基于OCDMA的改進(jìn)型室內(nèi)可見光無線局域網(wǎng)分析

馮 慶 ， 方安安，汪蓉蓉

(南昌大學(xué)信息工程學(xué)院電子系，江西南昌 330031)

LED擁有極短的響應(yīng)時間、高速的調(diào)制特性、極高的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，使其成為照明和通信的雙用基站?；贚ED的可見光通信技術(shù)是一種使用可見光作為信號載體的無線通信方式，它與其他無線通信技術(shù)相比，在電磁輻射、發(fā)射功率、通信效率、安全性等方面都具有很大的優(yōu)勢，近年來成為各個國家爭相研究的熱點(diǎn)。但可見光通信也有其無法回避的問題，比如由多徑干擾引起的碼間串?dāng)_、傳輸發(fā)散損耗較大、發(fā)射功率利用率不高等問題，影響了系統(tǒng)的整體性能。本文針對這一問題，提出可見光通信與激光通信相結(jié)合，既維持了LED燈的雙用基站功能，又優(yōu)化了系統(tǒng)性能，構(gòu)建了由LED照明燈發(fā)送信息給終端用戶的下行鏈路以及由終端向基站發(fā)送信息的上行鏈路，并通過光碼分多址技術(shù)，利用具有良好性能的光正交碼對信號進(jìn)行編碼，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

1 系統(tǒng)原理

1.1 OCDMA 技術(shù)

OCDMA技術(shù)的原理是給每個用戶分配一個地址碼，由編碼器對用戶信號進(jìn)行編碼，各用戶的編碼信號經(jīng)星型耦合器疊加，形成一個總的信號矢量送入信道傳輸。接收端解碼器對收到的序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，并進(jìn)行解擴(kuò)處理，通過門限判定恢復(fù)出源信號。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 OCDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

OCDMA技術(shù)具有優(yōu)良的安全性、抗干擾性、隨機(jī)接入等優(yōu)點(diǎn)，使得系統(tǒng)更加高效、可靠和組網(wǎng)靈活，可以很好地應(yīng)用于室內(nèi)可見光無線通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多用戶間的信息傳輸。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

可見光無線通信局域網(wǎng)的一種典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。其基本原理是用戶終端發(fā)出的數(shù)據(jù)源經(jīng)過OCDMA編碼后，驅(qū)動用戶終端適配器的光源發(fā)送信號，調(diào)制方式選擇OOK調(diào)制，設(shè)置在頂部的光電探測器接收到發(fā)出的光信號，將其轉(zhuǎn)化為電信號并送入集線器，集線器再分時段地將信息以廣播的方式通過主光源LED發(fā)送給終端用戶，終端用戶適配器通過將發(fā)來的信號與本地地址碼作相關(guān)運(yùn)算，如果匹配則接收，如果不匹配則放棄，這樣就構(gòu)建了基站和終端的雙向通信，實(shí)現(xiàn)了用戶間的數(shù)據(jù)傳輸。主光源LED兼具照明和通信的雙重功能。

圖2 室內(nèi)無線局域網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

終端適配器的原理框圖如圖3所示。

圖3 終端適配器原理框圖

本文用激光代替LED作為“用戶光源”，利用激光通信實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的上行鏈路。與LED光源相比，激光發(fā)散角小、方向性好、光譜線寬窄，并且由于是用于室內(nèi)短距離通信，只需要小功率的激光束即可滿足系統(tǒng)需要，無須光束自動跟蹤，大氣湍流等影響也可忽略不計(jì)。

光在大氣中傳播時，根據(jù)朗伯定律，其能量衰減可表示為

2 誤碼率分析

系統(tǒng)采用OCDMA編碼，設(shè)局域網(wǎng)內(nèi)有N個用戶獨(dú)立地發(fā)送數(shù)據(jù)，bi(t)表示第i個用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)源，即

式中:PT(t)為持續(xù)時間為T的矩形脈沖;b(i)k取值為0或+1。信號采用光強(qiáng)調(diào)制，則經(jīng)過調(diào)制后的光載波強(qiáng)度為

