面向6G的欠采樣相移鍵控可見光調制方案*

包榮珍，彭朗，賈松霖，馮春燕，朱志宇，楊洋**

（1.北京郵電大學信息與通信工程學院，北京 100876；2.航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）

0 引言

為解決未來高度智能、高度數字化和高度信息化社會對無線傳輸的需求，6G 無線網絡在無線連接的維度、廣度都將有巨大的提升，支持諸如超大帶寬視頻傳輸、超低延時工業物聯網、空天地一體互聯等諸多場景[1]。為支持上述愿景和應用，6G 通信系統的性能要求必須實現如1 Tbps 超大峰值速率和1 Gbps 超大用戶體驗速率、超低延時0.1 ms 和高移速通信、超高頻譜利用率等[2]。為了支持極高的峰值速率，支持的最大接入帶寬必須大幅增加。毫米波頻段可支持10 GHz 的帶寬[3]，而太赫茲和可見光頻段可高達100 GHz[4]，激光、可見光通信和太赫茲波段通信是6G 研究的主題之一。基于此，本文主要研究可見光通信在移動終端上的實現，提出了一種基于FEC-UPSOOK（Forward Error Correction-Undersampled Phase Shift On-Off Keying，前向糾錯的欠采樣相移鍵控）調制技術，降低了手機攝像頭幀率不穩定給通信系統的誤碼性能帶來的影響。

1 可見光通信技術

近年來，基于LED 的VLC（Visible Light Communication，可見光通信）技術受到廣泛關注[5]。與現有的無線通信技術相比，它具有頻譜資源豐富、安全性好、低成本等優勢[6-7]。根據接收端使用設備的不同，現有的可見光通信系統可以分為兩類：基于PD（Photodiode，光電探測器）的可見光通信系統和基于IS（Image Sensor，圖像傳感器）的可見光通信系統。其中，基于PD 的可見光通信系統一般用于高速數據傳輸場景，可以實現Gbps 速率級別的數據傳輸；基于IS 的可見光通信系統則主要用于室內環境中的定位和設備配對信息傳輸、車輛通信中的碰撞檢測、危險路況信息傳遞等[8-9]。相比于PD，IS 作為接收端接收視場角更大，能夠更大范圍的接收VLC 信號，這一通信方式也被稱為OCC（Optical Camera Communication，光學成像通信）。隨著半導體技術的迅速發展，大多數智能手機都內置了CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互補金屬氧化物半導體）相機，為OCC 提供了廣泛的硬件支持[10]。然而，由于手機攝像頭幀率低且不穩定，基于手機CMOS 相機實現高可用的可見光通信系統仍面臨巨大挑戰。

現有基于手機攝像頭的可見光通信研究主要是利用CMOS 相機的“卷簾效應”進行基于圖案明亮條紋信息的調制[11-17]，接收端根據亮暗條紋的寬度或頻率解碼。文獻[11] 通過反射表面捕捉圖像，以緩解LED 光斑的暈染效應，但是該方案造成了光功率的逸散，需要較高的LED 功率；文獻[12] 利用灰度圖像的所有灰度值數據進行信號解調來提高系統的魯棒性，相比于傳統解調方案中利用單列灰度值實現解調，其計算量成倍提升；文獻[13]通過灰度校正、直方圖均衡、高通濾波等實現復雜光環境中的數據傳輸，但是需要較長的數據處理時間。另外，文獻[14] 至[17] 利用數字圖像處理手段來提高系統的誤碼性能，但是其通信距離受到LED 大小和手機攝像頭硬件的限制，一般小于1 m，如文獻[14] 提出了一種基于LED 能量擴散的列灰度值選擇方案，有效提高了圖像的對比度，但通信距離只能達到30 cm；文獻[15] 提出了HyperSight 圖像解碼算法，利用灰度特征矩陣和臨界灰度值來替代傳統的單列灰度值及函數擬合閾值，可以實現距離為50 cm 的通信。

綜上所述，目前基于圖案明亮條紋信息調制方式的可見光通信系統中尚存在系統復雜度高、計算量大、通信距離短等問題。與此對應的是基于LED 亮滅狀態的欠采樣調制方案復雜度低、計算量小且不存在收發端距離的限制，如文獻[18] 提出了UPSOOK 調制方案，只需要計算不同狀態對應的灰度值范圍，復雜度低且通信距離可達15 m，文獻[19] 針對UPSOOK 調制方案中的各種問題構建了一套參數模型，在保證誤碼率極低的情況下使得通信距離增加到160 m。然而，手機攝像頭幀率不穩定的問題對于收發端同步要求很高的欠采樣調制方案而言是一個不小的挑戰[20]，目前還沒有利用手機攝像頭實現基于LED 亮滅狀態的欠采樣調制方案的相關研究。

