一种基于极化码的可见光通信系统及其实现方法与流程

本发明涉及光通信领域，特别涉及一种基于极化码的可见光通信系统及其实现方法。

背景技术：

可见光通信(Visible Light Communication,VLC)具有可同时用于照明和通信的优势，随着LED在照明、通信和传感技术等各个领域的广泛应用，被认为是极具发展潜力和应用前景的技术。与现有的射频通信技术相比，可见光通信以其绿色高能效、免疫电磁干扰、光谱资源丰富和保密性高等优势，逐渐成为室内/外短距离通信的热点技术。

典型的可见光通信系统包括发送子系统和接收子系统，其中发送子系统主要包括信道编码模块、数字调制模块、驱动电路模块和LED光源；接收子系统主要包括光电探测/转换模块、时钟恢复/数据提取模块、数字解调模块、信道解码模块；在发送端，信号输入到信道编码器进行编码，编码后得到的信号序列由数字调制器进行调制，输出连续的调制波形，经驱动电路后直接驱动LED光源发光；在接收端，光电探测器将接收到的光信号转换成电信号，通过时钟的同步和提取，找到正确的数据起始位置，然后信号经过数字解调器解调和信道译码器译码，最终恢复出信息。

在目前的可见光通信系统中，最常采用的调制方式是OOK调制。而所使用的信道编码技术，沿用了传统的纠错编码技术如Reed-Solomon(RS)、LDPC、Reed-Muller(RM)码等，这些编码技术在性能上还未能达到香农极限。不仅如此，由于信号编码中的0/1比特比例决定了照明灯光的平均亮度，为了满足可见光通信在照明功能上的亮度可调的要求，传统的纠错编码技术需要引入凿孔技术等辅助技术，从而使得编译码结构复杂，影响了通信效率。中国发明专利201510582665.2公开了一种基于LDPC码的可见光通信方法，该方法首先建立可见光通信系统模型然后构造索引矩阵G，以G中元素值作为校验矩阵H中子矩阵的循环位数，构造校验矩阵H；根据校验等式H·c^T＝0得到码字向量方程组，确定校验向量p，实现快速编码；预先设定一个高斯信道下信息的先验概率l_n，然后计算全部信息节点的后验概率LQ_n，当LQ_n>0时，该信息位判决为否则最终完成LDPC码的译码。该专利主要采用的是LDPC码作为可见光通信系统中的纠错码，而LDPC码用于纠错主要缺点为：

(1)LDPC码是一种具有稀疏校验矩阵的分组纠错码，它的性能逼近香农极限，但是达不到香农极限。

(2)LDPC码的迭代消息传播译码算法复杂。

(3)LDPC码的译码性能与计算复杂度呈反比关系。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于极化码的可见光通信系统及其实现方法，该系统对传输信息进行极化码纠错编码，具有可达到香农极限的信道编码增益，编译码复杂度低、与码长呈线性关系，并且无需额外的编码技术即可满足任意调光比和照明亮度的要求。

为了到达上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一种基于极化码的可见光通信系统，包括用于发射可见光信号的发射子系统和用于接收可见光信号的接收子系统，所述发射子系统实现对输入信息进行极化码纠错编码后，经OOK调制输出已调电信号，驱动LED光源发光并传输光信号；所述接收子系统实现对光电探测元件接收的光信号转换成与入射能量成比例的光电流，光电流经过调理电路调理成适合数字解调器电路的电信号输入到数字解调器中，经过数字解调器解调和极化码纠错译码，最终恢复出信息；

所述发射子系统包括用于提高信道编码传输可靠性的极化码纠错编码模块、用于可见光通信系统信号调制的OOK信号调制模块、用于驱动LED进行照明与可见光通信的LED电路驱动模块以及用于照明和发送可见光通信信号的LED光源模块；所述极化码纠错编码模块、OOK信号调制模块、LED电路驱动模块和LED光源模块依次顺序连接；

所述接收子系统包括用于可见光信号的接收以及光信号转换为电信号并进行放大、滤波和限幅信号处理的光电探测/转换模块、用于系统时钟的恢复和数据提取的时钟恢复/数据提取模块、用于对可见光通信系统接收的信号进行解调的OOK信号解调模块以及用于纠正可见光通信过程中信号的错误并恢复出信息的极化码纠错译码模块；所述光电探测/转换模块、时钟恢复/数据提取模块、OOK信号解调模块以及极化码纠错译码模块依次顺序连接。

