CN109194398A - 一种基于可见光通信的rll编码方法 - Google Patents

一种基于可见光通信的rll编码方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于可见光通信的游程长度受限(RLL)编码方法，步骤是：基于常规卷积码的网格结构，依据Miller编码的特点，设定RLL码的网格图中移存器下一状态与输出码一致；主要针对2比特输入与3比特输出的RLL码进行设计，并分析2/3码率RLL码的最大游程长度的特点；给出不同游程长度条件下，对应的可能状态路径图；依据常规卷积码以最小码距作为误码率性能的评价方法，分析不同游程长度条件下，2/3码率RLL码对应的最小码距；依据常规BCJR算法译码，给出改进BCJR算法中前向递推度量、后向递推度量及状态转移度量的表达式。此种方法通过优化网格结构的方式进行RLL码设计，提高可见光信号的传输可靠性。

Description

一种基于可见光通信的RLL编码方法
技术领域
本发明涉及一种在短距离可见光通信场景中可见光信号的编码方法，特别涉及一种基于可见光通信的游程长度受限(RLL)编码方法。
背景技术
可见光通信(VLC)因其在能效与短距离无线通信等方面的显著优势而备受关注，其基本原理：发端采用发光二极管(LED)发送信息数据，信号经光信道传输后到达接收端，收端采用光电二极管(PD)检测器对光信号进行直接检测。然而，值得注意的是：在VLC通信中，为了同时满足照明与通信要求，需要考虑调光率与闪烁两个重要问题。因此，为了解决上述问题，进而实现信息传输的高效与可靠，基于开关键控(OOK)调制的游程长度受限(RLL)编译码方法已成为VLC技术中的重要研究内容。
在VLC通信中，RLL码被用于消除发送符号序列中长串的连“0”或连“1”，可使得灯光闪烁满足最大闪烁时间(MFTP)小于5ms，以满足人眼对灯光强度变换无察觉的基本条件；同时可帮助接收端恢复位同步时钟信号。因此，基于OOK调制基础上，如何设计RLL编译码算法，进而实现可见光信号传输的良好直流(DC)平衡、避免LED闪烁及高效可靠一直是专家学者的研究重点。
为了得到适用于可见光通信中良好DC平衡、避免LED闪烁、高效可靠的RLL码，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种基于可见光通信的RLL编码方法，具有良好DC平衡、避免LED闪烁、高效可靠的特点。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种基于可见光通信的RLL编码方法，包括以下步骤：
步骤A，基于常规卷积码的网格结构，依据Miller编码的特点，设定RLL码的网格图中移存器下一状态与输出码一致；
步骤B，针对2比特输入序列与3比特输出码字的RLL码进行设计，设定S0(000)，S1(001)，S2(010)，S3(011)，S4(100)，S5(101)，S6(110)，S7(111)分别表示移存器的8种状态，通过分析得到2/3码率RLL码最大游程长度的最小值为3、最大值为7；
步骤C，基于游程长度最大值分别为3、4、5、6、7条件下，通过分析RLL码对应的可能状态路径图，得到不同游程长度下的2/3码率RLL码，其中需要注意的是：应避免S0(000)→S0(000)状态路径图；
步骤D，基于步骤C得到的RLL码，依据常规卷积码以最小码距作为误码率性能的评价方法，通过分析2/3码率RLL码对应的最小码距分别为1、1、1、1、2，从而定性分析不同游程长度下的RLL码误码率性能；
步骤E，接收端对所接收的信号进行BCJR算法译码，给出BCJR算法中前向递推度量、后向递推度量及状态转移度量的表达式；
步骤F，基于步骤E得到的表达式，译码输出的信息序列μi、vi各自的对数似然比值分别为：
其中，
采用上述方案后，相较于现有Miller码，本发明通过改变编码器的网格结构，给出了不同游程长度约束下2/3码率RLL码的可能状态路径图，同时对2/3码率RLL码的DC平衡特性及闪烁特性进行分析，最后给出了2/3码率RLL码对应的修改BCJR算法中前向递推度量、后向递推度量及状态转移度量的表达式，提高了可见光信号的传输可靠性，本发明适用于短距离可见光通信中的用户节点。
附图说明
图1是本发明所提出的游程长度为7的RLL码网络；
图2是本发明所提出的游程长度为7的RLL码与现有Miller码、更新Miller码光照强度特性图；
其中，(a)表示RLL码的光照强度特性图，(b)表示现有Miller码的光照强度特性图，(c)表示更新Miller码的光照强度特性图；
图3是本发明对应的VLC系统框图；
图4是本发明所提出的不同游程长度下RLL码误码率性能对比曲线图；
图5是本发明所提出的游程长度为7的RLL码与现有Miller码、更新Miller码误码率性能对比曲线图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
本发明提供一种基于可见光通信的游程长度受限(RLL)编码方法，包括以下步骤：
步骤A：基于常规卷积码的网格结构，依据Miller码字的特点，分析现有Miller码的网格结构特点进行RLL码的设计，设定RLL码的网格图中移存器下一状态与输出码一致；
