室内LED可见光语音通信网络的信道分配算法研究
杜淳
摘 要： 采用SIC算法对室内LED可见光语音通信网络的信道分配进行研究。通过对室内可见光通信系统、白光音频调频信号传输系统原理的分析，设计了语音通信收发机电路。电路信号接收效果较好，利用SIC检测算法进行通信网络信道功率分配，与采用线性工作范围为2.25～5 V，工作电流范围为0.1～1 A的商用照明LED进行性能仿真试验，结果表明，与传统的FCA算法相比，SIC算法的阻塞率要高于FCA算法，且算法引入了更小的系统干扰量，在服务区内使用户通信质量得到保证。
关键词： LED； 语音通信； 信道分配算法； 可见光
中图分类号： TN929.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）11?0018?03
Research on channel assignment algorithm for visible?light voice
communication network of indoor LED
DU Chun
（China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China）
Abstract： The SIC algorithm is used to study the channel allocation of indoor LED visible?light voice communication network. The principles of indoor visible?light communication system and white light audio FM signal transmission system are analyzed to design the voice communication transceiver circuit. The SIC detection algorithm is used to distribute the channel power of the communication network. The performance simulation experiment was performed for the commercially?used illumination LED whose linear working range is 2.25～5 V and working current range is 0.1～1 A. The results show that， in comparison with the traditional FCA algorithm， the blocking rate of SIC algorithm is higher， and the smaller system interference is introduced by means of SIC algorithm to guarantee the communication quality of the users in its service area.
Keywords： LED； voice communication； channel assignment algorithm； visible light
0 引 言
白光LED采用低电压供电、电场发光，其优点是高光效、无辐射、长寿命、高安全性、功耗低、耐用、高稳定性等[1?3]。同时，白光LED还具有高速调制、响应时间较短等特性，白光LED从照明领域扩展到了语音通信网络领域，实现通信、照明两种功能，同时也相应产生了一门新兴的可见光通信技术VLC[4]。相比于传统无线光通信，可见光通信技术无电磁辐射、发射功率高、节约能源、不占用无线电频谱、无电磁干扰[5]。本文采用SIC算法对室内LED可见光语音通信网络的信道分配进行研究。
1 室内可见光通信系统
室内VLC系统设计见图1，包括LED光源、终端、可见光通信集线器、白光光电探测器、可见光通信适配器等单元[6]。系统由反向链路、前向链路两部分组成，每个链路由发射部分、接收部分组成。发射部分包括白光LED光源、信号处理单元等，接收部分主要包括光电检测器、信号处理单元等。
2 语音通信收发机电路的设计与测试
2.1 LED与PD光收发器件电路设计
通过自动增益控制AGC电路，发送端对语音源进行整流、放大，采用曼彻斯特编码处理核心芯片，语音信号编码速率小于1 Mb/s，这样才能使模拟语音信号经过转变形成数字基带信号；使用三极管NPN控制电路，根据LED发光器调制灵敏度，对光波强度进行直接调制，从而实现发光、数字信号的发射。在接收端采用PD光电二极管进行光波信号的接收，通知接收系统电路解码、控制，处理过程与发送端相反。
