LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對可見光通信性能影響的分析

黨宇超,曹 陽,彭小峰,陳 果

(重慶理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,重慶 400054)

1 引 言

發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)是當(dāng)前室內(nèi)外照明的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。相比于白熾燈泡,LED對于消費(fèi)者來說更具吸引力,其具有使用壽命長,輻射光譜窄以及高效能的特點(diǎn)[1]。此外LED還具有極高的切換速率,這也使得LED作為基礎(chǔ)設(shè)備的可見光通信成為可能。典型的可見光通信將信源信息調(diào)制到光波中,再通過LED發(fā)射到接收端,接收端可采用對光照敏感的任何器件,例如光電晶體管、圖像傳感器、光伏單元、以及光電二極管等,再將接收到的數(shù)據(jù)解調(diào)并將其傳送給最終用戶。由于可見光的獨(dú)有特性,該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于典型射頻通信難以實(shí)現(xiàn)的幾種情況中[2-3]。

可見光通信已廣泛應(yīng)用于各種場景。在禁止或不優(yōu)先選擇使用無線電通信的室內(nèi)區(qū)域中,諸如飛機(jī)中,醫(yī)院里以及具有對射頻干擾敏感的設(shè)備的場所。可見光通信具有極強(qiáng)的應(yīng)用潛力。在現(xiàn)下的室內(nèi)精確定位的研究,基于可見光通信的室內(nèi)定位方法的研究與設(shè)計(jì)也是一大熱點(diǎn)[4]。室內(nèi)可見光定位,在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)設(shè)備部署完成的基礎(chǔ)上,以其通信能力為基礎(chǔ),通過一系列定位算法,對被定位對象做出室內(nèi)的精確定位。大量先前的研究中表明[4-6],室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的良好通信是保證室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)可靠性的先決條件。

文獻(xiàn)[7]中,作者提供了可見光通信(Visible Light Communication,VLC)系統(tǒng)和直接視距(Line of Sight,LOS)鏈路的模型,并且也對VLC系統(tǒng)的性能進(jìn)行了模擬仿真和分析雖然該鏈路模型能在仿真環(huán)境下得出一個更好的通信質(zhì)量,但是并未考慮可見光通信系統(tǒng)在實(shí)施設(shè)備時的LED分布。在文獻(xiàn)[8]中,光纖跟蹤算法用于對多LED源的室內(nèi)信道脈沖響應(yīng)進(jìn)行建模。作者考慮了光電二極管遷移率的影響,但是沒有研究改變LED位置的影響。在文獻(xiàn)[9]中,提出了一種多用戶多輸入單輸出廣播系統(tǒng),其中多個LED協(xié)作以向多個用戶廣播信息,每個用戶具有單個接收器單元,但也并未將LED的位置分布這個因素考慮在內(nèi)。文獻(xiàn)[10]研究了位于房間內(nèi)多個LED發(fā)射器的發(fā)射和干擾的影響。可以注意到,大多數(shù)已發(fā)表的論文都將LED的位置視為固定參數(shù),并著手研究其他可見光通信相關(guān)參數(shù)對整體系統(tǒng)性能的影響,而不考慮如何選擇最佳LED分配,以及對室內(nèi)環(huán)境內(nèi)不同點(diǎn)的接收功率的影響。

針對上述文獻(xiàn)中忽略的問題,本文意在通過matlab仿真,分析VLC系統(tǒng)中LED照明節(jié)點(diǎn)分布結(jié)構(gòu)不同對VLC系統(tǒng)通信質(zhì)量的影響。在第2節(jié)建立了室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的信道模型,對信道特性進(jìn)行了詳細(xì)的公式描述。在第3節(jié)中闡述了考慮LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的必要性。在第4節(jié)在Matlab中引入第2節(jié)中介紹的信道模型對LED 的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及它們?nèi)绾斡绊懴到y(tǒng)性能進(jìn)行了具體分析。