步骤B：针对2比特输入序列与3比特输出码字的RLL码进行设计，设定S0(000)，S1(001)，S2(010)，S3(011)，S4(100)，S5(101)，S6(110)，S7(111)分别表示移存器的8种状态，通过分析得到2/3码率RLL码最大游程长度的最小值为3、最大值为7；
步骤C：基于游程长度最大值分别为3、4、5、6、7条件下，通过分析RLL码对应的可能状态路径图，得到不同游程长度下的2/3码率RLL码，其中需要注意的是：应避免S0(000)→S0(000)状态路径图；
步骤D：基于步骤C得到的RLL码，依据常规卷积码以最小码距作为误码率性能的评价方法，通过分析2/3码率RLL码对应的最小码距分别为1、1、1、1、2，从而定性分析不同游程长度下的RLL码误码率性能；
步骤E：基于游程长度最大值分别为3、4、5、6、7条件下，依据常规卷积码以最小码距作为误码率性能的评价方法，分析1/2码率Miller码及2/3码率RLL码对应的最小码距；
步骤F：基于步骤E得到的表达式，译码输出的信息序列μi、vi各自的对数似然比值分别为：
其中，
所述步骤C的具体步骤是：
步骤C1：分析游程长度最大值为3的RLL码，初始状态S0(000)的下一状态可能为S4(100)、S5(101)、S6(110)、S7(111)；而不能是S1(001)、S2(010)、S3(011)；同理S1(001)的下一状态不能为S7(111)，S2(010)的下一状态不能为S0(000)，S3(011)的下一状态不能为S6(110)、S7(111)，S4(100)的下一状态不能为S0(000)、S1(001)，S5(101)的下一状态不能为S7(111)，S6(110)的下一状态不能为S0(000)，S7(111)的下一状态不能为S4(100)、S5(101)、S6(110)、S7(111)；
步骤C2：分析游程长度最大值为4的RLL码，其中一种可能的状态路径图为S0(000)→S2(010)→S3(011)→S5(101)→S4(100)→S6(110)→S7(111)→S1(001)→S0(000)；
步骤D3：分析游程长度最大值为5的RLL码，其中一种可能的状态路径图为S0(000)→S3(011)→S2(010)→S1(001)→S5(101)→S4(100)→S7(111)→S6(110)→S0(000)；
步骤C4：分析游程长度最大值为6的RLL码，其中一种可能的状态路径图为S0(000)→S1(001)→S3(011)→S2(011)→S4(100)→S5(101)→S7(111)→S6(110)→S0(000)；
步骤C5：分析游程长度最大值为7的RLL码，其中一种可能的状态路径图为S0(000)→S1(001)→S2(010)→S4(100)→S3(011)→S7(111)→S6(110)→S5(101)→S0(000)。
所述步骤E的具体步骤是：
步骤E1，前向递推度量其中，s'与s分别对应i-1与i时刻的网格状态，γi((μi,vi),s',s)表示在输入序列为(μi,vi)条件下网格状态由i-1时刻的状态s'向i时刻的状态s转移所对应的转移概率，(μi,vi)为在i时刻的输入序列；
步骤E2，后向递推度量
步骤E3，状态转移度量γi((μi,vi),s',s)＝P(μi,vi)P(yi(s',s)|(μi,vi))，其中P(μi,vi)表示发送信息序列为(μi,vi)时所对应的先验概率，yi(s',s)表示i时刻s'向s转移情况下，接收端从信道收到的有噪信号；
步骤E4，给出P(μi,vi)的具体表达式：
其中，P(μi＝1)与P(μi＝0)分别表示μi＝1与μi＝0时对应的先验概率，P(vi＝1)与P(vi＝0)分别表示vi＝1与vi＝0时对应的先验概率；
步骤E5，给出P(yi(s',s)|(μi,vi))的具体表达式：
其中，σ2为零均值加性高斯白噪声(AWGN)的方差，(pi,gi,qi)表示在输入序列为(μi,vi)条件下经编码后输出的码字序列，表示码字序列(pi,gi,qi)经AWGN信道传输后，接收端所接收到的信号。
综合上述，本发明提供一种基于短距离可见光通信的游程长度受限(RLL)编码方法，针对可见光通信中传输信号特点，本发明通过改变Miller编码器的网格结构，给出了不同游程长度约束下2/3码率RLL码的可能状态路径图，同时对2/3码率RLL码的DC平衡特性及闪烁特性进行分析，最后给出了2/3码率RLL码对应的修改BCJR算法中前向递推度量、后向递推度量及状态转移度量的表达式，改善了可见光信息传输的误比特率性能。图1给出了游程长度为7的RLL码网络；从图2可以看出：在取样符号为300的条件下，所提出的游程长度为7的2/3码率RLL码相比于Miller码及更新Miller码的DC平衡特性稍差，但在MFTP内2/3码率RLL码也具有较好的DC平衡特性，因而在可见光信号传输中，可满足人对其闪烁特性不敏感；从图4可以看出，游程长度为7的RLL码的误码率性能优于其他游程长度，与步骤D)中分析的RLL码的最小码距性能一致；从图5可以看出，游程长度为7的RLL码的误码率性能优于现有Miller码及更新Miller码，在误码率为10-3时，所提出的2/3码率RLL码相比于现有Miller码及更新Miller码，分别约有1.3dB与3.4dB的性能增益。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于可见光通信的RLL编码方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤A，设定RLL码的网格图中移存器下一状态与输出码一致；
