譚家杰,鄒常青
(衡陽師范學(xué)院 物理與電子信息科學(xué)系,湖南 衡陽421008)
可見光通信(VLC,Visible Light Communication)是隨著LED技術(shù)的興起而產(chǎn)生的新技術(shù)。對于室內(nèi)白光LED照明通信來說,信道特性依賴于光線在反射面的反射特性和空間傳輸路徑,因此研究者主要關(guān)心的是接收器所接收信號的總功率分布空間分布以及時間分布。目前在可見光通信信道時域特性方面,大部分都是借鑒無線通信的模型。田怡根據(jù)IEEE802.20信道模型得到信道的時域、頻域特性[1]。呂鋒用軟件仿真了物理上行信道[2]。在可見光信道方面,張立等利用室內(nèi)信道模型對室內(nèi)無線光通信的多徑效應(yīng)進行了分析[3]。Komine和Grubor采用遞歸方法對信道特性進行了研究[4-6]。這里提出了采用簡化的光線追跡法來研究信道的特性。
建立如圖1所示的坐標系,四個LED燈具A、B、C、D組成多發(fā)射通信系統(tǒng),它們的中心坐標為:A (1.5, 1.5, 3.0),B (4.5, 1.5, 3.0),C (4.5, 4.5, 3.0),D (1.5, 4.5, 3.0)。
圖1 室內(nèi)多LED通信系統(tǒng)組成
接收器位于接收平面內(nèi)組成下行通信鏈路。為研究通信系統(tǒng)的信道特性,假設(shè)天花板、墻面和地板的反射率為固定值,分別為0.8、0.5和0.2。LED燈具采用方形結(jié)構(gòu),采用LUXEON LED,只需100個LED便能夠提供足夠的照明,每個LED燈具采用25個LED組成5×5方形陣列,燈具的LED間距為 0.25d= m。該布設(shè)符合照度均勻性要求,且接收平面內(nèi)最大照度為1464 lux,最小照度為350 lux,滿足ISO國際標準組織的室內(nèi)照明300~1500 lux要求[4]。
信道的脈沖響應(yīng)一般表達式表示為:
Si代表第i個發(fā)射器,相應(yīng)的R為接收器,式(1)的第一部分是直射信道的脈沖響應(yīng),第二部分則是漫反射信道的脈沖響應(yīng)。其中,上標代表接收器接收的信號在信道中經(jīng)過反射的次數(shù),這里定義 k = 0 的響應(yīng)為直接響應(yīng),k = 1 的響應(yīng)為一階響應(yīng),k = 2 的響應(yīng)為二階響應(yīng),依此類推。k階響應(yīng)可以表示為:
dk為k階響應(yīng)從發(fā)射器到接收器的距離,每經(jīng)過一次反射的距離。ρk為k階響應(yīng)的總反射率,為第i次反射面的反射系數(shù)。lk為光線經(jīng)過k次反射的實際路徑長度,為接收器的聚光器表達式,φk是接收器的入射角,δ( t - lk/c )反映的是信號的延時情況。
計算接收器的脈沖響應(yīng),主要從兩個方法來考慮:第一,把時間分成等間隔,每個時間間隔為0.5 ns,計算接收器在不同時間間隔接收信號的大小。第二,將室內(nèi)的墻面、地面、天花板分成 50×50的小格,當光信號進入某小格時,就認為在此小格中產(chǎn)生朗伯分布的光源。在計算脈沖響應(yīng)時,跟蹤LED燈發(fā)射的光線,得接收器的信號大小為:
信道仿真方法是按照反射次數(shù)進行。當反射次數(shù)很高,由發(fā)射裝置進入接收器的信號非常小,因此在進行光線追跡時無需考慮反射的次數(shù)過高,這就是這種方法的基本思想。
為了研究多個LED信道的特性,選擇合適的仿真參數(shù)十分重要。這里將光電探測器的參數(shù)、 LED及其相關(guān)參數(shù)加以說明。光電探測器采用PIN管,它的接收視場角為600,探測器的聚光器的折射率為1.5,光學(xué)濾波器的增益為1.0。對于探測器來說非常中的參數(shù)為電光轉(zhuǎn)換效率R=0.45 A/W,探測器的有效面積為1 cm2。LED的仿真參數(shù)有發(fā)射半角,它的大小為1000,LED功率為1 W。由LED組成的燈具尺寸為1 m ×1 m,每個LED燈具由25個LED組成,因此整個仿真共有100個LED。房間的大小為6 m×6 m×3 m。
仿真時選擇3個接收器放置在房間對角線上,1個靠近墻面,4個接收位置參數(shù)分別為:(3.0,3.0,0.85)、(1.75,1.75,0.85)、(0.5,0.5,0.85)、(3.0,0.5,0.85)。采用簡化的光線追跡法,得到接收器在(3.0,3.0,0.85)位置的各階脈沖響應(yīng)如圖2所示。
圖2 在(3.0,3.0,0.85)處的仿真結(jié)果
由圖 2可知,直接響應(yīng)的起止區(qū)間為(8.58,11.84);一階響應(yīng)的起止區(qū)間為(15.54,39.29);二階響應(yīng)的起止區(qū)間為(35.3,1712.60);三階響應(yīng)為(49.60,13984.00)。各階響應(yīng)中最大的是直接響應(yīng)h0(t),一階響應(yīng)h1(t)次之,三階響應(yīng)最小。
