LED光通信系统中的传输可靠性研究
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Key Words error control coding，Raptor codes，dimming control，visible light communication Class Number TN929
1 引言
随着光无线通信技术的发展，可见光通信技术 受到越来越多的关注。可见光通信系统利用半导 体器件 LED 进行数据传输，具有频谱资源丰富，传 输速率快，绿色安全等优势［1］。目前，可见光通信 技术已经在室内定位、车载通信、人机交互等领域 实现应用［2~4］。
在数据传输的过程中，人员或者障碍物的存在 和移动将对系统的信号传输产生干扰，因此，对于 VLC 系统而言，阴影效应是不可能避免的。当阴影 效应存在时，差错控制技术是避免传输数据出错或 者丢失的有效措施之一。差错控制技术有两种常 见的工作方式：一种是选择性重传（Automatic re⁃ peat request，ARQ）；另一种是前向纠错（Forward Er⁃ ror Correction，FEC）。但是，在 VLC 系统中，差错控
制技术的两种工作方式都具有一定的不适用性。 选 择 性 重 传 需 要 利 用 反 馈 信 道 进 行 信 息 反 馈 ，但 是，VLC 的反馈信道不仅代价高而且技术复杂。前 向纠错会产生大量的冗余数据，降低系统的传输效 率。1998 年，Michael Luby 第一次提出数字喷泉的 概念［5］。2002 年，Michael Luby 提出了第一种实用 化的喷泉码-LT 码，充分实现了数字喷泉的概念［6］。 2006 年，Shokrollahi 提出一种改进型的喷泉码-Rap⁃ tor 码（Raptor codes）。与 LT 码相比，Raptor 码具有 很多优点，例如线性编码（linear time encoding），线 性解码（linear time decoding），复杂度低等［7］。在文 献［8］中 ，喷 泉 码 第 一 次 在 方案相比，喷泉码可以提高可 见光系统的抗干扰能力和传输效率，降低系统通信 协议的复杂度和包延迟。
100854）
Abstract A novel error control coding scheme embedding Raptor codes is proposed for on-off keying（OOK）based on visible light communication（VLC）systems. To achieve required illumination performance，diming control is integrated into the proposed scheme，combining scrambling and compensating symbols. With embedded Raptor codes，the proposed scheme has low overhead， high efficiency，robust anti-interference and low complexity. Compared with the existing error control schemes of VLC system，the proposed scheme is more robust and practical.
摘 要 针对采用 OOK 调制的可见光通信（Visible Light Communication，VLC）系统，提出了基于 Raptor 码的差错控制方 案。为了实现需要的照明要求，该方案利用扰码和补码实现调光控制。由于嵌入的 Raptor 码，该方案冗余率低、效率高、抗 干扰能力强以及复杂度低。与现存的 VLC 系统的差错控制方案相比，该方案更加可靠和实用。
室内 VLC 系统利用 LED 的快速闪烁进行数据
∗ 收稿日期：2018 年 7 月 12 日，修回日期：2018 年 8 月 15 日 作者简介：杨宏兵，男，硕士研究生，助理工程师，研究方向：元器件可靠性。
2019 年第 1 期
计算机与数字工程
71
传输，另一方面，VLC 系统需要满足用户的照明需 求，允许用户根据自身的需求，将灯光强度控制在 需要的范围之内，从而保护人眼健康。调光控制技 术（Dimming Control）可 以 帮 助 VLC 系 统 实 现 对 LED 亮度的控制，从而实现调光控制。调光控制技 术主要包括闪烁缓解和明暗控制两部分。在文献 ［9］中，作者采用一种反转信源编码（inverse source coding）方案来实现系统的调光控制，但是，该方案 是在传输链路可靠的前提条件下进行，没有考虑系 统 的 抗 干 扰 问 题 。 在 文 献［10］中 ，一 种 改 进 型 的 RM 码（Modified Reed-Muller code）可 以 帮 助 VLC 系统实现照明控制。RM 码属于前向纠错码，也是 一种线性分组码，其纠错能力有限。当 VLC 的传输 信道被人或者物体随机阻挡时，数据大面积丢失， RM 码无法实现纠错，不能保证系统数据传输的可 靠性。在文献［8］中，LT 码被应用在 VLC 系统中， 而且实现了系统的调光控制。LT 码产生一个编码 的 运 行 量 与 信 源 信 息 的 长 度 k 成 对 数 关 系 ，即 o(c ln k) ，c 是位于 0 到 1 之间的常数。与 LT 码相 比，Raptor 码每产生一个编码的运行量为常数，即 o(ln(1/ε)) ，该特点使 Raptor 码更适合应用在 VLC 系 统中。本文中，系统的差错控制方案将采用 Raptor 码，同时兼顾系统的调光控制功能，也可以称为可 调光差错控制方案。该方案不仅可以使系统具有 较强的抗干扰能力，而且还可以提高系统的调光控 制效率。
关键词 差错控制编码；Raptor 码；调光控制；可见光通信 中图分类号 TN929 DOI：10. 3969/j. issn. 1672-9722. 2019. 01. 018
Research of Transmission Reliability in LED Light Communication
YANG Hongbing1 FENG Lifang2 ZHANG Yizhi1 （1. Aerospace Science Industry Defense Technology Research Testing Center，Beijing
（2. University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083）
Vol. 47 No. 1 70
计算机与数字工程 Computer & Digital Engineering
总第 351 期 2019 年第第471 卷期
