基于Light Fidelity在智慧環境的運用

陳虹旭 于川岳 李曉坤 劉清源 孫怡然 董濰赫

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

本文著錄格式：陳虹旭， 于川岳， 李曉坤， 等. 基于Light Fidelity在智慧環境的運用[J]. 軟件，2020，41（09）：137140+144

【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

OFDM時域信號不能應用于可見光通信系統強度調制的直接檢測中。這時，可以利用基于離散小波變換的OFDM（DWT-OFDM）進行多載波調制，來抑制系統的峰均比。DWT-OFDM可見光通信系統如圖2所示。

由于OFDM系統對正交性要求很高，因此選擇了正交性、緊支撐性均良好的小波基Haar小波，其定義式如式（1）：

其中，C為常數。圖3為OFDM信號的幅度分布，圖4為時域的DWT-OFDM信號。

2? Polar Code

Li-Fi通信系統鏈路易受到噪聲的影響，通常采用前向糾錯（FEC）來提高系統的可靠性，傳統的FEC碼[17]，如RS（Reed-Solomon）碼、LDPC（low-density parity check）碼和極化碼（Polar Code），前兩種FEC碼會導致Li-Fi通信系統結構變復雜，傳輸效率低[18]，而Polar Code能夠驗證香農容量，可以避免這些問題，其簡單的編碼結構和更好的糾錯性能[19]，可應用于OOK技術中，由于極化碼是基于信道而構造的，限制其不能應用于頻率衰減的信道中，為了減少由于頻率衰減而引起的損耗，提出了一種結合極化碼的編碼器與副載波映射的方法[20-22]，如圖5所示。

在發送端，假定對于一個碼字x，其長度為N（N=2n，n為正整數），某信息的二進制序列長度為K，因此，編碼率為：

2×2極化核的n倍Kronecker積。圖6為Polar Code與二進制相移鍵控（BPSK）的對比圖。

3? 系統模型

在智慧環境中，可以建立數據采集系統[23]，如圖7為Li-Fi通信系統模型。

此外，可見光在某些智慧環境中傳輸信號會有路徑損耗（Path Loss），其包括衰減損耗（Attenuation Loss）和幾何損耗（Geometrical Loss）[24-26]。

衰減損耗（PAL）一般用Beer-Lambert定律來定義：

其中，c（λ）為總衰減系數，x為通信距離。衰減損耗的前提——首先，光源發射器和信號接收器是完全對準的;其次，即便在實際情況中一些散射光子在多次散射之后仍可以到達接收器，但是所接收到的散射光子仍會消失[27-29]。為了解決該問題，提出了兩個指數的加權函數（PML）：

其中，u1、u2、v1、v2均為加權參數（the weighting parameters，TWP），都通過最小均方算法（LMS）對統計模擬方法（Monte Carlo Method）得到的仿真數據進行計算而得出。

而幾何損耗，是由于光在環境中發生折射和散射所造成的，這會導致光信號大量損耗，幾何損耗可表示為：

其中S為光電探測器面積，φ是輻射角度，m為朗伯（Lambertian）輻射階數，其表達式為：

其中φ1/2為光源發射半角。

而光斑的擴展也會限制無線光信號的傳輸[30]。光斑擴展特性受光源發散角、光源設備的發射半徑、光學天線設備的接收半徑以及通信距離的影響。光信號的傳輸不僅受光斑擴展的影響，還受固有光學特性的影響。圖8為Li-Fi通信光斑幾何模型。

4? 實驗與分析

根據第3節式（12）-（15），用Matlab對路徑損耗（P）進行繪圖，實驗參數如表1。

圖9為有無加權參數（TWP）情況下的路徑損耗（P）與通信距離的關系。

由此可見，在有加權參數的情況下，路徑損耗的絕對值比沒有加權參數的要小，而且路徑損耗也隨著通信距離的增加而增大。

根據第3節式（16）—（19），用Matlab對接收光功率進行繪圖，實驗參數如表2所示。

圖10為總衰減系數不同的情況下，接收光功率與通信距離的關系。

由此可見，接收光功率受通信距離與總衰減系數影響，總衰減系數越大，接收光功率衰減越快，通信距離越遠，接收光功率越小，這也從側面證明了Li-Fi適用于短距離傳輸信息。

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。

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