可見光通信系統定時同步算法優化

江西科技學院信息工程學院 方森鵬 張 超 邱 嵐

根據VLC和正交頻分復用調制的特點，分析三種經典算法：S&C算法、S&C優化算法和Minn算法，通過對其定時測量功能和幀頭結構改進，尋找到了一種改進的IA算法，可以有效解決傳統算法實時性不足和抗干擾能力弱的問題。

隨著移動互聯網的迅速崛起，移動互聯網技術對社會的方方面面都是不可或缺的。其中，移動通信技術也發展迅速，滿足了人們視頻、娛樂和購物等各種需求。然而，傳統無線通信的頻譜資源很難滿足人們突發的、爆炸性的交通需求。此外，傳統的無線通信還受到信道頻帶、頻譜許可、電磁輻射干擾等方面的限制，難以在社會生活的一些領域得到廣泛應用。

基于這一現狀，可視光通信(VLC)技術被提出作為室內綠色無線通信技術的新解決方案。可見，光通信技術與傳統的射頻通信相比，具有通信和無線數據傳輸的功能。此外，可見光波段覆蓋在380nm和760nm之間，有相當多的可用通信頻段可以直接使用，為解決頻譜資源不足的問題提供了一種方法；其次，可見光通信系統不易產生電子干擾，可廣泛應用于航空、醫院、煤礦等電磁敏感領域。由于VLC的傳輸介質較輕，不能穿透墻壁或不透明的障礙物，因此其保密性和安全性得到了很大的提高。由于這些特點，非常適合室內無線通信。

1 LED通信系統

1.1 光學保真技術

光保真是通信領域研究人員正在研究的前沿技術。主要是我們日常照明中使用的發光二極管，它能發出肉眼無法察覺的高速開關信號來傳遞信息。在系統的接收端，主要使用PIN光電二極管接收高速閃爍的光信號，然后通過OFDM解調獲得所需的通信數據。與前幾代熒光燈、鈉燈、白熾燈等光源相比，LED燈具有亮度調節容易、發光效率高、中心波長易于控制等特點，作為可見光無線通信的“媒介”具有得天獨厚的優勢。通過LED進行可見光無線通信的方式也稱為光學保真技術。

1.2 OFDM調制

普通多載波調制將信號頻帶分成若干不重疊的子信道，將有效信號加載到每個子信道上，通過并行傳輸降低符號間干擾的影響。雖然這是一種消除碼間干擾的有效方法，但它占用了大量的頻譜資源，降低了頻譜效率。正交頻分復用是在普通多載波調制技術的基礎上發展起來的。它的主要原理是將信道分成幾個正交的子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子流，并在每個子信道上調制它們以供傳播。這種調制還需要在N個子載波上加載信號，并通過子信道傳輸，允許子信道相互重疊，提高頻譜效率，并在接收端通過相關技術將其分離，這樣可以減少子信道的數量。

1.3 室內可見光信道模型

經典可見光信道通信模型考慮了信道的多徑效應，覆蓋直接信道和任意次數的傳輸信道。但是這個模型只考慮了單個LED的存在，在實際應用中，可見光通信系統是由多個LED燈完成的。本文基于可見光經典信道通信模型存在的不足，構建了如圖1所示的室內VLC信道模型。室內空間坐標系以樓層平面中心為坐標原點構建。根據照度均方誤差最小的準則，考慮一次反射，LED圓形布局方案在照度分布上比傳統的矩形布局模型更加優化，通信性能更強，接收功率分布的均勻性更好，信噪比更小。

圖1 VLC系統模型圖

2 傳統的定時同步算法

在VLC系統中，一般采用OFDM調制來提高頻譜利用率，并在傳輸信號前加上保護間隔，從而消除載波間干擾，減少多徑效應的影響。而正是因為他的保護間隔，在噪聲干擾和低信噪比的情況下，信號定時模糊現象更加嚴重。為了降低這種影響，下面介紹三種經典算法。

2.1 S&C算法

S&C算法原理是通過一個唯一的符號與兩個重復部分同步定時，是一種經典的符號同步算法。，但是會產生“模糊相關峰值定時”的問題，降低系統的實時性和抗干擾能力。

2.2 S&C優化算法

針對于S&C算法存在的不足，以及他的“相關峰值定時模糊”問題，提出了他的優化算法。他與之前的算法相比，擁有更加明顯的峰值，減少了“相關峰值定時模糊”的影響，但是該算法抗干擾能力卻不盡人意。

2.3 Minn算法

該算法主要是擴展了幀頭結構，使相關峰值更清晰。與S&C算法相比，其實時性更好。由于該算法對幀頭結構進行了擴展，導致循環結構較多，且存在子峰和尖峰等問題。

3 IA改進算法

該算法主要是改進了幀頭結構和定時測量函數兩個方面，來減少二次峰值干擾的影響，幀頭結構如圖2所示。

圖2 IA改進算法的幀頭結構

3.1 AWGN信道中定時測量函數仿真

為了更加清晰直觀的了解IA改進算法的優勢，我們對S&C算法、S&C優化算法、Minn算法和IA改進算法的定時測量函數進行仿真實驗。在15dB噪聲比情況下，四種算法在AWGN信道中定時測量函數仿真結果如圖3所示。

圖3 AWGN信道中的仿真結果

3.2 多徑衰落信道中的定時測量函數的仿真

四種算法在多徑衰落信道中的定時測量函數的仿真結果如圖4所示。

圖4 多徑衰落信道中的仿真結果

從圖4中我們可以清晰看出IA改進算法只有一個尖銳的峰值，解決了相關峰值平臺的問題，同步效果更好。

3.3 誤碼率的仿真

四種算法在AWGN信道中誤碼率仿真結果如表1所示，四種算法在多徑衰落信道中的誤碼率仿真結果如表2所示。

表1 在AWGN信道中的誤碼率

表2 在多徑衰落信道中的誤碼率

從表中不難看出，IA改進算法比傳統算法更好的實時性和更低的誤碼率。

對于VLC系統來說，抗干擾能力和實時性是判斷其性能的重要指標。但是通過對傳統算法的分析，我們可以知道它們仍然存在一些不足。面對這種情況，本文通過改變傳統算法的幀頭結構和定時測量的功能，提出了一種改進算法——IA改進算法，彌補了傳統算法的不足。通過觀察在AWGN信道和多徑衰落信道下這四種算法的定時測量函數和誤碼率的仿真實驗，可以清楚地看到改進后的IA算法具有更好的實時性、更低的誤碼率和更強的抗干擾能力。