摘" 要：基于空間耦合P-LDPC編碼的室內可見光通信系統(tǒng)，該文首先基于多輸入、多輸出室內可見通信信道的特性，提出一種新型廣義空間調制方案，以改善系統(tǒng)的性能。其次，分析空間耦合P-LDPC碼在4種廣義空間調制方案下的譯碼門限值。通過理論分析可知，在調制階數(shù)M=4和M=16情況下，提出的新型廣義空間調制方案能使空間耦合P-LDPC碼分別在6.82 dB和8.64 dB處收斂。而采用雙模廣義空間調制、激活空間協(xié)作調制和傳統(tǒng)廣義空間調制方案則需要更大的光信噪比。仿真結果也表明，提出的新型廣義空間調制方案的性能更優(yōu)于同類型其他廣義空間調制方案。

關鍵詞：空間耦合P-LDPC碼；廣義空間調制；外部互信息轉移算法；光信噪比；系統(tǒng)模型

中圖分類號：TN911.3"""" 文獻標志碼：A""""""""" 文章編號：2095-2945（2025）04-0030-04

Abstract： For indoor visible light communication systems based on spatially-coupled P-LDPC coding， this paper first proposes a new generalized spatial modulation scheme based on the characteristics of multi-input and multi-output indoor visible communication channels to improve the performance of the system. Secondly， it analyzes the decoding thresholds of spatially-coupled P-LDPC codes under four generalized spatial modulation schemes; Through theoretical analysis， it is known that when the modulation orders are M=4 and M=16， the proposed new generalized spatial modulation scheme can converge spatially-coupled P-LDPC codes at 6.82 dB and 8.64 dB respectively. However， using dual-mode generalized spatial modulation， activation-spatial cooperative modulation and traditional generalized spatial modulation schemes requires a larger optical signal-to-noise ratio; Simulation results also show that the performance of the proposed new generalized spatial modulation scheme is better than other generalized spatial modulation schemes of the same type.

Keywords： spatially-coupled P-LDPC code; generalized spatial modulation; external mutual information transfer algorithm; optical signal-to-noise ratio; system model

近年來，為解決可見光通信因有限的發(fā)光二極管（Light Emitting Diode， LED）調制帶寬問題，多輸入多輸出技術被應用到可見光通信中。多輸入多輸出技術可以在不增加帶寬的情況下成倍地提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，從而提高頻譜利用率[1]。盡管多輸入多輸出技術是一種提高頻譜利用率行之有效的方式，但由于多鏈路之間干擾，會導致通信鏈路質量不可靠。針對解決這一問題，廣義空間調制[2]被應用到了室內可見光通信系統(tǒng)中來增強系統(tǒng)的魯棒性。傳統(tǒng)的廣義空間調制在實現(xiàn)過程中空間域和信號域是獨立映射的。這種調制方式在多輸入多輸出的可見光信道下的功率效率不是最佳的。因此，一種基于空間域和信號域協(xié)作調制的方式被提出來改善室內可見光系統(tǒng)在低相關信道中的性能[3]。為了進一步提高系統(tǒng)的功率效率，一種雙模廣義空間調制方案在文獻[4]被提出，該方案將所有可能的激活LED模型分成2個塊，通過索引比特來選擇所需的激活LED模型塊。此外，科研工作者也對基于多輸入多輸出的室內可見光通信系統(tǒng)的容量下限進行了推導[5]，并分析了決定信道相關性大小的因素[6]。

盡管高效的調制技術能改善室內可見光通信系統(tǒng)的傳輸速率，但并不能保證其傳輸可靠性。如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效、可靠傳輸是一個需要解決的關鍵性問題。針對這一問題，基于空間耦合原模圖低密度奇偶校驗（Protograph Low-Density Parity-Check， P-LDPC）碼[7]的編碼調制技術在一定程度上能夠提供解決途徑。比特交織編碼調制（Bit-Interleaved Coded Modulation， BICM）[8]是一種性能優(yōu)越的框架，已被拓展到了可見光通信系統(tǒng)中[9]。在空間耦合P-LDPC編碼的BICM框架中，特定的調制方案對系統(tǒng)性能的提升有重要作用。因此，基于空間耦合P-LDPC編碼的室內可見光系統(tǒng)中，通過考慮多輸入多輸出室內可見信道的相關性，對廣義空間調制方案進行優(yōu)化是值得研究的。

