基于Light Fidelity技術在智慧城市的應用

陳虹旭 張斯妍 李曉坤 劉清源 徐龍 董濰赫

摘? 要： 本文以Light Fidelity展趨勢和概念為基礎，通過研究Light Fidelity技術在智慧城市的應用，以推動智慧城市建設。Light Fidelity是一種以白光LED為基礎的新型無線通信技術，主流的可見光通信系統采用光正交頻分復用（O-OFDM）技術來實現，該技術可以使受到干擾的信號仍然能被可靠地接收，信號的頻帶利用率也大幅提高，非對稱限幅光正交頻分復用（ACO-OFDM）調制使得O-OFDM技術完全適用于可見光通信。本文討論濾波器組多載波（FBMC）與O-OFDM在Light Fidelity通信過程中的性能對比，通過理論分析結合仿真說明具體分析，探討FBMC及O-OFDM在通信過程中的指標比對，由此證明采用O-OFDM在Light Fidelity通信中的優越性。

關鍵詞： Light Fidelity;智慧城市;O-OFDM;FBMC;SNR

中圖分類號： TN929.12? ? 文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.035

本文著錄格式：陳虹旭，張斯妍，李曉坤，等. 基于Light Fidelity技術在智慧城市的應用[J]. 軟件，2020，41（09）：127132

【Abstract】： Based on the development trend and concept of Light Fidelity technology， this paper promotes the construction of smart cities by studying the application of Light Fidelity technology in smart cities. Light Fidelity is a new type of wireless communication technology based on white LED. The mainstream visible light communication system is realized by optical orthogonal frequency division multiplexing （O-OFDM） technology， which can effectively resist multipath interference and can be subjected to the interfering signal can still be reliably received， and the frequency band utilization of the signal is also greatly improved. Asymmetrically limited optical orthogonal frequency division multiplexing （ACO-OFDM） modulation makes O-OFDM technology fully suitable for visible light communication. Considering the serious impact of noise on ACO-OFDM， the BER and SNR based on ACO-OFDM are performed. The related research， through theoretical analysis combined with simulation to analyze the specific scheme involved， this paper focuses on the study of ACO-OFDM， through the dynamic bit allocation and dynamic subchannel allocation method， make full use of the sub-channel with high signal-to-noise ratio Light Fidelity technology provides powerful power in smart city applications.

【Key words】： Light fidelity; Smart city; O-OFDM， SNR

0? 引言

智慧城市是利用新一代信息技術來感知、監測、分析、整合城市資源、對各種需求做出迅速、靈活、準確反應，為公眾創造綠色、和諧環境，提供泛在、便捷、高效服務的城市形態[1]。Li-Fi使用的協議為IEEE802.15.7[4]。通常，通過控制LED對數據進行編碼和傳輸，并將一個可以編碼的控制器植入LED中，（其中1表示燈亮，0表示燈滅），利發光二極管（LED）快速響應的特性，形成類似于AP（WIFI熱點）的設備，以人眼無法感知的高速明暗閃光信號作為信息載體，使攜帶信息的光信號通過傳輸介質[5]。最后，通過光電轉換裝置將接收到的光信號恢復發送的信息，該技術具有廣泛且免許可的頻譜、不受管制的帶寬、高安全性、傳輸速率高、不受電磁干擾、射頻禁區內的可用性、高能源效率等優點，在未來的通信領域中占據重要的地位并產生深遠影響[8]。

1? Li-Fi在智慧城市中的應用

Li-Fi在智慧城市中的主要應用集中在控制、通信和定位方面[9]。它將通信和照明結合起來，推動智慧城市建設。

1.1? 智慧交通

在智慧交通領域中，數據通過交通信號燈傳送到汽車之間，實現車輛收費管理、戶外導航，隧道和地下車庫定位等功能，還可以通過交通信號燈和汽車燈之間的信息交換，準確定位，Li-Fi技術還能夠減小交通事故和交通堵塞的發生，為未來的無人駕駛汽車奠定基礎[11]。

