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摘 要：本文对室内可见光通信的分数间隔均衡技术进行研究，研究表明，均衡技术对室内可见光通信中“多径效应”对通信质量的干扰有较好的抑制效果。
关键词：室内可见光；码间干扰；均方误差准则；分数间隔；均衡技术
中图分类号：TN929.1
室内可见光通信作为一种新兴的宽带无线接入技术，当前正处于科研攻关阶段。室内可见光通信是在白光LED照明技术的基础上发展而来的，通常使用于LED照明过程中的数据传输。随着科研水平的提升，室内可见光网络通信技术正逐步走向成熟，加之市场对大数据业务的需求日趋增大，移动宽带通信需求正飞速增长，室内可见光通信技术已经在学术界和产业界得到广泛重视。因此，室内可见光通信技术是一个极具研究价值的重要课题，需要深入研究。
1 室内可见光通信的传播
室内可见光通信时，信息的传播环境与室外的信息传播环境不一样，室内的环境比较密闭，不受风、日照、丛林以及背景光的影响，光传播过程中损耗基本可以忽略。但是，用LED灯作灯源时，由于每一个小LED灯都是一个光源，光源数量较多，分布位置和光传播的方向均不一致，所以在信号的发射器和接收器之间有许多不同的光信号流。由于可见光传输路径的不一致，使得光信号经过不同的路径进行传播，有光程差的存在，从而形成了“多径效应”，存在严重的码间干扰。相关科研结果表明，在可见光通信中存在码间干扰时，通信效果会受到一定程度制约。为了改善这一现象，提高室内可见光通信传播技术的通信质量，可以采用在信号接收端设置均衡器对信道特性进行补偿，提高整个系统抑制码间干扰的能力。在采用均衡器对信道特性进行实际补偿时，需要提前对通信中的信道状况分析研究，然后再采用有效的信道均衡技术进行补偿，因此，可见光通信技术发展的关键技术之一就是信道均衡技术。
查阅相关文献进行研究分析，发现目前各国学者在信道均衡技术方面的研究均集中在无线电领域，对室内可见光的信道均衡技术鲜有研究。此外，光通信与无线电通信的应用领域与传输信道也不一样。因此，无线电通信中采用的信道均衡技术不适用于可见光通信系统，对于可见光通信系统，需要研究出新的抗干扰的均衡技术。本文研究出了室内可见光通信的分数间隔均衡技术。
2 系统模型
室内可见光通信系统模型中采用阵列式LED照明灯作为信号发射源，信号为单极性信号，采用强度调制/直接检测（IM/DD）的调制解调方式。LED照明灯发射的白光信号在信号发射端进行强度调制（光有瞬时信号功率时，与二进制中的“1”相同，无时，则与“0”相同）。调制后的可见光信号在不同光路径上传输到信号接收端，接收端对接收到的信号进行直接的检测，并将相关光功率信息进行解码，导出所传输的信息。
在此系统中，相关信号数学表示方法如下：
在时域上，室内可见光通信环境对可见光信号传输的影响可以采用实信道的冲激相应函数c（t）进行描述。
在数学上，信号接收器接收到的可见光信号用r（t）表示，发射光信号用x（t）表示（x（t）非负），光信道的噪声用ω（t）表示，信号的卷积用?表示。
它们之间的关系就是：r（t）=x（t）?c（t）+ω（t）。
在信号传输过程中，信道噪声由接收端放大器噪声和散弹噪声，相关科学研究表明，在光通信中，信道噪声存在的情况下，上述可见光信号的公式可表示为： （1）
式中，T为周期符号，x（nT）表示时刻n的数据输入符号，Lk表示信道长度。
