新型車載LED光無線通信系統(tǒng)*

曾鹿濱，裴瑞琳，王晨東，朱永清

(1.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201;2.上海英磁新能源科技有限公司，上海 200434)

前言

光照產(chǎn)業(yè)正在大量增加使用白色LED燈作為使用照明源［1］。與傳統(tǒng)的照明方式比，白色LED具有更低的能耗、更長的壽命和更小的尺寸。迄今為止，還很少有將LED應用在車載光無線通信的研究，本文中將著重闡述LED應用于車載通信系統(tǒng)的可行性和可應用性。由于LED的低能耗和長壽命，在車庫和隧道中使用LED已成為一種趨勢。在車庫中，當對導航初始化時，常出現(xiàn)不能很快定位的問題，其主要原因是導航終端還需花幾分鐘進行定位初始化。該難題在現(xiàn)有的機端很難解決，另一個難題就是在車庫或隧道中AM/FM信號的丟失問題。本文中，將針對以上問題進行研究。首先描述使用白色LED燈的車庫和隧道中車載可見光通信系統(tǒng);其次詳細介紹了在車庫情況下的一種可見光通信系統(tǒng)的模型;之后討論信噪比仿真方法;最后討論系統(tǒng)的可操作性，并得出最終結論。

1 應用場景

1.1 應用白色LED燈在車庫內(nèi)預定位導航

圖1為應用白色LED燈的車庫內(nèi)預定位導航系統(tǒng)。在此條件下，LED燈既被作為照明使用，也被用作發(fā)射器來傳輸信號(如GPS的經(jīng)緯度信息)給車輛。車庫的位置加載到LED燈上，并轉(zhuǎn)換成光信號。在車輛端，使用光敏二極管作為接收器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。因此，所在車庫GPS的經(jīng)緯度信息將能被車機立刻接收，從而大大增快導航的初始化定位。

1.2 隧道數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)技術

圖2為應用白色LED燈的隧道數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)，此系統(tǒng)可快速方便地解決FM/AM和GPS的信號丟失問題。其它數(shù)據(jù)廣播也可被應用，例如緊急情況下的交通信息。

2 可見光通信系統(tǒng)模型的設計

該可見光通信系統(tǒng)是建立在基于圖1的幾何構造下的設計。從LED燈(發(fā)射器)到光敏二極管(接收器)，光通過直接和漫射兩種途徑傳播。每個LED有一部分光線通過視線直接傳播到接收器，而另一部分則通過車庫內(nèi)各面的漫射傳播到接受器。

2.1 發(fā)射器部分

發(fā)射器由4個LED陣列構成。大多數(shù)商用LED的白色光由藍光和熒光(黃色)兩部分構成。圖3為白色LED的頻譜。其中，第一個尖峰區(qū)域由藍色發(fā)光體形成，而第二個比較平滑的峰區(qū)域則由因磷粉被藍色光沖擊而產(chǎn)生的熒光形成。

對于Luxeon型號的LED，熒光部分的緩慢響應會將整個調(diào)制系統(tǒng)的帶寬限制在大約2.5MHz［3］;在充足的光能下，通過使用藍色光濾波器可使帶寬增加到14MHz。

2.2 信道模型部分

圖4為室內(nèi)通信場景的不同信道。

2.2.1 LOS信道

LOS信道有一個非常平滑的頻率響應曲線，對大多數(shù)信道，有一個D.C.增益H(0)［4］。在LOS連接中，無論是寬還是窄接收角的光敏二極管，D.C.增益H(0)僅表示LOS傳播路徑。如圖4(b)所示，單個LED通信模型可以表示為

式中:APD為探測器的面積;d為發(fā)射器和接收器的距離;Ro(φ)為發(fā)射器的輻射密度;φ為輻射角;g(φ)為集中增益，g(φ)=n2/sin2φc;φ 為入射角;φc為光敏二極管的覆蓋角(FOV);Tf(φ)為光濾波器的增益。假設LED是一個朗伯分布的輻射密度，則Ro(φ)=［(m+1)/2π］cosmφ，m 為朗伯級數(shù)，m=-ln2/lncosφ1/2，φ1/2為半功率發(fā)射角。

