可見光通信DCO-OFDM系統資源分配算法研究

洪文昕，李天嶼，陳建飛

(南京郵電大學 a.電子與光學工程,微電子學院； b.通信與信息工程學院，南京 210023)

0 引 言

近年來，可見光通信(Visible Light Communication, VLC) 已成為無線通信研究的焦點之一。VLC系統使用發光二極管(Light-Emitting Diode, LED)進行通信，采用強度調制直接檢測系統，要求輸入信號是單極性信號并且是實值傳輸。直流偏置光正交頻分復用(Direct Current-biased Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，DCO-OFDM)通信協議是VLC采用的方案之一[1-2]。

無線通信系統的目標之一是保證服務質量下的高效傳輸，合理進行資源分配，使系統的有效性和可靠性得以提高。針對資源分配等問題，2018年，李偉提出了一種基于分解分層圖和擁塞博弈的優化網絡吞吐量的資源分配機制,該機制可實現網絡吞吐量和搜索復雜度的均衡[3]；2019年，白向偉等人提出了一種低復雜度室內超密集VLC網絡頻譜資源分配算法，該算法將吞吐量性能提升了57%,服務質量滿意度性能提升了67%[4]；次年，徐文艷等人提出了一種新的導頻資源分配算法，該算法可以有效改善導頻污染問題,提高訓練資源利用率[5]；2020年，徐文艷等人又提出了一種VLC聯合小區形成和功率分配的優化算法，該算法能夠實現能源效率最大化[6]。

VLC系統資源分配問題雖已得到許多關注，但在系統信道利用率性能上還未做出相關研究。因此，針對室內VLC DCO-OFDM系統，本文提出了一種自適應動態資源分配算法，以提升該系統的信道利用率。仿真結果表明，該算法可有效提高室內VLC DCO-OFDM系統信道利用率。

1 系統模型

1.1 室內VLC DCO-OFDM系統

圖1所示為VLC DCO-OFDM系統的發射端模型。發送數據首先通過信道分配獲得相應的信道，然后經正交幅度調制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)、串/并變換、埃爾米特對稱和N點反向快速傅里葉變換后得到DCO-OFDM信號[7]，此后完成添加循環前綴、并/串轉換、通過濾波器和直流偏置及零值限幅等過程，最終由LED將調制信號發送至信道中[8]。

圖1 DCO-OFDM系統發射端模型

本文室內VLC DCO-OFDM系統的LED光源采用朗伯發光模型，目前已有大量文獻論證，因此不再贅述。

1.2 系統信噪比(Signal Noise Ratio，SNR)

文獻[9]指出，VLC DCO-OFDM系統第i個子信道的SNR為

室內VLC系統背景噪聲主要包括散粒噪聲、熱噪聲和碼間干擾噪聲[10]。DCO-OFDM系統可以克服碼間干擾，因此本文僅考慮散粒噪聲和熱噪聲，且噪聲的大小由探測器性能和絕對溫度等參數決定。

1.3 DCO-OFDM系統信道利用率

在信道數為N的DCO-OFDM系統中，若碼元周期為Ts，第i個子信道的SNR為SNRi，則系統的通信容量Ct為

式中，Ncp為循環前綴的長度。

同時，若第i個子信道采用Mi階QAM，則系統的比特率Rb為

綜上，該系統的信道利用率α為

2 自適應動態資源分配算法

資源分配算法通常可分為聯合分配算法和兩步算法。聯合分配算法是指同時分配信道、比特和功率等資源，這類算法往往具有較高的復雜度；而兩步算法首先完成信道資源的分配，然后再分配其他資源，因此可以降低一定的復雜度，但同時算法的有效性將受到影響[11]。本節針對室內VLC DCO-OFDM系統提出的自適應資源分配算法按照兩步算法的思路，首先進行信道動態分配，然后為每個信道自適應選擇合適的和高系統信道利用率的QAM調制方式。

2.1 動態分配信道

在動態分配信道時，我們按照能者多勞的原則分配信道資源。具體來說，對于靠近LED通信范圍中心的終端，認為其短時間內發生切換的可能性較低，因此將信道幅度頻率響應高的子信道以及數量較多的子信道分配給這些終端，以使得這些終端可以持續進行高速率數據傳輸；對于遠離LED通信范圍中心的終端，認為其短時間內發生切換的可能性較高，因此將信道幅度頻率響應低的子信道以及數量較少的子信道分配給這些終端，其中通信區域的界定依據LED在室內空間的光照度分布。更具體而言，對于可用子信道數為Nall的室內VLC DCO-OFDM系統，在室內有n個通信終端，其中第i個終端所處位置的光照度大小為lxi流明，則該終端獲得的子信道數Ni為