3 FSE均衡算法
采用FSE均衡算法对光信道进行计算前，接收器要对信道输出进行采样。采样过程进行简化处理，T/L为采用周期的第k个采样时刻信号用rk表示。上式中x（nT）用x（n）表示，c（t-nt）=c（kT/L-nT）用ck，n表示，ω（t）=ω（kT/L）用ωk表示。所以k个采用时刻的信号可表示为：
（2）
在信号被采集后，需要进行滤波处理，为此需要将信号送到FIR均衡器，均衡器的一个抽头间隔为T/L，滤波后的信号需要被L抽取后再输出。
3.1 均衡算法。在FIR均衡器中，被采样序列与均衡器权系数之间的卷积能够表示均衡器对序列的滤波过程，因此，均衡器的输出信号可以表示为：
（3）
式中，fi为分数间隔均衡器的权系数，Nf为均衡器符号数，L·Nf为均衡器长度。
对均衡器的传输信号进行下采样，下采样输出信号表示为：
（4）
将（2）代入（4），
则得到下采样输出信号的矩阵表达式：
y（n）=（xT（n）C+wT（n））f （5）
3.2 FSE系数最优化。对均衡器进行设计时，采用了MMSE准则，因此，对于系统误差，这里按照下式计算。
e（n）=y（n）-x（n-δ） （6）
式中，δ为误差计算中可以被优化的变量。
将（5）式代入（6）式，可得误差公式为：
e（n）=xT（n）（Cf-hδ）+wT（n）f （7）
对（7）式进行分析，采用信源归一化方法，FSE系数最小时，均方误差最小，均衡器系数向量和最佳时延需要符合最优化公示f=A-1CHhδ，对结果进行优化，可知最小均方差误差为：
JMSE=hδH（I-CA-1CH）hδ （8）
3.3 计算量分析。对于一个算法过程的计算量，目前还没有十分精确的数据进行评价，常用的算法计算量的评估方法通常是以基本操作数目的上界进行评价。本文以计算N点输入的信号经过分数间隔均衡后输出所需的乘法次数对计算量的大小进行衡算，计算量的大小用O来衡量。则采用FSE算法中乘法的计算量为O（（LN）2）+O（L3Nf3），MMSE算法中乘法的计算量为O（N2）+O（Lf3）。从以上公式分析，对于FSE算法，完成一次计算，计算量的大小与采样的间隔时间和均衡器的长度都有关，计算量与上述两个变量之间构成多项式关系。因此，本文采用的均衡算法计算量合理，在实际中是行得通的。
4 仿真分析
本文采用计算机模拟仿真技术对FSE均衡算法进行评价，采用的评价指标是误码率（BER）和均方误差（MSE）。间隔线性均衡器补偿的信道，对于码间干扰引起的通信质量下降并不能完全消除，而分数间隔均衡器则能较好地补偿信道失真，抑制可见光通信中的码间干扰。
5 结束语
室内可见光通信技术是当前通信领域研究的热点，对于其中的难点技术应进行重点研究。对于目前可见光通信技术当中由于“多径效应”对通信质量造成的影响，本文采用分数间隔信道均衡补偿技术进行研究，希望能促进相关领域的研究发展。
参考文献：
[1]谢秀秀，焦媛，曹玲玲.室内可见光通信中的线性均衡与判决反馈均衡[J].信息化研究，2011（02）：29-32+38.
[2]王俊波，谢秀秀，曹玲玲.室内可见光通信中的分数间隔均衡技术[J].光学精密工程，2012（01）：24-30.
[3]丁举鹏.可见光通信室内信道建模及性能优化[D].北京邮电大学，2013.
[4]何胜阳.室内可见光通信系统关键技术研究[D].哈尔滨工业大学，2013.
