LED拓撲結構對可見光通信性能影響的分析

黨宇超,曹 陽,彭小峰,陳 果

(重慶理工大學電氣與電子工程學院,重慶 400054)

1 引 言

發光二極管(Light Emitting Diode,LED)是當前室內外照明的標準設備。相比于白熾燈泡,LED對于消費者來說更具吸引力,其具有使用壽命長,輻射光譜窄以及高效能的特點[1]。此外LED還具有極高的切換速率,這也使得LED作為基礎設備的可見光通信成為可能。典型的可見光通信將信源信息調制到光波中,再通過LED發射到接收端,接收端可采用對光照敏感的任何器件,例如光電晶體管、圖像傳感器、光伏單元、以及光電二極管等,再將接收到的數據解調并將其傳送給最終用戶。由于可見光的獨有特性,該技術已經應用于典型射頻通信難以實現的幾種情況中[2-3]。

可見光通信已廣泛應用于各種場景。在禁止或不優先選擇使用無線電通信的室內區域中,諸如飛機中,醫院里以及具有對射頻干擾敏感的設備的場所。可見光通信具有極強的應用潛力。在現下的室內精確定位的研究,基于可見光通信的室內定位方法的研究與設計也是一大熱點[4]。室內可見光定位,在室內可見光通信系統設備部署完成的基礎上,以其通信能力為基礎,通過一系列定位算法,對被定位對象做出室內的精確定位。大量先前的研究中表明[4-6],室內可見光通信系統的良好通信是保證室內可見光定位系統可靠性的先決條件。

文獻[7]中,作者提供了可見光通信(Visible Light Communication,VLC)系統和直接視距(Line of Sight,LOS)鏈路的模型,并且也對VLC系統的性能進行了模擬仿真和分析雖然該鏈路模型能在仿真環境下得出一個更好的通信質量,但是并未考慮可見光通信系統在實施設備時的LED分布。在文獻[8]中,光纖跟蹤算法用于對多LED源的室內信道脈沖響應進行建模。作者考慮了光電二極管遷移率的影響,但是沒有研究改變LED位置的影響。在文獻[9]中,提出了一種多用戶多輸入單輸出廣播系統,其中多個LED協作以向多個用戶廣播信息,每個用戶具有單個接收器單元,但也并未將LED的位置分布這個因素考慮在內。文獻[10]研究了位于房間內多個LED發射器的發射和干擾的影響?？梢宰⒁獾?大多數已發表的論文都將LED的位置視為固定參數,并著手研究其他可見光通信相關參數對整體系統性能的影響,而不考慮如何選擇最佳LED分配,以及對室內環境內不同點的接收功率的影響。

針對上述文獻中忽略的問題,本文意在通過matlab仿真,分析VLC系統中LED照明節點分布結構不同對VLC系統通信質量的影響。在第2節建立了室內可見光通信系統的信道模型,對信道特性進行了詳細的公式描述。在第3節中闡述了考慮LED拓撲結構的必要性。在第4節在Matlab中引入第2節中介紹的信道模型對LED 的不同拓撲結構以及它們如何影響系統性能進行了具體分析。

2 系統模型

假定室內可見光通信場所為5 m×5 m×3 m的正方形立體空間。

2.1 可見光通信信道模型

室內可見光通信使用可見光波作為載體來實現信息的傳輸,可將其信道視為準靜態信道[11],其基帶傳輸模型如公式(1)所示:

y(t)=R·x(t)?h(t)+n(t)

(1)

在非理想的實際環境中,可見光通信的傳輸信道不僅包含LOS鏈路也包含非直接視距(None of Line Sighe,NLOS)鏈路,其中NLOS鏈路中存在的信號傳輸的多徑效應。在本文中引用的可見光通信信道采用具有衰減因子的廣義朗伯輻射模型[12-13],將通信信道拆分為兩部分鏈路,第一部分是發射機和接收機之間的視距鏈路(LOS),第二部分是由一次或多次反射而引起的非LOS鏈路組成的漫反射鏈路,如圖1所示。