1.2? 智慧家居

將天花板燈改裝成Li-Fi熱點，家用電器上安裝Li-Fi接收器，通過天花板燈將這些設備連接到互聯網，在設置一個總開關控制各家用電器的運行[13]。由于Li-Fi的高保密性，可以有效避免黑客攻擊[14]。

1.3? 智慧物流

智慧物流是將物聯網、大數據、云計算、人工智能等技術應用在物流系統中的運輸配送等環節。

通過在道路的路燈和汽車燈上加裝芯片來進行Li-Fi可見光通信，在交通堵塞等惡劣條件下，通過汽車燈與路燈之間傳遞信息，引導物流通行更加暢通[15]。由于Li-Fi技術的信息傳輸速度快，能夠及時反饋物流信息，從而實現對貨物的實時監控。

1.4? 智慧醫療

在智慧醫療領域中，可見光沒有電磁污染，可以在電磁干擾敏感的區域進行無線接入，不受設備干擾，覆蓋范圍廣。手術室配有照明設備，所以Li-Fi可以在醫療設備之間使用，特別是在不適合射頻無線通信的醫療環境中。Li-Fi的傳輸速率高，能夠達到實時傳輸、實時監測等功能。

智慧醫療是采用新型物聯網、傳感器、通信等技術的醫療理念，相信在不久的將來，Li-Fi作為新型通信技術，將推動智慧醫療的繁榮發展。

2? O-OFDM技術

Li-Fi以LED可見光作為傳輸信息載體的一種通信方式，它不需要任何的有線傳輸媒介，就可實現語音、數據、多媒體圖像等高速雙向傳輸[16]。但光在空氣中傳輸會產生多徑效應，而正交頻分復用技術（OFDM）由于它對多徑信道的抗干擾能力可以有效解決這一問題，并且OFDM技術具有較高頻譜利用率和傳輸速率[17]。

本文研究了光OFDM技術，即ACO-OFDM，圖1是O-OFDM的系統框架。

2.1? O-OFDM

O-OFDM信號數學表達式為：

其中，是子載波個數，是攜帶第個子載波的數據符號、是相鄰子載波的間隔，是O-OFDM信號的周期。為了確保所有的子載波之間是相互正交的，O-OFDM的符號周期。

O-OFDM技術將信道劃分為若干相互正交子信 道[18]，再將高速串行數據流轉換成低速并行子數據流發送到子信道上。每個子信道上信號帶寬小于信道的帶寬，因此每個子信道上可以看成平坦性衰落，從而降低和消除碼間串擾，如圖2所示。

2.2? ACO-OFDM

在ACO-OFDM系統中，數據只能由奇數子載波承載[19]，考慮到埃爾米特（Hermitian）對稱性[20]，點頻域信號可以表示為：

時域信號具有反對稱性質，為 。ACO-OFDM信號是通過將負部分裁剪成：

其中的數據信息沒有丟失。由于裁剪噪聲只落在偶數子載波上，所以可以正確解調傳輸的數據。根據中心極限定理，單極信號服從剪切高斯分布[21]。圖3、4為ACO-OFDM中IFFT和FFT信號仿真圖。

3? FBMC調制原理

給出了具有偏移正交幅度調制的濾波器組多載波（FBMC/OQAM）收發信機的框圖。FBMC/OQAM系統用于傳輸OQAM而不是QAM符號[22]。輸入數據在發射機側，并且時刻在第個子載波上用表示，（m：子載波指數，n：符號指數）。

