室內可見光LED信道特性研究

譚家杰，鄒常青

（衡陽師范學院 物理與電子信息科學系，湖南 衡陽421008）

0 引言

可見光通信（VLC，Visible Light Communication）是隨著LED技術的興起而產生的新技術。對于室內白光LED照明通信來說，信道特性依賴于光線在反射面的反射特性和空間傳輸路徑，因此研究者主要關心的是接收器所接收信號的總功率分布空間分布以及時間分布。目前在可見光通信信道時域特性方面，大部分都是借鑒無線通信的模型。田怡根據IEEE802.20信道模型得到信道的時域、頻域特性[1]。呂鋒用軟件仿真了物理上行信道[2]。在可見光信道方面，張立等利用室內信道模型對室內無線光通信的多徑效應進行了分析[3]。Komine和Grubor采用遞歸方法對信道特性進行了研究[4-6]。這里提出了采用簡化的光線追跡法來研究信道的特性。

1 多LED通信系統及照明布局

建立如圖1所示的坐標系，四個LED燈具A、B、C、D組成多發射通信系統，它們的中心坐標為：A (1.5, 1.5, 3.0)，B (4.5, 1.5, 3.0)，C (4.5, 4.5, 3.0)，D (1.5, 4.5, 3.0)。

圖1 室內多LED通信系統組成

接收器位于接收平面內組成下行通信鏈路。為研究通信系統的信道特性，假設天花板、墻面和地板的反射率為固定值，分別為0.8、0.5和0.2。LED燈具采用方形結構，采用LUXEON LED，只需100個LED便能夠提供足夠的照明，每個LED燈具采用25個LED組成5×5方形陣列，燈具的LED間距為 0.25d= m。該布設符合照度均勻性要求，且接收平面內最大照度為1464 lux，最小照度為350 lux，滿足ISO國際標準組織的室內照明300～1500 lux要求[4]。

2 信道特性計算方法

信道的脈沖響應一般表達式表示為：

Si代表第i個發射器，相應的R為接收器，式（1）的第一部分是直射信道的脈沖響應，第二部分則是漫反射信道的脈沖響應。其中，上標代表接收器接收的信號在信道中經過反射的次數，這里定義 k = 0 的響應為直接響應，k = 1 的響應為一階響應，k = 2 的響應為二階響應，依此類推。k階響應可以表示為：

dk為k階響應從發射器到接收器的距離，每經過一次反射的距離。ρk為k階響應的總反射率，為第i次反射面的反射系數。lk為光線經過k次反射的實際路徑長度，為接收器的聚光器表達式，φk是接收器的入射角，δ（ t - lk/c ）反映的是信號的延時情況。

計算接收器的脈沖響應，主要從兩個方法來考慮：第一，把時間分成等間隔，每個時間間隔為0.5 ns，計算接收器在不同時間間隔接收信號的大小。第二，將室內的墻面、地面、天花板分成 50×50的小格，當光信號進入某小格時，就認為在此小格中產生朗伯分布的光源。在計算脈沖響應時，跟蹤LED燈發射的光線，得接收器的信號大小為：

3 信道特性的仿真

3.1 仿真方法

信道仿真方法是按照反射次數進行。當反射次數很高，由發射裝置進入接收器的信號非常小，因此在進行光線追跡時無需考慮反射的次數過高，這就是這種方法的基本思想。

3.2 仿真參數

為了研究多個LED信道的特性，選擇合適的仿真參數十分重要。這里將光電探測器的參數、 LED及其相關參數加以說明。光電探測器采用PIN管，它的接收視場角為600，探測器的聚光器的折射率為1.5，光學濾波器的增益為1.0。對于探測器來說非常中的參數為電光轉換效率R=0.45 A/W，探測器的有效面積為1 cm2。LED的仿真參數有發射半角，它的大小為1000，LED功率為1 W。由LED組成的燈具尺寸為1 m ×1 m，每個LED燈具由25個LED組成，因此整個仿真共有100個LED。房間的大小為6 m×6 m×3 m。

