面向多用戶(hù)室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)優(yōu)化研究

孟凡，趙樂(lè)

（1 石家莊鐵道大學(xué)，石家莊 050043；2 河北醫(yī)科大學(xué)第四醫(yī)院，石家莊 050000）

在短短20年間，各種接入技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)迅速發(fā)展起來(lái)。在信息接入方面，應(yīng)用可見(jiàn)光波段（380～780 nm）傳輸?shù)目梢?jiàn)光通信（VLC）技術(shù)具有很多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：不占用傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信頻段，擁有450 THz的巨大頻帶資源；使用LED作為信號(hào)光源，借助多種光學(xué)手段進(jìn)行廣覆蓋、熱點(diǎn)覆蓋等應(yīng)用場(chǎng)景的靈活切換；與無(wú)線(xiàn)通信相比，通信速率更快，最高可實(shí)現(xiàn)50 Gbit/s；可見(jiàn)光不僅不會(huì)危害人體健康，還能被障礙物阻擋、防止信息外泄等。VLC技術(shù)的室內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景主要在智能家居、工業(yè)控制和移動(dòng)醫(yī)療等領(lǐng)域，如何通過(guò)傳輸模型優(yōu)化和改善相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)性能和傳輸特性是本文的研究重點(diǎn)，為物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)應(yīng)用提供借鑒價(jià)值。

1 VLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和LED光源特性

VLC系統(tǒng)主要由LED發(fā)射光源、可見(jiàn)光傳輸通道和光電接收端組成；在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要配合發(fā)射端編碼、調(diào)制、均衡等電域處理器，發(fā)射和接收光學(xué)天線(xiàn)，解碼、解調(diào)、后均衡等電域處理器和運(yùn)算處理器等組件，實(shí)現(xiàn)前端信息采集和載體轉(zhuǎn)換（如光電、電光轉(zhuǎn)換）、信道傳輸和后臺(tái)信息處理反饋的系統(tǒng)功能。該系統(tǒng)承載信號(hào)發(fā)射的LED光源，其光輻射遵循朗伯輻射模型（Lambert Radiation）：

其中φ是發(fā)射光相對(duì)于法線(xiàn)的輻射角，m代表朗伯余弦階數(shù)，與LED半功率輻射的半角φ1/2的關(guān)系為m=-ln2/ln(cosφ1/2) 。為研究光輻射量與輻射角的關(guān)系，分別選取半功率角φ1/2為30°、45°和60°，得到圖1的輻射曲線(xiàn)：隨著半功率角的減小，發(fā)射光源的輻射分布由發(fā)散變?yōu)榧?。在?shí)際應(yīng)用中，由于LED總輻射量一定，可通過(guò)選取不同參數(shù)光源或調(diào)整發(fā)射端光學(xué)天線(xiàn)參數(shù)改變半功率輻射角，實(shí)現(xiàn)廣覆蓋和熱點(diǎn)覆蓋的模式選擇和切換。

圖1 LED發(fā)射光源光輻射量R與輻射角φ關(guān)系曲線(xiàn)

2 VLC室內(nèi)系統(tǒng)模型及性能參數(shù)

模擬室內(nèi)VLC系統(tǒng)搭建在尺寸為長(zhǎng)寬各5 m、高3 m的封閉空間內(nèi)，發(fā)射光源對(duì)稱(chēng)分布在天花板上，本文采用兩種對(duì)比方案：獨(dú)立LED光源，強(qiáng)度為I0；2×2LED發(fā)光陣列，每個(gè)光源強(qiáng)度為I0/4。光電轉(zhuǎn)換（PD）接收器陣列均勻分布在高0.8 m的水平臺(tái)上，整個(gè)VLC系統(tǒng)環(huán)境示意圖如圖2所示。根據(jù)輻射模型，對(duì)于房間中任意位置（x，y，z）處PD接收器上的水平照度E（x，y，z）為

圖2 模擬室內(nèi)VLC系統(tǒng)環(huán)境示意圖

I0是光源中心發(fā)光強(qiáng)度，D為接收器與LED視距（即空間直線(xiàn)距離），θ為光線(xiàn)進(jìn)入接收器的平面入射角（PD視場(chǎng)角為70°）。在方案1和方案2中，通過(guò)建立三維直角坐標(biāo)系數(shù)值仿真得到兩種方案的水平照度分布圖（由于水平照度為標(biāo)量，方案2的4個(gè)LED光源照度可相互疊加），如圖3（a）和（b）。對(duì)比兩個(gè)方案可以發(fā)現(xiàn)，方案2具有更加平坦的照度分布（ΔE2/E2=21.5%），而方案1的照度波動(dòng)為ΔE1/E1=21.5%。在單純追求接收功率的單用戶(hù)場(chǎng)景下（如通信模式），可在天花板正中心放置LED發(fā)射源、正下方放置接收器，實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)、高質(zhì)量通信傳輸；在追求分散、均等接收功率的多用戶(hù)場(chǎng)景下（如廣播模式），如果在天花板中心附近（2 m左右）對(duì)稱(chēng)放置多個(gè)LED發(fā)射源，可在其下方2 m×2 m范圍內(nèi)得到均勻照度分布，實(shí)現(xiàn)廣覆蓋通信傳輸。不同于微波和紅外波段，由于可見(jiàn)光輻射對(duì)人體無(wú)傷害，在方案2中可進(jìn)一步提高發(fā)射功率來(lái)達(dá)到接收功率的要求。