LED 光 通 信 系 统 中 的 传 输 可 靠 性 研 究 ∗
杨宏兵 1 冯莉芳 2 张一治 1
（1. 航天科工防御技术研究试验中心 北京 100854）（2. 北京科技大学 北京 100083）
1 引言
随着光无线通信技术的发展，可见光通信技术 受到越来越多的关注。可见光通信系统利用半导 体器件 LED 进行数据传输，具有频谱资源丰富，传 输速率快，绿色安全等优势［1］。目前，可见光通信 技术已经在室内定位、车载通信、人机交互等领域 实现应用［2~4］。
在数据传输的过程中，人员或者障碍物的存在 和移动将对系统的信号传输产生干扰，因此，对于 VLC 系统而言，阴影效应是不可能避免的。当阴影 效应存在时，差错控制技术是避免传输数据出错或 者丢失的有效措施之一。差错控制技术有两种常 见的工作方式：一种是选择性重传（Automatic re⁃ peat request，ARQ）；另一种是前向纠错（Forward Er⁃ ror Correction，FEC）。但是，在 VLC 系统中，差错控
制技术的两种工作方式都具有一定的不适用性。 选 择 性 重 传 需 要 利 用 反 馈 信 道 进 行 信 息 反 馈 ，但 是，VLC 的反馈信道不仅代价高而且技术复杂。前 向纠错会产生大量的冗余数据，降低系统的传输效 率。1998 年，Michael Luby 第一次提出数字喷泉的 概念［5］。2002 年，Michael Luby 提出了第一种实用 化的喷泉码-LT 码，充分实现了数字喷泉的概念［6］。 2006 年，Shokrollahi 提出一种改进型的喷泉码-Rap⁃ tor 码（Raptor codes）。与 LT 码相比，Raptor 码具有 很多优点，例如线性编码（linear time encoding），线 性解码（linear time decoding），复杂度低等［7］。在文 献［8］中 ，喷 泉 码 第 一 次 在 方案相比，喷泉码可以提高可 见光系统的抗干扰能力和传输效率，降低系统通信 协议的复杂度和包延迟。
100854）
Abstract A novel error control coding scheme embedding Raptor codes is proposed for on-off keying（OOK）based on visible light communication（VLC）systems. To achieve required illumination performance，diming control is integrated into the proposed scheme，combining scrambling and compensating symbols. With embedded Raptor codes，the proposed scheme has low overhead， high efficiency，robust anti-interference and low complexity. Compared with the existing error control schemes of VLC system，the proposed scheme is more robust and practical.
摘 要 针对采用 OOK 调制的可见光通信（Visible Light Communication，VLC）系统，提出了基于 Raptor 码的差错控制方 案。为了实现需要的照明要求，该方案利用扰码和补码实现调光控制。由于嵌入的 Raptor 码，该方案冗余率低、效率高、抗 干扰能力强以及复杂度低。与现存的 VLC 系统的差错控制方案相比，该方案更加可靠和实用。
室内 VLC 系统利用 LED 的快速闪烁进行数据
∗ 收稿日期：2018 年 7 月 12 日，修回日期：2018 年 8 月 15 日 作者简介：杨宏兵，男，硕士研究生，助理工程师，研究方向：元器件可靠性。
2019 年第 1 期
计算机与数字工程
71
传输，另一方面，VLC 系统需要满足用户的照明需 求，允许用户根据自身的需求，将灯光强度控制在 需要的范围之内，从而保护人眼健康。调光控制技 术（Dimming Control）可 以 帮 助 VLC 系 统 实 现 对 LED 亮度的控制，从而实现调光控制。调光控制技 术主要包括闪烁缓解和明暗控制两部分。在文献 ［9］中，作者采用一种反转信源编码（inverse source coding）方案来实现系统的调光控制，但是，该方案 是在传输链路可靠的前提条件下进行，没有考虑系 统 的 抗 干 扰 问 题 。 在 文 献［10］中 ，一 种 改 进 型 的 RM 码（Modified Reed-Muller code）可 以 帮 助 VLC 系统实现照明控制。RM 码属于前向纠错码，也是 一种线性分组码，其纠错能力有限。当 VLC 的传输 信道被人或者物体随机阻挡时，数据大面积丢失， RM 码无法实现纠错，不能保证系统数据传输的可 靠性。在文献［8］中，LT 码被应用在 VLC 系统中， 而且实现了系统的调光控制。LT 码产生一个编码 的 运 行 量 与 信 源 信 息 的 长 度 k 成 对 数 关 系 ，即 o(c ln k) ，c 是位于 0 到 1 之间的常数。与 LT 码相 比，Raptor 码每产生一个编码的运行量为常数，即 o(ln(1/ε)) ，该特点使 Raptor 码更适合应用在 VLC 系 统中。本文中，系统的差错控制方案将采用 Raptor 码，同时兼顾系统的调光控制功能，也可以称为可 调光差错控制方案。该方案不仅可以使系统具有 较强的抗干扰能力，而且还可以提高系统的调光控 制效率。
关键词 差错控制编码；Raptor 码；调光控制；可见光通信 中图分类号 TN929 DOI：10. 3969/j. issn. 1672-9722. 2019. 01. 018
Research of Transmission Reliability in LED Light Communication
YANG Hongbing1 FENG Lifang2 ZHANG Yizhi1 （1. Aerospace Science Industry Defense Technology Research Testing Center，Beijing
（2. University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083）
Vol. 47 No. 1 70
计算机与数字工程 Computer & Digital Engineering
总第 351 期 2019 年第第471 卷期
LED 光 通 信 系 统 中 的 传 输 可 靠 性 研 究 ∗
杨宏兵 1 冯莉芳 2 张一治 1
（1. 航天科工防御技术研究试验中心 北京 100854）（2. 北京科技大学 北京 100083）