1" 系統(tǒng)模型

空間耦合P-LDPC編碼的室內可見光系統(tǒng)如圖1所示。假設考慮室內的直射鏈路，發(fā)送端和接收端分別包含t個LED和r個光電檢測器（Photoelectric Detector， PD），每個發(fā)送時刻激活s個LED，且每個LED采用M階單極性脈沖幅度調制。在發(fā)送端，空間耦合P-LDPC編碼器將信息比特序列編碼成一個長度為n的碼字；然后，該碼字經(jīng)交織器處理后，將編碼比特分成2部分；前一部分的每個編碼比特（即空間域比特）用來選擇LED激活組；后一部分的每log2M個編碼比特（即信號域比特）用來調制到每個激活的LED上，則每個發(fā)送時刻發(fā)送的比特數(shù)為T=[log（C）]+log2M。隨后，經(jīng)過廣義空間調制器處理后，可以產(chǎn)生一個長為n/T的調制符號序列，從而形成一個發(fā)送向量x=[x1，x2，…，xt]T， 并在室內可見光信道上傳輸。因此，在一個符號周期內，經(jīng)PD檢測后的接收信號y可表示為

y=Hx+z ， （1）

式中：y=[y1，y2，…，yr]T是一個大小為r×1的向量；x由（t-s）個零元素和s個正實數(shù)元素構成。z是一個大小為r×1的噪聲向量，其每個維度為獨立同分布的均值為0，方差σ2=N0 /2的高斯白噪聲；H表示信道矩陣。在接收端，每一個接收的向量y依次經(jīng)解調器、解交織器和譯碼器進行處理后得到譯碼比特。

2" 新型調制方案設計與分析

2.1" 新型調制方案設計

在空間耦合P-LDPC編碼的室內可見光通信系統(tǒng)中，調制方案的優(yōu)化是改善系統(tǒng)性能的重要參數(shù)。廣義空間調制是根據(jù)發(fā)射端的LED數(shù)量t和每個發(fā)送時刻激活的LED數(shù)量s來確定所有可能的LED激活組，從而選擇g=2個有效的LED激活組來傳輸調制符號。

因此，廣義空間調制包含空間域LED激活組選擇和信號域符號映射。在現(xiàn)有的一些廣義空間調制方案中，如傳統(tǒng)的廣義空間調制[2]和激活空間協(xié)作調制[4]等，所有的有效LED激活組都是共享一個信號域調制符號集合。由于LED激活組之間的相關性，這些通過LED激活組共享同一個信號域調制符號集合而構建的調制方案在空間耦合P-LDPC編碼的室內可見光通信系統(tǒng)中可能會使解調器產(chǎn)生低可靠的外部互信息，從而降低系統(tǒng)的性能。在多輸入多輸出輔助的室內可見光通信系統(tǒng)中，信號域符號是設計廣義空間調制的關鍵參數(shù)，可以通過對其進行設計和優(yōu)化來提高相應系統(tǒng)性能。因此，本文設計了一種新的信號域符號設計方法，從而構建了一種新的廣義空間調制方案，其具體的設計過程如下。

1）根據(jù)相應的信道矩陣H的歸一化瞬時信道相關矩陣M首先測量有效激活LED組之間的相關性，其測量方法可參考文獻[6]。然后選擇相關性較少的g個LED激活組作為有效激活組。

2）給定一個M階單極性脈沖幅度調制集？祝={S1，S2，…，ＳM}和已有的有效LED激活組數(shù)量g，其中Si∈（0，２Ｉa]，i=1，２，…，Ｍ。首先，將整個符號空間（0，２Ｉa]平均分成g個子空間。然后，根據(jù)公式（2）定義的選擇規(guī)則，從每個子空間中選擇M個調制符號。