2.2 电路设计重点
在收发器件电路中，核心芯片均采用ARM芯片ADUC7020，同时配以供电模块、外围工作电路，电路均采用3.3 V供电。通过发送端，音频信号由语音终端的耳机孔发出，通过外围电路的整流放大，输出到ADUC7020芯片，通过该芯片模拟信号输入引脚，经曼彻斯特数字编码、模数转换等信号处理，数字基带信号被输出；随后连到NPN型三极管电路上，对LED光信号发射器信号进行控制。光接收器接收光信号，光敏三极管检测光信号，光电在进行转换后，电信号被发送到均衡芯片中，数字信号通过放大整流后，被连接到ADUC7020芯片，模拟音频播放得到实现。
2.3 电路信号接收效果
通过多次实验检测PD，LED收发器件，在室内环境中，LED信号以2 W的功率进行发射，满足接收机PD接收角度，在11 m范围内，接收机可正常接收信号，且耳机收听效果非常清晰。同时试验通过数字误码仪对收发两端数字误比特率BER值进行了测量，在11 m范围内，误比特率小于10-4 。当增加收发两端距离，接收信号的效果会随着距离的增加而下降，当收发距离增加到22 m后，信号无法正常接收。
3 基于OOK调制的功率分配
3.1 多LED汇聚信号检测算法
对于接收端采集的汇聚信号，采用串行干扰消除方法进行检测，接收器PD对不同灯芯发送的汇聚光信号进行采集，各灯芯驱动电压不同，检测汇聚信号可得到实现。因多LED灯芯、发送端编码的约束，因此，在接收端含有一个解多LED约束的信号估计器ESE，个解编码约束译码器DEC。PD光电转换后的混合信号通过串行干扰消除SIC检测算法进行求解，第个灯芯外的信息等效为高斯噪声。
接收端检测算法模型见图2，根据串行处理原则，先估计系统初始时第0层ESE信息，非0层全部的干扰信息等效为高斯噪声；ESE解出的软信息输入DEC作为先验信息，根据译码原则解出DEC第0层软信息，经反馈，对ESE总软信息值进行更新，然后进行第1层灯芯信息的求解，非1层的全部信号等效为高斯噪声，这样一直持续到第个灯芯完成检测，然后转入下一次迭代，对接收到的信息进行充分挖掘，经过最后一次迭代，进行DEC译码硬判决信息并联与串联的转换，随后原始数据恢复。
4 性能仿真
性能仿真实验采用商用照明LED，其线性工作范围为2.25～5 V，工作电流范围为0.1～1 A，LED线性范围在一定范围内通过预失真技术可进行拓展，向左平移饱和电压、开启电压1.25 V，将信道特性等效为低通特性，采用FCA算法和本文使用的SIC算法比较各信道分配算法在信道数目变化时的阻塞率。
图3为两种算法的阻塞率，从图3可以看出，在信道数目较少时，固定信道分配算法FCA算法的阻塞率高于SIC算法，这是因为FCA算法中的新用户可对相邻基站信道进行使用，这样阻塞率就较少了，随着每一基站信道数的不断增加，FCA算法选择的信道数目也会相应的增加，但SIC算法因新用户在接入时要对干扰小的信道进行选择，这样便产生了更高的被拒绝服务率，因此其阻塞率要高于FCA算法。SIC算法是根据预测新用户接入后的信道质量，在使用中受到影响决定是否对该用户实施接纳，因而其阻塞率要高于FCA算法。
5 结 论
本文采用SIC算法对室内LED可见光语音通信网络的信道分配进行研究。通过对室内可见光通信系统、白光音频调频信号传输系统原理的分析，设计了语音通信收发机电路，电路核心芯片采用ARM芯片ADUC7020，在11 m 范围内，误比特率小于10-4，电路信号接收效果较好，SIC检测算法进行通信网络信道功率分配，采用线性工作范围为2.25～5 V，工作电流范围为0.1～1 A的商用照明LED进行性能仿真试验，结果表明，与传统的FCA算法相比，本文采用的阻塞率要高于FCA算法，SIC算法引入了更小系統的干扰量，在服务区内使用户通信质量得到保证。
参考文献
[1] 江晓明，朱孝勇，刘涛，等.LED室内可见光语音通信系统设计及实现[J].激光技术，2014，38（6）：807?813.
[2] 郎磊，贾倩.室内可见光蜂窝网络信道特性研究[J].光电子·激光，2015，26（1）：81?86.
[3] 王旭东，胡晴晴，吴楠.高精度室内可见光定位算法[J].光电子·激光，2015，26（5）：862?869.
[4] 郭伟，于宏毅，刘建辉.基于可见光通信的室内光电混合网络组网关键技术[J].中兴通讯技术，2014，20（6）：2?7.
[5] 陈特，刘璐，胡薇薇.可见光通信的研究[J].中兴通讯技术，2013，19（1）：49?52.
[6] 王超，杨育红，朱义君.可见光多LED并行叠加高速传输功率分配技术研究[J].信号处理，2014，30（9）：1078?1086.