假設系統(tǒng)的NT個發(fā)射器(LED陣列)和NR個接收器(光敏二極管)所形成D.C.增益組成矩陣H，其中某一信道的增益為hij，即為發(fā)射器i到接收器j的增益。

假設發(fā)射器i包含K個LED，hij則為發(fā)射器中所有LED到第j個接收器的增益累加，即

當只有一個接收器的情況下(NR=1)時，hij則被簡化為

則式(2)可簡化為

2.2.2 漫反射信道

對于漫反射信道的建模，有兩種廣泛使用的方法。一種是假設將房間內(nèi)部表面分成微小的漫反射單元，然后被漫反射的光，為所有漫反射單元的總和［5-6］;另一種是利用光線跟蹤方式來追蹤一個光子從發(fā)射端到接收端的整個路徑［7］。這個信道響應是基于從大量的傳播實驗提取的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。相比前一種方法，這種方法更加可靠，但效率偏低。

本文中的建模使用一個積分球體模型來保證準確和效率。由于漫反射信道的脈沖與積分球的脈沖非常接近［8］，一種積分球模型被應用到研究的室內(nèi)模型(車庫通道)中。通過車庫通道表面Agarage的第一次漫反射信道為

式中:ρ1為表面反射率;PLED為一個LED的平均發(fā)射功率。

平均反射率ρave定義為

式中:ρi為室內(nèi)墻面、窗戶和其他物體的單個反射率;Ai為每個表面的面積。

因此，強度總和是對所有分強度的累加，即

式中:i為反射的次數(shù)。

接收器被假設為車庫通道表面很小的部分，所以在接收面積Arx接收的漫反射功率pdiff為

式中:Arx為經(jīng)過集中器接后接收面積;Tf(φ)為光濾波器的增益。

2.2.3 環(huán)境光噪聲

光無線傳輸系統(tǒng)常會被環(huán)境光噪聲所干擾［9］，包括日光、鎢絲燈、白熾燈和熒光燈等光源［10-14］。每種光都有特別的特性和光譜。圖5是幾種常見的環(huán)境光源光譜［4］。

信道信號和D.C.光電流和環(huán)境光也會產(chǎn)生散粒噪聲。在一般的光無線通信系統(tǒng)中，環(huán)境光產(chǎn)生絕大部分的散粒噪聲。

2.3 接收器

接收器包括光集中器、探測器和一個放大器。在有效光入射范圍內(nèi)，有效光接收面積Arx為

式中:APD為光探測器的面積;n為集中器折射系數(shù)。

在接收器端，接收信號為

對于獨立的接收器，有

式中:Psignal為平均接收功率;Pambient為環(huán)境光中收到的功率，Pambient=χampAirx2π(1-cosφc)，χamp為環(huán)境噪聲光電流;B為接收器的帶寬;iamp為放大器的噪聲電流強度。在仿真中，隨機信號發(fā)生器產(chǎn)生的白噪聲被作為近似噪聲加載到信號中。

3 信噪比SNR仿真和性能評估

車庫通道的天花板上安裝了4個LED大燈，接收器平面(車的頂部)大約距天花板2.5m，仿真參數(shù)見表1。天花板模型如圖1和圖6所示，本研究主要使用較為通用的大反射罩LEDIP65來照明，此照明設計能滿足車庫至少150Lux照明亮度的要求。

表1 車庫通道仿真參數(shù)

光從車庫通道天花板上每個LED傳輸?shù)轿挥谲図敹说慕邮掌魃?。傳輸性能依賴系統(tǒng)的信噪比SNR。在車庫通道中，對接收平面不同點的SNR進行計算后，得到整個接收平面的SNR分布圖，如圖7所示。系統(tǒng)信噪比是一個關于位置變量的函數(shù)，如果通信系統(tǒng)的比特誤差率BER在10-6內(nèi)，則要求SNR達到15.6dB。仿真結果顯示，此車庫通道中SNR非常高，在4個角落處 SNR最低也達到59.5dB，遠大于15.6dB的要求，因此，此車庫通道光無線系統(tǒng)的光傳輸功率評估足以滿足14Mbit/s的單信道數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。