2 系統(tǒng)模型

假定室內(nèi)可見光通信場所為5 m×5 m×3 m的正方形立體空間。

2.1 可見光通信信道模型

室內(nèi)可見光通信使用可見光波作為載體來實(shí)現(xiàn)信息的傳輸,可將其信道視為準(zhǔn)靜態(tài)信道[11],其基帶傳輸模型如公式(1)所示:

y(t)=R·x(t)?h(t)+n(t)

(1)

在非理想的實(shí)際環(huán)境中,可見光通信的傳輸信道不僅包含LOS鏈路也包含非直接視距(None of Line Sighe,NLOS)鏈路,其中NLOS鏈路中存在的信號傳輸?shù)亩鄰叫?yīng)。在本文中引用的可見光通信信道采用具有衰減因子的廣義朗伯輻射模型[12-13],將通信信道拆分為兩部分鏈路,第一部分是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的視距鏈路(LOS),第二部分是由一次或多次反射而引起的非LOS鏈路組成的漫反射鏈路,如圖1所示。

圖1 室內(nèi)可見光通信信道組成

2.2 信道直流增益計(jì)算

根據(jù)前文對可見光通信信道的描述,信道組成結(jié)構(gòu)分為接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的LOS鏈路和由多次墻壁反射組成的漫反射鏈路兩部分。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的幾何布置如圖2所示。

圖2 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)室內(nèi)幾何布置

發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的LOS鏈路的傳遞函數(shù)如公式(2)所示:

(2)

由多次墻壁反射而引起的非發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的LOS鏈路組合而成的漫反射鏈路,其組成部分分為三部分,第一部分是從發(fā)射機(jī)到墻壁表面的LOS鏈路；第二部分是墻壁表面之間的LOS鏈路,第三部分是從房間內(nèi)墻壁表面到接收機(jī)的LOS鏈路,如圖3所示。

圖3 漫反射鏈路組成

由于室內(nèi)一整塊墻壁的反射分析過于復(fù)雜,需對墻壁進(jìn)行微元化,將室內(nèi)墻壁分為編號1到N的小表面,每個小表面作為一個單獨(dú)的反射入射光的輻射器。在通過從傳遞函數(shù)組成傳遞矢量再到傳遞矩陣的方式,對房間內(nèi)的漫反射鏈路傳遞函數(shù)進(jìn)行分析。在該種模型下[14],分別對三個組成部分進(jìn)行分析:

第一部分從發(fā)射機(jī)到表面的LOS鏈路,Hk,Tx(f)表示發(fā)射機(jī)到編號k(k=1,2,3,…,N)的小表面之間的傳遞函數(shù):

T(f)=[t1(f)…tL(f)]

(3)

t(f)=(H1,Tx(f)H2,Tx(f)…HN,Tx(f))T

(4)

(5)

第二部分是表面之間的LOS鏈路。ρ1,…,ρN表示房間內(nèi)墻壁的各個小表面的反射因子,而[H(f)]ik是小表面i和k之間的傳遞函數(shù),該傳遞函數(shù)是小表面之間傳遞函數(shù)矩陣的i行k列的元素。

Gρ=diag(ρ1,…,ρN)

(6)

(7)

第三部分是從小表面到接收機(jī)之間的LOS鏈路。HRx,k(f)表示編號k(k=1,2,3,…,N)的小表面到接收機(jī)到之間的傳遞函數(shù)。

R(f)=[r1(f)…rK(f)]T

(8)

rT(f)=(HRx,1(f)HRx,2(f)…HRx,N(f))

(9)

(10)

通過上述公式,組合得出漫反射鏈路的傳遞函數(shù)公式:

Hdiff(f)=R(f)·Gρ(I-H(f)Gρ)-1·T(f)

(11)

Htoal(f)=HRx,Tx(f)+Hdiff(f)

(12)

總結(jié)上述,得出從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的傳遞函數(shù)公式(12),并使用傅里葉反變換得出其對應(yīng)的系統(tǒng)沖激響應(yīng)。使用公式(13)最終計(jì)算得出信道的直流增益H(0):

