CN109818679B - 一种基于可见光通信的有限状态机编译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可见光通信的有限状态机编译码方法，具体步骤为：基于常规卷积码的网格结构，依据可见光通信DC平衡的要求，选取DC平衡的FSM图；主要针对2比特输入与4比特输出的FSM码进行设计，并分析1/2码率FSM码最小码距和状态数的特点；给出不同最小码距和状态数条件下，对应的可能FSM图和状态路径图；依据常规卷积码以最小码距作为误码率性能的评价方法，对比传统RLL码，定性分析FSM码的误码率性能；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。此种方法通过拆分状态的方式进行FSM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有限状态机编译码方法

技术领域

本发明涉及一种基于可见光通信的有限状态机(FSM)编译码方法，具体涉及一种在短距离可见光通信场景中可见光信号的编译码方法。

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)调制的有限状态机(FSM)编译码方法已成为VLC技术中的重要研究内容。

在VLC通信中，FSM码可以限制发送序列中连续的0和1的数量，使得灯光闪烁满足最大闪烁时间(MFTP)小于5ms，使人眼觉察不到灯光强度的变换；同时可以通过改变状态数和最小码距的方式来增加增益，提高编码的纠错能力。因此，选择合适的FSM图，设计相应的算法，从而得到具有良好直流(DC)平衡和高增益可靠的可见光编码成为了VLC技术中研究的重点内容。

因此，需要设计一种可以抑制闪烁能量、具有良好DC平衡、稳定可靠的VLC编译码方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于可见光通信的有限状态机编译码方法，该方法具有良好DC平衡、避免LED闪烁、高效可靠的特点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于可见光通信的有限状态机编译码方法，包括如下步骤：

步骤1，基于常规卷积码的网格结构，选取直流平衡的FSM图；

步骤2，当输入序列(μ_i,v_i)为2比特，输出FSM码为4比特时，基于步骤1的FSM图，选取V_-1和V₊₁状态、V_-2和V₊₂状态，则V_-1和V₊₁状态得到4比特输出FSM码的最小码距为2，V_-2和V₊₂状态得到4比特输出FSM码的最小码距为4；

步骤3，基于步骤2选取的状态，构建4比特输出FSM码的FSM图，通过分割子状态和删除多余码字，得到最小码距为2且状态数分别为2、4时，对应的FSM图及FSM码，以及最小码距为4且状态数分别为2、4时，对应的FSM图及FSM码；

步骤4，基于步骤3得到的FSM码，对其加入高斯白噪声后，通过BCJR算法进行译码，得到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5，基于步骤4得到的表达式，译码输出μ_i、v_i各自的对数似然比值。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述的具体过程如下：

步骤31，最小码距为2，选取状态V_-1和V₊₁时，则所有4比特输出的码字集合为：C′(V_-1,-1)＝C′(V_+1,+1)＝{1100,0011,0101,1010,1001,0110}，C′(V_+1,-1)＝C′(V_-1,+1)＝{0100,1011}；删除多余码字，从而得到状态数为2且最小码距为2的FSM码字集合为：C(V_-1,-1)＝C(V_+1,+1)＝{0011,1100}，C(V_+1,-1)＝C(V_-1,+1)＝{0100,1011}；其中，C′(V_p,q)表示状态V_p到V_q的所有4比特输出的码字集合，p＝±1,q＝±1；

步骤32，最小码距为2，将状态V_-1和V₊₁分别分成两个子状态

和

删除多余码字，得到状态数为4且最小码距为2的FSM码字集合为：

步骤33，最小码距为4，选取状态V_-2和V₊₂时，删除多余码字，得到状态数为2且最小码距为4的FSM码字集合为：C(V_-2,-2)＝C(V_+2,+2)＝{0011,1100}，C(V_+2,-2)＝C(V_-2,+2)＝{0000,1111}；