式中:I0為調(diào)制前的光載波強(qiáng)度;I(t)為調(diào)制后的光載波強(qiáng)度。令mi(t)為(L，w，1)光正交碼，則

式中:PTc(t)為持續(xù)時間為Tc的矩形脈沖;a(i)j為第i個用戶地址碼的一個元素，取值0或1，經(jīng)開關(guān)鍵控后的輸出為

則N個用戶的疊加信號為

經(jīng)信道傳輸后接收信號為

這里假設(shè)用戶1發(fā)送信號給基站，則基站接收到的信號為

式中:等號右側(cè)第1項(xiàng)是希望得到的信號;第2項(xiàng)是其他N－1個用戶的干擾;第3項(xiàng)是信道高斯噪聲干擾。因此式子可以簡寫成

根據(jù)光正交碼理論得到N個用戶情況下誤碼率的概率密度函數(shù)為

接收機(jī)熱噪聲方差為

式中:L為正交碼碼長;k為玻爾茲曼常數(shù);設(shè)接收機(jī)的光電轉(zhuǎn)換率R=0.52 A/W;絕對溫度Tk=300 K;開環(huán)電壓G取10 mW;暗電流取I3=0.086 8 A;場效應(yīng)管跨導(dǎo)gm=30 mS;場效應(yīng)管噪聲因子Γ=1.5;接收機(jī)單位面積固定電容η =112 pF/cm2;噪聲帶寬因子I2=0.562 A。

背景光引起的散粒噪聲方差為

式中:q為電子電荷;背景光電流Ibg=5 100 μA。

對于可見光，其接收信號信噪比為

其中H(0)為

式中:m為光源的輻射模式;A為探測器接收面積;l為發(fā)射端與接收端之間的距離;φ為發(fā)射角;ψ為入射角;Ts(ψ)為光濾波器增益;g(ψ)為基站接收機(jī)光集中器的集中系數(shù);ψc為接收機(jī)視角。

將式(14)、(15)代入式(11)中，得其誤碼率為

對于激光，其接收信號信噪比為

式中:τ(l)=exp(－βl);ηt為天線發(fā)射效率;ηr為接收效率;dr為接收天線孔徑;θ為光束發(fā)散角;l為發(fā)射端與接收端之間的距離。

將式(17)代入式(11)，得其誤碼率為

3 仿真與分析

上行鏈路采用可見光時，令接收機(jī)面積A=1 cm2，基站接收角ψ為0°，終端信號發(fā)射角φ為60°，接收機(jī)光濾波器透射系數(shù)Ts(ψ)為0.9，光集中器集中系數(shù)g(ψ)為1，接收機(jī)FOV為60°;當(dāng)用激光實(shí)現(xiàn)上行鏈路，設(shè)置接收天線孔徑為10 cm，光束發(fā)散角取1 rad，選取波長為1.06 μm 的激光，發(fā)射接收效率為 0.95，衰減系數(shù) β =10 dB/km。采用(512，5，1)的正交碼對多用戶信號進(jìn)行編碼。圖4反映誤碼率與傳輸距離的關(guān)系，從仿真結(jié)果來看，隨著傳輸距離的增加，傳輸損耗會增大，導(dǎo)致接收信號信噪比下降，系統(tǒng)誤碼率上升。終端適配器光源改為激光后，系統(tǒng)誤碼率相對更低。圖5反映誤碼率與判決門限的關(guān)系，仿真圖顯示隨著判決門限的上升，信源傳輸?shù)摹?”碼誤判為“1”的概率下降，從而使系統(tǒng)誤碼率下降。用戶光源改為激光后，系統(tǒng)誤碼率更低，并且隨著th的上升，下降幅度更大。圖6反映了誤碼率與碼重的關(guān)系，從仿真圖來看，隨著碼重的增加，多用戶之間的干擾會增加，從而導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率上升。上行鏈路改用激光通信后，系統(tǒng)誤碼率明顯更低，系統(tǒng)性能更好。

圖4 誤碼率與距離l的關(guān)系

圖5 誤碼率與判決門限th的關(guān)系

4 小結(jié)

本文提出用激光取代可見光作為系統(tǒng)上行鏈路的光源，采用可見光通信與激光通信相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無線通信局域網(wǎng)，并用OCDMA技術(shù)對信號進(jìn)行編碼傳輸。將系統(tǒng)改進(jìn)前后的性能進(jìn)行對比分析并進(jìn)行仿真，結(jié)果表明改進(jìn)后的系統(tǒng)誤碼率低于上、下行鏈路均采用可見光通信的系統(tǒng)，性能有了明顯的改善，能較好滿足局域網(wǎng)中用戶的通信需求。

圖6 誤碼率與碼重w的關(guān)系

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