基于Light Fidelity技術(shù)在智慧城市的應(yīng)用

陳虹旭 張斯妍 李曉坤 劉清源 徐龍 董濰赫

摘? 要： 本文以Light Fidelity展趨勢和概念為基礎(chǔ)，通過研究Light Fidelity技術(shù)在智慧城市的應(yīng)用，以推動智慧城市建設(shè)。Light Fidelity是一種以白光LED為基礎(chǔ)的新型無線通信技術(shù)，主流的可見光通信系統(tǒng)采用光正交頻分復(fù)用（O-OFDM）技術(shù)來實現(xiàn)，該技術(shù)可以使受到干擾的信號仍然能被可靠地接收，信號的頻帶利用率也大幅提高，非對稱限幅光正交頻分復(fù)用（ACO-OFDM）調(diào)制使得O-OFDM技術(shù)完全適用于可見光通信。本文討論濾波器組多載波（FBMC）與O-OFDM在Light Fidelity通信過程中的性能對比，通過理論分析結(jié)合仿真說明具體分析，探討FBMC及O-OFDM在通信過程中的指標(biāo)比對，由此證明采用O-OFDM在Light Fidelity通信中的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞： Light Fidelity;智慧城市;O-OFDM;FBMC;SNR

中圖分類號： TN929.12? ? 文獻標(biāo)識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.035

本文著錄格式：陳虹旭，張斯妍，李曉坤，等. 基于Light Fidelity技術(shù)在智慧城市的應(yīng)用[J]. 軟件，2020，41（09）：127132

【Abstract】： Based on the development trend and concept of Light Fidelity technology， this paper promotes the construction of smart cities by studying the application of Light Fidelity technology in smart cities. Light Fidelity is a new type of wireless communication technology based on white LED. The mainstream visible light communication system is realized by optical orthogonal frequency division multiplexing （O-OFDM） technology， which can effectively resist multipath interference and can be subjected to the interfering signal can still be reliably received， and the frequency band utilization of the signal is also greatly improved. Asymmetrically limited optical orthogonal frequency division multiplexing （ACO-OFDM） modulation makes O-OFDM technology fully suitable for visible light communication. Considering the serious impact of noise on ACO-OFDM， the BER and SNR based on ACO-OFDM are performed. The related research， through theoretical analysis combined with simulation to analyze the specific scheme involved， this paper focuses on the study of ACO-OFDM， through the dynamic bit allocation and dynamic subchannel allocation method， make full use of the sub-channel with high signal-to-noise ratio Light Fidelity technology provides powerful power in smart city applications.

【Key words】： Light fidelity; Smart city; O-OFDM， SNR

0? 引言

智慧城市是利用新一代信息技術(shù)來感知、監(jiān)測、分析、整合城市資源、對各種需求做出迅速、靈活、準(zhǔn)確反應(yīng)，為公眾創(chuàng)造綠色、和諧環(huán)境，提供泛在、便捷、高效服務(wù)的城市形態(tài)[1]。Li-Fi使用的協(xié)議為IEEE802.15.7[4]。通常，通過控制LED對數(shù)據(jù)進行編碼和傳輸，并將一個可以編碼的控制器植入LED中，（其中1表示燈亮，0表示燈滅），利發(fā)光二極管（LED）快速響應(yīng)的特性，形成類似于AP（WIFI熱點）的設(shè)備，以人眼無法感知的高速明暗閃光信號作為信息載體，使攜帶信息的光信號通過傳輸介質(zhì)[5]。最后，通過光電轉(zhuǎn)換裝置將接收到的光信號恢復(fù)發(fā)送的信息，該技術(shù)具有廣泛且免許可的頻譜、不受管制的帶寬、高安全性、傳輸速率高、不受電磁干擾、射頻禁區(qū)內(nèi)的可用性、高能源效率等優(yōu)點，在未來的通信領(lǐng)域中占據(jù)重要的地位并產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[8]。

