姜良奎，林 藍(lán)，張 琪

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)于便捷交通的需求越來(lái)越緊迫，對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提出了更高的要求。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國(guó)列車速度越來(lái)越快，已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平[1]。高鐵速度的提升和車內(nèi)配置的升級(jí)帶來(lái)了高效和舒適，同時(shí)也產(chǎn)生了大量的車組數(shù)據(jù)信息，高鐵在到站的時(shí)候需要與站臺(tái)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)智能控制與監(jiān)測(cè)。然而，在高鐵大數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)中還存在一定的困難。首先，傳統(tǒng)的通過硬盤轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的方法速率低，花費(fèi)的時(shí)間比較長(zhǎng)；其次，通過無(wú)線傳輸?shù)姆绞娇梢蕴岣咭欢ǖ臄?shù)據(jù)傳輸速率，但是基站發(fā)射的無(wú)線電磁波信號(hào)，會(huì)對(duì)列車主控的導(dǎo)航設(shè)備和操作系統(tǒng)造成一定的數(shù)據(jù)干擾，其影響程度難以評(píng)估和確定。最后，列車停站的時(shí)間有限，為了有效完成數(shù)據(jù)傳輸，需要保證一定的通信速率[2]。針對(duì)目前高鐵數(shù)據(jù)傳輸存在的上述問題，需要研制出一套新型高鐵數(shù)據(jù)傳輸方案，既能有效滿足高鐵到站時(shí)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅帜茉陔姶琶舾协h(huán)境中保證全列車安全規(guī)范的要求。

可見光通信是一種新型的通信技術(shù)，其將照明與通信相結(jié)合，利用可見光進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，速率高達(dá)上百兆比特每秒，可有效實(shí)現(xiàn)高速通信的需求。同時(shí)，由于可見光固有的特點(diǎn)，其在傳輸信息的時(shí)候不會(huì)帶來(lái)電磁干擾，也不會(huì)被其他電磁設(shè)備所影響，具有極佳的抗干擾性[3-5]?？梢姽馔ㄐ盼藝?guó)內(nèi)外眾多研究人員開展研究，并取得了可喜的進(jìn)展。日本 LAMP SERVE LED 路燈通過實(shí)際測(cè)試，完成通信速率為100 Mbps的可見光通信系統(tǒng)，有效通信距離可達(dá)200 m。復(fù)旦大學(xué)基于商用車燈，采用最大比合并技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超過1 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸[6]。

本文提出了基于高鐵前車大燈的對(duì)地大數(shù)據(jù)傳輸方案，采用基于LED的車燈搭建了可見光通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了速率超過1.18 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，針對(duì)車燈帶寬窄、接收信號(hào)失真嚴(yán)重的問題，研究了兩種典型的線性均衡方法，迫零均衡和基于壓縮感知的后均衡方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用適當(dāng)?shù)木夥椒?，可以有效提升系統(tǒng)的帶寬，降低誤碼率，保證信號(hào)的有效傳輸。結(jié)果表明，高鐵車燈通信有望在未來(lái)實(shí)現(xiàn)高速通信，解決目前高鐵大數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y題。

1 線性均衡算法原理

在可見光信道中，通過分析收發(fā)端信號(hào)的關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信道傳遞函數(shù)H（n）的估計(jì)，得到信道的傳遞函數(shù)后便可通過公式（1）在接收端對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行頻域均衡處理。

其中X代表發(fā)射符號(hào)的頻譜，Y代表接收符號(hào)的頻譜。

1.1 迫零均衡

考慮系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)X在接收端可表示為

其中Y為信號(hào)在信道中的頻率響應(yīng)，n表示加性白噪聲。迫零均衡器假設(shè)信道中噪聲為零，通過最優(yōu)化下列目標(biāo)函數(shù)

得到信道響應(yīng)的估計(jì)結(jié)果為

使用一組訓(xùn)練序列得到一組信道響應(yīng)的估計(jì)值，求取估計(jì)值的期望作為最終估計(jì)結(jié)果，代入（1）式便得到對(duì)接收數(shù)據(jù)的均衡結(jié)果為

1.2 壓縮感知（CS）

文獻(xiàn)[7]指出，現(xiàn)實(shí)在寬帶通信時(shí)，信道往往表現(xiàn)出一定的稀疏特性，基于此特性可利用壓縮感知技術(shù)對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)。一個(gè)長(zhǎng)度為N的離散信號(hào)序列x可用N×N維的基矩陣ψ表示為：

當(dāng)s中只有K（K

其中θ=Φψ為M×N的矩陣。對(duì)于觀測(cè)信號(hào)y，壓縮后需要解決的問題變成確定合適的測(cè)量矩陣Φ，并設(shè)計(jì)恢復(fù)算法從觀測(cè)信號(hào)y恢復(fù)原始信號(hào)x?；謴?fù)算法一般選用正交匹配追蹤（OMP）算法[8]，通過迭代收斂方式對(duì)信號(hào)x進(jìn)行恢復(fù)，迭代過程如表1所示。

設(shè)F為N×N的離散傅里葉變換矩陣，N為信道沖激響應(yīng)長(zhǎng)度。代入公式（2）得到

此式與公式（6）形式完全相同，發(fā)射信號(hào)X為測(cè)量矩陣，離散傅里葉變換矩陣F為基矩陣，?h即為需要估計(jì)的稀疏矢量。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖1（a）是基于可見光和光纖融合網(wǎng)絡(luò)的高鐵大數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用系統(tǒng)示意圖。在本方案中，利用高鐵前車大燈和月臺(tái)指示燈進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸。這樣，高鐵前車大燈不僅可用于照明，還可以負(fù)責(zé)和月臺(tái)的燈之間傳遞信息，通過可見光實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)信息的無(wú)線傳輸。將探測(cè)器放置在月臺(tái)上，月臺(tái)作為列車的停留點(diǎn)能夠更準(zhǔn)確和完整地判斷列車的運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)和列車前燈進(jìn)行通信。其中，放置在月臺(tái)的燈連接了光纖，接收的數(shù)據(jù)通過光纖被大量傳輸?shù)皆贫撕?，終端即可通過云端服務(wù)器對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)操作。

