可見光MIMO 通信系統自適應均衡技術的研究

蔡翠翠,王本有,孟憲猛

(1.皖西學院電子與信息工程學院;2.安徽博微長安電子有限公司,安徽六安237012)

可見光MIMO 通信系統自適應均衡技術的研究

蔡翠翠1,王本有1,孟憲猛2

(1.皖西學院電子與信息工程學院;2.安徽博微長安電子有限公司,安徽六安237012)

在室內可見光通信MIMO通信系統中,信號的多徑傳輸會產生嚴重的碼間干擾,影響系統的傳輸性能.為了減小系統的碼間干擾,通過室內可見光MIMO通信系統的信道特性分析,采用最小二乘法(LMS)、遞歸最小二乘(RLS)算法對信道進行補償.仿真結果顯示,采用均衡技術可以有效降低系統的誤碼率,相比LMS算法,系統采用RLS算法的誤碼率更低,收斂速度更快.

可見光通信;碼間干擾;MIMO;均衡技術

0 引言

可見光通信是一種新型無線光通信技術,利用實際照明LED發出高速的、人眼無法察覺的閃爍信號來進行信息傳輸,具有無射頻輻射、無需頻譜資源申請、安全性好等優點,[1－2]受到廣泛關注.但LED的低調制特性,會限制信號的高速率傳輸.因此,將多輸入多輸出(MIMO)技術應用到室內可見光通信中,可獲得較高的系統增益,提高信號傳輸速率和系統可靠性.[3－4]

由于室內環境的復雜性,信號傳輸過程中會經過直射和多次反射進入接收端,多徑傳輸會產生嚴重的碼間干擾,影響了可見光通信系統性能與穩定性.[5－6]對于傳統的無線通信,信道均衡技術可以有效解決系統的碼間干擾問題,但可見光通信受到光強的限制,不能將無線通信的均衡技術直接應用于可見光通信中.目前關于可見光通信均衡技術文獻研究大多是單輸入單輸出,而關于可見光MIMO通信均衡技術的研究還很少,對室內可見光MIMO通信的自適應均衡技術進行研究,分別采用LMS算法和RLS算法對信道的傳輸進行均衡補償,并分析系統的性能.

1 信道特性分析

室內可見光MIMO通信系統的發射端對光功率進行強度調制,通過LED進行信號發射,信號通過自由空間到達接收端,接收端進行直接檢測恢復傳輸的信息,如圖1所示.假設系統具有Nt個LED發送端和Nr個光檢測器,接收端接收的可見光信號可以表示為:

其中,Y＝[y1,…,yNr]T為接收端的信號矢量,X＝[x1,…,xNt]T為發送端的信號矢量,H是信道矩陣,N＝[n1,…,nNt]T為噪聲矢量,H是Nr×Nt維信道傳輸矩陣,表示為:

其中,hntnr表示為發送端nt和接收端nr之間的傳輸系數.

圖1 室內可見光通信系統示意圖

對于室內環境,信息的傳輸距離短,鏈路間的時間色散可以忽略不計.由朗伯輻射模型可知,[7]信道增益表示為:

其中,k為朗伯輻射階數,k＝－ln(2)/ln (cosφ1/2);φ1/2為半功率角;Ψ1/2為視場角(FOV)的1/2,A是接收端光檢測器的接收面積;d是發送端nt到接收端nr的距離;φ是發送端的發射角;φ是接收端的入射角.如果接收端光檢測器超出視場角范圍,則hntnr為0.

2 自適應均衡技術

通過對信道特性分析可知,可見光MIMO通信信道是個復雜的多徑信道,信號傳輸會產生嚴重碼間干擾,自適應均衡技術是指在系統中插入一種可調濾波器來補償系統的性能,可以有效減少碼間干擾對系統的影響.

圖2 室內可見光通信系統的自適應均衡

自適應判決反饋均衡是由前置反饋濾波器(FFF)和后置反饋濾波器(FBF)兩部分組成[8].后置反饋濾波器的抽頭系數由前一時刻的均衡器輸出信號決定,可以進行實時更新,用于減小下一個時刻信號傳輸產生的碼間干擾.自適應均衡器的輸出信號可表示為:

式中,c?n和F?i分別為前置濾波器和后置濾波器的抽頭系數;yk－n為當前時刻均衡器的輸入信號;dk－i為前一時刻均衡器反饋的輸出信號; NFF和NFB分別為前置、后置濾波器的抽頭數.

