CN110278057B - 一种基于可见光通信的变码长rll编译码方法 - Google Patents

一种基于可见光通信的变码长rll编译码方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于可见光通信的变码长RLL编译码方法，步骤是：步骤A，针对2/3码率的RLL码，设定各组编码的最小码距的最大值；步骤B，通过建立FSM图，分析最小码距取不同值时，编码对应的可能状态路径图，从而得到网格图；步骤C，基于步骤B得到的RLL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D，基于步骤C得到的表达式，译码输出的信息序列各自的对数似然比值。此种方法可在码率不变的情况下，提高可见光信号的传输可靠性，具有良好DC平衡、避免LED闪烁、高效可靠的特点。

Description

一种基于可见光通信的变码长RLL编译码方法
技术领域
本发明涉及一种基于可见光通信的变码长游程长度受限(RLL)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码可以消除发送符号序列中长串的连“0”或连“1”，而运用FSM图进行编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，设计相应的游程长度受限(RLL)编译码算法，从而实现可见光信号直流(DC)平衡和高增益高可靠性成为了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，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变码长RLL编译码方法，其可在码率不变的情况下，提高可见光信号的传输可靠性，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变码长RLL编译码方法，包括如下步骤：
步骤A，针对2/3码率的RLL码，设定各组编码的最小码距的最大值；
步骤B，通过建立FSM图，分析最小码距取不同值时，编码对应的可能状态路径图，从而得到网格图；
步骤C，基于步骤B得到的RLL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D，基于步骤C得到的表达式，译码输出的信息序列各自的对数似然比值。
上述步骤A的具体内容是：设编码为2比特输入与3比特输出，得到最小码距为2和3的RLL码；设编码为4比特输入与6比特输出，得到最小码距为4和5的RLL码；
所述步骤B的具体内容是：
步骤B1，分析最小码距为2的RLL码，针对2比特输入与3比特输出的RLL码进行设计，设定状态数为2，分别为S1和S2，依据2状态的FSM图，得到编码网格图；
步骤B2，分析最小码距为3的RLL码，针对2比特输入与3比特输出的RLL码进行设计，设定状态数为4，分别为S1、S2、S3、S4，依据4状态的FSM图，得到编码网格图；
步骤B3，分析最小码距为4的RLL码，针对4比特输入与6比特输出的RLL码进行设计，设定状态数为4，分别为S1、S2、S3、S4，依据4状态的FSM图，得到编码网格图；
步骤B4，分析最小码距为5的RLL码，针对4比特输入与6比特输出的RLL码进行设计，设定状态数为8，分别为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，依据8状态的FSM图，得到编码网格图。
采用上述方案后，本发明通过改变RLL码码长，并构建相应FSM图，给出了不同最小码距和状态数下2/3码率FSM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是本发明的流程图；
图2是本发明所提出的4状态的FSM图；
图3是本发明所提出的最小码距5的RLL码光照强度特性图；
图4是本发明对应的VLC系统框图；
图5是本发明所提出的同码长和不同码距下RLL码误码率性能对比曲线图；
图6是本发明提出的6码长最小码距5的RLL码与现有Miller码、Manchester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。
如图1所示，本发明提供一种基于可见光通信的变码长RLL编译码方法，基于常规卷积码的网格结构，依据FSM图的特点，分析现有卷积码的FSM图进行RLL码的设计，具体包括以下步骤：
步骤A，针对2/3码率的RLL码进行设计，设编码为2比特输入与3比特输出，可以得到最小码距为2和3的RLL码；设编码为4比特输入与6比特输出，可以得到最小码距为4和5的RLL码；
步骤B，通过建立FSM图，分析最小码距分别为2、3、4、5条件下，编码对应的可能状态路径图，从而得到网格图；具体过程为：
步骤B1，分析最小码距为2的RLL码，针对2比特输入与3比特输出的RLL码进行设计，设定状态数为2，分别为S1和S2，依据2状态的FSM图，得到编码网格图；其中一种可能的状态路径为S1→S2→S1，C(S1,2)＝{100,111}，C(S2,1)＝{000,011}，其中，C(Sp,q)表示状态Sp到Sq的所有3比特输出的码字集合，p＝1、2,q＝1、2；
步骤B2，分析最小码距为3的RLL码，针对2比特输入与3比特输出的RLL码进行设计，设定状态数为4，分别为S1、S2、S3、S4，依据4状态的FSM图，得到编码网格图；其中一种可能的状态路径为S1→S2→S4→S3→S1，C(S1,2)＝{010}，C(S2,4)＝{001}，C(S4,3)＝{000}，C(S3,1)＝{110}；
步骤B3，分析最小码距为4的RLL码，针对4比特输入与6比特输出的RLL码进行设计，设定状态数为4，分别为S1、S2、S3、S4，依据4状态的FSM图，得到编码网格图；其中一种可能的状态路径为S1→S2→S3→S4→S1，C(S1,2)＝{000010,001101,110100,111011},C(S2,3)＝{010101，011010,100110,101001},C(S3,4)＝{000101,001010,110110,111001},C(S4,1)＝{010010,011101,100100,101011}；