基于此，本文針對手機攝像頭幀率不穩定的問題提出了FEC-UPSOOK 調制方案。首先為了消除收發端之間存在的相位誤差，設計了FEC-UPSOOK 的系統幀結構，然后通過設計自適應閾值計算策略，以避免收發端之間距離和角度的差異對采樣亮度值造成的影響，最后設計針對幀率抖動的前向糾錯機制進行糾錯，從而實現可見光信息的可靠傳輸。為驗證此方案的有效性，本文設計并搭建了基于手機攝像頭的可見光通信實測平臺，結果表明相比于傳統的UPSOOK 系統，FEC-UPSOOK 的系統誤碼率從10-1下降到10-3，有效地提高了誤碼性能。

2 系統模型

在OCC 系統中，隨著收發兩端距離、相對角度等因素的變化，接收到的圖像質量會出現明顯改變，影響到對發送信息的判定、識別，乃至信息恢復。OCC 系統接收的矢量信號可以表示為：

其中，信道矩陣H 由發送端和接收端之間的直流增益組成。LED 可以建模成朗伯輻射模型[21-22]，因此發送端到接收端的直流增益可以表示為：

其中，Ψin是入射角；Ts(Ψin) 是光學濾波器增益；g(Ψin)是聚光器增益；Ψir是LED 的輻射角；m是朗伯系數，可以通過LED 的半功率角φ1/2計算得到；D是收發機之間的距離；Ac是LED 在圖像傳感器上的投影面積。假設LED 實際物理尺寸為Al，則Ac可以表示為：

其中，f0是相機的焦距。則相機接收到的光功率為：

其中，Pt是LED 的發射光功率。

3 FEC-UPSOOK調制方案

目前大部分商用手機攝像頭的標準幀率為30 fps，即相機的采樣頻率fcamera=30 Hz，而LED 的閃爍頻率至少為100 Hz 才能不被人眼察覺到閃爍，頻率的差距意味著接收機不能完整地把每一個頻閃信息記錄下來。此外，手機攝像頭存在幀率抖動的問題，會造成誤碼率上升。為實現信息的準確接收，本文提出了FEC-UPSOOK 調制方案，包含幀結構設計，采樣自適應閾值解調策略以及針對幀率抖動的糾錯機制。

3.1 幀結構設計

FEC-UPSOOK 樣本信號波形如圖1 所示，由FH（Frame Header，幀頭）、多個周期方波信號表示的邏輯1 和多個周期反相方波信號表示的邏輯0 組成。

圖1 FEC-UPSOOK樣本信號波形

邏輯1 和邏輯0 方波信號的頻率分別用fmark、fspace表示，滿足：

相位分別用θmark和θspace表示，且滿足θmark=0°、θspace=180°。此外，幀頭也是一個方波信號，其頻率fFH滿足fFH?fcamera（fFH≥20 kHz）。由于相機的采樣信號是具備一定持續時間的矩形方波信號，這段持續時間稱為曝光時長（Exposure Time），因此相機采樣到的幀頭符號的亮度會低于正常高電平的亮度（“全亮”狀態）且高于正常低電平的亮度（“全暗”狀態），稱為“半亮”狀態。三種狀態如圖2 所示：

圖2 相機采樣到的LED的亮度（全暗、半亮、全亮分別對應邏輯0、幀頭、邏輯1）

在采樣過程中，每個視頻幀樣本代表一次采樣，但由于相機是隨機采樣，可能會出現圖3 所示的兩種采樣情況，造成接收端無法確定采樣到的“全亮”狀態是邏輯1 還是由于收發端相位差造成反向的邏輯0。例如，圖3 中第三個符號采樣2 的值是“全亮”，第四個符號采樣1 的值也是“全亮”，但是這兩個符號對應的邏輯值完全相反，因此需要一種策略來消除這種相位不確定性。

圖3 兩種可能的采樣情況

基于此，本文設計了一種幀結構如圖4 所示，包含SFD（Start Frame Delimiter，幀分隔符）、數據位和校驗位。

圖4 系統幀結構

SFD 由FH 和標志位合并而成，是消除相位不確定性的關鍵。每個SFD 由兩個符號組成：第一個符號是FH；第二個符號是標志位，是頻率為fmark的方波信號，符號周期為1/fcamera，其信號波形與邏輯1 的信號波形相同。對于接收機而言，只需要檢查SFD 的標志位就可以判斷是否存在由相位不確定性引起的誤差。如果SFD 中的標志位是“全亮”，這意味著相位不確定性不會引入誤差；但是如果標志位是“全暗”，就意味著相位不確定性會帶來誤差，后續數據幀中所有的信號邏輯值都應該與接收到的邏輯值相反。

