室內(nèi)電力線通信和可見(jiàn)光通信融合信道參考模型*

高樹(shù)立，張 劍，陽(yáng) 輝

(1.解放軍信息工程大學(xué)信息系統(tǒng)工程學(xué)院， 河南 鄭州 450001;2.清華大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100084)

1 引言

隨著人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的信息服務(wù)需求，以及無(wú)線射頻資源的匱乏，可見(jiàn)光通信VLC(Visible Light Communication)因其豐富的光譜資源而成為無(wú)線通信有力的候選者。所謂可見(jiàn)光通信，是指利用發(fā)光二極管LED(Light-Emitting Diode)快速閃爍的特性來(lái)傳遞信息的技術(shù)[1]。只需在LED燈上增加通信模塊，即可在照明的同時(shí)進(jìn)行信息的傳輸。相比無(wú)線射頻通信，可見(jiàn)光通信有很多優(yōu)點(diǎn)：頻帶寬、無(wú)污染、大容量、高安全和低能耗等。

室內(nèi)可見(jiàn)光通信利用LED作為無(wú)線發(fā)射節(jié)點(diǎn)需擺脫信息孤島的問(wèn)題[2]。電力線通信PLC(Power Line Communication)將傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行數(shù)字調(diào)制并耦合在低壓(或中壓)電力線上，即利用電力線作為介質(zhì)進(jìn)行傳輸。由于其性能良好、且不需額外布線，故在電力系統(tǒng)(包括智能電網(wǎng))、物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字家庭中被廣泛使用[3]。PLC與VLC天然的融合使室內(nèi)可見(jiàn)光通信接入到互聯(lián)網(wǎng)更為便捷。

文獻(xiàn)[4]首次提出了融合系統(tǒng)，然后給出了融合系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)并定性地分析了PLC和VLC信道。文獻(xiàn)[5-7]在PLC信道研究的基礎(chǔ)上，將融合信道看成單獨(dú)的兩個(gè)部分，分別分析了PLC信道和VLC信道及信道噪聲。2015年，宋健教授團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)[8，9]中首次對(duì)融合系統(tǒng)信道進(jìn)行了整體性分析，并且利用PLC信道、VLC信道和LED等效信道的串聯(lián)形式給出了融合系統(tǒng)信道分析模型。該分析模型由若干參數(shù)確定，能夠定性地描述融合系統(tǒng)的一般特性。然而面向融合系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)時(shí)，比如調(diào)制方式的選取和預(yù)均衡的設(shè)計(jì)等，需要給出基于測(cè)量擬合的參考模型。該參考模型由分析模型通過(guò)對(duì)典型場(chǎng)景的實(shí)測(cè)擬合得到，它能夠更加準(zhǔn)確地描述融合信道，且進(jìn)一步提升了融合信道模型的實(shí)用性。

相比電力線信道的研究，融合信道的研究相對(duì)較少。本文的基本研究思想借助電力線信道的研究方法。對(duì)于電力線信道的研究，有兩種典型的研究方法：“自頂而下”和“自底而上”。所謂“自頂而下”就是將電力線信道看成一個(gè)黑匣子，通過(guò)實(shí)測(cè)擬合給出參考模型。而“自底而上”的研究方法則通過(guò)分析影響信道的各個(gè)部分，然后利用二端口網(wǎng)絡(luò)得到信道模型。文獻(xiàn)[10-12]基于“自頂而下”的分析方法，首先給出電力線通信信道的分析模型，然后利用實(shí)測(cè)擬合的方法給出特定場(chǎng)景下電力線信道的參考模型。對(duì)于“自底而上”的研究方法，文獻(xiàn)[13,14]由室內(nèi)特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合影響信道的主要因素，推導(dǎo)出信道S-參數(shù)，進(jìn)而得到參考模型。

本文基于文獻(xiàn)[10]“自頂而下”的研究方法給出了融合系統(tǒng)參考模型：首先，利用PLC信道、VLC信道和LED等效信道得到融合信道分析模型；然后搭建融合系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)傳輸特性進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，結(jié)合融合系統(tǒng)分析模型，利用最小二乘估計(jì)方法，擬合出信道模型中的參數(shù)。擬合出的參數(shù)結(jié)合所建立的融合信道分析模型繼而給出了融合信道參考模型，它能夠?yàn)槊嫦螂娏€通信和可見(jiàn)光通信融合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供仿真依據(jù)。

2 融合信道分析模型

2.1 融合信道結(jié)構(gòu)模型

融合系統(tǒng)信號(hào)的傳輸不僅包括發(fā)送端到接收端的視距傳輸，還包括由于阻抗不匹配所帶來(lái)的多徑傳輸，所以PLC與VLC融合系統(tǒng)是多徑信道并且伴隨著頻率選擇性衰落。圖1給出融合系統(tǒng)的信道模型。首先，信號(hào)被加載到電力線上，電力線作為可見(jiàn)光通信的主干網(wǎng)，將信號(hào)輸送到LED上。LED將從電力線上取出的信號(hào)直接調(diào)制到可見(jiàn)光上，然后發(fā)送出去。最后，雪崩二極管APD (Avalanche Photo Diode)作為可見(jiàn)光通信的接收裝置，將光信號(hào)還原成電信號(hào)?？梢钥闯?，融合系統(tǒng)信道模型主要包括四個(gè)部分：PLC部分、LED電光轉(zhuǎn)換部分、光自由空間部分和APD部分。