3.3 信道特性的仿真結果

仿真時選擇3個接收器放置在房間對角線上，1個靠近墻面，4個接收位置參數分別為：（3.0，3.0，0.85）、（1.75，1.75，0.85）、（0.5，0.5，0.85）、（3.0，0.5，0.85）。采用簡化的光線追跡法，得到接收器在（3.0，3.0，0.85）位置的各階脈沖響應如圖2所示。

圖2 在（3.0，3.0，0.85）處的仿真結果

由圖 2可知，直接響應的起止區間為（8.58，11.84）；一階響應的起止區間為（15.54，39.29）；二階響應的起止區間為（35.3，1712.60）；三階響應為（49.60，13984.00）。各階響應中最大的是直接響應h0（t），一階響應h1（t）次之，三階響應最小。

把各階響應按照式（3）求和，得到如圖 3的信道脈沖響應。圖3中存在三個比較明顯的尖峰。第一個尖峰發生的時間為8.94 ns，第二個尖峰的時間為18.95 ns，第三個尖峰時間為28.02 ns。將上述數據結合圖2可以判斷，第一個尖峰是由直接脈沖響應產生，而與其它響應無關。第二、三尖峰是由一階響應產生的。后面的小峰則是由二、三階響應共同作用產生的。第一個尖峰是 LOS信道響應，其他屬于non-LOS信道響應。信號通過 non-los信道傳輸的距離比較遠，因而滯后于直接響應。如果系統的傳輸速率很高，那么non-LOS信道響應會落到其他信號的區間，從而造成通信系統產生碼間干擾。采用相同方法，可得到接收器在其他位置的脈沖響應。當接收器位于（0.5，0.5，0.85）時，出現了較奇特的現象，信道的直接響應變小，一階響應變大，并且一階響應超過了直接響應。說明此處的non-LOS信道響應超過了LOS信道，占據主導地位。由于篇幅關系，在其他位置的各階脈沖響應就不列出。

圖3 在（3.0，3.0，0.85）信道的仿真結果

為了研究信道的直接響應和一階響應在室內接收平面的分布情況，這里選擇了過（0.0，0.0，0.85）、（3.0，3.0，0.85）、（6.0，6.0，0.85）的軸線，得到如圖4所示的對比圖。圖4中直接響應的變化規律是：在墻角位置的直接響應值最小，向中心位置逐步增加，越過中心位置又逐漸減少。圖 4中的一階響應變化規律為：靠近墻角或墻面位置時的響應最大，離開時，其響應值逐步減小。其中沿對角方向在離墻角0.8 m位置一階響應超過直接響應。

圖4 沿對角線方向對比

4 結語

通過采用簡化的光線追跡法對室內可見光信道脈沖響應進行仿真，得如下結論：①室內可見光LED通信信道的脈沖響應與接收器、發送裝置的位置密切相關，即信道的沖激響應隨接收器和發射裝置不同位置而不同；②在房間中心部位時，直接響應比一階響應大；③當接收器逐漸靠近墻面或墻角位置0.7～0.8 m臨界位置時，一階響應大小會超過直接響應；④仿真結果的三階響應始終不是很大，影響最大的位置是在墻角處。簡化的光線追跡方法為研究室內多個 LED的信道特性提供了一種有效方法。

[1] 田怡. 基于IEEE802.20信道模型的仿真分析[J]. 通信技術, 2010,43(07): 147-149.

[2] 呂鋒, 董偉. 基于LabVIEW的LTE物理上行共享信道仿真[J]. 通信技術, 2011, 44(05): 125-127.

[3] 張立, 朱娜, 張寧. 室內 LED光無線通信多徑效應抑制[J]. 通信技術, 2010, 43(07): 198-200.

[4] KOMINE T, NAKAGAWA M. Fundamental Analysis for Visible-light Communication System Using LED Lights[J]. Consumer Electronics, IEEE Transactions on, 2004, 50(01): 100-7.

[5] GRUBOR J, RANDEL S, LANGER K D, et al. Broadband Information Broadcasting Using LED-Based Interior Lighting[J]. Lightwave Technology, 2008, 26(24): 3883-92.

[6] KOMINE T，LEE J H，NAKAGAWA M H S. Adaptive Equalization System for Visible Light Wireless Communication Utilizing Multiple White LED Lighting Equipment[J].Wireless Communications,IEEE Transactions on,2009，8(06):2892-2900.