室內(nèi)可見光通信遮擋場景下的可靠性評估

楊春勇，楊　杰，侯　金，陳少平

(中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，智能無線通信湖北省重點實驗室，武漢 430074)

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室內(nèi)可見光通信遮擋場景下的可靠性評估

楊春勇，楊杰，侯金，陳少平

(中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，智能無線通信湖北省重點實驗室，武漢 430074)

摘要針對室內(nèi)可見光通信應(yīng)用場景，采用光線追蹤方法分析了無遮擋、半遮擋和全遮擋三種模型下信號傳輸特性，研究了接收機(jī)探測器視場角與三種模型下通信性能之間的對應(yīng)關(guān)系.研究結(jié)果表明：探測器所處狀態(tài)由全遮擋模型切換至半遮擋模型時，平均接收信噪比僅降低1.51dB.切換至全遮擋狀態(tài)時，平均信噪比降至11.96dB，室內(nèi)中心接收點仍能滿足通信基本要求.當(dāng)視場角為50°時，可滿足室內(nèi)不同遮擋模型切換時信號不中斷的通信需求.

關(guān)鍵詞光通信；可見光通信；遮擋場景；視場角

Evaluation of Reliability on Indoor Visible Light Communication under Shading Scenario

YangChunyong,YangJie,HouJin,ChenShaoping

(Hubei Key Laboratory of Intelligent Wireless Communication, College of Electronics and Information Engineering, South-Central University for Nationalities,Wuhan 430074,China)

AbstractAiming at indoor visible light communication scenarios, the ray tracing method is used to analyze signal transmission characteristics of unobstructed、half blocked and full blocked model, and investigate the corresponding relationship between the field of view of the receiver concentrator and the performance of three models. The numerical results show that, when the state of detector switches from unobstructed model to half blocked model, the average received SNR only decreases 1.51 dB. While the state switches to full blocked model, the average SNR reduces to 11.96 dB, furthermore, the center receiving point of the room can still meet the basic requirements of communication. When the field of view is 50 °, it can meet the requirements of continuous communication for hand over between different indoor blocked models.

Keywordsoptical communications; visible light communication; shading scenario; field of view

可見光通信(VLC)因頻譜資源豐富、保密性強、無電磁干擾等優(yōu)點在通信領(lǐng)域備受關(guān)注[1-3]，遮擋效應(yīng)是影響其獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵性因素，近年來人們一直致力于突破這項障礙.

可見光波長較短，信號強度在遮擋下衰減嚴(yán)重.針對陰影遮擋問題，文獻(xiàn)[4,5]以人引起的遮擋為例，研究了紅外通信中陰影遮擋對室內(nèi)信道特性的影響.文獻(xiàn)[6]分析了VLC鏈路陰影遮擋時，LED數(shù)量變化對通信性能的影響，確定了最優(yōu)化LED數(shù)量.文獻(xiàn)[7]基于室內(nèi)可見光信道特性研究了墻面反射及碼間干擾對通信性能的影響，發(fā)現(xiàn)碼間干擾會隨著傳輸速率及視場角(FOV)的變化而變化.文獻(xiàn)[8]基于室內(nèi)動態(tài)環(huán)境模型，對人移動引起的信道特性變化進(jìn)行了分析和討論，證明了VLC適用移動通信的可行性.文獻(xiàn)[9-11]通過布局LED陣列來增加室內(nèi)可見光信號的覆蓋范圍，同時采用空間復(fù)用技術(shù)提升系統(tǒng)的傳輸速率.總之，遮擋場景的不確定變換是影響室內(nèi)VLC通信持續(xù)性的重要因素.

目前，鮮見不同遮擋模型下影響通信性能關(guān)鍵因素的分析.為此，本文從物理模型構(gòu)建入手，基于室內(nèi)可見光漫射鏈路的信道特性，用接收信噪比(SNR)來評估通信性能，通過計算接收SNR的分布特性，研究不同通信場景下通信性能的變化；同時，對不同通信模型下的碼間干擾(ISI)、平均接收SNR與接收機(jī)FOV之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，最終獲得FOV的優(yōu)化，為可見光通信的室內(nèi)多場景應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，同時為多場景下接收機(jī)的FOV選擇提供有益參考.