作者简介：赵华（1980.10-），男，硕士，讲师，通信工程教研室主任，研究方向：可见光通信、移动通信、光纤通信、微弱信号检测。
作者单位：河北师范大学职业技术学院电子系，石家庄 050024；河北医科大学第一医院，石家庄 050031
基金项目：国家科技重大专项：基于可见光通信的新一代无线局域网总体技术研究；河北师范大学博士基金项目：微纳米粉末在微波宽带频率与微波烧结状态下的介电表征（项目编号：L2012B15）；河北省教育厅基金项目：无线电波对大气雾霾的影响及其在雾霾防治中的应用研究（项目编号：QN2014116）；河北师范大学青年基金项目：基于混沌振子的微弱方波信号检测方法研究（项目编号：L2010Q10）。
关键词：室内可见光；码间干扰；均方误差准则；分数间隔；均衡技术
中图分类号：TN929.1
室内可见光通信作为一种新兴的宽带无线接入技术，当前正处于科研攻关阶段。室内可见光通信是在白光LED照明技术的基础上发展而来的，通常使用于LED照明过程中的数据传输。随着科研水平的提升，室内可见光网络通信技术正逐步走向成熟，加之市场对大数据业务的需求日趋增大，移动宽带通信需求正飞速增长，室内可见光通信技术已经在学术界和产业界得到广泛重视。因此，室内可见光通信技术是一个极具研究价值的重要课题，需要深入研究。
1 室内可见光通信的传播
室内可见光通信时，信息的传播环境与室外的信息传播环境不一样，室内的环境比较密闭，不受风、日照、丛林以及背景光的影响，光传播过程中损耗基本可以忽略。但是，用LED灯作灯源时，由于每一个小LED灯都是一个光源，光源数量较多，分布位置和光传播的方向均不一致，所以在信号的发射器和接收器之间有许多不同的光信号流。由于可见光传输路径的不一致，使得光信号经过不同的路径进行传播，有光程差的存在，从而形成了“多径效应”，存在严重的码间干扰。相关科研结果表明，在可见光通信中存在码间干扰时，通信效果会受到一定程度制约。为了改善这一现象，提高室内可见光通信传播技术的通信质量，可以采用在信号接收端设置均衡器对信道特性进行补偿，提高整个系统抑制码间干扰的能力。在采用均衡器对信道特性进行实际补偿时，需要提前对通信中的信道状况分析研究，然后再采用有效的信道均衡技术进行补偿，因此，可见光通信技术发展的关键技术之一就是信道均衡技术。
查阅相关文献进行研究分析，发现目前各国学者在信道均衡技术方面的研究均集中在无线电领域，对室内可见光的信道均衡技术鲜有研究。此外，光通信与无线电通信的应用领域与传输信道也不一样。因此，无线电通信中采用的信道均衡技术不适用于可见光通信系统，对于可见光通信系统，需要研究出新的抗干扰的均衡技术。本文研究出了室内可见光通信的分数间隔均衡技术。
2 系统模型
室内可见光通信系统模型中采用阵列式LED照明灯作为信号发射源，信号为单极性信号，采用强度调制/直接检测（IM/DD）的调制解调方式。LED照明灯发射的白光信号在信号发射端进行强度调制（光有瞬时信号功率时，与二进制中的“1”相同，无时，则与“0”相同）。调制后的可见光信号在不同光路径上传输到信号接收端，接收端对接收到的信号进行直接的检测，并将相关光功率信息进行解码，导出所传输的信息。
在此系统中，相关信号数学表示方法如下：
在时域上，室内可见光通信环境对可见光信号传输的影响可以采用实信道的冲激相应函数c（t）进行描述。
在数学上，信号接收器接收到的可见光信号用r（t）表示，发射光信号用x（t）表示（x（t）非负），光信道的噪声用ω（t）表示，信号的卷积用?表示。
它们之间的关系就是：r（t）=x（t）?c（t）+ω（t）。
在信号传输过程中，信道噪声由接收端放大器噪声和散弹噪声，相关科学研究表明，在光通信中，信道噪声存在的情况下，上述可见光信号的公式可表示为： （1）
式中，T为周期符号，x（nT）表示时刻n的数据输入符号，Lk表示信道长度。
3 FSE均衡算法