圖1 室內可見光通信信道組成

2.2 信道直流增益計算

根據前文對可見光通信信道的描述,信道組成結構分為接收機和發射機之間的LOS鏈路和由多次墻壁反射組成的漫反射鏈路兩部分。發射機和接收機的幾何布置如圖2所示。

圖2 發射機和接收機室內幾何布置

發射機和接收機之間的LOS鏈路的傳遞函數如公式(2)所示:

(2)

由多次墻壁反射而引起的非發射機和接收機的LOS鏈路組合而成的漫反射鏈路,其組成部分分為三部分,第一部分是從發射機到墻壁表面的LOS鏈路；第二部分是墻壁表面之間的LOS鏈路,第三部分是從房間內墻壁表面到接收機的LOS鏈路,如圖3所示。

圖3 漫反射鏈路組成

由于室內一整塊墻壁的反射分析過于復雜,需對墻壁進行微元化,將室內墻壁分為編號1到N的小表面,每個小表面作為一個單獨的反射入射光的輻射器。在通過從傳遞函數組成傳遞矢量再到傳遞矩陣的方式,對房間內的漫反射鏈路傳遞函數進行分析。在該種模型下[14],分別對三個組成部分進行分析:

第一部分從發射機到表面的LOS鏈路,Hk,Tx(f)表示發射機到編號k(k=1,2,3,…,N)的小表面之間的傳遞函數:

T(f)=[t1(f)…tL(f)]

(3)

t(f)=(H1,Tx(f)H2,Tx(f)…HN,Tx(f))T

(4)

(5)

第二部分是表面之間的LOS鏈路。ρ1,…,ρN表示房間內墻壁的各個小表面的反射因子,而[H(f)]ik是小表面i和k之間的傳遞函數,該傳遞函數是小表面之間傳遞函數矩陣的i行k列的元素。

Gρ=diag(ρ1,…,ρN)

(6)

(7)

第三部分是從小表面到接收機之間的LOS鏈路。HRx,k(f)表示編號k(k=1,2,3,…,N)的小表面到接收機到之間的傳遞函數。

R(f)=[r1(f)…rK(f)]T

(8)

rT(f)=(HRx,1(f)HRx,2(f)…HRx,N(f))

(9)

(10)

通過上述公式,組合得出漫反射鏈路的傳遞函數公式:

Hdiff(f)=R(f)·Gρ(I-H(f)Gρ)-1·T(f)

(11)

Htoal(f)=HRx,Tx(f)+Hdiff(f)

(12)

總結上述,得出從發射機到接收機的傳遞函數公式(12),并使用傅里葉反變換得出其對應的系統沖激響應。使用公式(13)最終計算得出信道的直流增益H(0):

(13)

公式中各參數介紹如表1所示。

表1 公式參數介紹表

2.3 接收信噪比計算

接收信噪比是度量通信系統通信質量可靠性的一個主要技術指標。對于使用IM/DD強度調制直接檢測的可見光通信,信噪比一般是指信道輸出端,即接收機輸入端的載波信號平均功率與信道中的噪聲平均功率的比值。

接收信噪比通過公式(14)計算。接收光功率Pr由公式(15)計算。其中H(0)是上一小節中計算的信道直流增益。而發射光功率Pt和噪聲功率Pn是對發射信號x(t)和噪聲信號做積分獲得[13],如公式(16)、(17)所示。

(14)

Pr=H(0)×Pt

(15)

(16)

(17)