圖1（b）展示了在傳輸系統(tǒng)發(fā)射端，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行幅度相位調(diào)制（QAM）轉(zhuǎn)變?yōu)檎坏男盘?hào)。QAM信號(hào)經(jīng)過串并變換后進(jìn)行離散多音（DMT）調(diào)制，調(diào)制后信號(hào)在頻域進(jìn)行上采樣、逆傅里葉變換后成為時(shí)域信號(hào)。時(shí)域信號(hào)添加循環(huán)前綴并進(jìn)行并串變換得到最后的發(fā)送序，序列通過數(shù)模轉(zhuǎn)換接口、驅(qū)動(dòng)及耦合電路后加載至光源發(fā)射。

在接收端，光電二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后經(jīng)跨阻放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換接口傳至計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)中首先將接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)進(jìn)行同步處理。同步信號(hào)經(jīng)過串并變換、去循環(huán)前綴操作后轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行DMT解調(diào)。DMT解調(diào)后信號(hào)在頻域使用迫零均衡或者基于壓縮感知的線性均衡算法（簡(jiǎn)稱“CS均衡”）以恢復(fù)經(jīng)過了頻率衰減的信號(hào)。最后將均衡信號(hào)進(jìn)行解映射便可恢復(fù)出原始發(fā)射數(shù)據(jù)。

表1 OMP算法步驟

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

為驗(yàn)證兩種均衡方法的效果，將實(shí)驗(yàn)中獲得的發(fā)射與接收數(shù)據(jù)中一定數(shù)量的符號(hào)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，對(duì)訓(xùn)練結(jié)果求取均值作為信道的估計(jì)，利用公式（1）對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行均衡。通過改變訓(xùn)練數(shù)據(jù)的比例，得到兩種均衡方法如圖2（a）所示的誤碼率變化曲線。兩種均衡算法在使用一定訓(xùn)練樣本的情況下，均能將接收信號(hào)誤碼率降到了3.8×10-3以下，有效地抑制了信號(hào)受信道影響產(chǎn)生的失真。CS均衡算法表現(xiàn)優(yōu)于迫零均衡算法；信道統(tǒng)計(jì)特性隨著訓(xùn)練樣本數(shù)增加而逐漸得到更準(zhǔn)確的估計(jì)，CS均衡算法和迫零均衡算法的效果都在逐漸變好，且兩種均衡算法之間的性能差距也在逐漸減小。總體而言訓(xùn)練樣本越多，均衡算法的效果越好，并且CS均衡算法效果明顯優(yōu)于迫零均衡算法，CS均衡算法將接收信號(hào)誤碼率降到糾錯(cuò)門限以下所需的訓(xùn)練樣本量比迫零均衡算法少4%；在相同的訓(xùn)練符號(hào)數(shù)條件下，對(duì)比圖2（a）中A、B兩點(diǎn)可發(fā)現(xiàn)通過CS均衡算法得到的接收信號(hào)星座圖比迫零均衡算法的更清晰。

實(shí)驗(yàn)還對(duì)兩種算法在不同信噪比條件下的均衡效果進(jìn)行了測(cè)試，得到了不同信噪比下的接收信號(hào)，使用長(zhǎng)度為五的收發(fā)符號(hào)序列訓(xùn)練均衡算法，得到了3種算法在不同信噪比條件下的如圖2（b）所示誤碼率變化曲線以及在信噪比為23.5 dB時(shí)接收端均衡前后頻譜和發(fā)射頻譜的對(duì)比結(jié)果。從圖中可見CS均衡后接收頻譜整體更為平坦，更有利于多載波信號(hào)的解調(diào)，信號(hào)帶寬達(dá)到197 MHz，在64QAM-DMT調(diào)制的系統(tǒng)中，計(jì)算可得實(shí)際通信速率達(dá)到了1.18 Gbps；當(dāng)訓(xùn)練符號(hào)較少時(shí)，兩種均衡算法均衡效果有明顯差別，CS均衡效果優(yōu)于迫零均衡；兩種均衡算法都隨著信噪比的升高均衡效果逐漸變好。結(jié)合對(duì)兩種算法的原理分析可總結(jié)出兩種均衡算法的性能對(duì)比如表2所示。

圖1 基于可見光和光纖融合網(wǎng)絡(luò)的高鐵大數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用系統(tǒng)

圖2 誤碼率隨訓(xùn)練數(shù)量的變化曲線

表2 3種均衡算法的性能對(duì)比

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和算法復(fù)雜度考慮，在實(shí)際通信系統(tǒng)中訓(xùn)練集數(shù)量有限以及信噪比較低的場(chǎng)景下，CS均衡算法兼顧復(fù)雜度可控且準(zhǔn)確度較高的優(yōu)點(diǎn)，不失為一種適合實(shí)際應(yīng)用的均衡算法。

4 結(jié)語(yǔ)

本文使用基于LED的車燈搭建了可見光通信系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)研究了迫零和基于壓縮感知的線性均衡方法在車燈通信系統(tǒng)中的應(yīng)用方式，實(shí)驗(yàn)證明兩種均衡方法均能有效抑制系統(tǒng)中的線性失真，其中基于壓縮感知的均衡算法效果優(yōu)于迫零均衡算法，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了1.18 Gbps的通信速率。