把各階響應(yīng)按照式(3)求和,得到如圖 3的信道脈沖響應(yīng)。圖3中存在三個比較明顯的尖峰。第一個尖峰發(fā)生的時間為8.94 ns,第二個尖峰的時間為18.95 ns,第三個尖峰時間為28.02 ns。將上述數(shù)據(jù)結(jié)合圖2可以判斷,第一個尖峰是由直接脈沖響應(yīng)產(chǎn)生,而與其它響應(yīng)無關(guān)。第二、三尖峰是由一階響應(yīng)產(chǎn)生的。后面的小峰則是由二、三階響應(yīng)共同作用產(chǎn)生的。第一個尖峰是 LOS信道響應(yīng),其他屬于non-LOS信道響應(yīng)。信號通過 non-los信道傳輸?shù)木嚯x比較遠,因而滯后于直接響應(yīng)。如果系統(tǒng)的傳輸速率很高,那么non-LOS信道響應(yīng)會落到其他信號的區(qū)間,從而造成通信系統(tǒng)產(chǎn)生碼間干擾。采用相同方法,可得到接收器在其他位置的脈沖響應(yīng)。當接收器位于(0.5,0.5,0.85)時,出現(xiàn)了較奇特的現(xiàn)象,信道的直接響應(yīng)變小,一階響應(yīng)變大,并且一階響應(yīng)超過了直接響應(yīng)。說明此處的non-LOS信道響應(yīng)超過了LOS信道,占據(jù)主導(dǎo)地位。由于篇幅關(guān)系,在其他位置的各階脈沖響應(yīng)就不列出。
圖3 在(3.0,3.0,0.85)信道的仿真結(jié)果
為了研究信道的直接響應(yīng)和一階響應(yīng)在室內(nèi)接收平面的分布情況,這里選擇了過(0.0,0.0,0.85)、(3.0,3.0,0.85)、(6.0,6.0,0.85)的軸線,得到如圖4所示的對比圖。圖4中直接響應(yīng)的變化規(guī)律是:在墻角位置的直接響應(yīng)值最小,向中心位置逐步增加,越過中心位置又逐漸減少。圖 4中的一階響應(yīng)變化規(guī)律為:靠近墻角或墻面位置時的響應(yīng)最大,離開時,其響應(yīng)值逐步減小。其中沿對角方向在離墻角0.8 m位置一階響應(yīng)超過直接響應(yīng)。
圖4 沿對角線方向?qū)Ρ?/p>
通過采用簡化的光線追跡法對室內(nèi)可見光信道脈沖響應(yīng)進行仿真,得如下結(jié)論:①室內(nèi)可見光LED通信信道的脈沖響應(yīng)與接收器、發(fā)送裝置的位置密切相關(guān),即信道的沖激響應(yīng)隨接收器和發(fā)射裝置不同位置而不同;②在房間中心部位時,直接響應(yīng)比一階響應(yīng)大;③當接收器逐漸靠近墻面或墻角位置0.7~0.8 m臨界位置時,一階響應(yīng)大小會超過直接響應(yīng);④仿真結(jié)果的三階響應(yīng)始終不是很大,影響最大的位置是在墻角處。簡化的光線追跡方法為研究室內(nèi)多個 LED的信道特性提供了一種有效方法。
[1] 田怡. 基于IEEE802.20信道模型的仿真分析[J]. 通信技術(shù), 2010,43(07): 147-149.
[2] 呂鋒, 董偉. 基于LabVIEW的LTE物理上行共享信道仿真[J]. 通信技術(shù), 2011, 44(05): 125-127.
[3] 張立, 朱娜, 張寧. 室內(nèi) LED光無線通信多徑效應(yīng)抑制[J]. 通信技術(shù), 2010, 43(07): 198-200.
[4] KOMINE T, NAKAGAWA M. Fundamental Analysis for Visible-light Communication System Using LED Lights[J]. Consumer Electronics, IEEE Transactions on, 2004, 50(01): 100-7.
[5] GRUBOR J, RANDEL S, LANGER K D, et al. Broadband Information Broadcasting Using LED-Based Interior Lighting[J]. Lightwave Technology, 2008, 26(24): 3883-92.
[6] KOMINE T,LEE J H,NAKAGAWA M H S. Adaptive Equalization System for Visible Light Wireless Communication Utilizing Multiple White LED Lighting Equipment[J].Wireless Communications,IEEE Transactions on,2009,8(06):2892-2900.