RS编码与交织级联在室内VLC中的应用研究

杨家旺，曹 阳，彭小峰，刘世涛，张 勋

(重庆理工大学 电子信息与自动化学院，重庆400054)

RS编码与交织级联在室内VLC中的应用研究

杨家旺，曹 阳，彭小峰，刘世涛，张 勋

(重庆理工大学 电子信息与自动化学院，重庆400054)

提出R S与交织级联的室内可见光通信(Vi si bl e l i ght com m uni cat i on,VLC)系统模型，系统对有无R S编码、有无交织进行了性能比较，并讨论了交织深度对系统性能的影响。仿真结果表明，R S编码与交织级联能够有效降低系统误符号率，提高通信系统质量。

R S编码；交织技术；交织深度；可见光通信

0 引言

室内可见光通信(Visible light communication, VLC)是将可见光无线通信技术应用在室内定位导航和室内设备通信，可见光无线通信系统是一个能够满足大容量、高数据率传输的重要无线室内传输方案，正逐渐取代现有的无线技术实现更高质量的室内无线宽带接入技术。与传统的无线通信相比，可见光通信更加经济和安全，未来的可见光无线通信技术具有巨大的发展潜力[1，2]。但在一般情况下，室内可见光通信系统受到多径效应的影响，并在信息传递的过程中很容易受到外界因素的干扰而导致数据出现误码的现象[3]。信道编码作为重要的通信纠错手段，可以检测与纠正通信过程中产生的错误，提高编码增益或降低误码率，以保证可见光通信中的实际需要[4]。在无线信道中，RS码是一类强大的被广泛使用的前向纠错技术，具有同时纠正突发错误和随机差错的能力，而且纠正突发错误十分有效[5]。当信道条件不佳时，可能会出现连续错误码元并超出RS纠错码的纠错能力，降低系统性能，但采用交织技术能够将突发错误进行分散[6]。

因此，本文将RS编码与交织级联作为系统的纠错手段，研究RS编码与交织级联以及交织深度对室内可见光通信系统性能的影响。选取合适的交织深度，使基于RS与交织级联的室内可见光通信系统性能实现最优。

1 RS编码与交织技术

1.1 RS编码

在通信系统中，提高信道编码的冗余度可以减少信道传输的误码率，RS码就是一类具有极强纠突发和随机错误能力的非二进制循环分组码，并且RS码实现简单，便于应用[7]。若码字C=(Cn-1Cn-2……C1C0)，则码多项式为：

循环码生成多项式为：

则：

校验矩阵H为：

其中RS码相应的参数为：码长n=q-1；校验位n-k= 2t；最小距离dmin=2t+1。

1.2 交织技术

纠错编码能够纠正不连续的差错和较短的突发差错，但当错误码元连续出现超过纠错编码的纠错能力时，系统性能无法得到进一步改善。而采用交织可以把突发差错离散化，把长突发差错变成短突发差错甚至是随机差错，可以有效应对信道衰落引起的光通信突发差错，提高系统误码率性能。最早应用于信道编码中的交织方式是矩阵交织，其实现简单，原理清晰，且不会影响对室内可见光通信系统误码率的分析，故本文将矩阵交织作为室内可见光通信系统所采用的交织方式[8]。矩阵交织工作原理如图1所示，一个信息组为n个码元，交织宽度为m，交织深度d为m× n。将信息码元中的每d个码元按行写入，按列读出完成交织。

图1 矩阵交织原理图

可以看出，交织实际上是对信道在时间、空间和频域上进行改造，并没有增加编码冗余度，也没有改变编码传输速率。如果通过交织前的编码能够对长度低于i的信息码流进行突发查错，那么通过交织后就能够对长度低于m×i的信息码流进行突发查错。显然，采用交织后提高了系统应对突发查错的能力，能够提高系统性能。

2 系统模型

室内可见光通信系统因多径效引起码间干扰，并且在系统实际传输过程中又因信道衰落等因素的干扰，使信息码元不可避免地会出现突发错误，甚至造成连续错误码元，导致系统性能严重恶化。因此，在通信系统中采用纠错手段也是提高系统性能的一种实际需要。本文将RS编码与交织技术联合应用到室内可见光通信系统中，研究RS与交织级联对室内可见光通信系统性能的影响。其系统模型如图2所示。

图2 RS与交织级联的室内可见光通信系统模型

在室内可见光通信系统发射端，信息码元通过信源编码后加入与信息码元之间有一定数学或逻辑关系的冗余码元实现RS编码。然后，通过具有一定交织深度的交织器实现交织，经过RS编码与交织后的码元进行PSK调制后需要进行直流偏置；最后，通过LED灯进行发射。在系统接收端，光电检测器将接收到的可见光信号转换为电信号后进行与接收端相反的处理，包括PSK解调、解交织、RS译码和信源解码等，然后将恢复出信息发送到受信端，完成信息在室内可见光通信系统中的传输。

