一种基于可见光通信的有限状态机编译码方法技术

本发明专利技术公开了一种基于可见光通信的有限状态机编译码方法，具体步骤为：基于常规卷积码的网格结构，依据可见光通信DC平衡的要求，选取DC平衡的FSM图；主要针对2比特输入与4比特输出的FSM码进行设计，并分析1/2码率FSM码最小码距和状态数的特点；给出不同最小码距和状态数条件下，对应的可能FSM图和状态路径图；依据常规卷积码以最小码距作为误码率性能的评价方法，对比传统RLL码，定性分析FSM码的误码率性能；依据常规BCJR算法译码，给出改进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。此种方法通过拆分状态的方式进行FSM码设计，提高可见光信号的传输可靠性。

A Finite State Machine Coding and Decoding Method Based on Visible Communication

The invention discloses a finite state machine coding and decoding method based on visible light communication. The specific steps are as follows: based on the grid structure of conventional convolutional codes, according to the requirements of DC balancing in visible light communication, the FSM diagram of DC balancing is selected; the FSM codes with 2-bit input and 4-bit output are mainly designed, and the characteristics of minimum code spacing and state number of 1/2 bit rate FSM codes are analyzed; Under the condition of code spacing and number of states, the corresponding possible FSM graph and state path graph; according to the conventional convolutional code with minimum code spacing as the evaluation method of BER performance, the BER performance of FSM code is qualitatively analyzed compared with the traditional RLL code; according to the decoding of the conventional BCJR algorithm, the expressions of forward recursive metric, backward recursive metric and state transition metric in the improved BCJR algorithm are given. This method improves the transmission reliability of visible light signals by splitting the FSM codes.

【技术实现步骤摘要】
一种基于可见光通信的有限状态机编译码方法
本专利技术涉及一种基于可见光通信的有限状态机(FSM)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。
技术介绍
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)调制的有限状态机(FSM)编译码方法已成为VLC技术中的重要研究内容。在VLC通信中，FSM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，设计相应的算法，从而得到具有良好直流(DC)平衡和高增益可靠的可见光编码成为了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。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种基于可见光通信的有限状态机编译码方法，该方法具有良好DC平衡、避免LED闪烁、高效可靠的特点。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于可见光通信的有限状态机编译码方法，包括如下步骤：步骤1，基于常规卷积码的网格结构，选取直流平衡的FSM图；步骤2，当输入序列(μi,vi)为2比特，输出FSM码为4比特时，基于步骤1的FSM图，选取V-1和V+1状态、V-2和V+2状态，则V-1和V+1状态得到4比特输出FSM码的最小码距为2，V-2和V+2状态得到4比特输出FSM码的最小码距为4；步骤3，基于步骤2选取的状态，构建4比特输出FSM码的FSM图，通过分割子状态和删除多余码字，得到最小码距为2且状态数分别为2、4时，对应的FSM图及FSM码，以及最小码距为4且状态数分别为2、4时，对应的FSM图及FSM码；步骤4，基于步骤3得到的FSM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5，基于步骤4得到的表达式，译码输出μi、vi各自的对数似然比值。作为本专利技术的一种优选方案，步骤3所述的具体过程如下：步骤31，最小码距为2，选取状态V-1和V+1时，则所有4比特输出的码字集合为：C′(V-1,-1)＝C′(V+1,+1)＝{1100,0011,0101,1010,1001,0110}，C′(V+1,-1)＝C′(V-1,+1)＝{0100,1011}；删除多余码字，从而得到状态数为2且最小码距为2的FSM码字集合为：C(V-1,-1)＝C(V+1,+1)＝{0011,1100}，C(V+1,-1)＝C(V-1,+1)＝{0100,1011}；其中，C′(Vp,q)表示状态Vp到Vq的所有4比特输出的码字集合，p＝±1,q＝±1；步骤32，最小码距为2，将状态V-1和V+1分别分成两个子状态和删除多余码字，得到状态数为4且最小码距为2的FSM码字集合为：步骤33，最小码距为4，选取状态V-2和V+2时，删除多余码字，得到状态数为2且最小码距为4的FSM码字集合为：C(V-2,-2)＝C(V+2,+2)＝{0011,1100}，C(V+2,-2)＝C(V-2,+2)＝{0000,1111}；步骤34，最小码距为4，将状态V-2和V+2分别分成两个子状态和删除多余码字，得到状态数为4且最小码距为4的FSM码字集合为：其中，C(Vm,n)表示删除多余码字后，状态Vm到Vn的所有4比特输出的码字集合，表示删除多余码字后，状态到的所有4比特输出的码字集合，m＝±1,±2，n＝±1,±2，a＝1,2，b＝1,2。作为本专利技术的一种优选方案，步骤4所述前向递推度量、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：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：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；其中，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；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，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。作为本专利技术的一种优选方案，步骤5所述对数似然比值，具体表达式为：其中，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，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。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术通过构建FSM图，给出了不同最小码距和状态数下1/2码率FSM码的可能状态路径图，同时对1/2码率FSM码的DC平衡特性及闪烁特性进行分析，最后给出了1/2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，本专利技术适用于短距离可见光通信中的用户节点。附图说明图1是本专利技术一种基于可见光通信的有限状态机编译码方法流程图。图2是本专利技术所提出的DC平衡的FSM图。图3是本专利技术所提出的最小码距4状态4的FSM网络。图4是本专利技术所提出的最小码距4状态数4的FSM码光照强度特性图。图5是本专利技术对应的VLC系统框图。图6是本专利技术提出的不同状态和不同码距的FSM码与现有Miller码、更新Miller码误码率性能对比曲线图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。如图1所示，本专利技术提供一种基于可见光通信的有限状态机(FSM)编码方法，包括以下步骤：步骤A，基于常规卷积码的网格结构，依据FSM编码DC平衡和限制游程长度的特点，选取DC平衡的FSM图；步骤B，选取步骤A的图中的状态V-i和V+i，i为任意非零整数。分析它们得到的最小输出码字为2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于可见光通信的有限状态机编译码方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，基于常规卷积码的网格结构，选取直流平衡的FSM图；步骤2，当输入序列(μi,vi)为2比特，输出FSM码为4比特时，基于步骤1的FSM图，选取V‑1和V+1状态、V‑2和V+2状态，则V‑1和V+1状态得到4比特输出FSM码的最小码距为2，V‑2和V+2状态得到4比特输出FSM码的最小码距为4；步骤3，基于步骤2选取的状态，构建4比特输出FSM码的FSM图，通过分割子状态和删除多余码字，得到最小码距为2且状态数分别为2、4时，对应的FSM图及FSM码，以及最小码距为4且状态数分别为2、4时，对应的FSM图及FSM码；步骤4，基于步骤3得到的FSM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5，基于步骤4得到的表达式，译码输出μi、vi各自的对数似然比值。