1? Li-Fi在智慧城市中的應(yīng)用

Li-Fi在智慧城市中的主要應(yīng)用集中在控制、通信和定位方面[9]。它將通信和照明結(jié)合起來，推動智慧城市建設(shè)。

1.1? 智慧交通

在智慧交通領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)通過交通信號燈傳送到汽車之間，實現(xiàn)車輛收費管理、戶外導(dǎo)航，隧道和地下車庫定位等功能，還可以通過交通信號燈和汽車燈之間的信息交換，準(zhǔn)確定位，Li-Fi技術(shù)還能夠減小交通事故和交通堵塞的發(fā)生，為未來的無人駕駛汽車奠定基礎(chǔ)[11]。

1.2? 智慧家居

將天花板燈改裝成Li-Fi熱點，家用電器上安裝Li-Fi接收器，通過天花板燈將這些設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)，在設(shè)置一個總開關(guān)控制各家用電器的運行[13]。由于Li-Fi的高保密性，可以有效避免黑客攻擊[14]。

1.3? 智慧物流

智慧物流是將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)應(yīng)用在物流系統(tǒng)中的運輸配送等環(huán)節(jié)。

通過在道路的路燈和汽車燈上加裝芯片來進行Li-Fi可見光通信，在交通堵塞等惡劣條件下，通過汽車燈與路燈之間傳遞信息，引導(dǎo)物流通行更加暢通[15]。由于Li-Fi技術(shù)的信息傳輸速度快，能夠及時反饋物流信息，從而實現(xiàn)對貨物的實時監(jiān)控。

1.4? 智慧醫(yī)療

在智慧醫(yī)療領(lǐng)域中，可見光沒有電磁污染，可以在電磁干擾敏感的區(qū)域進行無線接入，不受設(shè)備干擾，覆蓋范圍廣。手術(shù)室配有照明設(shè)備，所以Li-Fi可以在醫(yī)療設(shè)備之間使用，特別是在不適合射頻無線通信的醫(yī)療環(huán)境中。Li-Fi的傳輸速率高，能夠達(dá)到實時傳輸、實時監(jiān)測等功能。

智慧醫(yī)療是采用新型物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、通信等技術(shù)的醫(yī)療理念，相信在不久的將來，Li-Fi作為新型通信技術(shù)，將推動智慧醫(yī)療的繁榮發(fā)展。

2? O-OFDM技術(shù)

Li-Fi以LED可見光作為傳輸信息載體的一種通信方式，它不需要任何的有線傳輸媒介，就可實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、多媒體圖像等高速雙向傳輸[16]。但光在空氣中傳輸會產(chǎn)生多徑效應(yīng)，而正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）由于它對多徑信道的抗干擾能力可以有效解決這一問題，并且OFDM技術(shù)具有較高頻譜利用率和傳輸速率[17]。

本文研究了光OFDM技術(shù)，即ACO-OFDM，圖1是O-OFDM的系統(tǒng)框架。

2.1? O-OFDM

O-OFDM信號數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，是子載波個數(shù)，是攜帶第個子載波的數(shù)據(jù)符號、是相鄰子載波的間隔，是O-OFDM信號的周期。為了確保所有的子載波之間是相互正交的，O-OFDM的符號周期。

O-OFDM技術(shù)將信道劃分為若干相互正交子信 道[18]，再將高速串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成低速并行子數(shù)據(jù)流發(fā)送到子信道上。每個子信道上信號帶寬小于信道的帶寬，因此每個子信道上可以看成平坦性衰落，從而降低和消除碼間串?dāng)_，如圖2所示。

2.2? ACO-OFDM

在ACO-OFDM系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)只能由奇數(shù)子載波承載[19]，考慮到埃爾米特（Hermitian）對稱性[20]，點頻域信號可以表示為：

時域信號具有反對稱性質(zhì)，為 。ACO-OFDM信號是通過將負(fù)部分裁剪成：

其中的數(shù)據(jù)信息沒有丟失。由于裁剪噪聲只落在偶數(shù)子載波上，所以可以正確解調(diào)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。根據(jù)中心極限定理，單極信號服從剪切高斯分布[21]。圖3、4為ACO-OFDM中IFFT和FFT信號仿真圖。

