplitude equalization circuit[C]. LosAngeles：Optical Fiber Communications Conference & Exhibition，2015.

[8] ZHANG H，ZHANG D K，MENG W X，et al. User pairing algorithm with SIC in non-orthogonal multiple access system[C]. ?IEEE International Conference on Communications，2016： 1-6.

[9] 張長(zhǎng)青. 面向5G的非正交多址接入技術(shù)（NOMA）淺析[J]. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù)， 2015（11）： 49-53.

[10] MINH H L，O"BRIEN D，F(xiàn)AULKNER G，et al. 100-Mb/s NRZ visible light communications using a postequalized white LED[J]. ?IEEE Photonics Technology Letters， 2009，21（15）：1063-1065.

[11] MARSHOUD H，SOFOTASIOS P C，MUHAIDAT S， et al. On the performance of visible light communications systems with non-orthogonal multiple access[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2017， 16（10）：6350-6364.

[12] HANIF M F，DING Z，RATNARAJAH T，et al. A minorization-maximization method for optimizing sum rate in the downlink of non-orthogonal multiple access systems[J]. ?IEEE Transactions on Signal Processing， 2015， 64（1）： 76-88.

[13] MIN L，OH S K. A simplified iterative water-filling algorithm for per-user power allocation in multiuser mmse-precoded mimo systems[C]. ?Vehicular Technology Conference， IEEE， 2008： 744-748.

[14] 王哲， 張曉林. 多誤碼率固定速率OFDM自適應(yīng)調(diào)制比特功率分配方法[J]. 信號(hào)處理，2009， 25（8）：1261-1265.

[15] BENJEBBOUR A，SAITO K，LI A，et al. Non-orthogonal multiple access （NOMA）： concept， performance evaluation and experimental trials[C]. ?International Conference on Wireless Networks and Mobile Communications. IEEE， 2015： 1-6.

[16] FU Y，HONG Y，CHEN L K，et al. Enhanced power allocation for sum rate maximization in OFDM-NOMA VLC systems[J]. IEEE Photonics Technology Letters， 2018， 30（13）：1218-1221.

[17] MARSHOUD H，SOFOTASIOS P C，MUHAIDAT S，et al. Error performance of NOMA VLC systems[C]. Paris：IEEE International Conference on Communications，2017.

[18] MESLEH R，ELGALA H，HAAS H. On the performance of different OFDM based optical wireless communication systems[J]. IEEE/OSA Journal of Optical Communications & Networking，2011，3（8）： 620-628.

[19] 李世超. 5G關(guān)鍵技術(shù)之NOMA介紹[J] 電子制作， 2015（4）：139-140.

[20] BENJEBBOUR A，SAITO Y，KISHIYAMA Y，et al. Concept and practical considerations of non-orthogonal multiple access （NOMA） for future radio access[C]. International Symposium on Intelligent Signal Processing and Communications Systems，2014：770-774.

（責(zé)任編輯：黃 健）