基于NOMA的無均衡可見光通信系統

祁兆赫

摘 要：可見光通信系統中的預均衡能提高LED帶寬，但會損耗能量。研究表明，輸入信號頻率數量級為KHz時，有97%的能量損失，當輸入信號頻率為100MHz時，有40%的能量損失。為了杜絕預均衡的能量損失，提出一種無均衡可見光通信系統，即發射端無預均衡電路，利用非正交（NOMA）技術為幾路信號分配不同大小的功率，并將這幾路信號進行疊加，然后傳輸給帶寬為50MHz的LED進行發射，接收端采用串行干擾消除技術進行解調。經過仿真，采用兩路信號在功率域疊加，與有均衡系統相比，在誤碼率為[3.8×10-3]時，無均衡系統能節省能量，即輸入信號頻率為100MHz時能夠避免97%的能量損失。因此，該無均衡可見光通信系統可以有效避免能量損失。

關鍵詞：可見光通信;預均衡技術;能量損失;無均衡通信;非正交多址

DOI：10. 11907/rjdk. 191892 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）005-0209-04

0 引言

白光LED如今已廣泛用于信號發射、顯示及照明等，與其它光源相比，白光LED具有更寬的調制帶寬，而且具有調制性能好、響應靈敏度高等優點[1]。利用LED的以上特性，可將信號調制到LED發出的可見光上進行傳輸。白光LED可以將照明與數據傳輸結合起來，從而促進了一種新型無線通信技術，即可見光通信（VLC）技術[2]的發展。與其它無線技術相比，VLC具有眾多優點：①由于白光對人眼安全性較高，室內白光LED燈的功率之和可高達10W以上，使得可見光通信具有非常高的信噪比，為其高速通信打下良好基礎;②由于室內表面對光的漫反射，即使在有遮擋的地方也可以進行高速率通信;③由于白光不可穿透墻壁甚至窗簾，因此可見光通信具有高度保密性;④由于白光與射頻信號不會相互干擾，所以其可以應用在電磁敏感環境中，如機艙、醫院等;⑤由于頻譜無需授權即可使用，所以可見光通信應用靈活，可以單獨使用，也可作為射頻無線設備的有效備份。

然而，VLC技術發展也存在一些限制因素[3]，其中最主要的挑戰在于白光LED帶寬有限，從而限制了傳輸速率。目前研究者們廣泛采用均衡技術以提高LED的可調制帶寬及傳輸速率。均衡技術是指利用電容和電阻的串并聯調節LED的頻率響應，根據均衡器放置的不同位置，可以分為預均衡技術和后均衡技術。如Le-Minh[4]提出一種預均衡電路，使得LED的3dB帶寬從20MHz提升到50MHz，采用不歸零（NRZ-OOK）數據傳輸方式，實現了100Mb/s的傳輸速率;Chow[5]使用RLC均衡器進一步提高帶寬，并且實現了84.44Mb/s-190Mb/s的傳輸速率;Chi[6-7]使用兩級橋T形電路作為預均衡電路，將LED可調帶寬提高到366MHz，通過16QAM-OFDM的調制數據傳輸速率可達到1.6Gbit/s。以上都是利用均衡電路增加LED可調帶寬，但這些均衡電路在增加LED可調帶寬的同時，是以消耗大量功率為代價的，即可見光通信系統中如果存在均衡電路，發射端就會有很多功率被均衡電路消耗掉，發射端必須補償相應功率，因此需要消耗大量功率。

因此，本文提出一種無均衡的可見光通信系統，即利用非正交多址（NOMA）技術[8]實現無均衡通信。非正交多址允許多個用戶共享相同的時間和頻率資源，即在功率域疊加不同信號，以充分利用LED的原始帶寬。接收端采用串行干擾消除（SIC）技術解調信號，以達到與帶有預均衡電路系統相同的速率，從而不需要借助均衡電路提高LED可調帶寬，實現高速率傳輸，達到減少能量損失的目的。

