基于Light Fidelity在智慧環境的運用

陳虹旭 于川岳 李曉坤

摘 ?要： 智慧環境，作為互聯網技術與環境信息化技術的結合體，顯然需要多種多樣的信息與數據傳輸手段，將智慧環境與Light Fidelity技術相結合，更利于環境信息化管理。針對Light Fidelity在智慧環境運用過程中存在的“陰影效應”問題進行探討與研究，提出基于Haar小波的DWT-OFDM的調制解決方案。同時，分析Polar Code在基于OOK技術的Light Fight通信運用中存在的優勢，建立Light Fidelity在智慧環境中的通信系統模型，分析在總衰減系數不同的情況下，Light Fidelity的接收光功率與通信距離的變化關系，并采用加權系數法，優化Light Fidelity路徑損耗的計算以及Light Fidelity在智慧環境中的通信性能。

關鍵詞： Light Fidelity;智慧環境;Haar DWT-OFDM;Polar Code

中圖分類號： TN929.12 ???文獻標識碼： A ???DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.037

【Abstract】： Smart environment， as a combination of Internet technology and environmental information technology， obviously needs various means of information and data transmission. The combination of smart environment and Light Fidelity technology is more conducive to environmental information management. Having discussed and studied the “Shadow Effect” of Light Fidelity in the smart environments applications， and the modulation solution of DWT-OFDM based on Haar wavelet is proposed. Meanwhile， the advantages of Polar Code in Light Fidelity communication application based on OOK technology are analyzed， and having built the model of Light Fidelity in the smart environment of the communication system and analysis in total attenuation coefficient of different cases， the Light Fidelity receiving optical power and the change of the communication distance， and weighted coefficient method is adopted to optimize Light Fidelity path loss calculation and the performance in which Light Fidelity in the smart environment of communication.

【Key words】： Light Fidelity; Smart environment; Haar DWT-OFDM; Polar Code

0 ?引言

隨著IEEE協會在2014年發布802.11ax標準將Wireless Fidelity（無線保真技術，Wi-Fi）推向新的發展浪潮[1-2]，但因Wi-Fi以電磁波為信息載體，從而存在一些痛點——易發生電磁波干擾、頻帶資源有限等等[3]。光保真技術（Light Fidelity，Li-Fi）利用LED燈作為通信發射源，在LED燈中安裝微型芯片，采用開關鍵控（On Off Keying，OOK）技術控制LED燈明滅閃爍，實現信息傳輸目的[4-6]，這意味著Li-Fi不僅建設成本低，而且在無線 通信領域將彌補Wi-Fi等技術的不足。將Li-Fi與智慧環境相結合打造環境信息化，更利于踐行“綠水青山就是金山銀山”的發展理念[7]。本文針對Li-Fi在智慧環境的運用過程中遇到的難點進行研究與探討，并給出相關可行性方案。

1 ?Haar DWT-OFDM

Li-Fi通信的可見光波長范圍一般為380 nm～ ?780 nm[8]。通常情況下，物體的尺寸遠大于此范圍，衍射效果不明顯，光只能沿直線傳播[9]。當物體進入可見光的通信信道時，光線被阻擋，形成所謂的“陰影效應”[10-12]，即光線被阻擋導致接收器無法接收到光信號。針對上述問題，可以采用多發射源的方式來解決，如圖1所示。

采用多發射源就會存在一個問題：將單一信道變成多個子信道（多載波信號），會導致多信號傳輸時各個子信號之間相互重疊，發生串擾[13-15]。

正交頻分復用（OFDM）可提高LED的窄帶調制帶寬、Li-Fi頻譜效率以及通信速率[16]。然而，由于時域信號的疊加效應，系統的峰均比過高，雙極性復數

5 ?結語

本文介紹了在基于Li-Fi技術于智慧環境的運用過程中，主要存在的痛點及解決方案。為克服“陰影效應”問題，提出了一種基于Haar小波的DWT-OFDM調制技術的可行性方案，并探討了Polar Code在Li-Fi通信的OOK技術中的應用。同時，建立了Li-Fi在智慧環境中的通信系統模型，分析了在基于該模型的Li-Fi通信運用中產生的問題，并提出相關解決方案。通過實驗可以看出，路徑損耗主要受通信距離的影響，用指數加權函數優化路徑損耗計算方法從而得到的數據比傳統模式下的計算方法要小，并且隨著通信距離的增加，這樣的優勢越發明顯，而接收光功率不僅受通信距離的影響，還受總衰減系數的影響，這表明Li-Fi受環境因素制約的同時也受通信距離的限制，因此，Li-Fi更適用于短距離通信，這樣的性質使得Li-Fi在智慧環境中一些要求高速通信、安全性高、通信距離短的領域中得到更好地運用，并在智慧環境中，可以有效彌補其他無線通信的不足。

參考文獻

[1]Der-Jiunn Deng， Kwang-Cheng Chen， et al. IEEE 802. 11ax： Next generation wireless local area networks[J]. QSHINE， 2014 10th International Conference on， 2014： 77-79.

[2]Li Qishan， Hu Zhiqun， et al. On-line learning algorithm for dynamic sensitivity control in IEEE 802. 11ax network[J]. The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications， 2018： 67-68.