1系統(tǒng)模型

1.1室內(nèi)物理模型

在室內(nèi)VLC中，發(fā)送端與接收端之間直射鏈路常因接收端位置變化而出現(xiàn)陰影遮擋.根據(jù)室內(nèi)常見使用場景，建立如圖1(a)、(b)、(c)3種物理模型.結(jié)合工程實際，為增大信號的室內(nèi)覆蓋范圍并使室內(nèi)信號覆蓋更加均勻，模型發(fā)送端采用LED方形陣列布局.圖1(a)所示模型中發(fā)送端4LED陣列與接收端光電探測器之間直射鏈路無任何遮擋，定義為無遮擋模型；圖1(b)所示模型中T3、T4陣列與探測器R之間直射鏈路受遮擋物遮擋，T1、T4陣列與R之間無直射遮擋，定義為半遮擋模型，圖中所示P1為遮擋物模型；圖1(c)所示模型中4LED陣列與探測器R之間直射鏈路均被遮擋物P2阻擋，發(fā)送陣列僅能通過墻面一次反射與探測器R建立鏈接，定義為全遮擋模型.由文獻(xiàn)[7]可知，室內(nèi)二次反射及二次以上反射信號功率對接收總功率占比僅1.5%，為簡化分析，在以下仿真計算中，僅考慮直射信號及一次反射信號功率對系統(tǒng)性能的影響.圖中T1、T2、T3、T4均表示發(fā)送LED陣列，4陣列呈方形布局，位于天花板對角線上，每個陣列由16個LED燈按4×4方式排列.圖中A、B表示墻面反射面元，圖1(a)所示T1→A→R及圖1(c)所示T2→B→R均代表信號一次反射傳遞路徑，T1→R均代表信號直射傳遞路徑.圖1(d)為VLC室內(nèi)信道模型，可見光信號通過直射和反射兩種路徑到達(dá)接收端探測器.為便于信道特性分析，假定各墻面均為固定反射系數(shù)，接收端探測器位于室內(nèi)離地高0.8m桌面上.

圖1　a) 無遮擋模型； b) 半遮擋模型；　　　c) 全遮擋模型；d)室內(nèi)信道模型Fig.1　 a) unobstructed model b) half blocked model　　　c) full blocked model d) Channel model of indoor

1.2可見光信道模型

可見光接收端總接收功率Pr可以寫為：

Pr=PtHd(0)+∫PtHref(0),

(1)

其中，Hd(0)和Href(0)分別為直射鏈路和反射鏈路的信道傳遞函數(shù)，Pt為總的發(fā)射光功率.

直射鏈路的信道傳遞函數(shù)可以寫為：

Hd(0)=

藥學(xué)服務(wù)是一項技能型實踐工作，其能力的培養(yǎng)則需以崗位的需求為標(biāo)準(zhǔn)，無論是學(xué)習(xí)理論知識或進(jìn)行項目實踐實訓(xùn)，還是考核評價都應(yīng)符合崗位的要求，真實地反映學(xué)生對藥學(xué)服務(wù)相關(guān)崗位的適應(yīng)情況。

(2)

(3)

其中n為聚光器折射率.在可見光漫射鏈路中，發(fā)射端LED燈可看作是一個理想的朗伯強度輻射體[13]，所有墻面反射點也近似看作朗伯輻射體[14].反射鏈路的信道傳遞函數(shù)可以寫為：

(4)

其中，d1為LED燈與墻面反射點之間的距離，d2為墻面反射點與接收機(jī)之間的距離，ρ為墻面反射系數(shù)，Aw為墻面反射面元面積，θ1為發(fā)送端LED的輻射角度，θ2為墻面反射點的輻射角度.

1.3噪聲模型

在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中，主要噪聲包含散粒噪聲、熱噪聲及碼間干擾.接收SNR可以表示為：

(5)

(6)

(7)

其中，I2、I3均為噪聲帶寬因子，k為波爾茲曼常數(shù)，Tk為絕對溫度，G為開環(huán)回路電壓，η為光電探測器單元面積下的電容，其他的參數(shù)均取自于文獻(xiàn)[7],具體定義見表1.其中，η表示房間墻面的反射系數(shù).

表1　系統(tǒng)參數(shù)

漫射鏈路模型中，多路徑脈沖信號到達(dá)接收端時延不同，信號的重疊會導(dǎo)致采樣判決錯誤，出現(xiàn)碼間干擾.如圖2所示，若信號到達(dá)接收端的脈沖時延比最短信號脈沖時延大半個符號周期，則判定此信號為碼間干擾信號[16]，否則視作有效接收信號.有效接收信號總功率及碼間干擾信號功率可分別寫為：

(8)

(9)

其中,j為信號到達(dá)光電探測器的路徑數(shù)，T為符號周期,Pi為第i路徑信號到達(dá)接收端功率.