作为优选的技术方案，所述极化码纠错编码模块的编码步骤包括信道极化过程，即信道组合和信道分裂两个部分，是通过对已知信道W进行复制，得到一组相互独立的N个信道，再将这N个信道进行编码得到N个关联的虚拟信道，当N逐渐增大趋于无穷时，经过极化码编码的虚拟信道会出现极化现象：一部分虚拟信道将趋向于全噪信道，其余一部分则趋向于无噪信道，然后选择所有的无噪信道作为有效信道来传输有用信息，而在全噪信道中传输休眠比特信息。

作为优选的技术方案，所述OOK信号调制模块进行调光补偿的步骤为：当从外部接收到期望的调光值时，根据信息比特中0/1比特分布调节休眠比特的值，从而使得最终编码码字中的0/1比特比例满足期望的照明调光比，且0/1游程长度受限。

作为优选的技术方案，所述极化码纠错编码模块进行编码和极化码纠错译码模块进行译码是互逆的结构，且休眠比特可以设置为任意值而不影响纠错性能，故在编码过程中在设定了输出比特序列以后，调用译码器结构，对待输出码字求逆得到所需的休眠比特，通过操控休眠比特使得极化码纠错编码输出依然保持信源编码输入的分布特性，从而适应任意调光比并确保照明无闪烁。

作为优选的技术方案，所述极化码纠错译码模块进行译码的步骤为：根据接收信号值，计算信道的初始似然比信息；由信息位集合与已译码序列，计算当前接收比特似然比；进行译码判决，并给出译码序列。

本发明还提供了一种基于极化码可见光通信系统的实现方法，包括下述步骤：(1)极化码的编码步骤，包括下述步骤：

(1-1)初始化信息序列；

(1-2)计算虚拟信道的巴氏参数；

(1-3)确定传输有用信息的信息位集合；

(1-4)确定生成矩阵；

(1-5)依据信息位集合确定编码矩阵用于编码，最后进行编码得到极化码的码字序列；

(2)极化码的译码步骤，包括下述步骤：

(2-1)从OOK解调获得接收信息序列；

(2-2)计算信道的似然值；

(2-3)递归计算当前比特似然比；

(2-4)译码判决；

(2-5)输出译码序列。

作为优选的技术方案，步骤(1)具体为：

设其中是信息序列，G_N是生成矩阵，极化码的生成矩阵G_N可表示为：其中N＝2ⁿ；表示克罗内克积；矩阵B_N是位逆序置换，即实现将位置序号对应的比特位逆序反转得到新的要置换的位置序号；

对于任意的子集A，即A∈{1,……,N}，极化码的码字序列可写成：其中A是信息位集合；G_N(A)表示生成矩阵G_N中由信息位集合A中元素对应行组成的矩阵；A^c表示子集A在集合{1，…，N}中的补集；u_A为输入序列u中的信息位子集，它是由集合A中元素所确定；为休眠比特；表示异或运算。

作为优选的技术方案，步骤(2)具体为：

根据接收值，计算信道的初始似然比信息i＝1,2,…,N，其中y_i表示OOK调制解码后的信号；由信息位集合A与已译码序列，根据公式

和公式

计算当前比特似然比，其中表示已译码序列，和表示中的奇数索引子向量和偶数索引子向量，为异或运算；

最后，根据公式

进行似然检测硬判决，并输出译码序列。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明基于极化码编译码方法，编译码结构简单，编译码复杂度低；

(2)本发明编码效率高，理论上可以达到香农极限；

(3)本发明支持调光比自适应且游程长度受限，满足均匀照明无闪烁的照明要求，无需增加额外的编码平衡技术；

(4)本发明可以从编码上实现物理层安全。

附图说明

图1是本发明基于极化码的可见光通信系统的方框示意图；

图2是本发明极化码编码流程图；

图3是本发明极化码译码流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明的一种基于极化码的可见光通信系统包括发射可见光信号的发射子系统S11和用于接收可见光且将可见光转换为电信号的接收子系统S12。所述发射子系统S11实现对输入信号进行信道编码调制以后，输出连续的调制波形，驱动LED光源发光并传输信号；所述接收模块S12实现对光电探测元件接收的光信号转换成与入射能量成比例的光电流，光电流经过调理电路调理成适合数字解调器电路的信号输入到数字解调器中，经过数字解调器解调和信道译码器译码，最终恢复出信息。

所述发射子系统S11包括用于信道编码提高传输可靠性的极化码纠错编码模块S111，用于可见光通信系统信号调制的OOK信号调制模块S112，用于驱动LED进行照明和可见光通信的LED电路驱动模块S113，用于照明和发送可见光通信信号的LED光源模块S114；所述极化码纠错编码模块S111、OOK信号调制模块S112、、LED电路驱动模块S113和LED光源模块S114依次连接组成可见光通信系统发射子系统S11。