摘 要： 采用SIC算法对室内LED可见光语音通信网络的信道分配进行研究。通过对室内可见光通信系统、白光音频调频信号传输系统原理的分析，设计了语音通信收发机电路。电路信号接收效果较好，利用SIC检测算法进行通信网络信道功率分配，与采用线性工作范围为2.25～5 V，工作电流范围为0.1～1 A的商用照明LED进行性能仿真试验，结果表明，与传统的FCA算法相比，SIC算法的阻塞率要高于FCA算法，且算法引入了更小的系统干扰量，在服务区内使用户通信质量得到保证。
关键词： LED； 语音通信； 信道分配算法； 可见光
中图分类号： TN929.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）11?0018?03
Research on channel assignment algorithm for visible?light voice
communication network of indoor LED
DU Chun
（China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China）
Abstract： The SIC algorithm is used to study the channel allocation of indoor LED visible?light voice communication network. The principles of indoor visible?light communication system and white light audio FM signal transmission system are analyzed to design the voice communication transceiver circuit. The SIC detection algorithm is used to distribute the channel power of the communication network. The performance simulation experiment was performed for the commercially?used illumination LED whose linear working range is 2.25～5 V and working current range is 0.1～1 A. The results show that， in comparison with the traditional FCA algorithm， the blocking rate of SIC algorithm is higher， and the smaller system interference is introduced by means of SIC algorithm to guarantee the communication quality of the users in its service area.
Keywords： LED； voice communication； channel assignment algorithm； visible light
0 引 言
白光LED采用低电压供电、电场发光，其优点是高光效、无辐射、长寿命、高安全性、功耗低、耐用、高稳定性等[1?3]。同时，白光LED还具有高速调制、响应时间较短等特性，白光LED从照明领域扩展到了语音通信网络领域，实现通信、照明两种功能，同时也相应产生了一门新兴的可见光通信技术VLC[4]。相比于传统无线光通信，可见光通信技术无电磁辐射、发射功率高、节约能源、不占用无线电频谱、无电磁干扰[5]。本文采用SIC算法对室内LED可见光语音通信网络的信道分配进行研究。
1 室内可见光通信系统
室内VLC系统设计见图1，包括LED光源、终端、可见光通信集线器、白光光电探测器、可见光通信适配器等单元[6]。系统由反向链路、前向链路两部分组成，每个链路由发射部分、接收部分组成。发射部分包括白光LED光源、信号处理单元等，接收部分主要包括光电检测器、信号处理单元等。
2 语音通信收发机电路的设计与测试
2.1 LED与PD光收发器件电路设计
通过自动增益控制AGC电路，发送端对语音源进行整流、放大，采用曼彻斯特编码处理核心芯片，语音信号编码速率小于1 Mb/s，这样才能使模拟语音信号经过转变形成数字基带信号；使用三极管NPN控制电路，根据LED发光器调制灵敏度，对光波强度进行直接调制，从而实现发光、数字信号的发射。在接收端采用PD光电二极管进行光波信号的接收，通知接收系统电路解码、控制，处理过程与发送端相反。