圖3 (a）和（b）兩種方案中接收面水平照度空間分布圖

在VLC系統(tǒng)模型中，信道噪聲為高斯白噪聲，可得輸出電信號(hào)信噪比（SNR）為

其中， s2(t)為輸出電信號(hào)平均功率，Pnoise為噪聲功率，R=1A/W為PD響應(yīng)度，Pt為發(fā)射功率，MI為信號(hào)調(diào)制（OOK）指數(shù)，由于這些系統(tǒng)參數(shù)一定，可知VLC室內(nèi)系統(tǒng)的SNR性能正比于H(0)2{H(0)=[R(φ)Acosθ]/D2}。通過(guò)數(shù)值仿真，得到兩種方案的SNR三維分布圖，如圖4（a）和（b）所示。顯而易見(jiàn)，前者SNR的均值為9.9 dB，而后者SNR的均值達(dá)到16.1 dB（優(yōu)化值為6.2 dB）；同時(shí)，前者的SNR變化值為13.7 dB，后者的SNR變化值為4.7 dB。LED光源分散方案不僅具有更好的覆蓋廣度，整體信噪比性能也有了很高的提升。

圖4 (a）和（b）兩種方案信噪比（SNR）三維分布圖

3 VLC室內(nèi)系統(tǒng)模型優(yōu)化和設(shè)計(jì)流程

根據(jù)朗伯輻射模型和圖2可知，LED輻射光源具有一定發(fā)射角，在室內(nèi)傳輸時(shí)不可避免具有反射效應(yīng)，由此帶來(lái)同一光源到同一PD接收器的多徑時(shí)延效應(yīng)。如圖5、6所示，LED發(fā)射光源可通過(guò)直射和一階反射效應(yīng)的多徑傳輸?shù)竭_(dá)接收器，其中的反射點(diǎn)可看作二次輻射光源，在模型分析中等同于面積極小的朗伯輻射體（同時(shí)滿(mǎn)足反射定律），則在接收器平面任意點(diǎn)接收功率為

圖5 考慮一階反射效應(yīng)的VLC室內(nèi)系統(tǒng)環(huán)境圖

對(duì)于每個(gè)LED光源，可算出其直射和一階反射到某個(gè)接收器上的功率：直射功率算法可參考上節(jié)理論；對(duì)于一階反射，以該LED和接收器所在直線(xiàn)為軸、旋轉(zhuǎn)平面與密閉空間相交，在每個(gè)相交平面上都滿(mǎn)足反射定律，因而是在發(fā)射光源的視場(chǎng)角內(nèi)進(jìn)行積分求得（連續(xù)變化）。將每個(gè)LED光源在接收面上的功率分布進(jìn)行疊加，最終考慮一階反射效應(yīng)的總功率分布。其中，直射和一階反射增益如下所示：

圖6 應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景的VLC設(shè)計(jì)流程圖

在實(shí)際的VLC場(chǎng)景設(shè)計(jì)中，需要經(jīng)歷如下設(shè)計(jì)流程。

（1）根據(jù)具體場(chǎng)景分析各種通信方式（如Wi-Fi、微波通信、可見(jiàn)光通信等）可行性，通過(guò)對(duì)比性能指標(biāo)、建設(shè)難度和維護(hù)成本等方面是否選擇VLC方式。

（2）明確滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需求的各項(xiàng)系統(tǒng)性能指標(biāo)，如光照強(qiáng)度、信噪比、誤碼率等，選擇相應(yīng)的VLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

（3）設(shè)置發(fā)射源參數(shù)，包括數(shù)量、光輻射和位置排列等，代入VLC室內(nèi)系統(tǒng)模型進(jìn)行運(yùn)算。

（4）利用系統(tǒng)獲取目標(biāo)性能參數(shù)，如E (x，y，z)、SNR等。

（5）分析對(duì)比（2）和（4）數(shù)值結(jié)果，是否滿(mǎn)足實(shí)際系統(tǒng)要求：如果不滿(mǎn)足，重復(fù)步驟（2）～（4）；如果滿(mǎn)足，進(jìn)行下一步。

（6）如果實(shí)際特殊要求，在高精度場(chǎng)景下對(duì)VLC系統(tǒng)模型進(jìn)行修正，考慮補(bǔ)盲光源（如在房間角落處）、一階反射及其帶來(lái)的多徑時(shí)延效應(yīng)、用于系統(tǒng)優(yōu)化的光學(xué)收發(fā)天線(xiàn)等，深入優(yōu)化完善系統(tǒng)模型，不過(guò)缺點(diǎn)是帶來(lái)巨大的運(yùn)算處理量。

（7） 通過(guò)模型選擇實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)及其參數(shù)，設(shè)計(jì)完畢。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著萬(wàn)物互聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，VLC傳輸技術(shù)的優(yōu)勢(shì)日益凸顯，在各種重要領(lǐng)域中發(fā)揮出高速率、安全可靠和無(wú)電磁干擾的特點(diǎn)。特別在“智慧醫(yī)療”領(lǐng)域，醫(yī)療設(shè)備對(duì)無(wú)線(xiàn)通信的電磁干擾影響數(shù)據(jù)傳輸、增加接收誤碼率，同時(shí)無(wú)線(xiàn)信號(hào)將導(dǎo)致醫(yī)療設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及輸出產(chǎn)生失真，都會(huì)嚴(yán)重影響醫(yī)療效果。本文立足于多用戶(hù)室內(nèi)傳輸場(chǎng)景，通過(guò)建立模型和對(duì)比分析兩種VLC傳輸方案的水平照度和信噪比性能進(jìn)行研究，得出分散光源方案不僅能在區(qū)域范圍內(nèi)獲得平坦（21.5%）接收功率，同時(shí)還能得到高數(shù)值（16.1 dB）、 平坦（4.7 dB）信噪比分布。在要求苛刻的實(shí)用場(chǎng)景中，可通過(guò)增加算法復(fù)雜度和信息處理量得到更為精確、完善的一階反射VLC系統(tǒng)模型，為實(shí)際應(yīng)用提供理論支撐。