室外可見光通信信道建模

李 鑫，郭心悅，徐伯慶

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200082）

室外可見光通信信道建模

李 鑫，郭心悅，徐伯慶

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200082）

提出一種室外可見光通信（V LC）信道模型，介紹了可見光在室外傳輸?shù)闹鄙渎窂侥Ｐ秃鸵淮畏瓷渎窂侥Ｐ?，分析了傳輸距離、發(fā)射機(jī)發(fā)射角和反射面位置對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響。采用控制變量法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，得到了在各參數(shù)不同時(shí)接收端直射功率和反射功率的比值。

室外可見光通信；一次反射；控制變量

0 引言

可見光通信系統(tǒng)[1]是基于發(fā)光二極管（LED）切換速度快的特點(diǎn)，把信號(hào)調(diào)制到LED光源上變成光信號(hào)進(jìn)行傳輸。與其它無線電通信技術(shù)相比，可見光通信系統(tǒng)具有對(duì)人眼安全、無需無線電頻譜許可證、保密性好和抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。在通信系統(tǒng)中，信道特性會(huì)影響通信系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)，如調(diào)制、編碼技術(shù)的設(shè)計(jì)。目前，對(duì)可見光通信和信道模型的研究多在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行[3～7]，而關(guān)于室外可見光通信信道模型的研究仍處于摸索階段。與室內(nèi)可見光通信相比，室外可見光通信傳輸距離更遠(yuǎn)，大氣環(huán)境更為復(fù)雜，多用于智能交通和近地傳輸?shù)葓?chǎng)合。本文對(duì)大氣環(huán)境下的可見光通信直射信道模型和一次反射信道模型進(jìn)行研究，分析光源和接收機(jī)布局對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響。

1 室外可見光通信信道模型

本文根據(jù)室外可見光通信中大氣干擾的特點(diǎn)，結(jié)合LED的輻射特性，借鑒室內(nèi)反射多徑建模思想,采用微元法從理論上建立了室外可見光通信信道模型，信道物理模型如圖1所示。為簡化分析，我們只考慮了光的直射路徑和一次反射路徑，其中d11為發(fā)射機(jī)與反射面在直射路徑方向上的距離，反映反射面在傳輸路徑中所處的位置。

圖1 直射和一次反射鏈路模型

1.1 直射信道接收光功率

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行理論建模分析時(shí)，通?？蓪⒐庠纯醋骼什庠?，發(fā)射光信號(hào)通過大氣信道被光接收機(jī)接收。接收端接收到的視距（Line of Sight，LOS）路徑光功率PLOS由光源的輻射特性、立體角和大氣衰減決定：

其中，能見度距離V（km）定義為周圍對(duì)比度下降至2%以下時(shí)，可見光波段波長為0.55μm處的目標(biāo)與光源間的距離，波長λ的單位為微米，q為常數(shù)，與能見度有關(guān)[8]。

1.2 反射信道接收光功率

反射路徑建模思想：在計(jì)算時(shí)，我們將反射面分解為N個(gè)較小的微元，光信號(hào)在反射面上產(chǎn)生反射后，每個(gè)微元都可看作為一個(gè)獨(dú)立的小光源[9]。先對(duì)反射光功率進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，再對(duì)各微元的計(jì)算結(jié)果求和便可得到非視距（Non Line Of Sight，NLOS）路徑的總反射分量：

具體計(jì)算過程如下：假設(shè)光源平均出射光功率為Pt，考慮到大氣衰減，發(fā)射功率Pt經(jīng)過第一段直視鏈路傳輸后，第k個(gè)反射面元（將其視為一個(gè)面積為dAwall的接收器）上接收到的光功率為P1(k)：

其中，φk為光源發(fā)射角，αk為反射面入射角，cos(αk)×為第k個(gè)反射面元相對(duì)于光源的立體角,d1,k為光源與第k個(gè)反射面元的距離，e-μλd1,k為第一段路徑的大氣衰減。經(jīng)過此面元反射后的出射光功率P2(k)=，其中ρ為反射面反射率，βk為第k個(gè)反射面源的發(fā)射角，m為二級(jí)光源的輻射模數(shù)。從反射面元到接收端可視為另一段直射鏈路d2,k，這一段路徑的大氣衰減為e-μλd2,k。則非直視鏈路在接收端接收視角（Field of View,FOV）內(nèi)的功率為PNLOS(k)：

其中，ψk為接收端相對(duì)于第k個(gè)反射面元的入射角。

2 數(shù)值仿真與分析

為了研究通信距離、系統(tǒng)光源和接收機(jī)布局對(duì)系統(tǒng)性能的影響，我們采用控制變量法通過Matlab仿真得到了通信中傳輸距離、發(fā)射機(jī)發(fā)射角和反射面位置不同時(shí)的直射功率與反射功率比。仿真參數(shù)的選取如下：假定天氣晴朗，能見度為20km，波長為0.57μm的光在大氣中透過率較高，只有少量大氣分子存在吸收線，而且吸收強(qiáng)度不大[10]；考慮到室外傳輸距離較遠(yuǎn)，選擇發(fā)射端LED的輻射模數(shù)為1，功率為30W，發(fā)射角φ小于5°（本文設(shè)φ=0.087rad），發(fā)射面面積和位置d11分別為1m2和1m，反射率為0.8，微元數(shù)為100；在接收端，因?yàn)榇嬖贜LOS的反射路徑，所以接收機(jī)選擇全向接收器（FOV為90°），光敏面積為0.01m2。

