可见光通信系统定时同步算法优化

江西科技学院信息工程学院 方森鹏 张 超 邱 岚

根据VLC和正交频分复用调制的特点，分析三种经典算法：S&C算法、S&C优化算法和Minn算法，通过对其定时测量功能和帧头结构改进，寻找到了一种改进的IA算法，可以有效解决传统算法实时性不足和抗干扰能力弱的问题。

随着移动互联网的迅速崛起，移动互联网技术对社会的方方面面都是不可或缺的。其中，移动通信技术也发展迅速，满足了人们视频、娱乐和购物等各种需求。然而，传统无线通信的频谱资源很难满足人们突发的、爆炸性的交通需求。此外，传统的无线通信还受到信道频带、频谱许可、电磁辐射干扰等方面的限制，难以在社会生活的一些领域得到广泛应用。

基于这一现状，可视光通信(VLC)技术被提出作为室内绿色无线通信技术的新解决方案。可见，光通信技术与传统的射频通信相比，具有通信和无线数据传输的功能。此外，可见光波段覆盖在380nm和760nm之间，有相当多的可用通信频段可以直接使用，为解决频谱资源不足的问题提供了一种方法；其次，可见光通信系统不易产生电子干扰，可广泛应用于航空、医院、煤矿等电磁敏感领域。由于VLC的传输介质较轻，不能穿透墙壁或不透明的障碍物，因此其保密性和安全性得到了很大的提高。由于这些特点，非常适合室内无线通信。

1 LED通信系统

1.1 光学保真技术

光保真是通信领域研究人员正在研究的前沿技术。主要是我们日常照明中使用的发光二极管，它能发出肉眼无法察觉的高速开关信号来传递信息。在系统的接收端，主要使用PIN光电二极管接收高速闪烁的光信号，然后通过OFDM解调获得所需的通信数据。与前几代荧光灯、钠灯、白炽灯等光源相比，LED灯具有亮度调节容易、发光效率高、中心波长易于控制等特点，作为可见光无线通信的“媒介”具有得天独厚的优势。通过LED进行可见光无线通信的方式也称为光学保真技术。

1.2 OFDM调制

普通多载波调制将信号频带分成若干不重叠的子信道，将有效信号加载到每个子信道上，通过并行传输降低符号间干扰的影响。虽然这是一种消除码间干扰的有效方法，但它占用了大量的频谱资源，降低了频谱效率。正交频分复用是在普通多载波调制技术的基础上发展起来的。它的主要原理是将信道分成几个正交的子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子流，并在每个子信道上调制它们以供传播。这种调制还需要在N个子载波上加载信号，并通过子信道传输，允许子信道相互重叠，提高频谱效率，并在接收端通过相关技术将其分离，这样可以减少子信道的数量。

1.3 室内可见光信道模型

经典可见光信道通信模型考虑了信道的多径效应，覆盖直接信道和任意次数的传输信道。但是这个模型只考虑了单个LED的存在，在实际应用中，可见光通信系统是由多个LED灯完成的。本文基于可见光经典信道通信模型存在的不足，构建了如图1所示的室内VLC信道模型。室内空间坐标系以楼层平面中心为坐标原点构建。根据照度均方误差最小的准则，考虑一次反射，LED圆形布局方案在照度分布上比传统的矩形布局模型更加优化，通信性能更强，接收功率分布的均匀性更好，信噪比更小。

图1 VLC系统模型图

2 传统的定时同步算法

在VLC系统中，一般采用OFDM调制来提高频谱利用率，并在传输信号前加上保护间隔，从而消除载波间干扰，减少多径效应的影响。而正是因为他的保护间隔，在噪声干扰和低信噪比的情况下，信号定时模糊现象更加严重。为了降低这种影响，下面介绍三种经典算法。

2.1 S&C算法

S&C算法原理是通过一个唯一的符号与两个重复部分同步定时，是一种经典的符号同步算法。，但是会产生“模糊相关峰值定时”的问题，降低系统的实时性和抗干扰能力。

2.2 S&C优化算法

针对于S&C算法存在的不足，以及他的“相关峰值定时模糊”问题，提出了他的优化算法。他与之前的算法相比，拥有更加明显的峰值，减少了“相关峰值定时模糊”的影响，但是该算法抗干扰能力却不尽人意。

2.3 Minn算法

该算法主要是扩展了帧头结构，使相关峰值更清晰。与S&C算法相比，其实时性更好。由于该算法对帧头结构进行了扩展，导致循环结构较多，且存在子峰和尖峰等问题。

3 IA改进算法

该算法主要是改进了帧头结构和定时测量函数两个方面，来减少二次峰值干扰的影响，帧头结构如图2所示。

图2 IA改进算法的帧头结构

3.1 AWGN信道中定时测量函数仿真

为了更加清晰直观的了解IA改进算法的优势，我们对S&C算法、S&C优化算法、Minn算法和IA改进算法的定时测量函数进行仿真实验。在15dB噪声比情况下，四种算法在AWGN信道中定时测量函数仿真结果如图3所示。

图3 AWGN信道中的仿真结果

3.2 多径衰落信道中的定时测量函数的仿真

四种算法在多径衰落信道中的定时测量函数的仿真结果如图4所示。

图4 多径衰落信道中的仿真结果

从图4中我们可以清晰看出IA改进算法只有一个尖锐的峰值，解决了相关峰值平台的问题，同步效果更好。

3.3 误码率的仿真

四种算法在AWGN信道中误码率仿真结果如表1所示，四种算法在多径衰落信道中的误码率仿真结果如表2所示。

表1 在AWGN信道中的误码率

表2 在多径衰落信道中的误码率

从表中不难看出，IA改进算法比传统算法更好的实时性和更低的误码率。

对于VLC系统来说，抗干扰能力和实时性是判断其性能的重要指标。但是通过对传统算法的分析，我们可以知道它们仍然存在一些不足。面对这种情况，本文通过改变传统算法的帧头结构和定时测量的功能，提出了一种改进算法——IA改进算法，弥补了传统算法的不足。通过观察在AWGN信道和多径衰落信道下这四种算法的定时测量函数和误码率的仿真实验，可以清楚地看到改进后的IA算法具有更好的实时性、更低的误码率和更强的抗干扰能力。