步骤B4，分析最小码距为5的RLL码，针对4比特输入与6比特输出的RLL码进行设计，设定状态数为8，分别为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，依据8状态的FSM图，得到编码网格图；其中一种可能的状态路径为S1→S2→S4→S3→S5→S6→S8→S7→S1，C(S1,2)＝{001000,110111}，C(S2,4)＝{000111,111000}，C(S4,3)＝{001101,110010}，C(S3,5)＝{010111,101000}，C(S5,6)＝{001111,110000}，C(S6,8)＝{000000,111111}，C(S8,7)＝{001010,110101}，C(S7,1)＝{010000,101111}。
步骤C，设码字1为高电平、码字0为低电平，取编码的每800个比特位为1个符号，计算每个符号的电流平衡并画出柱状图，根据柱状图分析不同最小码距下RLL码字的DC平衡特性及闪烁特性，柱状图的平衡度越接近50％则平衡特性越好；
步骤D，基于步骤B得到的RLL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D1，2输入3输出的RLL码的前向递推度量、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：
Figure BDA0002111489220000041
其中，s'与s分别对应i-1与i时刻的网格状态，αi(s)为i时刻的前向递推度量，αi-1(s′)为i-1时刻的前向递推度量，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；
后向递推度量为：
Figure BDA0002111489220000051
其中，βi(s)为i时刻的后向递推度量，βi-1(s')为i-1时刻的后向递推度量；
状态转移度量为：γi((μi,vi),s',s)＝P(μi,vi)P(yi(s',s)|(μi,vi))，其中，P(μi,vi)表示输入序列为(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；
Figure BDA0002111489220000052
其中，
Figure BDA0002111489220000053
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；μi和vi为在i时刻的输入值；
Figure BDA0002111489220000054
其中，σ2为零均值加性高斯白噪声的方差，(pi,gi,qi,ri)表示在输入序列为(μi,vi)条件下经编码后输出的码字序列，(ypi,ygi,yqi,yri)表示码字序列(pi,gi,qi,ri)经AWGN信道传输后，接收端所接收到的信号。
步骤D2，4输入6输出的RLL码的前向递推度量、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：
Figure BDA0002111489220000055
后向递推度量为：
Figure BDA0002111489220000056
γi((μi,vi,mi,ni),s',s)表示在输入序列为(μi,vi,mi,ni)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,mi,ni)为在i时刻的输入序列；
状态转移度量为：γi((μi,vi,mi,ni),s',s)＝P(μi,vi,mi,ni)P(yi(s',s)|(μi,vimi,ni))；
Figure BDA0002111489220000061
Figure BDA0002111489220000062
其中，(pi,gi,qi,hi,ji,ki)表示在输入序列为(μi,vi,mi,ni)条件下经编码后输出的码字序列，(ypi,ygi,yqi,yhi,yji,yki)表示码字序列(μi,vi,mi,ni)经AWGN信道传输后，接收端所接收到的信号。
E：基于步骤D得到的表达式，译码输出的信息序列μi、vi、mi、ni各自的对数似然比值分别为：
步骤E1，2输入3输出的RLL码对数似然比值为：
Figure BDA0002111489220000063
Figure BDA0002111489220000064
其中，
Figure BDA0002111489220000065
αi-1(s′)为i-1时刻的前向递推度量，βi(s)为i时刻的后向递推度量，
Figure BDA0002111489220000066
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，LLRRLL(μi)、LLRRLL(vi)分别为μi、vi对应的对数似然比值。
步骤E2，4输入6输出的RLL码对数似然比值为：
Figure BDA0002111489220000071
Figure BDA0002111489220000072
Figure BDA0002111489220000073
Figure BDA0002111489220000074
本发明提供一种基于基于可见光通信的变码长游程长度受限编码方法，针对可见光通信中传输信号特点，本发明改变码长和状态数，再基于FSM图进行设计，给出了不同最小码距下2/3码率的RLL码的可能状态路径图，同时对最小码距5码长6的RLL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5码长6的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以及DC平衡性能。图2给出了4状态的FSM图。表1给出了最小码距5码长6的RLL码网络。从图3可以看出：在取样符号为800的条件下，所提出的最小码距为5的2/3码率RLL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4是本发明对应的VLC系统框图。从图5可以看出，最小码距为5的RLL码误码率性能优于其他最小码距的FSM码，最小码距越大，RLL码性能越好。图6可以看出，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Manchester码，分别约有5.5dB与3.5dB的性能增益。
表1
Figure BDA0002111489220000075
Figure BDA0002111489220000081
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 (5)

1.一种基于可见光通信的变码长RLL编译码方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤A，针对2/3码率的RLL码，设定各组编码的最小码距的最大值；