圖2　多徑疊加帶來的信號碼間干擾Fig.2　ISI caused by multiple transmissions through different paths

2仿真與分析

按照如圖1場景所示的模型配置，相關(guān)參數(shù)見表1.為便于突出所討論問題，不失一般性，暫不考慮普通LED調(diào)制帶寬上限這一因素的影響，僅以O(shè)OK(On off keying)調(diào)制方式為例，分析3種不同模型下接收SNR.通過光線追蹤方法對最短信號路徑對應(yīng)的脈沖時延進(jìn)行Matlab數(shù)值計算，以聚光器視場角60°為例，可得如圖3所示結(jié)果.由上述噪聲模型可知，最短信號路徑對應(yīng)的脈沖時延是判決碼間干擾信號強度的重要因素.圖3(a)、(b)、(c)仿真結(jié)果顯示，因陣列正下方直射鏈路路徑長度最短，故無遮擋模型中LED陣列正下方時延較短；無全遮擋模型中最短信號路徑均來自反射鏈路，其平均時延要遠(yuǎn)高于無遮擋和半遮擋模型.

a)無遮擋模型，平均時延=2.4221ns；b) 半遮擋模型，平均時延=2.4339ns；c) 全遮擋模型，平均時延3.1399ns圖3　各接收點最短時延 Fig.3　The shortest delay of different location

a)無遮擋模型，平均SNR=22.0894dB；b) 半遮擋模型，平均SNR=20.5737dB；c) 全遮擋模型，平均SNR=11.9656dB圖4　室內(nèi)各接收點SNR分布圖 Fig.4　Distribution of receiving SNR

繼續(xù)對室內(nèi)各接收點SNR分布進(jìn)行計算，圖4(a)、 (b)仿真結(jié)果顯示，方形陣列布局下接收平面各點接收SNR較為均勻，無遮擋模型下室內(nèi)大部分接收點均滿足通信的基本要求13.6dB[7]；相對于無遮擋模型，當(dāng)光電探測器處于半遮擋模型時，接收平面各點平均SNR僅降低1.516dB，由此可知，由無遮擋狀態(tài)切換至半遮擋狀態(tài)時接收SNR未有明顯變化，通信質(zhì)量未明顯衰減；而當(dāng)探測器處于全遮擋狀態(tài)時，平均SNR相對于無遮擋狀態(tài)將降低至11.9656dB,如圖4(c)所示，通信性能也將明顯惡化.

上述結(jié)果表明，探測器由無遮擋模型變換至半遮擋模型時仍能保持較好的通信質(zhì)量，即使切換至全遮擋狀態(tài)，室內(nèi)部分接收點仍能滿足13.6dB的通信基本要求.

通過對(2)、(4)式分析可知，當(dāng)減小FOV時，聚光器增益會提高，接收功率會相應(yīng)增大；另一方面，對于不同的室內(nèi)模型，小FOV將限制一些來自直射鏈路或一次反射鏈路信號進(jìn)入接收機(jī)，導(dǎo)致接收功率有所下降，為進(jìn)一步弄清FOV變化對不同模型下系統(tǒng)傳輸性能的影響，繼續(xù)對各模型下FOV與平均信噪比之間的關(guān)系進(jìn)行仿真計算，結(jié)果如圖5所示.圖中結(jié)果顯示，在不同的FOV下，半遮擋狀態(tài)下SNR相對于全遮擋均未有明顯降低；全遮擋模型下SNR下降嚴(yán)重，且隨著FOV增長，平均接收SNR均下降；當(dāng)FOV<40°時,無遮擋模型房間中心位置開始出現(xiàn)有效接收信號盲區(qū)，如圖6(a)所示;當(dāng)FOV<50°時，極少量有效一次反射信號進(jìn)入接收機(jī)，導(dǎo)致全遮擋時房間中心位置信噪比極低，全遮擋模型下房間中心位置出現(xiàn)有效接收信號盲區(qū)，如圖6(b)所示 .

因此，根據(jù)室內(nèi)常用場景需求可靈活設(shè)置視場角，考慮到室內(nèi)實用場景中各種不同遮擋模型切換下信號不中斷的通信需求，F(xiàn)OV=50°為較佳的視場角狀態(tài).

圖5　平均接收SNR與FOV的關(guān)系Fig.5　The relation between the average SNR and FOV

a)無遮擋模型 FOV=35°；b)全遮擋模型 FOV =45°圖6　接收SNR的室內(nèi)分布Fig.6　Distribution of receiving SNR

圖7　ISI信號功率與FOV的關(guān)系Fig.7　The relationship between the FOV and ISI power

繼續(xù)對不同模型下碼間干擾信號隨FOV的變化規(guī)律進(jìn)行計算分析，圖7顯示的是ISI信號功率與視場角FOV的關(guān)系圖.由于無遮擋模型下某些房間邊緣點接收到的直射信號因時延過長被判決為ISI信號，導(dǎo)致無遮擋模型下ISI信號功率在不同F(xiàn)OV時均高于半遮擋模型，且全遮擋模型下ISI信號功率在3種模型中最低.當(dāng)FOV增大時，各模型下的平均ISI信號功率均提升，其中全遮擋及半遮擋模型下在FOV>50°時，ISI功率顯著提升了.為適應(yīng)不同模型下最優(yōu)FOV的選擇提供了理論支撐.