(13)

公式中各參數(shù)介紹如表1所示。

表1 公式參數(shù)介紹表

2.3 接收信噪比計(jì)算

接收信噪比是度量通信系統(tǒng)通信質(zhì)量可靠性的一個主要技術(shù)指標(biāo)。對于使用IM/DD強(qiáng)度調(diào)制直接檢測的可見光通信,信噪比一般是指信道輸出端,即接收機(jī)輸入端的載波信號平均功率與信道中的噪聲平均功率的比值。

接收信噪比通過公式(14)計(jì)算。接收光功率Pr由公式(15)計(jì)算。其中H(0)是上一小節(jié)中計(jì)算的信道直流增益。而發(fā)射光功率Pt和噪聲功率Pn是對發(fā)射信號x(t)和噪聲信號做積分獲得[13],如公式(16)、(17)所示。

(14)

Pr=H(0)×Pt

(15)

(16)

(17)

在文獻(xiàn)[4]中,結(jié)合定位場景并引入室內(nèi)可見光信道模型,通過仿真得到了室內(nèi)任一點(diǎn)的SNR數(shù)值,并提出,在SNR滿足一定要求的情況下,以開關(guān)鍵控作為調(diào)制方式,可以獲得良好的誤碼性能,滿足室內(nèi)VLC可靠傳輸?shù)囊?從而憑借可靠傳輸來滿足其定位算法對通信的需求。在文獻(xiàn)[5]中,使用接收信號強(qiáng)度檢測法(RSSI)對可見光通信定位方法進(jìn)行研究,并在不同SNR下對其方法進(jìn)行了仿真對比,分別比較了SNR為20 dB、10 dB、6 dB、3 dB、0 dB情況下的定位誤差,并得出隨著SNR的增加,定位誤差隨之減小的結(jié)論。在文獻(xiàn)[6]中,也提出隨著SNR的增大,噪聲對室內(nèi)可見光通信的影響變小后,其可見光定位系統(tǒng)誤差變小,定位算法更加穩(wěn)定,定位效果越好。

根據(jù)上述引出的文獻(xiàn),室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的接收信噪比無論對于可見光系統(tǒng)的通信功能還是定位功能,均對SNR有一定的要求。故在本文中,使用室內(nèi)的SNR分布來分析室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的性能評判標(biāo)準(zhǔn)。

3 LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必要性分析

根據(jù)第2節(jié)中介紹的圖2接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的幾何布置可看出,LED發(fā)光二極管的發(fā)光角和接收器件的接收視場角(FOV)具有其最大值[16],則相應(yīng)的在發(fā)光角和接收視場角以外的區(qū)域,接收機(jī)是無法收到來自發(fā)射機(jī)的光,該區(qū)域定義位通信失效區(qū)域,如圖4所示。

圖4 通信有效區(qū)域與通信失效區(qū)域

光波在空氣中傳輸時,會有明顯的衰減[17],這也導(dǎo)致了房間內(nèi)光功率并非均勻分布,不均勻的分布會直接影響室內(nèi)通信質(zhì)量,削弱了通信系統(tǒng)的可靠性。如圖5所示,對文獻(xiàn)[6]中提出的LED矩形排布方式進(jìn)行仿真測試,得出其室內(nèi)接受信噪比分布。該種分布方式下接收信噪比的極差約10 dBm,并不能良好地對室內(nèi)進(jìn)行通信覆蓋。所以對于室內(nèi)可見光通信的LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析十分有必要。

圖5 矩形排布方式下的接收信噪比分布

4 仿真結(jié)果及分析

在本節(jié)使用Matlab仿真工具,引入第2節(jié)和第3節(jié)中介紹的可見光通信信道模型,光學(xué)器件、輻射模型參數(shù)以及空間結(jié)構(gòu)參數(shù)等見表2中的仿真參數(shù)。在下文的仿真中,接收機(jī)均位于長5 m寬5 m高為0.85 m的室內(nèi)等高平面上移動。