3? FBMC調(diào)制原理

給出了具有偏移正交幅度調(diào)制的濾波器組多載波（FBMC/OQAM）收發(fā)信機的框圖。FBMC/OQAM系統(tǒng)用于傳輸OQAM而不是QAM符號[22]。輸入數(shù)據(jù)在發(fā)射機側(cè)，并且時刻在第個子載波上用表示，（m：子載波指數(shù)，n：符號指數(shù)）。

在發(fā)射機處，對于每個復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)符號由表示，，其中是子載波數(shù)量，它可以以的速率發(fā)送。多相濾波器輸出端離散時的基帶信號可寫為：

其中是用于設(shè)計長度為的多相濾波器的原型濾波器，是延遲因子，用于確保輸入數(shù)據(jù)之間存在相位差。通常為：

來自多相濾波器的輸出信號通過信道在發(fā)射機處發(fā)射之前通過使用非線性壓縮擴頻技術(shù)進行壓縮[24]。因此，在壓縮器的輸出端，壓縮信號由下式給出：

壓縮擴展函數(shù)表示為，用于壓縮附加高斯白噪聲信道下接收機輸入端FBMC信號的幅值。接收到的信號可以表示為：

其中表示AWGN。在接收機中，應(yīng)用了逆壓縮函數(shù)，然后我們獲得：

其中表示接收機側(cè)的反壓擴函數(shù)。因此，接收器執(zhí)行發(fā)送器的逆處理以再次恢復(fù)原始數(shù)據(jù)[25]。它的構(gòu)建塊將反映這一事實，如圖5所示

4? 系統(tǒng)模型

闡述了本研究所考慮的系統(tǒng)模型。輸入比特映射到M元星座的正交幅度調(diào)制（QAM）符號，可知M根據(jù)SNR量化的信道條件而變化[26]。將一組K符號映射到ACO-OFDM方案的K個頻域（FD）子載波。在ACO-OFDM中，符號映射到奇數(shù)FD子載波的前半部分，其指標(biāo)為，令偶數(shù)子載波置零。在此方案中，F(xiàn)D子載波的信息設(shè)置為0，并且在FD子載波的后半部分上傳輸?shù)男畔ⅲǎ┦窍鄬τ谠谇鞍氩糠种袀鬟_(dá)的信息的Hermitian對稱（1到），這種排列方式使我們能夠在逆快速傅里葉變換（IFFT）后[27]，在時域（TD）得到一個實值輸出信號。

必須對TD信號進行剪切和縮放，以便將其限制在發(fā)光二極管的動態(tài)范圍內(nèi)，從而產(chǎn)生 ，其中是電信號方差，表示定義為：

其中，和和分別是標(biāo)準(zhǔn)化的TD底層和頂層切片級別。由于直流偏置IDC，保證了一定的照明水平和最小的信號剪輯[29]。光學(xué)TD發(fā)送的信號可以寫成：

其中是電光轉(zhuǎn)換效率，由于ACO-OFDM傳輸信號的TD差異，因此，標(biāo)度因子和DC-biasIDC是不同的。ACO-OFDM則需要最小的值，唯一的目標(biāo)是保證所需的照明水平。

考慮到較大區(qū)域場景，其中沒有來自其它AP的干擾，TD接收信號可以被寫入為：

其中，是PD的響應(yīng)度，是TD中的接收噪聲，服從方差為的零均值高斯分布。VLC的信道脈沖響應(yīng)（CIR）系統(tǒng)表示為，它具有的頻域信道傳輸函數(shù)（FDCHTF），它既受前端器件（LED和PD）的影響，又受自由空間傳輸?shù)挠绊?，其形式如下?/p>

其中是圖2所示的AP和接收機之間的水平距離，而是調(diào)制帶寬。

前端設(shè)備的FDCHTF被建模為

其中是控制FD特性的帶寬因子。因此，該方程明確考慮了VLC系統(tǒng)的有限調(diào)制帶寬。使用循環(huán)前綴（CP）可以減輕前端設(shè)備在接收端的影響，但是它超出了這項工作的范圍，自由空間信道增益可表示為：