所述步骤A的具体内容是：设编码为2比特输入与3比特输出，得到最小码距为2和3的RLL码；设编码为4比特输入与6比特输出，得到最小码距为4和5的RLL码；
步骤B，通过建立FSM图，分析最小码距取不同值时，编码对应的可能状态路径图，从而得到网格图；
所述步骤B的具体内容是：
步骤B1，分析最小码距为2的RLL码，针对2比特输入与3比特输出的RLL码进行设计，设定状态数为2，分别为S1和S2，依据2状态的FSM图，得到编码网格图；
步骤B2，分析最小码距为3的RLL码，针对2比特输入与3比特输出的RLL码进行设计，设定状态数为4，分别为S1、S2、S3、S4，依据4状态的FSM图，得到编码网格图；
步骤B3，分析最小码距为4的RLL码，针对4比特输入与6比特输出的RLL码进行设计，设定状态数为4，分别为S1、S2、S3、S4，依据4状态的FSM图，得到编码网格图；
步骤B4，分析最小码距为5的RLL码，针对4比特输入与6比特输出的RLL码进行设计，设定状态数为8，分别为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，依据8状态的FSM图，得到编码网格图；
步骤C，基于步骤B得到的RLL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；
所述步骤C中，2输入3输出的RLL码的前向递推度量、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：
Figure FDA0003107678380000021
其中，s'与s分别对应i-1与i时刻的网格状态，αi(s)为i时刻的前向递推度量，αi-1(s′)为i-1时刻的前向递推度量，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；
后向递推度量为：
Figure FDA0003107678380000022
其中，βi(s)为i时刻的后向递推度量，βi-1(s')为i-1时刻的后向递推度量；
状态转移度量为：γi((μi,vi),s',s)＝P(μi,vi)P(yi(s',s)|(μi,vi))，其中，P(μi,vi)表示输入序列为(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；
Figure FDA0003107678380000023
其中，
Figure FDA0003107678380000024
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；μi和vi为在i时刻的输入值；
Figure FDA0003107678380000025
其中，σ2为零均值加性高斯白噪声的方差，(pi,gi,qi,ri)表示在输入序列为(μi,vi)条件下经编码后输出的码字序列，
Figure FDA0003107678380000026
表示码字序列(pi,gi,qi,ri)经AWGN信道传输后，接收端所接收到的信号；
所述步骤C中，4输入6输出的RLL码的前向递推度量、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：
Figure FDA0003107678380000031
后向递推度量为：
Figure FDA0003107678380000032
γi((μi,vi,mi,ni),s',s)表示在输入序列为(μi,vi,mi,ni)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,mi,ni)为在i时刻的输入序列；
状态转移度量为：γi((μi,vi,mi,ni),s',s)＝P(μi,vi,mi,ni)P(yi(s',s)|(μi,vimi,ni))；
Figure FDA0003107678380000033
Figure FDA0003107678380000034
其中，(pi,gi,qi,hi,ji,ki)表示在输入序列为(μi,vi,mi,ni)条件下经编码后输出的码字序列，
Figure FDA0003107678380000035
表示码字序列(μi,vi,mi,ni)经AWGN信道传输后，接收端所接收到的信号；
步骤D，基于步骤C得到的表达式，得到译码输出的信息序列各自的对数似然比值；
所述步骤D中，2输入3输出的RLL码对数似然比值为：
Figure FDA0003107678380000036
Figure FDA0003107678380000037
其中，
Figure FDA0003107678380000041
LLRRLL(μi)、LLRRLL(vi)分别为μi、vi对应的对数似然比值；
所述步骤D中，4输入6输出的RLL码对数似然比值为：
Figure FDA0003107678380000042
Figure FDA0003107678380000043
Figure FDA0003107678380000044
Figure FDA0003107678380000045
2.如权利要求1所述的一种基于可见光通信的变码长RLL编译码方法，其特征在于：所述步骤B1中，一种可能的状态路径为S1→S2→S1，C(S1,2)＝{100,111}，C(S2,1)＝{000,011}，其中，C(Sp,q)表示状态Sp到Sq的所有3比特输出的码字集合，p＝1、2,q＝1、2。
3.如权利要求1所述的一种基于可见光通信的变码长RLL编译码方法，其特征在于：所述步骤B2中，一种可能的状态路径为S1→S2→S4→S3→S1，C(S1,2)＝{010}，C(S2,4)＝{001}，C(S4,3)＝{000}，C(S3,1)＝{110}。
4.如权利要求1所述的一种基于可见光通信的变码长RLL编译码方法，其特征在于：所述步骤B3中，一种可能的状态路径为S1→S2→S3→S4→S1，C(S1,2)＝{000010,001101,110100,111011},C(S2,3)＝{010101，011010,100110,101001},C(S3,4)＝{000101,001010,110110,111001},C(S4,1)＝{010010,011101,100100,101011}。
5.如权利要求1所述的一种基于可见光通信的变码长RLL编译码方法，其特征在于：所述步骤B后，还包括：设码字1为高电平，码字0为低电平，取编码的每800个比特位为1个符号，计算每个符号的电流平衡并画出柱状图，根据柱状图分析不同最小码距下RLL码字的DC平衡特性及闪烁特性。
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