除幀分隔符和數據位之外，每一幀結尾還有一位偶校驗位，是為了糾正由于幀率抖動造成的誤碼，具體將在第3.3 節的糾錯機制中詳細介紹。

3.2 自適應閾值解調策略

發送端按照上述幀結構發送數據后，接收端需要對每個發送符號采樣，然后通過采樣的亮度值來判斷其邏輯值，從而實現解調。然而在實際中，收發端之間距離和角度的差異會造成采樣亮度值的浮動，因此本文設計了一種自適應閾值解調策略來消除這種影響。首先，為了避免采樣誤差，需要采集每一幀圖像中以LED 像素中心為圓心的一定區域的亮度值，而根據式(3)，LED 投影尺寸的大小和收發機距離的平方成反比，在不同距離下由于LED 投影尺寸的不同，選取的區域大小需要具備一般性或自適應性，為了減少計算量，通過多次試驗得到區域大小與誤碼率的關系具體如表1 所示：

表1 區域大小與誤碼率的關系

因此，首先計算每一幀圖像中以LED 像素中心為圓心的7×7 像素點亮度值之和如下：

假設每一幀數據由N幀圖像組成，即包含符號個數為N，其中必定包含“全暗”、“半亮”、“全亮”三種狀態，因此為了計算區分這三種狀態對應亮度值范圍的閾值，本文選取了起始的M幀（M>N）圖像來計算閾值。首先將M幀圖像的亮度值之和從小到大排序，得到升序的亮度值序列Gsorted，對Gsorted中的元素逐個作差，得到差值序列，其中第i個值為：

其中，Dk表示第k幀圖像解調得到的數據，“1”、“2”、“0”分別表示邏輯1、幀頭和邏輯0。將Dk按順序存入解調序列S 中，即S={D1,D2,D3…}。

3.3 針對幀率抖動的前向糾錯機制

對于欠采樣通信系統而言，收發端頻率是否同步是一個關鍵問題。如果發送端的信號頻率fmark和fspace不能滿足式(6)，就有可能造成誤碼性能的嚴重損傷。由于設備參數并非完全理想，手機攝像頭通常存在幀率抖動的問題，盡管抖動的幅度很小，但是對于同步要求高的系統而言仍然會造成誤碼。具體表現為：在實際系統中，某一個采樣值會先跳變到“半亮”狀態，之后的采樣值也會與原本的采樣值狀態相反，從而產生誤碼。

圖5 展示了一種典型幀率抖動造成接收誤碼的波形圖。從第二個符號開始因幀率抖動采樣點產生偏移，到第三個符號時，采樣值先從“全亮”狀態跳變到“半亮”狀態，然后第四個符號的采樣值從“全暗”狀態跳變到“全亮”狀態，因此幀率抖動會嚴重影響系統的誤碼性能。

圖5 實際系統中幀率抖動造成的誤碼示意圖

本文針對這種情況設計了一種前向糾錯機制，圖6展示了該機制的整體流程。對于已解調的數據序列S 而言，如果其中相鄰幀頭，如第i個幀頭FHi和第i+1 個幀頭FHi+1之間的符號個數小于N，說明存在誤碼，接下來判斷相間幀頭FHi和FHi+2之間的符號個數，如果仍然小于N，說明FHi+1和FHi+2都是因誤碼形成的“幀頭”，無法判斷具體的跳變情況，則拋棄這一段數據；如果FHi和FHi+2之間的符號個數等于N，說明FHi+1就是由于幀率抖動而造成的誤碼，需要將其還原成數據，但是此時仍不清楚FHi+1是由邏輯1 還是邏輯0 跳變而成的。因此，首先假設其是由邏輯1 跳變而成的，將其還原成邏輯1，并且把后續的數據全部變成相反的邏輯值，然后再結合標志位來判斷所有的數據是否滿足偶校驗的規則，即數據位以及偶校驗位中是否包含偶數個邏輯1。如果滿足偶校驗，說明假設正確；反之，如果不滿足偶校驗，說明假設錯誤，需要將FHi+1還原成邏輯0 并將后續數據取反。

圖6 針對幀率抖動設計的前向糾錯算法流程圖

4 實驗平臺設計與搭建

4.1 硬件系統

平臺硬件系統結構如圖7 所示，主要包括發送端和接收端兩個部分。

圖7 硬件系統結構圖

發送端通過PC 產生數據，編碼封裝后通過USB 連接Arduino 開發板對數據包進行調制，由于Arduino 板輸出電壓有限，因此需要為LED 設計專門的驅動電路，將調制控制信號轉換為符合LED 伏安特性的電信號。LED驅動主要由DD312 芯片組成，該芯片是一顆低成本高性能恒定電流的LED 驅動芯片。LED 光源選用普通的商用白光LED。