采用FSE均衡算法对光信道进行计算前，接收器要对信道输出进行采样。采样过程进行简化处理，T/L为采用周期的第k个采样时刻信号用rk表示。上式中x（nT）用x（n）表示，c（t-nt）=c（kT/L-nT）用ck，n表示，ω（t）=ω（kT/L）用ωk表示。所以k个采用时刻的信号可表示为：
（2）
在信号被采集后，需要进行滤波处理，为此需要将信号送到FIR均衡器，均衡器的一个抽头间隔为T/L，滤波后的信号需要被L抽取后再输出。
3.1 均衡算法。在FIR均衡器中，被采样序列与均衡器权系数之间的卷积能够表示均衡器对序列的滤波过程，因此，均衡器的输出信号可以表示为：
（3）
式中，fi为分数间隔均衡器的权系数，Nf为均衡器符号数，L·Nf为均衡器长度。
对均衡器的传输信号进行下采样，下采样输出信号表示为：
（4）
将（2）代入（4），
则得到下采样输出信号的矩阵表达式：
y（n）=（xT（n）C+wT（n））f （5）
3.2 FSE系数最优化。对均衡器进行设计时，采用了MMSE准则，因此，对于系统误差，这里按照下式计算。
e（n）=y（n）-x（n-δ） （6）
式中，δ为误差计算中可以被优化的变量。
将（5）式代入（6）式，可得误差公式为：
e（n）=xT（n）（Cf-hδ）+wT（n）f （7）
对（7）式进行分析，采用信源归一化方法，FSE系数最小时，均方误差最小，均衡器系数向量和最佳时延需要符合最优化公示f=A-1CHhδ，对结果进行优化，可知最小均方差误差为：
JMSE=hδH（I-CA-1CH）hδ （8）
3.3 计算量分析。对于一个算法过程的计算量，目前还没有十分精确的数据进行评价，常用的算法计算量的评估方法通常是以基本操作数目的上界进行评价。本文以计算N点输入的信号经过分数间隔均衡后输出所需的乘法次数对计算量的大小进行衡算，计算量的大小用O来衡量。则采用FSE算法中乘法的计算量为O（（LN）2）+O（L3Nf3），MMSE算法中乘法的计算量为O（N2）+O（Lf3）。从以上公式分析，对于FSE算法，完成一次计算，计算量的大小与采样的间隔时间和均衡器的长度都有关，计算量与上述两个变量之间构成多项式关系。因此，本文采用的均衡算法计算量合理，在实际中是行得通的。
4 仿真分析
本文采用计算机模拟仿真技术对FSE均衡算法进行评价，采用的评价指标是误码率（BER）和均方误差（MSE）。间隔线性均衡器补偿的信道，对于码间干扰引起的通信质量下降并不能完全消除，而分数间隔均衡器则能较好地补偿信道失真，抑制可见光通信中的码间干扰。
5 结束语
室内可见光通信技术是当前通信领域研究的热点，对于其中的难点技术应进行重点研究。对于目前可见光通信技术当中由于“多径效应”对通信质量造成的影响，本文采用分数间隔信道均衡补偿技术进行研究，希望能促进相关领域的研究发展。
参考文献：
[1]谢秀秀，焦媛，曹玲玲.室内可见光通信中的线性均衡与判决反馈均衡[J].信息化研究，2011（02）：29-32+38.
[2]王俊波，谢秀秀，曹玲玲.室内可见光通信中的分数间隔均衡技术[J].光学精密工程，2012（01）：24-30.
[3]丁举鹏.可见光通信室内信道建模及性能优化[D].北京邮电大学，2013.
[4]何胜阳.室内可见光通信系统关键技术研究[D].哈尔滨工业大学，2013.
作者简介：赵华（1980.10-），男，硕士，讲师，通信工程教研室主任，研究方向：可见光通信、移动通信、光纤通信、微弱信号检测。
作者单位：河北师范大学职业技术学院电子系，石家庄 050024；河北医科大学第一医院，石家庄 050031
基金项目：国家科技重大专项：基于可见光通信的新一代无线局域网总体技术研究；河北师范大学博士基金项目：微纳米粉末在微波宽带频率与微波烧结状态下的介电表征（项目编号：L2012B15）；河北省教育厅基金项目：无线电波对大气雾霾的影响及其在雾霾防治中的应用研究（项目编号：QN2014116）；河北师范大学青年基金项目：基于混沌振子的微弱方波信号检测方法研究（项目编号：L2010Q10）。