步骤34，最小码距为4，将状态V-₂和V₊₂分别分成两个子状态

和

删除多余码字，得到状态数为4且最小码距为4的FSM码字集合为：

其中，C(V_m,n)表示删除多余码字后，状态V_m到V_n的所有4比特输出的码字集合，

表示删除多余码字后，状态

到

的所有4比特输出的码字集合，m＝±1,±2，n＝±1,±2，a＝1,2，b＝1,2。

作为本发明的一种优选方案，步骤4所述前向递推度量、后向递推度量及状态转移度量的表达式分别为：

前向递推度量为：

其中，s'与s分别对应i-1与i时刻的网格状态，α_i(s)为i时刻的前向递推度量，α_i-1(s′)为i-1时刻的前向递推度量，γ_i((μ_i,v_i),s',s)表示在输入序列为(μ_i,v_i)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，(μ_i,v_i)为在i时刻的输入序列；

后向递推度量为：

其中，β_i(s)为i时刻的后向递推度量，β_i-1(s')为i-1时刻的后向递推度量；

状态转移度量为：γ_i((μ_i,v_i),s',s)＝P(μ_i,v_i)P(yi(s',s)|(μ_i,v_i))，其中，P(μ_i,v_i)表示输入序列为(μ_i,v_i)时所对应的先验概率，y_i(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；

其中，

P(μ_i＝1)与P(μ_i＝0)分别表示μ_i＝1与μ_i＝0时对应的先验概率，P(v_i＝1)与P(v_i＝0)分别表示v_i＝1与v_i＝0时对应的先验概率；

其中，σ²为零均值加性高斯白噪声的方差，(p_i,g_i,q_i,r_i)表示在输入序列为(μ_i,v_i)条件下经编码后输出的码字序列，

表示码字序列(p_i,g_i,q_i,r_i)经AWGN信道传输后，接收端所接收到的信号。

作为本发明的一种优选方案，步骤5所述对数似然比值，具体表达式为：

其中，

α_i-1(s′)为i-1时刻的前向递推度量，β_i(s)为i时刻的后向递推度量，

P(μ_i＝1)与P(μ_i＝0)分别表示μ_i＝1与μ_i＝0时对应的先验概率，P(v_i＝1)与P(v_i＝0)分别表示v_i＝1与v_i＝0时对应的先验概率，LLR_RLL(μ_i)、LLR_RLL(v_i)分别为μ_i、v_i对应的对数似然比值。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明通过构建FSM图，给出了不同最小码距和状态数下1/2码率FSM码的可能状态路径图，同时对1/2码率FSM码的DC平衡特性及闪烁特性进行分析，最后给出了1/2码率FSM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是本发明一种基于可见光通信的有限状态机编译码方法流程图。

图2是本发明所提出的DC平衡的FSM图。

图3是本发明所提出的最小码距4状态4的FSM网络。

图4是本发明所提出的最小码距4状态数4的FSM码光照强度特性图。

图5是本发明对应的VLC系统框图。

图6是本发明提出的不同状态和不同码距的FSM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

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供一种基于可见光通信的有限状态机(FSM)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FSM编码DC平衡和限制游程长度的特点，选取DC平衡的FSM图；

步骤B，选取步骤A的图中的状态V_-i和V_+i，i为任意非零整数。分析它们得到的最小输出码字为2i。针对码率为1/2的2比特输入序列与4比特输出码字的FSM码进行设计。基于输出码字的长度，选取V_-1和V₊₁状态，V_-2和V₊₂状态，分析它们得到的4比特输出FSM码的可能最小码距为2和4；

步骤C，基于步骤B选取的状态，构建出4比特输出的FSM图，通过分割子状态和删除多余码字，得到不同状态数和最小码距的可能的FSM图，分析出对应的FSM码；具体过程为：

步骤C1：分析最小码距为2的FSM码，选取状态V_-1和V₊₁。设C(V_-1,-1)＝C(V_+1,+1)＝{1100,0011,0101,1010,1001,0110}，C(V_+1,-1)＝C(V_-1,+1)＝{0100,1011}。其中符号C(V_p,q)表示为状态V_p到V_q的所有4比特输出的码字集合，p与q为整数。因为每个状态对应的输出码字数m≤n²，n为输入信息位数。输入信息位为2，所以每个状态最多只能对应4种输出码字。删去多余码字，得到一种可能的码字集合：C(V_-1,-1)＝C(V_+1,+1)＝{0011,1100}，C(V_+1,-1)＝C(V_-1,+1)＝{0100,1011}。从而得到一种可能的状态数2，最小码距为2的FSM码；