步骤B，针对2比特输入序列与3比特输出码字的RLL码进行设计，设定S0(000)，S1(001)，S2(010)，S3(011)，S4(100)，S5(101)，S6(110)，S7(111)分别表示移存器的8种状态，通过分析得到2/3码率RLL码最大游程长度的最小值为3、最大值为7；
步骤C，基于游程长度最大值分别为3、4、5、6、7条件下，通过分析RLL码对应的可能状态路径图，得到不同游程长度下的2/3码率RLL码，其中需要注意的是：应避免S0(000)→S0(000)状态路径图；
步骤D，基于步骤C得到的RLL码，依据常规卷积码以最小码距作为误码率性能的评价方法，通过分析2/3码率RLL码对应的最小码距分别为1、1、1、1、2，从而定性分析不同游程长度下的RLL码误码率性能；
步骤E，接收端对所接收的信号进行BCJR算法译码，给出BCJR算法中前向递推度量、后向递推度量及状态转移度量的表达式；
步骤F，基于步骤E得到的表达式，译码输出的信息序列μi、vi各自的对数似然比值LLRRLL(μi)、LLRRLL(vi)分别为：
其中，αi-1(s′)为第i-1时刻的前向递推度量，βi(s)为第i时刻的后向递推度量，P(μi＝1)与P(μi＝0)分别表示μi＝1与μi＝0时对应的先验概率，P(vi＝1)与P(vi＝0)分别表示vi＝1与vi＝0时对应的先验概率，σ2为零均值加性高斯白噪声(AWGN)的方差，(pi,gi,qi)表示在输入序列为(μi,vi)条件下经编码后输出的码字序列，表示码字序列(pi,gi,qi)经AWGN信道传输后，接收端所接收到的信号。
2.如权利要求1所述的一种基于可见光通信的RLL编码方法，其特征在于：所述步骤C的具体步骤是：
步骤C1，分析游程长度最大值为3的RLL码，初始状态S0(000)的下一状态可能为S4(100)、S5(101)、S6(110)、S7(111)；而不能是S1(001)、S2(010)、S3(011)；同理S1(001)的下一状态不能为S7(111)，S2(010)的下一状态不能为S0(000)，S3(011)的下一状态不能为S6(110)、S7(111)，S4(100)的下一状态不能为S0(000)、S1(001)，S5(101)的下一状态不能为S7(111)，S6(110)的下一状态不能为S0(000)，S7(111)的下一状态不能为S4(100)、S5(101)、S6(110)、S7(111)；
步骤C2，分析游程长度最大值为4的RLL码，其中一种可能的状态路径图为S0(000)→S2(010)→S3(011)→S5(101)→S4(100)→S6(110)→S7(111)→S1(001)→S0(000)；
步骤C3，分析游程长度最大值为5的RLL码，其中一种可能的状态路径图为S0(000)→S3(011)→S2(010)→S1(001)→S5(101)→S4(100)→S7(111)→S6(110)→S0(000)；
步骤C4，分析游程长度最大值为6的RLL码，其中一种可能的状态路径图为S0(000)→S1(001)→S3(011)→S2(011)→S4(100)→S5(101)→S7(111)→S6(110)→S0(000)；
步骤C5，分析游程长度最大值为7的RLL码，其中一种可能的状态路径图为S0(000)→S1(001)→S2(010)→S4(100)→S3(011)→S7(111)→S6(110)→S5(101)→S0(000)。
3.如权利要求1所述的一种基于可见光通信的RLL编码方法，其特征在于：所述步骤E的具体步骤是：
步骤E1，前向递推度量其中，s'与s分别对应i-1与i时刻的网格状态，γi((μi,vi),s',s)表示在输入序列为(μi,vi)条件下网格状态由i-1时刻的状态s'向i时刻的状态s转移所对应的转移概率，(μi,vi)为在i时刻的输入序列；
步骤E2，后向递推度量
步骤E3，状态转移度量γi((μi,vi),s',s)＝P(μi,vi)P(yi(s',s)|(μi,vi))，其中P(μi,vi)表示发送信息序列为(μi,vi)时所对应的先验概率，yi(s',s)表示i时刻s'向s转移情况下，接收端从信道收到的有噪信号；
步骤E4，给出P(μi,vi)的具体表达式：
其中，P(μi＝1)与P(μi＝0)分别表示μi＝1与μi＝0时对应的先验概率，P(vi＝1)与P(vi＝0)分别表示vi＝1与vi＝0时对应的先验概率；
步骤E5，给出P(yi(s',s)|(μi,vi))的具体表达式：
其中，σ2为零均值加性高斯白噪声(AWGN)的方差，(pi,gi,qi)表示在输入序列为(μi,vi)条件下经编码后输出的码字序列，表示码字序列(pi,gi,qi)经AWGN信道传输后，接收端所接收到的信号。
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