祁兆赫

摘 要：可见光通信系统中的预均衡能提高LED带宽，但会损耗能量。研究表明，输入信号频率数量级为KHz时，有97%的能量损失，当输入信号频率为100MHz时，有40%的能量损失。为了杜绝预均衡的能量损失，提出一种无均衡可见光通信系统，即发射端无预均衡电路，利用非正交（NOMA）技术为几路信号分配不同大小的功率，并将这几路信号进行叠加，然后传输给带宽为50MHz的LED进行发射，接收端采用串行干扰消除技术进行解调。经过仿真，采用两路信号在功率域叠加，与有均衡系统相比，在误码率为[3.8×10-3]时，无均衡系统能节省能量，即输入信号频率为100MHz时能够避免97%的能量损失。因此，该无均衡可见光通信系统可以有效避免能量损失。

关键词：可見光通信;预均衡技术;能量损失;无均衡通信;非正交多址

DOI：10. 11907/rjdk. 191892 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP393文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2020）005-0209-04

0 引言

白光LED如今已广泛用于信号发射、显示及照明等，与其它光源相比，白光LED具有更宽的调制带宽，而且具有调制性能好、响应灵敏度高等优点[1]。利用LED的以上特性，可将信号调制到LED发出的可见光上进行传输。白光LED可以将照明与数据传输结合起来，从而促进了一种新型无线通信技术，即可见光通信（VLC）技术[2]的发展。与其它无线技术相比，VLC具有众多优点：①由于白光对人眼安全性较高，室内白光LED灯的功率之和可高达10W以上，使得可见光通信具有非常高的信噪比，为其高速通信打下良好基础;②由于室内表面对光的漫反射，即使在有遮挡的地方也可以进行高速率通信;③由于白光不可穿透墙壁甚至窗帘，因此可见光通信具有高度保密性;④由于白光与射频信号不会相互干扰，所以其可以应用在电磁敏感环境中，如机舱、医院等;⑤由于频谱无需授权即可使用，所以可见光通信应用灵活，可以单独使用，也可作为射频无线设备的有效备份。

然而，VLC技术发展也存在一些限制因素[3]，其中最主要的挑战在于白光LED带宽有限，从而限制了传输速率。目前研究者们广泛采用均衡技术以提高LED的可调制带宽及传输速率。均衡技术是指利用电容和电阻的串并联调节LED的频率响应，根据均衡器放置的不同位置，可以分为预均衡技术和后均衡技术。如Le-Minh[4]提出一种预均衡电路，使得LED的3dB带宽从20MHz提升到50MHz，采用不归零（NRZ-OOK）数据传输方式，实现了100Mb/s的传输速率;Chow[5]使用RLC均衡器进一步提高带宽，并且实现了84.44Mb/s-190Mb/s的传输速率;Chi[6-7]使用两级桥T形电路作为预均衡电路，将LED可调带宽提高到366MHz，通过16QAM-OFDM的调制数据传输速率可达到1.6Gbit/s。以上都是利用均衡电路增加LED可调带宽，但这些均衡电路在增加LED可调带宽的同时，是以消耗大量功率为代价的，即可见光通信系统中如果存在均衡电路，发射端就会有很多功率被均衡电路消耗掉，发射端必须补偿相应功率，因此需要消耗大量功率。

因此，本文提出一种无均衡的可见光通信系统，即利用非正交多址（NOMA）技术[8]实现无均衡通信。非正交多址允许多个用户共享相同的时间和频率资源，即在功率域叠加不同信号，以充分利用LED的原始带宽。接收端采用串行干扰消除（SIC）技术解调信号，以达到与带有预均衡电路系统相同的速率，从而不需要借助均衡电路提高LED可调带宽，实现高速率传输，达到减少能量损失的目的。