[3]Ali Tufail， Mike Fraser， et al. An empirical study to analyze the feasibility of WIFI for VANETs[J]. IEEE Conference on Computer Communications， 2008： 553-554.

[4]Vasu Dev Mukkua， Sebastian Langa， et al. Integration of LiFi Technology in an Industry 4. 0 Learning Factory[J]. Procedia Manufacturing， 2019： 224.

[5]Rashed Islam， M. Rubaiyat Hossain Mondal， et al. Hybrid DCO-OFDM， ACO-OFDM and PAM-DMT for dimmable LiFi[J]. Optik， 2019： 939-940.

[6]Mithun Mukherjee， Jaime Lloret， et al. Leveraging light-fidelity for internet of light： State-of-the-art and research challenges[J]. Internet Technology Letters， 2018： 1-2.

[7]Xue-xuan Xu， Tong-jun Ju， et al. Sediment sources of Yan'gou watershed in the Loess Hilly region China under a certain rainstorm event[J]. SpringerOpen， 2013： 2-3.

[8]Gonzalez-Camejo， Viruela， et al. Dataset to assess the shadow effect of an outdoor microalgae culture[J]. Data in brief， 2019： 1-25.

[9]Januszkiewicz， Lukasz. Analysis of human body shadowing effect on wireless sensor networks operating in the 2. 4 GHz band[J]. Sensors， 2018： 1-2.

[10]Ali， Hatam H.， Sunar， et al. Realistic real-time rendering of light shafts using blur filter： considering the effect of shadow maps[J]. Multimedia Tools and Applications， 2018： 1-2.

[11]Hatam H. Ali， Mohd Shahrizal Sunar， et al. Realistic real-time rendering of light shafts using blur filter： considering the effect of shadow maps[J]. Multimedia Tools and Applications， 2018： 1-3.

[12]Park， Cheol Young， et al. Effects of surface treatment of ITO anode layer patterned with shadow mask technology on characteristics of organic light-emitting diodes[J]. Organic Electronics， 2013： 1-2.

[13]Nihat Daldal， et al. Classification of multi-carrier digital modulation signals using NCM clustering based feature- weighting method[J]. Computers in Industry， 2019： 45-46.

[14]Zhang Xing， et al. Blind interference detection and recognition for the multi-carrier signal[J]. The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications， 2017： 48-50.

[15]Sasan Mahmoodi. Discontinuity preserving method for noise removal of multi-carrier signals[J]. Signal Processing， 2017： 8-9.

[16]Jia Kejun， et al. Modeling of Multipath Channel and Performance Analysis of MIMO-DCO-OFDM System in Visible Light Communications[J]. Chinese Journal of Electronics， 2019： 630-631.

[17]Haochuan Song， et al. Polar-coded forward error correction for MLC NAND flash memory[J]. Science China Information Sciences， 2018： 1-16.

[18]I. Tal， et al. How to construct polar codes[J]. IEEE Trans. Inf. Theory， 2013： 6562-6582.

[19]T. Koike-Akino， et al. Bit-interleaved polar-coded OFDM for low-latency M2M wireless communications[J]. Proc. IEEE Int. Conf. Commun.， 2017： 1-7.

[20]HE Jing， et al. An Efficient Encoder-Subcarrier Mapping Method Combined With Polar Code for Visible Light Communication[J]. IEEE Access， 2019： 69120-69121.

[21]I. Tal， A. Vardy. List decoding of polar codes[J]. Proc. IEEE Int. Symp. Inf. Theory， 2011： 1-5.

[22]L. Liu， et al. High performance and cost effective CO-OFDM system aided by polar code[J]. Opt. Express， 2017： 2763-2770.

[23]Irina Stefan， Hany Elgala， Harald Haas. Study of dimming and LED nonlinearity for ACO-OFDM based VLC systems[J]. IEEE Wireless Communications and Networking Conference， 2012： 990-991.

[24]Farshad Miramirkhani， Murat Uysal. Visible Light Communication Channel Modelingfor Underwater Environments WithBlocking and Shadowing[J]. IEEE Access， 2017： 1084- 1085.

[25]N. Lourenc， et al. Visible light communication system for outdoor applications[J]. Proc. 8th Int. Symp Commun Syst， Netw Digit Signal Process， 2012： 1-6.

[26]T. Komine， M. Nakagawa. “Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights[J]. IEEE Trans Consum Electron， 2004： 100-107.

[27]L. Liu， et al. Performance evaluation of high-speed polar coded CO-OFDM system with nonlinear and linear impairments[J]. IEEE Photon， 2017， Art. no. 7202909.

[28]J. He， et al. An ISFA-combined pilotaided channel estimation scheme in multiband orthogonal frequency division multiplexing ultra-wideband over fiber system[J]. Proc. IEEE Symp. Comput. Commun. （ISCC）， 2015： 913-917.

[29]K. Niu， et al. Polar codes： Primary concepts and practical decoding algorithms[J]. IEEE Commun. Mag.， 2014： 192-203.

[30]Yan Zhou， et al. Beam spreading， kurtosis parameter and Strehl ratio of partially coherent cosh-Airy beams in atmospheric turbulence[J]. Optik， 2019： 656-657.