在發射機處，對于每個復數數據符號由表示，，其中是子載波數量，它可以以的速率發送。多相濾波器輸出端離散時的基帶信號可寫為：

其中是用于設計長度為的多相濾波器的原型濾波器，是延遲因子，用于確保輸入數據之間存在相位差。通常為：

來自多相濾波器的輸出信號通過信道在發射機處發射之前通過使用非線性壓縮擴頻技術進行壓縮[24]。因此，在壓縮器的輸出端，壓縮信號由下式給出：

壓縮擴展函數表示為，用于壓縮附加高斯白噪聲信道下接收機輸入端FBMC信號的幅值。接收到的信號可以表示為：

其中表示AWGN。在接收機中，應用了逆壓縮函數，然后我們獲得：

其中表示接收機側的反壓擴函數。因此，接收器執行發送器的逆處理以再次恢復原始數據[25]。它的構建塊將反映這一事實，如圖5所示

4? 系統模型

闡述了本研究所考慮的系統模型。輸入比特映射到M元星座的正交幅度調制（QAM）符號，可知M根據SNR量化的信道條件而變化[26]。將一組K符號映射到ACO-OFDM方案的K個頻域（FD）子載波。在ACO-OFDM中，符號映射到奇數FD子載波的前半部分，其指標為，令偶數子載波置零。在此方案中，FD子載波的信息設置為0，并且在FD子載波的后半部分上傳輸的信息（）是相對于在前半部分中傳達的信息的Hermitian對稱（1到），這種排列方式使我們能夠在逆快速傅里葉變換（IFFT）后[27]，在時域（TD）得到一個實值輸出信號。

必須對TD信號進行剪切和縮放，以便將其限制在發光二極管的動態范圍內，從而產生 ，其中是電信號方差，表示定義為：

其中，和和分別是標準化的TD底層和頂層切片級別。由于直流偏置IDC，保證了一定的照明水平和最小的信號剪輯[29]。光學TD發送的信號可以寫成：

其中是電光轉換效率，由于ACO-OFDM傳輸信號的TD差異，因此，標度因子和DC-biasIDC是不同的。ACO-OFDM則需要最小的值，唯一的目標是保證所需的照明水平。

考慮到較大區域場景，其中沒有來自其它AP的干擾，TD接收信號可以被寫入為：

其中，是PD的響應度，是TD中的接收噪聲，服從方差為的零均值高斯分布。VLC的信道脈沖響應（CIR）系統表示為，它具有的頻域信道傳輸函數（FDCHTF），它既受前端器件（LED和PD）的影響，又受自由空間傳輸的影響，其形式如下：

其中是圖2所示的AP和接收機之間的水平距離，而是調制帶寬。

前端設備的FDCHTF被建模為

其中是控制FD特性的帶寬因子。因此，該方程明確考慮了VLC系統的有限調制帶寬。使用循環前綴（CP）可以減輕前端設備在接收端的影響，但是它超出了這項工作的范圍，自由空間信道增益可表示為：

其中PD的物理區域由給出，是AP和PD之間的垂直分離。LED的朗伯輻射發射順序用表示，假定為90°接收器視場，這意味著較大區域內的所有用戶都可以從AP接收數據。假定接收終端在圓單元中均勻分布，因此我們有：

其中單元半徑。AP之間距離的概率密度函數通過調用變量求得PD：

通常，在OFDM系統中插入CP以對抗符號間干擾（ISI）[30]。然而，CP并不包括在圖6中，因為它在戶外VLC系統中可以被認為是可以忽略不計的。在研究信噪比和吞吐量要求時，表現出低色散。同樣，如果使用預失真方法，則可以忽略LED傳輸函數的非? 線性。

5? 仿真結果

本文主要研究ACO-OFDM下SNR與BER的關系。

由于頻域中限幅信號的幅度減半，因此每個子載波的信噪比（SNR）為：

其中表示調制符號的方差，是AWGN噪聲的方差，考慮到ACO-OFDM中只使用了奇數子載波，與之間的關系可導出為，，因此，ACO-OFDM的頻譜效率由給出：

通信信道包括電信號將發送器上的數據調制成接收器處的電信號的通道。通過單個信道的信噪比（SNR）來測量接收信號的質量。在有網絡的情況下，信號與干擾加噪聲比（SINR）用于表征通信鏈路。以下部分描述了確定整體系統性能的關鍵指標信道的帶寬和路徑損耗以及評估它們的技術。