3 仿真结果及其分析

本文根据文献[9,10]建立室内可见光通信收发端布局空间与室内房间环境参数设置，以此研究RS编码与交织级联对室内可见光通信系统性能的影响。由图3可以看出，室内可见光通信系统采用RS纠错编码的误符号率低于未采用RS纠错编码的误符号率。在低信噪比时，系统有无采用RS编码的误符号率差异不明显，随着信噪比的增大，采用RS编码降低系统误符号率的效果越来越显著。当误符号率超过10-4时，RS纠错编码的误符号率比未采用RS纠错编码的误符号率提高2.5dB左右。显然，在室内可见光通信系统中采用RS编码能够有效降低系统误符号率，提高系统传输质量。

图3 室内可见光通信系统有无RS编码性能比较

信道衰落时，信息码元会出现突发错误，甚至有连续错误码元出现，超出RS编码纠错能力，这时可以利用交织技术将错误码元进行分散。由图4可以看出，在信道衰落1ms时，采用交织技术的系统误符号率远远低于未采用交织技术的系统误符号率；当信道衰落达到3ms时，采用交织技术的误符号率都低于信道衰落1ms无交织时的误符号率。仿真结果表明，在信道衰落过程中采用交织能够很好地降低误符号率，提高系统性能。

图4 信道衰落下有无交织性能比较

交织技术能够降低系统误符号率，是否交织深度越大对系统性能越有利，图5表明了交织深度对系统性能的影响。信噪比在0～21dB时，交织深度为240的误符号率低于交织深度为160的误符号率；当信噪比超过21dB时，交织深度为240的误符号率却高于交织深度为160的误符号率。这表明，并不是交织深度越大越能够降低误符号率，在系统中应选取合适的交织深度使系统性能达到最优。

图5 不同交织深度误符号率比较

图6是在交织深度选取为200、信道衰落为2ms时的系统性能对比图。仿真结果表明，在室内可见光通信系统中采用RS编码与交织级联能够有效降低系统误符号率，提高系统性能。

图6 RS编码与交织的室内可见光通信系统性能对比

4 结束语

在室内可见光通信系统中，误符号率超过10-4时，RS编码的误符号率比未采用RS编码的误符号率提高2.5dB左右。但由于信道衰落等原因致使信息码元出错，甚至出现连续错误码元，超出RS编码纠错能力，使系统性能恶化。在信道衰落时，系统采用交织技术使出现的连续错误码元离散化，并通过选择合适的交织深度使系统性能达到最优。仿真结果表明，系统采用RS编码的误符号率低于未采用RS编码的误符号率，系统采用RS编码与交织级联的误符号率低于只采用RS编码的误符号率。因此，RS编码与交织级联适用于室内可见光通信系统提高系统性能。

[1]王郝兵.可见光通信的OFDM调制性能研究[D].长春：长春理工大学，2014.

[2]姜玲玲.自适应OFDM在室内可见光通信中的应用研究 [D].长春：长春理工大学，2010.

[3]周仕君.室内可见光通信关键技术研究[J].通讯世界，2015，11(4)：13.

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[6]刘吉超，王静，杜力昆·苏来曼.通信中的交织编码及其Matlab仿真[J].新疆师范大学学报，2010，3(25):76-80.

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[11]张择书.可见光通信的信道编码研究[D].吉林：吉林大学电子科学与工程学院，2014.

[12]张翔.无线光通信中的编码与调制技术研究及应用[D].北京：北京邮电大学信息光子学与光通信研究院，2012.

Application research of RS coding and interweaving technology in indoor visible light communication system

YANG Jia-wang,CAO Yang,PENG Xiao-feng,LIU Shi-tao,ZHANG Xun
(School of Electronic Information&Automation，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

The paper presents the indoor visible light communication system based on RS and interweaving, compers the system performance of RS coding and no RS coding,interleaving and no interweaving,studies the influence of weaving depth on system performance.The simulation result shows that the RS coding and weaving technology can reduce the system symbol error rate,improve the quality of communication system.

RS coding,interweaving tehcnology,interweaving depth,visible light communication

TN929.1

A

1002-5561（2016）02-0037-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.02.011

2015-11-27。

国家自然科学基金(61205106)资助;博士后科学基金(2014 M552329)资助;重庆市教委基金(KJ120827,KJ1500934)资助;重庆理工大学研究生创新基金(YCX2014225)资助。

杨家旺(1990-)，男，硕士研究生，主要从事可见光通信方面的研究。