表2 仿真參數(shù)

4.1 四個LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信噪比分布分析

假定四個LED的分布如圖6所示。圖7是四個LED的第一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)SNR分布。

圖6 四個LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖7 四個LED的第一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)SNR分布

從圖7中可以清楚地看到,房間的角落里的接收信噪比是房間內(nèi)最低的位置,雖然在接收機(jī)處在房間角落的可能性較小,但是對于移動式接收機(jī),其性能要求是在房間任意位置均達(dá)到可穩(wěn)定通信的水平。還可以觀察到,室內(nèi)接收信噪比的極差為3 dBm。

前面所描述的四個LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在的問題是房間內(nèi)接收信噪比的極差過大。在進(jìn)行多次模擬后,如圖8結(jié)果顯示,在房間平面對角線上距離房間中心原點(diǎn)2.12 m處的接收信噪比為最大值,并且在該種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的接收信噪比的極差為1 dBm,這相比于上一小節(jié)中所得出3 dBm有了明顯的提升。但是這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的問題在于,房間內(nèi)接收信噪比均值較低(不超過2 dBm),并且在房間中心的接受信噪比為整個房間的最小值。

圖8 四個LED的第二種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)SNR分布

4.2 五個LED燈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的接受信噪比分布分析

前一小節(jié)中的兩種四個LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在的問題是接受信噪比的極差過大和房間內(nèi)接收信噪比均值過小。

在本小節(jié)中,引入第五個LED燈,對接收光功率做補(bǔ)償。五個LED燈的坐標(biāo)分別是(0.5 m,0.5 m)、(4.5 m,0.5 m)、(0.5 m,4.5 m)、(4.5 m,4.5 m)、(2.5 m,2.5 m),如圖9所示房間內(nèi)接收信噪比均值明顯提升,并保持接收信噪比的極差(約為1.35 dBm)在穩(wěn)定浮動范圍內(nèi)。

圖9 五個LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)SNR分布

4.3 LED燈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化

當(dāng)對一個房間做可見光通信的布置的時候,需要考慮以下幾個因素。最小接收信噪比,整體房間內(nèi)的接收信噪比的極差,以及接收器最有可能出現(xiàn)的位置。例如針對商場內(nèi)固定店鋪處、醫(yī)院內(nèi)病床處等接收機(jī)出現(xiàn)可能性極大的場所,應(yīng)該布置一定的光功率補(bǔ)償。

進(jìn)一步的測試更優(yōu)化的LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。將LED數(shù)量添加至9個,并在其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多次改進(jìn)后得出以下結(jié)構(gòu):

中心位置放置一個,正方形四個角的位置各放置一個,在對角線上距離中心2.12 m處再各放置一個。

從圖10的(a)、(b)兩圖可以看出,房間內(nèi)整體接受信噪比提升到了4 dBm,房間內(nèi)接收信噪比的最大值和最小值的差值也控制了大約1 dBm以內(nèi),接受信噪比的分布更加的分散且平均。

(a)SNR分布三維圖示

(b)SNR分布二維圖示

5 結(jié) 論

本文通過建立室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)模型,并采用Matlab對室內(nèi)可見光通信中的LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及幾種典型的LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的接收信噪比分布進(jìn)行仿真分析,。仿真結(jié)果表明,LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對室內(nèi)接收信噪比分布有明顯影響,在進(jìn)行室內(nèi)可見光通信相關(guān)研究前,應(yīng)選用分布更加均勻的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在室內(nèi)信噪比分布的薄弱區(qū)域,適量添加LED照明節(jié)點(diǎn)對其進(jìn)行補(bǔ)償,從而使通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量有明顯提升。對于之后的工作,將針對更多實(shí)際應(yīng)用的場景,優(yōu)化可見光信道模型,優(yōu)化LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以找到一種更好的解決應(yīng)用方案,對可見光通信系統(tǒng)的性能做進(jìn)一步的提升。