2.2 电路设计重点
在收发器件电路中，核心芯片均采用ARM芯片ADUC7020，同时配以供电模块、外围工作电路，电路均采用3.3 V供电。通过发送端，音频信号由语音终端的耳机孔发出，通过外围电路的整流放大，输出到ADUC7020芯片，通过该芯片模拟信号输入引脚，经曼彻斯特数字编码、模数转换等信号处理，数字基带信号被输出；随后连到NPN型三极管电路上，对LED光信号发射器信号进行控制。光接收器接收光信号，光敏三极管检测光信号，光电在进行转换后，电信号被发送到均衡芯片中，数字信号通过放大整流后，被连接到ADUC7020芯片，模拟音频播放得到实现。
2.3 电路信号接收效果
通过多次实验检测PD，LED收发器件，在室内环境中，LED信号以2 W的功率进行发射，满足接收机PD接收角度，在11 m范围内，接收机可正常接收信号，且耳机收听效果非常清晰。同时试验通过数字误码仪对收发两端数字误比特率BER值进行了测量，在11 m范围内，误比特率小于10-4 。当增加收发两端距离，接收信号的效果会随着距离的增加而下降，当收发距离增加到22 m后，信号无法正常接收。
3 基于OOK调制的功率分配
3.1 多LED汇聚信号检测算法
对于接收端采集的汇聚信号，采用串行干扰消除方法进行检测，接收器PD对不同灯芯发送的汇聚光信号进行采集，各灯芯驱动电压不同，检测汇聚信号可得到实现。因多LED灯芯、发送端编码的约束，因此，在接收端含有一个解多LED约束的信号估计器ESE，个解编码约束译码器DEC。PD光电转换后的混合信号通过串行干扰消除SIC检测算法进行求解，第个灯芯外的信息等效为高斯噪声。
接收端检测算法模型见图2，根据串行处理原则，先估计系统初始时第0层ESE信息，非0层全部的干扰信息等效为高斯噪声；ESE解出的软信息输入DEC作为先验信息，根据译码原则解出DEC第0层软信息，经反馈，对ESE总软信息值进行更新，然后进行第1层灯芯信息的求解，非1层的全部信号等效为高斯噪声，这样一直持续到第个灯芯完成检测，然后转入下一次迭代，对接收到的信息进行充分挖掘，经过最后一次迭代，进行DEC译码硬判决信息并联与串联的转换，随后原始数据恢复。
4 性能仿真
性能仿真实验采用商用照明LED，其线性工作范围为2.25～5 V，工作电流范围为0.1～1 A，LED线性范围在一定范围内通过预失真技术可进行拓展，向左平移饱和电压、开启电压1.25 V，将信道特性等效为低通特性，采用FCA算法和本文使用的SIC算法比较各信道分配算法在信道数目变化时的阻塞率。
图3为两种算法的阻塞率，从图3可以看出，在信道数目较少时，固定信道分配算法FCA算法的阻塞率高于SIC算法，这是因为FCA算法中的新用户可对相邻基站信道进行使用，这样阻塞率就较少了，随着每一基站信道数的不断增加，FCA算法选择的信道数目也会相应的增加，但SIC算法因新用户在接入时要对干扰小的信道进行选择，这样便产生了更高的被拒绝服务率，因此其阻塞率要高于FCA算法。SIC算法是根据预测新用户接入后的信道质量，在使用中受到影响决定是否对该用户实施接纳，因而其阻塞率要高于FCA算法。
5 结 论
本文采用SIC算法对室内LED可见光语音通信网络的信道分配进行研究。通过对室内可见光通信系统、白光音频调频信号传输系统原理的分析，设计了语音通信收发机电路，电路核心芯片采用ARM芯片ADUC7020，在11 m 范围内，误比特率小于10-4，电路信号接收效果较好，SIC检测算法进行通信网络信道功率分配，采用线性工作范围为2.25～5 V，工作电流范围为0.1～1 A的商用照明LED进行性能仿真试验，结果表明，与传统的FCA算法相比，本文采用的阻塞率要高于FCA算法，SIC算法引入了更小系統的干扰量，在服务区内使用户通信质量得到保证。
参考文献
[1] 江晓明，朱孝勇，刘涛，等.LED室内可见光语音通信系统设计及实现[J].激光技术，2014，38（6）：807?813.
[2] 郎磊，贾倩.室内可见光蜂窝网络信道特性研究[J].光电子·激光，2015，26（1）：81?86.
[3] 王旭东，胡晴晴，吴楠.高精度室内可见光定位算法[J].光电子·激光，2015，26（5）：862?869.
[4] 郭伟，于宏毅，刘建辉.基于可见光通信的室内光电混合网络组网关键技术[J].中兴通讯技术，2014，20（6）：2?7.
[5] 陈特，刘璐，胡薇薇.可见光通信的研究[J].中兴通讯技术，2013，19（1）：49?52.
[6] 王超，杨育红，朱义君.可见光多LED并行叠加高速传输功率分配技术研究[J].信号处理，2014，30（9）：1078?1086.