3結(jié)語

分析了室內(nèi)VLC系統(tǒng)多種通信場景下的通信性能，研究了接收機(jī)探測器FOV與多通信場景下通信質(zhì)量之間的密切關(guān)系.從多場景遮擋建模著手,對室內(nèi)VLC系統(tǒng)多模型下通信質(zhì)量進(jìn)行了仿真計算和討論.據(jù)計算和分析得知，探測器由全遮擋模型變換至半遮擋模型時仍能保持較好的通信質(zhì)量，即使變換至全遮擋狀態(tài)，室內(nèi)中心部分接收點仍能滿足通信基本要求.為滿足室內(nèi)應(yīng)用場景中各種不同遮擋模型的平滑切換，F(xiàn)OV=50°為優(yōu)化的視場角狀態(tài).此外，不同模型下碼間干擾信號功率隨FOV增大而增大，為接收機(jī)FOV的選擇和設(shè)計提供了理論支撐.

參考文獻(xiàn)

[1]Saadi M, Wattisuttikulkij L, Zhao Y, et al. Visible light communication: opportunities, challenges and channel models[J]. International Journal of Electronics & Informatics, 2013, 2(1): 1-11.

[2]Miramirkhani F, Uysal M. Channel Modeling and Charac-

terization for Visible Light Communications[J]. Photonics Journal, IEEE, 2015, 7(6): 1-16.

[3]Ma H, Lampe L, Hranilovic S. Coordinated broadcasting for multiuser indoor visible light communication systems[J]. Communications, IEEE Transactions on, 2015, 63(9): 3313-3324.

[4]Pakravan M R, Kavehrad M. Indoor wireless infrared channel characterization by measurements[J]. Vehicular Technology, IEEE Transactions on, 2001, 50(4): 1053-1073.

[5]Jivkova S, Kavehrad M. Shadowing and blockage in indoor optical wireless communications[C]//IEEE.Global Telecommunications Conference.New Jersey: IEEE, 2003: 3269-3273.

[6]Komine T, Haruyama S, Nakagawa M. A study of shadowing on indoor visible-light wireless communication utilizing plural white LED lightings[J]. Wireless Personal Communications, 2005, 34(1-2): 211-225.

[7]Komine T.Nakagawa M.Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights[J]. IEEE Transactions on consumer Electronice,2004,50(1): 100-107.

[8]Chvojka P, Zvanovec S, Haigh P A, et al. Channel characteristics of visible light communications within dynamic indoor environment[J]. Journal of Lightwave Technology, 2015, 33(9): 1719-1725.

[9]Zeng L, O'Brien D C, Minh H, et al. High data rate multiple input multiple output (MIMO) optical wireless communications using white LED lighting[J]. Selected Areas in Communications, IEEE Journal on, 2009, 27(9): 1654-1662.

[10]Saha N, Jang Y M. Analysis of imaging diversity for MIMO visible light communication[C]//IEEE.2014 Sixth International Conf on Ubiquitous and Future Networks (ICUFN).New Jersey: IEEE, 2014: 29-34.

[11]Alqudah Y, Kavehrad M. MIMO characterization of indoor wireless optical link using a diffuse-transmission configuration[J]. Communications, IEEE Transactions on, 2003, 51(9): 1554-1560.

[12]Kahn J M, Barry J R. Wireless infrared communications[J]. Proceedings of the IEEE, 1997, 85(2): 265-298.

[13]Hayasaka N, Ito T. Channel modeling of nondirected wireless infrared indoor diffuse link[J]. Electronics and Communications in Japan (Part I: Communications), 2007, 90(6): 9-19.

[14]Wu D, Ghassemlooy Z, Le Minh H, et al. Optimisation of Lambertian order for indoor non-directed optical wireless communication[C]//IEEE.2012 1st IEEE International Conference on Communications in China Workshops (ICCC).New Jersey: IEEE, 2012:43-48.

[15]Moreira A J C, Valadas R T, de Oliveira Duarte A M. Optical interference produced by artificial light[J]. Wireless Networks, 1997, 3(2): 131-140.

[16]Shrestharinis A. Visible-light communication demonstra-

tor: system modeling and analogue distribution network[D]. Bremen: School of Engineering and Science, Jacobs Univ, 2009.

中圖分類號TN914

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1672-4321(2016)01-0089-06

基金項目國家自然科學(xué)基金資助項目(61002013、11147014); 湖北省自然科學(xué)基金資助項目(2014CFA051)

作者簡介楊春勇(1975-)，男，教授，博士，研究方向：光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和儀器儀表， E-mail:cyyang@mail.scuec.edu.cn

收稿日期2016-01-10