室内可见光通信LEDs选择及调制技术的分析

解然 刘晓民 陈鑫豪 曹馨方

摘 要：室内可见光通信是一种绿色节能通信方式，对其LEDs选择方法和调制技术进行研究有利于促进该技术的应用推广。本文分别对室内可见光通信LEDs选择方法和调制技术进行研究，包括单终端LED选择、多终端LED选择、以及自适应MPPM调制的实现等。

关键词：室内可见光通信；LEDs选择；调制技术

室内可见光通信技术具有超高带宽、无电磁干扰、频谱无需授权和低功耗等特点，可以缓解目前越来越紧张的射频频谱资源压力。但多单元LED阵列存在符号间干扰问题（ISI），还会加剧室内信噪比（SNR）分布的不均匀性。因此，合理选择室内可见光通信LEDs十分重要，同时应针对ISI动态变化给自适应调制结束选择带来的困难，采取有效的调制技术，确保室内可见光通信效果。

1 室内可见光通信LEDs选择方法

1.1 单终端LED选择

为实现最佳的通信LED选择，需要在单终端用户场景下，仅可能选择出与接收端距离较近、与接收端路径等长的通信LED单元，从而提高信噪比。目前较为有效的选择方法是机遇有效比阈值的选择方法。由于每路通信信号都包含积极部分和消极部分，可用有效比描述两者比值，记为VR，并将有效比阈值记为ThVR。因光程差不同，每路信号到接收端的时间存在差异，设t0是第一个光路信号到达接收端时间，其他到达时间为ti，ti=di/c，di表示LED单元与接受端距离。LED单元是否参与通信决定于其有效比，即当有效比VRi>阈值THVR时，判断为参与通信，状态因子置1，否则置0。如果阈值THVR设置较小，会导致多数LED被选择为通信LED，进而导致ISI增加、SNR降低。而阈值THVR设置过大，则会导致被选择通信LED单元较少，有用功率部分降低，SNR也随之降低。可通过采用递增穷举法确定最佳的t0和ThVR，从而获得最佳信噪比。

1.2 多终端LED选择

多终端LED选择实际上是一个通信LED布局优化问题，可一般采用自然进化优化算法。在不同LED状态矩阵下，用户终端SNR不同，最小SNR也不同。为确保多终端同时通信场景的通信质量，需要构建一个优化方案，确定所有终端最小SNR取最大值时的LED状态矩阵，设K为矩阵因子，N为终端用户数量，则优化目标目标函数为SNRmin（K）=min（SNR（K；R1），SNR（K；R2），…SNR（K；RN））。采用进化算法确定优化方案的步骤依次为：

①初始化种群；②确定适应度函数；③选择操作；④交叉操作；⑤变异操作；⑥确定算法终止准则。

2 室内可见光通信自适应调制技术

2.1 MPPM调制原理

MPPM调制技术即多脉冲位置调制，可以将其看做是单脉冲位置调制（PPM）技术的改进形式。其基本原理是将L比特信息映射为由n个时隙组成的r个脉冲，将其记为（n，r）MPPM=Cnr。Cnr≥2L，可同时传输L比特信息。比如在n=5，r=2时，（n，r）MPPM=10，大于23，所以可同时传输3bit信息。当脉冲个数r固定时，（n，r）MPPM传信率会随着时隙数n的变化而变化。比如从（n，2）MPPM和（n，3）MPPM的传信率变化曲线来看，时隙数增加，两者传信率均出现上升，说明可传递信息量会随着时隙数增加而增加。此外还可以发现，（n，3）MPPM比（n，2）MPPM的传信率增长幅度大。为适应调光功能，脉冲个数n应由光暗度决定，假设光暗度为50%，此时一个码元符号内有脉冲的时隙信号为总数的一半，即r=n/2。由此可确定光暗度（占空比）为50%时的（n，r）MPPM传信能力与码元内时隙数n的关系。随着时隙数n增加，传信率对数成比例增长。

2.2 自适应MPPM调制的实现

自适应MPPM调制的实现首先要进行（n，r）MPPM误符号率推倒和仿真，因为只要有一个判断脉冲错误，就会影响整个符号。将MPPM误符号率表示为SER，利用SER=1-（1-Pe）n确定其数值。在此基础上，进行自适应位置最佳（n，r）MPPM的选择。由于误符号率SER与n成递增关系，可采用逐步递增法求解n，选择出最佳调制方式。然后确定所有LED通信时的MPPM调制阶数n分布，一次采用逐步地增法求出终端用户在每个位置下的最佳调制阶数n分布。为确保所有终端都能安于通信，需要在满足误码率条件下确定初始速率，然后在LED布局模式下确定最佳（n，r）MPPM调制阶数n分布图，使其在每个符号周期内，数据传输速率达到最高。比如在脉冲数据速率为300Mbps情况下，最小信噪比为19.6dB，误码率为10-6，初始仿真速率为300Mbps，进行LED优化选择后，确定（8，4）MPPM为最佳MPPM选择，此时数据传输效率为1800Mbps，比原来的300Mbps提高了6倍。

3 结束语

综上所述，在室内可见光通信技术的应用过程中，LEDs选择和调制技术应用是重要环节。通过采取科学的优化选择方法，可以有效通信干扰，提升LED通信质量和数据传输速度，满足不同场景下的用户通信需求。通过对其具体选择方法、应用过程进行分析，可以为相关工程的设计和应用提供参考，从而促进室内可见光通信技术得到更广泛的应用。

参考文献：

[1]符承军.室内可见光通信技术的研究[J].科技创新与应用，2018（13）：142-143.

[2]王加安，车英，郭林炀，王馨兰.室内可见光通信系統光源LED布局优化与性能分析[J].中国激光，2018（05）：172-183.