1 均衡系统

1.1 均衡电路

图1（a）为可见光通信系统中均衡电路所在位置[9]，图1（b）是该系统中使用的一种均衡电路。在该均衡电路中，将[R2、C1、L1]组成的网络等效阻抗设为[Z1]，由[R3、C2、][L2]组成的网络等效阻抗设为[Z2]。其中[R1]=[R5]，[R0]=[RL]，[RL]表示负载。

1.2 均衡电路能量损失

本文使用电路仿真软件Multisim搭建预均衡电路，如图2所示，所选的电容器、电感器、电阻器参数与上文一一对应。为了计算信号通过该均衡电路的功率损耗，使用万用表XMM1、XMM2分别测量输入端的电压值[Ui]和电流值[Ii]，以及负载[RL]端的电压值[UL]和电流值[IL]。根据功率计算公式：

2 无均衡系统

2.1 NOMA通信系统发射端

非正交多址（NOMA）也称为功率域多址技术[11]，是5G无线网络中使用的一种技术[12]。在非正交多址（NOMA）中，发射端使用叠加编码技术，通过给不同用户按比例分配不同功率，将各个用户进行叠加，从而使每个用户都能使用整个带宽。NOMA通信系统发射端如图3所示。

如图3所示，该NOMA系统中包含n个用户，该n个用户分别按照各自的调制方式进行调制。令[αi]表示第i个用户所分配功率的比例，[Pi]表示第i个用户被分配的功率，P为总功率，因此有[Pi=αiP]，即[i=1nαi=1]，认为[α1>α2>？>αn]。

2.2 NOMA通信系统接收端

NOMA接收端采用串行干扰消除（SIC）技术[13-15]，即按照功率分配比例系数[α1>α2>？>αn]降序的顺序进行解调。由于用户1所分配的功率较大，所以先将用户1的信号解调出来，如图4所示。在解调用户2的信号时，先将用户1的信号减去，再解调用户2的信号，后面依此类推，此即为串行干扰消除（SIC）技术的原理。

3 结果与分析

本文提出NOMA无均衡系统的多个用户叠加和速率与用户数关系如图5所示。从图中可以看出，当只有1个用户时，传输速率与LED带宽接近，随着用户数的增加，刚开始传输和速率呈明显上升趋势，但达到一定用户数量时，和速率不再继续增加，反而下降。这是由于通信系统功率有限，随着用户数的增加，每个用户所分配的功率减少，信噪比下降，导致速率下降。

接下来将均衡系统与无均衡系统进行对比，无均衡系统即本文所指NOMA系统。选择3个用户的NOMA系统，首先对3个用户信号分别进行调制，然后按照文献[16]所述的增强型功率分配方法（EPA）对3个用户分配功率进行叠加传输，接收端采用串行干扰消除技术进行解调。对比两种系统在相同输入功率下的误码率[17-19]如图6所示，从图中可以看出，当误码率相同时，无均衡系统相比均衡系统可以节省大量能量。但是随着输入功率的增加，均衡系统性能仍优于无均衡系统，两种系统各有优缺点。

4 结语

本文首先研究了可见光中的预均衡电路，该预均衡电路能够提高LED的可调带宽，即将LED带宽从50MHz提高到125MHz。但该均衡电路在输入信號频率数量级为KHz时，会有97%的能量损耗，在输入信号频率为100MHz时，也有40%的能量损耗。因此，提出一种无均衡可见光通信系统，即利用非正交多址（NOMA）技术通过分配不同功率将几路信号在功率域叠加[20]。本文采用两路信号叠加，并通过仿真与均衡系统进行对比，在误码率为[3.8×10-3]时，该系统相比均衡系统能够杜绝97%的能量损耗。然而，本文只讨论了两路信号叠加，还可以叠加更多路信号，路数越多，系统越复杂，接收端解调越困难。未来可以研究更多路信号叠加及其接收端解调技术，以充分利用50MHz的LED带宽，进一步提高频带利用率。

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（責任编辑：黄 健）