4 結論

本文中描述了一種車庫光無線通信模型。基于此模型，通過車庫通道信噪比SNR分布圖計算得到在使用LED燈陣列的安裝方式下，光功率足以提供一個單信道數(shù)據(jù)傳輸。在SNR分布圖中，SNR最低值為59.5dB，遠大于13.5dB(比特誤差率 BER為10-6的要求)。在沒有使用光濾波器和多信道情況下，系統(tǒng)傳輸速率達到14Mbit/s，可用于數(shù)據(jù)廣播和GPS傳輸。將來的工作重點主要集中在演示實驗系統(tǒng)的建立和更高傳輸速率的設計方案。

［1］ Komine T，Nakagawa M.Integrated System of White LED Visiblelight Communication and Power-Line Communication［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2003，49:71-79.

［2］ Power Light Source LuxeonTMⅢ Star Technical Datasheet DS46［DB/OL］.2013 Datasheet Archive，http://www.datasheetarchive.com.

［3］ Le-Minh D C O B H，F(xiàn)aulkner G，Zeng L，et al.High-Speed Visible Light Communications Using Multiple-Resonant Equalization［J］.IEEE Photonics Technology Letter，2008，20(15):1243-1245.

［4］ Kahn J M，Barry J R.Wireless Infrared Communications［J］.IEEE Proceeding，1997，85(2):265-298.

［5］ Gfeller F R，Bapst U.Wireless In-house Data Communication via Diffuse Infrared Radiation［J］.IEEE Proceedings，1979，67:1474-1486.

［6］ Barry J R，Kahn J M，Krause W J，et al.Simulation of Multipath Impulse-Response for Indoor Wireless Optical Channel［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，1993，11:367-379.

［7］ Iske B，Jager B，Ruckert U.A Ray-tracing Approach for Simulating Recognition Abilities of Active Infrared Sensor Arrays［J］.IEEE，Sensors Journal，2004，4:237-247.

［8］ Jungnickel V，Pohl V，Nonning S，et al.A Physical Model of the Wireless Infrared Communication Channel［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2002，20:631-640.

［9］ Moreira A J C，Valadas R T，de-Oliveira-Duarte A M.Optical Interference Produced by Artificial Light［J］.Wireless Networks，1997，3:131-40.

［10］ Boucouvalas A C.Indoor Ambient Light Noise and its Effect on Wireless Optical Links［J］.IEE Proceedings，Optoelectronics，1996，143:334-338.

［11］ Moreira A J C.Performance of Infrared Transmission Systems under Ambient Light Interference［J］.IEE Proceedings，Optoelectronics，1996，143(6):339-346.

［12］ Hernndez-Andrs J，Romero J，Nieves J，et al.Color and Spectral Analysis of Daylight in Southern Europe［J］.Journal of the Optical Society of America.A，Optics，Image Science，and Vision，2001，18:1325-1335.

［13］ Hernndez-Andrs J，Romero J，Garc?a-Beltrn A，et al.Testing Linear Models on Spectral Daylight Measurements［J］.Optical and Quantum Electronics，1998，37(6):971-977.

［14］ Narasimhan R，Audeh M D，Kahn J M.Effect of Electronic-ballast Fluorescent Lighting on Wireless Infrared Links［J］.IEE proceedings，Optoelectronics，1996，143(6).

［15］ O’Brien D C，Katz M.Optical Wireless Communications Within Fourth-generation Wireless Systems［J］.Journal of Optical Networking，2005，4.

［16］ Moreira A J C，Valadas R T，de-Oliveira-Duarte A M.Optical Interference Produced by Artificial Light［J］.Wireless Networks，1997，3:131-140.