圖7顯示了簡單ACO-OFDM的總體性能。

為了總結分析Li-Fi系統的關鍵參數，最后要研究的參數是誤碼率性能。可以看出，ACO-OFDM系統性能較為穩定。

圖8為FBMC及ACO-OFDM在可見光Li-Fi通信中的頻譜效率對比圖。相較于傳統OFDM，FBMC犧牲了子載波正交增加了頻譜效率。如圖8所示，相對于FBMC，ACO-OFDM在可見光通信中的頻譜效率要優于FBMC在可見光中。

圖9為FBMC及ACO-OFDM的功率譜密度比對圖。

比較兩種波形的功率譜密度可知，兩種波形技術的CFR（峰值因子消減）性能不同。ACO-OFDM在可見光Li-Fi通信中。ACO-OFDM在工作帶寬之外都比FBMC衰減要快，也提高了頻譜效率。

6? 實驗結論

實驗結果得出ACO-OFDM在數據速率方面提供了更好的性能。對于在智慧城市中的Li-Fi方案的實際應用，ACO-OFDM適合光的多徑傳播和多普勒頻移的無線移動信道中傳輸高速數據，且信道利用率高。相較于新提出的FBMC，ACO-OFDM也在光通信中體現出更好的性能，頻譜效率和功率譜密度方面都優于FBMC。ACO-OFDM能夠更好應用于Li-Fi中。

7? 結束語

智慧城市是未來城市發展的主要方向，Li-Fi技術在智慧城市中將發揮越來越重要的作用，Li-Fi技術在智慧城市各領域的應用也必將隨著技術的進步和人們對智慧城市間認識的深入而更加廣泛地應用，智慧城市、無線通信技術的蓬勃發展，將會催生新的經濟增長點，促進物質文明和精神文明的進步，使中國新型城鎮化向著健康、有序的方向發展。

參考文獻

[1]Sanchez L， Mu?oz L， Galache J A， et al. Smart Santander： IoT experimentation over a smart city testbed[J]. Computer Networks， 2014， 61（6）： 217-238.

[2]Hall R E， Bowerman B， Braverman J， et al. The vision of a smart city[J]. Office of Scientific & Technical Information Technical Reports， 2000.

[3]Jin J， Gubbi J， Marusic S， et al. An Information Framework for Creating a Smart City Through Internet of Things[J]. IEEE Internet of Things Journal， 2014， 1（2）： 112-121.

[4]Tsonev D， Videv S， Haas H. Light fidelity （Li-Fi）： towards all-optical networking[J]. Proceedings of SPIE-The Interna tional Society for Optical Engineering， 2014， 9007（5）： 900702.

[5]Haas H. High-speed wireless networking using visible light[J]. SPIE Newsroom， 2013.

[6]Kalaiselvi V K G， Sangavi A， Dhivya. Li-Fi technology in traffic light[C]//International Conference on Computing & Communications Technologies. IEEE， 2017.

[7]Mahendran R. Integrated Li-Fi （Light Fidelity） for smart communication through illumination[C]//International Con fe rence on Advanced Communication Control & Computing Technologies. IEEE， 2017.

[8]Bialic E， Nguyen D C， Vaufrey D. LED dynamic electro- optical responses and light-fidelity-application optimi za tion[J]. Applied Optics， 2014， 53（31）： 7195.

[9]Alawadhi S， Scholl H J. Aspirations and Realizations： The Smart City of Seattle[C]//System Sciences （HICSS）， 2013 46th Hawaii International Conference on. IEEE， 2013.

[10]Batty， M. Big data， smart cities and city planning[J]. Dialogues in Human Geography， 2013， 3（3）： 274-279.

[11]Xu B， Yu G， Dai J， et al. Li-Fi： Light fidelity-a survey[J]. Wireless Networks， 2004， 21（6）： 1879-1889.

[12]Su K， Li J， Fu H. Smart city and the applications[C]// International Conference on Electronics. IEEE， 2011.