所述接收模块S12包括用于可见光信号的接收以及光信号转换为电信号并进行放大、滤波和限幅等信号处理的光电探测/转换模块S121，用于系统时钟的恢复和数据提取的时钟恢复/数据提取模块S122，用于对可见光通信系统接收的信号进行解调的OOK信号解调模块S123，用于纠正可见光通信过程中信号的错误并恢复出信息的极化码纠错译码模块S124；所述光电探测/转换模块S121、时钟恢复/数据提取模块S122、OOK信号解调模块S123、极化码纠错译码模块S124依次连接组成可见光通信系统接收子系统S12。

所述极化码纠错编码模块S111的编码步骤包括信道极化过程，即信道组合和信道分裂两个部分，是通过对已知信道W进行复制，得到一组相互独立的N个信道，再将这N个信道进行编码得到N个关联的虚拟信道，当N逐渐增大趋于无穷时，经过极化码编码的虚拟信道会出现极化现象：一部分虚拟信道将趋向于全噪信道，其余一部分则趋向于无噪信道，然后选择所有的无噪信道作为有效信道来传输有用信息，而在全噪信道中传输休眠比特信息。

所述OOK信号调制模块S112进行调光补偿的步骤为：当从外部接收到期望的调光值时，根据信息比特中0/1比特分布调节休眠比特的值，从而使得最终编码码字中的0/1比特比例满足期望的可见光光源的调光比。

所述极化码纠错编码模块进行编码和极化码纠错译码模块进行译码是互逆的结构，且休眠比特可以设置为任意值而不影响纠错性能，故在编码过程中在设定了输出比特序列以后，调用译码器结构，对待输出码字求逆得到所需的休眠比特，通过操控休眠比特使得极化码纠错编码输出依然保持信源编码输入的分布特性，从而适应任意调光比并确保照明无闪烁。

所述极化码纠错译码模块S124进行译码的步骤为：根据接收信号值，计算信道的初始似然比信息；由信息位集合与已译码序列，计算当前比特似然比；进行译码判决，并给出译码序列。

本实施例基于极化码可见光通信系统的实现方法，包括极化码的编码步骤和极化码的译码步骤，下面进一步的对该方法做如下阐述：

(1)极化码的编码步骤，如图2所示，包括下述步骤：

(1-1)初始化信息序列；

(1-2)计算虚拟信道的巴氏参数；

(1-3)确定传输有用信息的信息位集合；

(1-4)确定生成矩阵；

(1-5)依据信息位集合确定编码矩阵用于编码，最后进行编码得到极化码的码字序列；

在本实施例中，极化码的编码步骤包括计算虚拟信道的巴氏参数，确定传输有用信息的信息位集合，确定生成矩阵，依据信息位集合确定编码矩阵用于编码，最后进行编码得到极化码的码字序列，即其中是信息序列，G_N是生成矩阵。极化码的生成矩阵G_N可以表示为：其中N＝2ⁿ；表示克罗内克积；矩阵B_N是位逆序置换，即实现将位置序号对应的比特位逆序反转得到新的要置换的位置序号。

对于任意的子集A，即A∈{1,……,N}，极化码的码字序列可以写成：其中A是信息位集合；G_N(A)表示生成矩阵G_N中由信息位集合A中元素对应行组成的矩阵；A^c表示子集A在集合{1，…，N}中的补集；u_A为输入序列u中的信息位子集，它是由集合A中元素所确定；为休眠比特；表示异或运算。

(2)极化码的译码步骤，如图3所示包括下述步骤：

(2-1)OOK调制解码信息序列；

(2-2)计算信道的似然值；

(2-3)递归计算当前比特似然比；

(2-4)译码判决；

(2-5)输出译码序列。

本实施例中极化码的译码步骤具体包括：根据接收值，计算信道的初始似然比信息i＝1,2,…,N，其中y_i表示OOK调制解码后的信号；由信息位集合A与已译码序列，根据公式

和公式

计算当前比特似然比，其中表示已译码序列，和表示中的奇数索引子向量和偶数索引子向量，为异或运算；

最后，根据公式

进行似然检测判决，并输出译码序列。

本实施例的一种基于极化码的可见光通信系统的极化码纠错编译码在确保可见光通信可靠性的同时提高可见光通信误码纠错的效率和速度，复杂度可达O(NlogN)的近线性性能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。