Figure 1 Channel structure model of the integrated system圖1 融合系統(tǒng)信道結(jié)構(gòu)模型

2.2 融合信道分析模型

電力線作為信號(hào)傳輸線，由集總參數(shù)等效電路及基爾霍夫定律和終端邊界條件，可得其頻率響應(yīng)特性為[10]：

(1)

(2)

商用白色LED燈由藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉發(fā)光，由于黃光響應(yīng)慢，其調(diào)制帶寬大概為2 MHz。在接收端加上藍(lán)光透鏡，LED燈調(diào)制帶寬可以從原來(lái)的2 MHz提升到15 MHz左右。實(shí)際上，加藍(lán)光透鏡的LED燈的頻率響應(yīng)為[8]：

HLED(f)=e-βf+jθ(f)

(3)

其中,β和θ(f)分別代表LED燈的衰減系數(shù)和相移。

VLC傳輸信道的研究分為兩個(gè)部分，直射部分和反射部分，直射部分利用Dirac pulse建模，反射部分由積分球模型給出[15]。VLC信道頻率響應(yīng)為：

(4)

其中,tLOS、tDIFF分別表示直射和反射信道的時(shí)間延時(shí)；fc為散射信道的截止頻率；ηLOS和ηDIFF為朗伯模型下視距傳輸和散射傳輸?shù)闹绷髟鲆鎇16]，且有：

(5)

由于APD光電轉(zhuǎn)換器有足夠的帶寬，可將其看成全通，故只考慮光電轉(zhuǎn)換效率S。

由以上各部分信道分析，得到PLC與VLC融合系統(tǒng)的信道分析模型為：

(6)

另有融合系統(tǒng)衰減系數(shù)：

(7)

其中,gi為融合信道的衰減系數(shù)；α1和α2為融合信道衰減因子；τi為系統(tǒng)延遲，它包括PLC部分、LED部分和VLC部分等時(shí)延；li為第i路信號(hào)在電力線中傳輸?shù)穆窂介L(zhǎng)度；N為信號(hào)傳輸路徑數(shù)。

3 測(cè)量擬合

3.1 融合系統(tǒng)搭建

為了驗(yàn)證所提融合系統(tǒng)的參數(shù)模型，本文將實(shí)際測(cè)試值與基于式(6)的仿真結(jié)果值進(jìn)行了比較。需要注意的是，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景是根據(jù)圖1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建的。在測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中，電力線A端為信號(hào)發(fā)送端，APD端為信號(hào)接收端，A端和APD端阻抗匹配。且有電力線長(zhǎng)度AC=33 m，電力線支路BD=20 m。實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)設(shè)置如表1所示。

Table 1 Parameters setup of the integrated system表1 融合系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

3.2 融合信道測(cè)量方法

圖2給出了融合系統(tǒng)信道傳輸特性的測(cè)試系統(tǒng)。耦合器1的作用是隔離強(qiáng)電和弱電以保護(hù)發(fā)送端信號(hào)發(fā)生器和放大器等器件并將發(fā)端信號(hào)耦合到電力線上。耦合器2的作用是將已經(jīng)耦合到電力線上的信號(hào)取出并加載到LED上。LED把耦合器2取出的信號(hào)調(diào)制到可見(jiàn)光上。APD作為可見(jiàn)光的接收設(shè)備，接收LED發(fā)出的光信號(hào)。最后，接收的光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換之后，發(fā)送給示波器分析處理。

值得注意的是，測(cè)試系統(tǒng)直接測(cè)得的數(shù)據(jù)不只是融合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，它還包括了耦合器和放大器以及高頻電纜等因素的影響。實(shí)際操作中可先將兩個(gè)耦合器對(duì)接，即先測(cè)量高頻電纜和耦合器以及放大器所組成網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，即可測(cè)量出融合系統(tǒng)所組成網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。

Figure 2 Channel characteristic measurement system of the integrated system圖2 融合系統(tǒng)信道特性測(cè)量系統(tǒng)

3.3 參數(shù)擬合方法及路徑數(shù)選取

電力線無(wú)分支情況下，融合信道的所有參數(shù)直接利用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)。在電力線存在分支的情況下，融合信道的參數(shù)估計(jì)分為三步。第一步，首先利用單路模型求得電力線和LED衰減因子(α1，α2和β)。第二步，選擇合適的融合系統(tǒng)路徑數(shù)N。利用路徑數(shù)N可以控制模型的準(zhǔn)確度，但是出于參數(shù)估計(jì)復(fù)雜度考慮，會(huì)在準(zhǔn)確度和復(fù)雜度之間折衷。第三步，利用最小二乘法估計(jì)融合系統(tǒng)衰減系數(shù)gi、信號(hào)在電力線中的路徑長(zhǎng)度li和系統(tǒng)延時(shí)τi。