自適應均衡可以根據不同的準則,采用不同的算法,下面分別對最小均方(LMS)算法和遞歸最小二乘(RLS)算法進行分析.

2.1 LMS算法

最小均方算法(LMS)是B.Widrow和Hoff基于最小均方誤差準則而提出的,[9]實現相對簡單,得到廣泛應用.

假設y(n)＝[yn,yn－1,…,yn－N]為均衡器的輸入信號向量,w(n)＝[w0,w1,…,wN]T為均衡器的抽頭權系數那個向量.如果均衡器的期望輸出信號已知,則誤差信號e(n)為

其中在第n時刻均衡器輸出d∧(n),若該時刻期望得到的信號為d(n).

LMS算法是最簡單的均衡算法,假設變量n為迭代序列,LMS算法的迭代過程可以表示為:

式中,λ為控制算法收斂速度和穩定性的步長因子.

2.2 RLS算法

RLS算法是一種遞推的最小二乘算法,[10]主要是利用已知的初始條件進行計算,并通過輸入新數據信息對原來的濾波器參數進行數據更新.性能函數如下式表示:

其中,λ稱為遺忘因子,取值范圍為0＜λ＜1.λ值越小,跟蹤能力越強.

誤差信號為e(n)＝d(n)－d∧(n),其中在第n時刻均衡器輸出d∧(n),若該時刻期望得到的信號為d(n).

RLS算法迭代過程為:

3 仿真分析

針對前面分析的室內可見光MIMO通信系統信道模型,假設房間的長為5米,寬為5米,高為3米,室內可見光通信系統有4個LED光源發射機,分別位于(1,1,3)、(1,4,3)、(4,1,3)和(4, 4,3),接收端有四個光檢測器,分別位于(1,1,1)、(1,4,1)、(4,1,1)和(4,4,1),其它的仿真參數如表1所示.[11－13]

表1 系統仿真參數

分別從誤碼率、均方誤差、收斂速度等方面對RLS和LMS算法進行仿真分析.假設均衡濾波器的階數均為8,迭代步長為0.01,遺忘因子為0.99,數據傳輸速率為400 Mbit/s,仿真結果如下圖所示.

圖3為RLS算法和LMS算法信噪比與誤碼率的關系曲線.從圖中可以看出,相對未均衡,采用RLS算法和LMS算法對信道進行均衡,可以有效降低系統誤碼率,提高通信質量.另外,相對LMS算法,RLS算法對信道進行均衡,系統的誤碼率得到進一步降低,系統性能更優.

圖4為RLS算法和LMS算法收斂性能曲線,從圖中可以看出,RLS算法的收斂速度更快, RLS算法只需迭代50次就可以達到穩定狀態,而LMS算法需要迭代250次以上才可以達到收斂狀態.

圖3 RLS均衡和LMS均衡誤碼率曲線

圖4 RLS均衡和LMS均衡收斂性能曲線

4 結束語

首先分析建立了室內可見光MIMO通信的信道特性,為減小多徑效應對室內可見光MIMO系統的影響,研究室內可見光MIMO通信自適應均衡技術,分別采用LMS、RLS算法對通信信道進行均衡補償.結果顯示,采用均衡技術進行信道均衡補償,可以有效降低系統誤碼率,提高了信號的傳輸質量.

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[責任編輯 范 藻]

Research on Equalization Technology for Visible Light MIMO Communication System

CAI Cuicui1,WANG Benyou1,MENG Xianmeng2
(1.Electronics and Information Engineering School of West Anhui University,Lu’an Anhui 237012; 2.Anhui Brainware Chang’an Electronics Co.,Ltd.,Lu’an Anhui 237012,China)

In the indoor visible light communication(M IMO)communication system,multipath transm ission of signals causes serious inter symbol interference,which affects the transm ission performance of the system.In order to reduce the inter symbol interference,the channel characteristics of indoor visible light M IMO communication system are analyzed by using least square method(LMS)and recursive least squares(RLS)algorithm.The simulation results show that the algorithm can reduce the bit error rate of the system effectively,and compared w ith the LMS algorithm,the RLS algorithm has lower bit error rate and faster convergence rate.

visible light communication;ISI;M IMO;equalization technology

TN929.1

A

1674－5248(2017)05－0019－04

2017－05－10

安徽省高校省級自然科學研究項目(KJ2010B265);安徽省質量工程項目(2015jyxm289)

蔡翠翠(1989—),女,安徽宿州人.助教,碩士,主要從事無線通信、可見光通信技術研究.