圖2 直射路徑功率、反射路徑功與傳輸距離的關(guān)系

仿真得到直射路徑功率、反射路徑功率與傳輸距離的關(guān)系曲線如圖2所示。接收端接收到的直射路徑功率和反射路徑功率都隨著傳輸距離的增大而減小，而且反射路徑功率減小較快，直射功率要遠(yuǎn)大于反射功率。

直射路徑的光功率與一次反射后的光功率的比值（即接收功率比）隨傳輸距離變化的變化曲線如圖3所示。功率比隨距離的增大而增大,在50m范圍內(nèi)功率比增幅較大；傳輸超過一定距離后，增幅減小。這表明系統(tǒng)傳輸距離較大時(shí)，多徑效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響不明顯。

圖3 接收功率比和傳輸距離的關(guān)系

在傳輸距離d=10m和反射面位置d11=9m時(shí)，接收功率比和發(fā)射角的關(guān)系曲線如圖4所示。功率比隨著發(fā)射角的增大而減??；在0.01rad內(nèi)功率比減幅較大，隨著發(fā)射角的增大，減幅變小。這表明發(fā)射機(jī)的發(fā)射角度越小，多徑效應(yīng)的影響就越小。但是，減小發(fā)射機(jī)的發(fā)射角會(huì)增加工藝制作難度和成本，因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際需要來設(shè)置發(fā)射機(jī)參數(shù)。

圖4 接收功率比和發(fā)射角的關(guān)系

在傳輸距離d=10m和發(fā)射角弧度φ= 0.087rad時(shí)，接收功率比與反射面位置d11的關(guān)系曲線如圖5所示。當(dāng)反射面處于發(fā)射機(jī)附近時(shí)，隨著反射面位置與發(fā)射機(jī)之間的距離增大，功率比也變大；當(dāng)反射面處于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的中間段時(shí)，反射面位置與發(fā)射機(jī)之間的距離越大，功率比越??；當(dāng)反射面在接收機(jī)附近時(shí)，反射面位置與接收機(jī)越近，功率比越大。這表明當(dāng)反射面在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中間位置時(shí)，多徑效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響不明顯。

圖5 接收功率比和反射面位置的關(guān)系

3 結(jié)束語

本文根據(jù)室外大氣干擾的特點(diǎn)，結(jié)合LED的輻射特性，研究了直射情況下的接收光功率?；诖?，通過將反射面看做二級(jí)光源的建模思想，采用微元法，得到一次反射光功率，從理論上建立了室外通信信道模型。我們對(duì)不同因素影響下的直射功率和反射功率比進(jìn)行了仿真比較，仿真結(jié)果表明：發(fā)射機(jī)的發(fā)射角越小，多徑效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響就越??；當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)遠(yuǎn)離反射面時(shí)，多徑效應(yīng)不明顯。

[1]張立,朱娜,張寧.室內(nèi)LED光無線通信多徑效應(yīng)抑制[J].通信技術(shù), 2010,43(7)：198-200.

[2]王秋平.室內(nèi)LED可見光無線通信技術(shù)的研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué),2014.

[3]TANAKA Y,HARUYAMA S,NAKAGAWA M.Wireless Optical Transmissions with White colored Wireless Home Links,The 11th International Symposium on Personal,indoor and MobileRadio Communications [C].London：IEEE,2000.

[4]KOMINE T,NAKAGAWA M.Performance Evaluation of Visible-light Wireless CommunicationSystem using White LED Lightings,The Ninth International Symposium on Computers and Communications[C].Alexandria：IEEE,2004.

[5]BARRY J R,KAHN J M.Link design for non-directed wireless infrared communication[J].Apple Optics,1995,34(19)：3764-3776.

[6]TANAKA Y,KOMINE T,HARUYAMA S,et al.Indoor Visible Light Data Transmission SystemUtilizing White LED Lights[J].IEICE Transaction Communication,2003,E86B(8)：2440-2454.

[7]KOMINE T,LEE J H,HARUYAMA S.Adaptive Equalization for Indoor Visible-Light Wireless Communication Systems,Asia-Pacific Conference on Communications[C].Perth：IEEE,2005.

[8]KIM I I,MCARTHUR B,KOREVAAR E.Comparison of laser beam propagation at 785 nm and 1550 nm in fog and haze for optical wireless communications,Proceedings of SPIE[C].Boston：IEEE,2001.

[9]GHASSEMLOOY Z,POPOOLA W,RAJBHANDRRI S.Optical Wireless Communications：System and Channel Modelling with Matlab[M]. Florida：CRC Press,2012.

[10]宋正方.應(yīng)用大氣光學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：氣象出版社,1990.

Channel modeling for outdoor visible light communication

LI Xin，GUO Xin-yue，XU Bo-qing
(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,Shanghai Key Lab of Modern Optical System,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200082，China)

The paper presents a channel model of outdoor visible light communication,introduces the model of direct path and primary reflect path of outdoor VLC,analyzes the impact of transmission distance,launch angle and reflector position on systematic transmission performance.It uses controlling variables method for simulation experiment,obtains the ratio of directed power to reflected power at receiving end in different situations.

outdoor visible light communication,primary reflection,controlling variables method

TN929.1

A

1002-5561（2016）04-0041-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.014

2015-12-03。

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：61501296)資助；復(fù)旦大學(xué)電磁波信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金 (批準(zhǔn)號(hào)：EMW201507)資助。

李鑫（1994-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榭梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)。