接收端由手機攝像頭和接收端PC 組成。攝像頭使用的是榮耀V20 手機后置攝像頭，利用手機自帶的專業錄像模式錄制視頻，并傳送給接收端PC 完成解調、糾錯和解碼等任務。

4.2 軟件系統

平臺的軟件系統結構如圖8 所示：

圖8 軟件系統結構圖

發送端軟件包括編碼單元、數據封裝單元、調制單元等。數據封裝單元將SFD、數據位及校驗位封裝在圖8所示的數據包結構中，這些數據經過UPSOOK 調制后通過LED 光源發送至接收端。

接收端軟件主要由圖像處理單元、解調單元以及糾錯解碼單元組成。圖像處理單元使用OpenCV（Open Source Computer Vision Library，開源資源計算機視覺庫）先對視頻流中每幀圖片進行灰度化、二值化等一系列處理，進而實現LED 圖像的輪廓識別和像素中心定位，再利用上文所提的自適應閾值解調策略和前向糾錯機制進行解調及糾錯，待糾錯完成后進行解碼就可以得到原始數據并與發送端數據進行計較，從而計算誤碼率。

5 實驗設計與結果分析

下面對基于傳統UPSOOK 和FEC-UPSOOK 調制方案的可見光通信系統（以下簡稱UPSOOK 系統和FECUPSOOK 系統）進行性能測試。表2 為系統發送端和接收端的相關參數設置，為了避免環境光和噪聲干擾，接收端的曝光時間和感光度（ISO）分別設置為其可支持的最小值1/4 000 s、100。為了保證結果的準確性，通過在同一個位置進行多次重復實驗，取誤碼率的平均值作為當前距離或角度下的誤碼率。

表2 相關參數設置

5.1 不同傳輸距離下誤碼性能測試

圖9 展示了兩種系統誤碼率隨傳輸距離變化的曲線。收發機朝向平行，發射機輻射角為0°。發送端通過LED發送10 000 bits 二進制數據，接收端通過手機攝像頭接收信號，并將圖像數據傳輸給接收端PC 進行處理。可以看出，FEC-UPSOOK 系統誤碼率性能始終優于UPSOOK通信系統誤碼率性能。當距離小于3 m 時，UPSOOK 系統誤碼率保持在10-1左右，這種情況下無法實現正常通信，而FEC-UPSOOK 系統的誤碼率下降至10-3左右；當距離大于3 m 時，兩系統誤碼率均有所上升，但FECUPSOOK 系統誤碼率仍低于UPSOOK 系統的誤碼率，說明了本方案的有效性。

圖9 不同傳輸距離下誤碼率對比

圖10 展示了FEC-UPSOOK 系統中使用不同功率LED 時的誤碼率變化情況。可以看出，在本系統中使用發射功率更大的發射機可以獲得更好的誤碼性能。當傳輸距離大于3 m 時，使用功率為65 mW 的LED 的通信系統誤碼率明顯上升；當傳輸距離為5 m 時，誤碼率接近50%。而使用功率為130 mW 的LED 的通信系統誤碼率保持在10-2以下，且距離越大時性能提升越明顯。

圖10 使用不同功率LED誤碼率對比

5.2 不同輻射角度下誤碼性能測試

為了驗證當收發機朝向存在一定角度時本系統是否能夠正常通信，測試了發射機輻射角10°～80°的系統誤碼率。

角度性能測試場景示意圖如圖11 所示。典型室內場景天花板的高度約為2.8 m，人體坐高約為0.8 m，因此固定收發端傳輸距離為2 m，LED 平面法向量與收發機連線的夾角為輻射角θ。

圖11 角度性能測試場景示意圖

圖12 展示了FEC-UPSOOK 和UPSOOK 兩種通信系統誤碼率隨θ變化的曲線：

圖12 不同輻射角度下誤碼率對比

在10°～80°的測試角度范圍內，FEC-UPSOOK 系統誤碼率保持在10-3左右，而UPSOOK 系統誤碼率保持在10-1以上，這說明本文提出的FEC-UPSOOK 調制方案在輻射角度變化時也能有效提高誤碼性能，進而驗證了在一些實際場景中收發機朝向存在一定角度的情況下本系統的可靠性。

6 結束語

本文針對手機攝像頭幀率不穩定限制通信可靠性的挑戰提出了FEC-UPSOOK 調制方案，設計并實現了基于UPSOOK 的系統幀結構、自適應閾值計算策略和前向糾錯機制。此外，還搭建了一套基于手機攝像頭的可見光通信系統，并在不同距離和不同輻射角度下對系統的誤碼性能進行了測試。結果表明，本方案能明顯提升系統誤碼性能，相比于UPSOOK 系統，FEC-UPSOOK 系統誤碼率從10-1下降到10-3，并且當發射機輻射角在0°～80°時，誤碼率仍保持在10-3左右，驗證了本方案的有效性。