步骤C2：将状态V_-1和V₊₁分别分成两个子状态

和

删去多余码字，得到一种可能的码字集合：

从而得到一种可能的状态数4，最小码距为2的FSM码；

步骤C3：分析最小码距为4的FSM码，选取状态V_-2和V₊₂。得到一种可能的码字集合：C(V_-2,-2)＝C(V_+2,+2)＝{0011,1100},C(V_+2,-2)＝C(V_-2,+2)＝{0000,1111}。从而得到一种可能的状态数2，最小码距为4的FSM码；

步骤C4：将状态V_-2和V₊₂分别分成两个子状态

和

删去多余码字，得到一种可能的码字集合：

从而得到一种可能的状态数4，最小码距为4的FSM码。

步骤D，基于步骤C得到的FSM码，对其加入高斯白噪声(AWGN)后，通过BCJR算法进行译码，分析它们的误码率性能，并给出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D1，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，γ_i((μ_i,v_i),s',s)表示在输入序列为(μ_i,v_i)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，(μ_i,v_i)为在i时刻的输入序列；

步骤D2，后向递推度量

步骤D3，状态转移度量γ_i((μ_i,v_i),s',s)＝P(μ_i,v_i)P(y_i(s',s)|(μ_i,v_i))，其中P(μ_i,v_i)表示发送信息序列为(μ_i,v_i)时所对应的先验概率，y_i(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D4，给出P(μ_i,v_i)的具体表达式：

其中，

P(μ_i＝1)与P(μ_i＝0)分别表示μ_i＝1与μ_i＝0时对应的先验概率，P(v_i＝1)与P(v_i＝0)分别表示v_i＝1与v_i＝0时对应的先验概率；

步骤D5，给出P(yi(s',s)|(μ_i,v_i))的具体表达式：

其中，σ²为零均值加性高斯白噪声(AWGN)的方差，(p_i,g_i,q_i,r_i)表示在输入序列为(μi,v_i)条件下经编码后输出的码字序列，

表示码字序列(p_i,g_i,q_i,r_i)经AWGN信道传输后，接收端所接收到的信号。

步骤E：基于步骤D得到的表达式，译码输出的信息序列μ_i、v_i各自的对数似然比值分别为：

其中，

本发明提供一种基于短距离可见光通信的有限状态机(FSM)编码方法，针对可见光通信中传输信号特点，本发明通过分割DC平衡FSM图的状态来构建新FSM图，给出了不同最小码距和不同状态数下1/2码率的FSM码的可能状态路径图，同时对最小码距4状态4的FSM码的DC平衡特性及闪烁特性进行分析，最后给出了最小码距4状态4的FSM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以及DC平衡性能。图2给出了DC平衡的FSM图。图3给出了最小码距4状态4的FSM码网络。从图4可以看出：在取样符号为300的条件下，所提出的最小码距为4的1/2码率FSM码几乎可以达到DC平衡，因而在可见光信号传输中，可满足人对其闪烁特性不敏感。图5是本发明对应的VLC系统框图。从图6可以看出，最小码距(d_min)为4状态(st)为4的FSM码误码率性能优于其他最小码距和状态数的FSM码，最小码距越大，状态数越多，FSM码性能越好，同时它的误码率性能优于其他码距为1和2的RLL码，在误码率为10^-3时，所提出的最小码距为4的FSM码相比于现有Miller码及更新Miller码，分别约有4dB与1.8dB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有限状态机编译码方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，基于常规卷积码的网格结构，选取直流平衡的FSM图；

步骤2，当输入序列(μ_i,v_i)为2比特，输出FSM码为4比特时，基于步骤1的FSM图，选取V_-1和V₊₁状态、V_-2和V₊₂状态，则V_-1和V₊₁状态得到4比特输出FSM码的最小码距为2，V_-2和V₊₂状态得到4比特输出FSM码的最小码距为4；