式中：？棕=1，２，…，Ｍ。因此，新的單極性脈沖幅度調制符號集=，2，…gM被產(chǎn)生。

3）根據(jù)步驟2）獲得的新符號集，按照符號電平值的大小，從小到大將gM個調制符號分成g組，每個有效的LED激活組選擇不同的調制符號進行傳輸。

基于上述3個設計步驟，根據(jù)給定的信道矩陣H、單極性脈沖幅度調制階數(shù)M和有效LED激活組數(shù)量g，可以構建一類新的廣義空間調制方案來提高解調器的可靠性，從而提高系統(tǒng)的性能。

2.2" 譯碼門限值分析

利用原模圖的外部互信息轉移算法[9]，表1分析了空間耦合P-LDPC的室內可見光通信系統(tǒng)在新型廣義空間調制、雙模廣義空間調制[4]、激活空間協(xié)作調制[3]和傳統(tǒng)廣義空間調制[2]4種調制方案下的譯碼門限值，其中，編碼比特序列都采用碼率-1/2，耦合長度L=12的空間耦合RJA P-LDPC碼[7]，單極性脈沖幅度調制階數(shù)為4和16。此外，無特別說明，本文考慮一個4×4的室內視距信道模型[4]。LED和PD都以2×2陣列對齊，其陣列位于5.0 m×5.0 m×3.0 m房間中，因此4個LED和4個PD分別構成邊長為dt和dr的正方形；而且，PD被放置在高度為0.75 m（即一個桌子的高度）的平面。系統(tǒng)模型的詳細仿真參數(shù)參考文獻[4]。從表1可知，與雙模廣義空間調制、激活空間協(xié)作調制和傳統(tǒng)廣義空間調制方案相比，提出的新型廣義空間調制方案分別在M=4和M=16的情況下都獲得了最低的譯碼門限值，這表明提出的新型廣義空間調制方案能展現(xiàn)較好的瀑布區(qū)性能。

3" 仿真結果與分析

基于空間耦合P-LDPC碼的室內可見光通信系統(tǒng)，在提出的新型廣義空間調制、雙模廣義空間調制[4]、激活空間協(xié)作調制[3]和傳統(tǒng)廣義空間調制[2]4種調制方案下進行了誤比特率（Bit Error Ratio， BER）仿真。所有數(shù)據(jù)序列均采用碼率1/2、碼字長度7 200的空間耦合RJA P-LDPC碼[10]；采用2種不同的調制階數(shù)M值（即M=4和M=16）；此外，最大的譯碼迭代次數(shù)為100。

在M=4情況下，圖2（a）給出了新型廣義空間調制、雙模廣義空間調制、激活空間協(xié)作調制和傳統(tǒng)廣義空間調制4種調制方案下的BER曲線。從圖2（a）可知，BER=1×10-5時，提出的新型廣義空間調制方案可分別比雙模廣義空間調制、激活空間協(xié)作調制和傳統(tǒng)廣義空間調制方案要好約2.68、3.21和4.76 dB；在M=16情況下也可以從圖2（b）觀察到類似現(xiàn)象，具體地，當光信噪比9.72 dB時，系統(tǒng)使用提出的新型廣義空間調制方案能取得BER為6.0×10-6，而使用雙模廣義空間調制、激活空間協(xié)作調制和傳統(tǒng)廣義空間調制方案僅能達到的BER都遠遠少于1.0×10-2；這表明提出的新型廣義空間調制方案的性能優(yōu)于傳統(tǒng)廣義空間調制方案和激活空間協(xié)作調制方案。

4" 結論

本文開展了基于空間耦合P-LDPC碼的室內可見光通信系統(tǒng)的研究。首先，利用多輸入多輸出室內可見通信信道的特性，提出了一種新型廣義空間調制方案；然后，利用原模圖的外部互信息轉移算法預測了空間耦合RJA P-LDPC碼在不同廣義空間調制方案下的收斂性能。理論分析和仿真結果表明，經(jīng)新型廣義空間調制方案部署的基于空間耦合P-LDPC編碼的室內可見光通信系統(tǒng)可優(yōu)于現(xiàn)有的同類系統(tǒng)。

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