1 均衡系統

1.1 均衡電路

圖1（a）為可見光通信系統中均衡電路所在位置[9]，圖1（b）是該系統中使用的一種均衡電路。在該均衡電路中，將[R2、C1、L1]組成的網絡等效阻抗設為[Z1]，由[R3、C2、][L2]組成的網絡等效阻抗設為[Z2]。其中[R1]=[R5]，[R0]=[RL]，[RL]表示負載。

1.2 均衡電路能量損失

本文使用電路仿真軟件Multisim搭建預均衡電路，如圖2所示，所選的電容器、電感器、電阻器參數與上文一一對應。為了計算信號通過該均衡電路的功率損耗，使用萬用表XMM1、XMM2分別測量輸入端的電壓值[Ui]和電流值[Ii]，以及負載[RL]端的電壓值[UL]和電流值[IL]。根據功率計算公式：

2 無均衡系統

2.1 NOMA通信系統發射端

非正交多址（NOMA）也稱為功率域多址技術[11]，是5G無線網絡中使用的一種技術[12]。在非正交多址（NOMA）中，發射端使用疊加編碼技術，通過給不同用戶按比例分配不同功率，將各個用戶進行疊加，從而使每個用戶都能使用整個帶寬。NOMA通信系統發射端如圖3所示。

如圖3所示，該NOMA系統中包含n個用戶，該n個用戶分別按照各自的調制方式進行調制。令[αi]表示第i個用戶所分配功率的比例，[Pi]表示第i個用戶被分配的功率，P為總功率，因此有[Pi=αiP]，即[i=1nαi=1]，認為[α1>α2>？>αn]。

2.2 NOMA通信系統接收端

NOMA接收端采用串行干擾消除（SIC）技術[13-15]，即按照功率分配比例系數[α1>α2>？>αn]降序的順序進行解調。由于用戶1所分配的功率較大，所以先將用戶1的信號解調出來，如圖4所示。在解調用戶2的信號時，先將用戶1的信號減去，再解調用戶2的信號，后面依此類推，此即為串行干擾消除（SIC）技術的原理。

3 結果與分析

本文提出NOMA無均衡系統的多個用戶疊加和速率與用戶數關系如圖5所示。從圖中可以看出，當只有1個用戶時，傳輸速率與LED帶寬接近，隨著用戶數的增加，剛開始傳輸和速率呈明顯上升趨勢，但達到一定用戶數量時，和速率不再繼續增加，反而下降。這是由于通信系統功率有限，隨著用戶數的增加，每個用戶所分配的功率減少，信噪比下降，導致速率下降。

接下來將均衡系統與無均衡系統進行對比，無均衡系統即本文所指NOMA系統。選擇3個用戶的NOMA系統，首先對3個用戶信號分別進行調制，然后按照文獻[16]所述的增強型功率分配方法（EPA）對3個用戶分配功率進行疊加傳輸，接收端采用串行干擾消除技術進行解調。對比兩種系統在相同輸入功率下的誤碼率[17-19]如圖6所示，從圖中可以看出，當誤碼率相同時，無均衡系統相比均衡系統可以節省大量能量。但是隨著輸入功率的增加，均衡系統性能仍優于無均衡系統，兩種系統各有優缺點。

4 結語

本文首先研究了可見光中的預均衡電路，該預均衡電路能夠提高LED的可調帶寬，即將LED帶寬從50MHz提高到125MHz。但該均衡電路在輸入信號頻率數量級為KHz時，會有97%的能量損耗，在輸入信號頻率為100MHz時，也有40%的能量損耗。因此，提出一種無均衡可見光通信系統，即利用非正交多址（NOMA）技術通過分配不同功率將幾路信號在功率域疊加[20]。本文采用兩路信號疊加，并通過仿真與均衡系統進行對比，在誤碼率為[3.8×10-3]時，該系統相比均衡系統能夠杜絕97%的能量損耗。然而，本文只討論了兩路信號疊加，還可以疊加更多路信號，路數越多，系統越復雜，接收端解調越困難。未來可以研究更多路信號疊加及其接收端解調技術，以充分利用50MHz的LED帶寬，進一步提高頻帶利用率。

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（責任編輯：黃 健）