步骤3，基于步骤2选取的状态，构建4比特输出FSM码的FSM图，通过分割子状态和删除多余码字，得到最小码距为2且状态数分别为2、4时，对应的FSM图及FSM码，以及最小码距为4且状态数分别为2、4时，对应的FSM图及FSM码；

步骤4，基于步骤3得到的FSM码，对其加入高斯白噪声后，通过BCJR算法进行译码，得到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；

所述前向递推度量、后向递推度量及状态转移度量的表达式分别为：

前向递推度量为：

其中，s'与s分别对应i-1与i时刻的网格状态，α_i(s)为i时刻的前向递推度量，α_i-1(s′)为i-1时刻的前向递推度量，γ_i((μ_i,v_i),s',s)表示在输入序列为(μ_i,v_i)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，(μ_i,v_i)为在i时刻的输入序列；

后向递推度量为：

其中，β_i(s)为i时刻的后向递推度量，β_i-1(s')为i-1时刻的后向递推度量；

状态转移度量为：γ_i((μ_i,v_i),s',s)＝P(μ_i,v_i)P(y_i(s',s)|(μ_i,v_i))，其中，P(μ_i,v_i)表示输入序列为(μ_i,v_i)时所对应的先验概率，y_i(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；

其中，

P(μ_i＝1)与P(μ_i＝0)分别表示μ_i＝1与μ_i＝0时对应的先验概率，P(v_i＝1)与P(v_i＝0)分别表示v_i＝1与v_i＝0时对应的先验概率；

其中，σ²为零均值加性高斯白噪声的方差，p_i,g_i,q_i,r_i表示在输入序列为(μ_i,v_i)条件下经编码后输出的码字序列，

表示码字序列p_i,g_i,q_i,r_i经AWGN信道传输后，接收端所接收到的信号；

步骤5，基于步骤4得到的表达式，译码输出μ_i、v_i各自的对数似然比值。

2.根据权利要求1所述基于可见光通信的有限状态机编译码方法，其特征在于，步骤3的具体过程如下：

步骤31，最小码距为2，选取状态V_-1和V₊₁时，则所有4比特输出的码字集合为：C′(V_-1,-1)＝C′(V_+1,+1)＝{1100,0011,0101,1010,1001,0110}，C′(V_+1,-1)＝C′(V_-1,+1)＝{0100,1011}；删除多余码字，从而得到状态数为2且最小码距为2的FSM码字集合为：C(V_-1,-1)＝C(V_+1,+1)＝{0011,1100}，C(V_+1,-1)＝C(V_-1,+1)＝{0100,1011}；其中，C′(V_p,q)表示状态V_p到V_q的所有4比特输出的码字集合，p＝±1,q＝±1；

步骤32，最小码距为2，将状态V_-1和V₊₁分别分成两个子状态

和

删除多余码字，得到状态数为4且最小码距为2的FSM码字集合为：

步骤33，最小码距为4，选取状态V_-2和V₊₂时，删除多余码字，得到状态数为2且最小码距为4的FSM码字集合为：C(V_-2,-2)＝C(V_+2,+2)＝{0011,1100}，C(V_+2,-2)＝C(V_-2,+2)＝{0000,1111}；

步骤34，最小码距为4，将状态V_-2和V₊₂分别分成两个子状态

和

删除多余码字，得到状态数为4且最小码距为4的FSM码字集合为：

其中，C(V_m,n)表示删除多余码字后，状态V_m到V_n的所有4比特输出的码字集合，

表示删除多余码字后，状态

到

的所有4比特输出的码字集合，m＝±1,±2，n＝±1,±2，a＝1,2，b＝1,2。

3.根据权利要求1所述基于可见光通信的有限状态机编译码方法，其特征在于，步骤5所述对数似然比值，具体表达式为：

其中，

α_i-1(s′)为i-1时刻的前向递推度量，β_i(s)为i时刻的后向递推度量，

P(μ_i＝1)与P(μ_i＝0)分别表示μ_i＝1与μ_i＝0时对应的先验概率，P(v_i＝1)与P(v_i＝0)分别表示v_i＝1与v_i＝0时对应的先验概率，LLR_RLL(μ_i)、LLR_RLL(v_i)分别为μ_i、v_i对应的对数似然比值。

Images