【技术特征摘要】
1.一种基于可见光通信的有限状态机编译码方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，基于常规卷积码的网格结构，选取直流平衡的FSM图；步骤2，当输入序列(μi,vi)为2比特，输出FSM码为4比特时，基于步骤1的FSM图，选取V-1和V+1状态、V-2和V+2状态，则V-1和V+1状态得到4比特输出FSM码的最小码距为2，V-2和V+2状态得到4比特输出FSM码的最小码距为4；步骤3，基于步骤2选取的状态，构建4比特输出FSM码的FSM图，通过分割子状态和删除多余码字，得到最小码距为2且状态数分别为2、4时，对应的FSM图及FSM码，以及最小码距为4且状态数分别为2、4时，对应的FSM图及FSM码；步骤4，基于步骤3得到的FSM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5，基于步骤4得到的表达式，译码输出μi、vi各自的对数似然比值。2.根据权利要求1所述基于可见光通信的有限状态机编译码方法，其特征在于，步骤3所述的具体过程如下：步骤31，最小码距为2，选取状态V-1和V+1时，则所有4比特输出的码字集合为：C′(V-1,-1)＝C′(V+1,+1)＝{1100,0011,0101,1010,1001,0110}，C′(V+1,-1)＝C′(V-1,+1)＝{0100,1011}；删除多余码字，从而得到状态数为2且最小码距为2的FSM码字集合为：C(V-1,-1)＝C(V+1,+1)＝{0011,1100}，C(V+1,-1)＝C(V-1,+1)＝{0100,1011}；其中，C′(Vp,q)表示状态Vp到Vq的所有4比特输出的码字集合，p＝±1,q＝±1；步骤32，最小码距为2，将状态V-1和V+1分别分成两个子状态和删除多余码字，得到状态数为4且最小码距为2的FSM码字集合为：步骤33，最小码距为4，选取状态V-2和V+2时，删除多余码字，得到状态数为2且最小码距为4的FSM码字集合为：C(V-2,-2)＝C(V+2,+2)＝{0011,1100}，C(V+2,-2)＝C(V-2,+2)＝{0000,1111}；步骤34，最小码距为4，将状态V-2和...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宗艳，余鸿路，李嘉慧，李世银，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32