其中PD的物理區(qū)域由給出，是AP和PD之間的垂直分離。LED的朗伯輻射發(fā)射順序用表示，假定為90°接收器視場，這意味著較大區(qū)域內(nèi)的所有用戶都可以從AP接收數(shù)據(jù)。假定接收終端在圓單元中均勻分布，因此我們有：

其中單元半徑。AP之間距離的概率密度函數(shù)通過調(diào)用變量求得PD：

通常，在OFDM系統(tǒng)中插入CP以對抗符號間干擾（ISI）[30]。然而，CP并不包括在圖6中，因為它在戶外VLC系統(tǒng)中可以被認(rèn)為是可以忽略不計的。在研究信噪比和吞吐量要求時，表現(xiàn)出低色散。同樣，如果使用預(yù)失真方法，則可以忽略LED傳輸函數(shù)的非? 線性。

5? 仿真結(jié)果

本文主要研究ACO-OFDM下SNR與BER的關(guān)系。

由于頻域中限幅信號的幅度減半，因此每個子載波的信噪比（SNR）為：

其中表示調(diào)制符號的方差，是AWGN噪聲的方差，考慮到ACO-OFDM中只使用了奇數(shù)子載波，與之間的關(guān)系可導(dǎo)出為，，因此，ACO-OFDM的頻譜效率由給出：

通信信道包括電信號將發(fā)送器上的數(shù)據(jù)調(diào)制成接收器處的電信號的通道。通過單個信道的信噪比（SNR）來測量接收信號的質(zhì)量。在有網(wǎng)絡(luò)的情況下，信號與干擾加噪聲比（SINR）用于表征通信鏈路。以下部分描述了確定整體系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)信道的帶寬和路徑損耗以及評估它們的技術(shù)。

圖7顯示了簡單ACO-OFDM的總體性能。

為了總結(jié)分析Li-Fi系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，最后要研究的參數(shù)是誤碼率性能?？梢钥闯?，ACO-OFDM系統(tǒng)性能較為穩(wěn)定。

圖8為FBMC及ACO-OFDM在可見光Li-Fi通信中的頻譜效率對比圖。相較于傳統(tǒng)OFDM，F(xiàn)BMC犧牲了子載波正交增加了頻譜效率。如圖8所示，相對于FBMC，ACO-OFDM在可見光通信中的頻譜效率要優(yōu)于FBMC在可見光中。

圖9為FBMC及ACO-OFDM的功率譜密度比對圖。

比較兩種波形的功率譜密度可知，兩種波形技術(shù)的CFR（峰值因子消減）性能不同。ACO-OFDM在可見光Li-Fi通信中。ACO-OFDM在工作帶寬之外都比FBMC衰減要快，也提高了頻譜效率。

6? 實驗結(jié)論

實驗結(jié)果得出ACO-OFDM在數(shù)據(jù)速率方面提供了更好的性能。對于在智慧城市中的Li-Fi方案的實際應(yīng)用，ACO-OFDM適合光的多徑傳播和多普勒頻移的無線移動信道中傳輸高速數(shù)據(jù)，且信道利用率高。相較于新提出的FBMC，ACO-OFDM也在光通信中體現(xiàn)出更好的性能，頻譜效率和功率譜密度方面都優(yōu)于FBMC。ACO-OFDM能夠更好應(yīng)用于Li-Fi中。

7? 結(jié)束語

智慧城市是未來城市發(fā)展的主要方向，Li-Fi技術(shù)在智慧城市中將發(fā)揮越來越重要的作用，Li-Fi技術(shù)在智慧城市各領(lǐng)域的應(yīng)用也必將隨著技術(shù)的進步和人們對智慧城市間認(rèn)識的深入而更加廣泛地應(yīng)用，智慧城市、無線通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，將會催生新的經(jīng)濟增長點，促進物質(zhì)文明和精神文明的進步，使中國新型城鎮(zhèn)化向著健康、有序的方向發(fā)展。

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