[13]Swami N V， Sirsat N B， Holambe P R. Light Fidelity （Li-Fi）： In Mobile Communication and Ubiquitous Computing Applications[M]//Advances in Computing Applications. Springer Singapore， 2016.

[14]Singh S， Kakamanshadi G， Gupta S. Visible Light Communication-an emerging wireless communication technology[C]// International Conference on Recent Advances in Engineering & Computational Sciences. IEEE， 2016.

[15]Centenaro M， Vangelista L， Zanella A， et al. Long-range communications in unlicensed bands： the rising stars in the IoT and smart city scenarios[J]. IEEE Wireless Communications， 2016， 23（5）： 60-67.

[16]Wei C C. Small-signal analysis of OOFDM signal transmission with directly modulated laser and direct detection[J]. Optics Letters， 2011， 36（2）： 151-153.

[17]Nadal L， Svaluto Moreolo M， Fàbrega， Josep M， et al. Low complexity PAPR reduction techniques for clipping and quantization noise mitigation in direct-detection O-OFDM systems[J]. Optical Fiber Technology， 2014， 20（3）： 208-216.

[18]Sun G， Wang R， Pu T， et al. Research of nonlinearity in OOFDM communication[C]//Optical Transmission Systems， Switching， and Subsystems VII. International Society for Optics and Photonics， 2009.

[19]Dissanayake S D， Armstrong J. Comparison of ACO-OFDM， DCO-OFDM and ADO-OFDM in IM/DD systems[J]. Journal of Lightwave Technology， 2013， 31（7）： 1063-1072.

[20]Liu， Tao. A novel scheme for demodulation of ACO-OFDM in the presence of DC offset[J]. Journal of the Franklin Institute， 2015， 352（3）： 802-812.

[21]Zhang T， Zhou J， Zhang Z， et al. A performance improvement and cost-efficient ACO-OFDM scheme for visible light communications[J]. Optics Communications， 2017， 402： 199-205.

[22]Qu D， Lu S， Jiang T. Multi-Block Joint Optimization for the Peak-to-Average Power Ratio Reduction of FBMC-OQAM Signals[J]. IEEE Transactions on Signal Processing， 2013， 61（7）： 1605-1613.

[23]Zhang H， Le Ruyet D， Roviras D， et al. Spectral Efficiency Comparison of OFDM/FBMC for Uplink Cognitive Radio Networks[J]. EURASIP Journal on Advances in Signal Processing， 2010， 2010： 1-15.

[24]Shaat M， Bader F. Computationally Efficient Power Allocation Algorithm in Multicarrier-Based Cognitive Radio Networks： OFDM and FBMC Systems[J]. EURASIP Journal on Advances in Signal Processing， 2010， 2010： 1-14.

[25]Medjahdi Y， M. Terré， Ruyet D L， et al. Inter-Cell Interference Analysis for OFDM/FBMC Systems[C]//IEEE Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications. IEEE， 2009.

[26]Xu J， Xu W， Zhang H， et al. Asymmetrically Reconstructed Optical OFDM for Visible Light Communications[J]. IEEE Photonics Journal， 2016： 1-1.

[27]Asadzadeh K， Dabbo A， Hranilovic S. Receiver design for asymmetrically clipped optical OFDM. [C]//IEEE Globecom Workshops. IEEE， 2011.

[28]Mondal M R H， Faruque R B. Hybrid diversity combined OFDM for LiFi[C]//IEEE International Conference on Telecommunications & Photonics. IEEE， 2018.

[29]Alaka S， Narasimhan L T， Chockalingam A. Coded Index Modulation for Non-DC-Biased OFDM in Multiple LED Visible Light Communication[J]. 2015.

[30]Saengudomlert P， Panta J， Sripimanwat K. Optimal sizing of QAM constellation for indoor optical wireless OFDM transmissions without bandwidth limitation[C]//Electrical Engineering Congress. IEEE， 2014.