路徑數(shù)N越大，模型的準(zhǔn)確度就越高,但是隨著路徑數(shù)N的增加，模型的復(fù)雜度也會(huì)相應(yīng)增加。因此，在實(shí)際的應(yīng)用中，通常在準(zhǔn)確度和復(fù)雜度之間作一個(gè)折衷?，F(xiàn)假設(shè)路徑數(shù)N～Pois(λ),因?yàn)槁窂綌?shù)不能為0，因此N≥1。即：

(8)

其中,k≥1。

根據(jù)多次實(shí)測(cè)擬合發(fā)現(xiàn)，N在一段時(shí)間內(nèi)平均發(fā)生的次數(shù)λ=1，則泊松分布的尾概率的邊界可以由切爾諾夫邊界給出，為：

(9)

圖3為λ=1時(shí)泊松分布尾概率切爾諾夫(Chernoff)界，可以看到，當(dāng)N≥5時(shí),P(X≥x)→0。也就是說(shuō)，從概率的角度講，當(dāng)N≥5時(shí)，P(X≥x)非常小，可以忽略。這和實(shí)際信道是相吻合的，因?yàn)殡S著N的增大，多徑信號(hào)的強(qiáng)度是減小的，當(dāng)N增加到一定程度時(shí)，多徑信號(hào)因?yàn)閷?duì)系統(tǒng)信道影響不大，故可忽略不計(jì)。結(jié)合概率和實(shí)際場(chǎng)景的分析，可認(rèn)為N=5，這樣就在模型的準(zhǔn)確度和復(fù)雜度之間取得了折衷。

Figure 3 Boundary of the tail probabilities of Poisson distribution with λ=1圖3 λ=1時(shí)路徑數(shù)N的尾概率邊界

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從式(2)可以看出，α1、α2的值在電力線類型不變的情況下為常數(shù)。LED衰減因子β在LED燈不變的情況下是不變的。基于這個(gè)思想，為了降低后續(xù)參數(shù)擬合的復(fù)雜度，α1，α2和β可在電力線無(wú)支路情況下給出。表2給出電力線無(wú)支路(即電力線沒(méi)有分支)情況下對(duì)實(shí)測(cè)信道傳輸特性的擬合結(jié)果，從擬合出的參數(shù)可以看到α1，α2和β值基本不變，這和理論分析是相符的。因此，α1,α2和β的值分別取為4.52e-06，2.02e-17和1.67e-08。

Table 2 Parameters estimation of the single-path integrated system with different lengths表2 不同電力線長(zhǎng)度單路融合系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)值

基于以上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建方法和測(cè)量方法得到了融合系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)利用參數(shù)估計(jì)方法得到了測(cè)試系統(tǒng)的模型參數(shù)。圖4為電力線存在支路情況下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與基于式(6)的仿真結(jié)果值的比較。由于電力線支路阻抗不匹配造成的信號(hào)反射導(dǎo)致了多徑效應(yīng)，從圖4a幅度響應(yīng)曲線可以看到周期性的深陷。圖4b為相頻特性曲線，其實(shí)測(cè)值與仿真結(jié)果擬合偏差不大，這是因?yàn)橄到y(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相位失真不大。

Figure 4 Comparison of measured data and fitting data in the integrated system when main link length is 33 m with 20 m branch圖4 主路長(zhǎng)度為33 m,支路長(zhǎng)度為20 m時(shí)融合系統(tǒng)測(cè)試與擬合比較

表3為參數(shù)擬合值，基于參數(shù)的模型值和實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)R=0.95。這也說(shuō)明了所建立信道模型的正確性。同時(shí)，表3中擬合出的參數(shù)結(jié)合式(6)便給出了融合系統(tǒng)的參考模型。參考模型由一小組參數(shù)確定，它能夠?yàn)槊嫦蛉诤舷到y(tǒng)的均衡器和調(diào)制器設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性建議。

Table 3 Parameters estimation of the multi-path integrated system表3 多支路融合系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先由PLC信道、VLC信道和LED等效信道的串聯(lián)形式給出了融合系統(tǒng)的信道模型。然后搭建了融合系統(tǒng)并對(duì)其信道頻率響應(yīng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，測(cè)試結(jié)果結(jié)合融合系統(tǒng)信道模型利用最小二乘算法，估計(jì)出融合系統(tǒng)信道模型中的參數(shù)。融合系統(tǒng)信道模型結(jié)合估計(jì)出的參數(shù)構(gòu)成了融合信道的參考模型，它能夠?yàn)槊嫦螂娏€通信和可見(jiàn)光通信融合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供仿真依據(jù)。參考模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的仿真比較結(jié)果表明，本文所提出的融合信道參考模型能夠很好地描述融合系統(tǒng)。

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