然后，對于獲得子信道數量最多的終端，意味著該終端處于最靠近LED通信范圍中心的位置，因此按照能者多勞原則，將優先獲得最多數量和信道幅度頻率響應最高的子信道；對于獲得信道數量次多的終端，獲得次多數量和信道幅度頻率響應次高的子信道，進而逐步完成所有終端的信道分配。在室內VLC DCO-OFDM系統中，結合終端的移動和信道矩陣的動態變化，及時更新信道分配，進而實現動態分配信道。

2.2 自適應選擇QAM調制方式

對于采用M階QAM的信道，接收端的誤比特率(Bit Error Ratio，BER)可以近似為[4]

式中：SNR為信道的SNR；

i為任意正整數。設Pb目標值為BER0,由式(6)可計算得到信道使用M階QAM對應的SNR門限值SNR0。若取BER0=1×10-4，計算出不同M階QAM下的SNR門限值SNRth，結果如表1所示。

表1 不同M階QAM下的SNR門限值

在室內VLC系統下，室內空間的環境變化較慢，因此可認為短時間內SNR變化較小，故由式(1)在信號發射端估計接收端的SNR大小，并根據表1為各信道自適應選擇滿足BER目標值的最高階QAM調制方式，進而實現為各信道自適應選擇QAM調制方式。基于以上內容，我們提出自適應動態資源分配算法，圖2所示為該算法的流程示意圖。

圖2 算法流程示意圖

3 仿真校驗及數據分析

本節對自適應動態資源分配算法提高室內VLC DCO-OFDM系統信道利用率的能力進行仿真校驗。仿真模擬了多LEDs陣列、多通信終端的室內VLC DCO-OFDM系統模型，每個LEDs 陣列視作一個通信接入點，每個接入點覆蓋一個通信微小區，每個LEDs陣列由60×60的LED芯片組成，每個芯片的參數如下：發射光功率為20 mW，半功率角為70 °，中心光強0.73 cd；每個芯片間隔0.01 m，其他參數如表2所示。

表2 仿真參數

圖3所示為終端移動軌跡。圖4所示為終端移動過程中信道動態分配的數量變化。

圖3 終端移動軌跡

圖4 動態信道分配

由圖3和4可知，起初終端2和4位于不同的通信微小區，各終端獨享微小區內的信道資源，但由于終端2在移動過程中切換至終端4所在微小區，因此終端2和4將共享該微小區的信道資源，并且因為終端2移動過程中逐漸靠近通信中心，所以微小區為終端2分配越來越多的信道資源；相反，終端1和3起初位于同一微小區，但由于終端3移動過程中切換至另一微小區，使得終端1和3由共享微小區信道資源變為獨享信道資源，因此最終終端1和3獲得了相應微小區的所有信道資源。該過程反映了本算法為微小區實現動態信道資源分配的可能性，同時也驗證了2.1節動態分配信道方案的可行性，為今后研究微小區內多用戶信道競爭接入問題埋下可能。

圖5所示為終端與LEDs陣列通信過程中某一幀DCO-OFDM系統數據信號的各信道QAM分布。如圖所示，該算法可以實現為信號的各個子信道選擇合適的QAM調制方式，從而驗證了2.2節自適應選擇QAM調制方式的可行性。通過以上分析，自適應動態資源分配算法的可行性得以驗證，此后將討論該算法的有效性和合理性。

圖5 各信道QAM分布

圖6所示為在終端與LEDs陣列的通信過程中，LEDs陣列采用不同發送信號功率時，不同算法的系統信道利用率對比情況。其中，實線的縱坐標為左側的信道利用率，虛線的縱坐標為右側的SNR，該SNR是指當前信號功率下，在頻率選擇性衰落信道中所有子信道SNR的最低值，圖中的固定分配指在微小區中信道分配采用平均分配方案，且各信道采用相同QAM調制方式的固定分配算法。

圖6 不同算法的信道利用率對比

圖中，虛線反映了不同發送信號功率下微小區內所有可用子信道當前的最低SNR，結合該SNR和表1數據可以確定固定分配算法的最大QAM調制階數。如在信號功率19 dBm處的各信道中，最低SNR約為20 dB，查詢表1可知，在BER目標值BER0=1×10-4的要求下，固定分配算法的QAM調制方式不得超過16QAM，因此在信號功率19 dBm處采用超過16QAM調制方式時，固定分配算法的系統信道利用率視為0。作為對比，自適應算法可以為各信道選擇合適的調制方式，而不同于固定分配方案中各信道采用相同的調制方式，因此可以提高該系統的信道利用率。如圖6所示，在BER0=1×10-4時，自適應動態資源分配算法最低可提升信道利用率8.6%(相比于固定分配128QAM方案)，最高可達61.0%(相比于固定分配2QAM方案)。由此可見，該算法可顯著提升室內VLC DCO-OFDM系統的信道利用率，進而驗證了該算法的有效性和合理性。

4 結束語

本文針對室內VLC DCO-OFDM系統中的資源分配問題進行優化研究，通過對信道和比特分配問題的分析，提出自適應動態資源分配算法。仿真結果表明，該算法可以顯著提高室內VLC DCO-OFDM系統的信道利用率。