在文獻[4]中,結合定位場景并引入室內可見光信道模型,通過仿真得到了室內任一點的SNR數值,并提出,在SNR滿足一定要求的情況下,以開關鍵控作為調制方式,可以獲得良好的誤碼性能,滿足室內VLC可靠傳輸的要求,從而憑借可靠傳輸來滿足其定位算法對通信的需求。在文獻[5]中,使用接收信號強度檢測法(RSSI)對可見光通信定位方法進行研究,并在不同SNR下對其方法進行了仿真對比,分別比較了SNR為20 dB、10 dB、6 dB、3 dB、0 dB情況下的定位誤差,并得出隨著SNR的增加,定位誤差隨之減小的結論。在文獻[6]中,也提出隨著SNR的增大,噪聲對室內可見光通信的影響變小后,其可見光定位系統誤差變小,定位算法更加穩定,定位效果越好。

根據上述引出的文獻,室內可見光通信系統的接收信噪比無論對于可見光系統的通信功能還是定位功能,均對SNR有一定的要求。故在本文中,使用室內的SNR分布來分析室內可見光通信系統的性能評判標準。

3 LED拓撲結構必要性分析

根據第2節中介紹的圖2接收機和發射機的幾何布置可看出,LED發光二極管的發光角和接收器件的接收視場角(FOV)具有其最大值[16],則相應的在發光角和接收視場角以外的區域,接收機是無法收到來自發射機的光,該區域定義位通信失效區域,如圖4所示。

圖4 通信有效區域與通信失效區域

光波在空氣中傳輸時,會有明顯的衰減[17],這也導致了房間內光功率并非均勻分布,不均勻的分布會直接影響室內通信質量,削弱了通信系統的可靠性。如圖5所示,對文獻[6]中提出的LED矩形排布方式進行仿真測試,得出其室內接受信噪比分布。該種分布方式下接收信噪比的極差約10 dBm,并不能良好地對室內進行通信覆蓋。所以對于室內可見光通信的LED拓撲結構的分析十分有必要。

圖5 矩形排布方式下的接收信噪比分布

4 仿真結果及分析

在本節使用Matlab仿真工具,引入第2節和第3節中介紹的可見光通信信道模型,光學器件、輻射模型參數以及空間結構參數等見表2中的仿真參數。在下文的仿真中,接收機均位于長5 m寬5 m高為0.85 m的室內等高平面上移動。

表2 仿真參數

4.1 四個LED拓撲結構的信噪比分布分析

假定四個LED的分布如圖6所示。圖7是四個LED的第一種拓撲結構SNR分布。

圖6 四個LED拓撲結構

圖7 四個LED的第一種拓撲結構SNR分布

從圖7中可以清楚地看到,房間的角落里的接收信噪比是房間內最低的位置,雖然在接收機處在房間角落的可能性較小,但是對于移動式接收機,其性能要求是在房間任意位置均達到可穩定通信的水平。還可以觀察到,室內接收信噪比的極差為3 dBm。

前面所描述的四個LED拓撲結構存在的問題是房間內接收信噪比的極差過大。在進行多次模擬后,如圖8結果顯示,在房間平面對角線上距離房間中心原點2.12 m處的接收信噪比為最大值,并且在該種拓撲結構下的接收信噪比的極差為1 dBm,這相比于上一小節中所得出3 dBm有了明顯的提升。但是這種拓撲結構的問題在于,房間內接收信噪比均值較低(不超過2 dBm),并且在房間中心的接受信噪比為整個房間的最小值。

圖8 四個LED的第二種拓撲結構SNR分布

4.2 五個LED燈拓撲結構下的接受信噪比分布分析

前一小節中的兩種四個LED拓撲結構存在的問題是接受信噪比的極差過大和房間內接收信噪比均值過小。

在本小節中,引入第五個LED燈,對接收光功率做補償。五個LED燈的坐標分別是(0.5 m,0.5 m)、(4.5 m,0.5 m)、(0.5 m,4.5 m)、(4.5 m,4.5 m)、(2.5 m,2.5 m),如圖9所示房間內接收信噪比均值明顯提升,并保持接收信噪比的極差(約為1.35 dBm)在穩定浮動范圍內。

圖9 五個LED拓撲結構SNR分布

4.3 LED燈拓撲結構的進一步優化

當對一個房間做可見光通信的布置的時候,需要考慮以下幾個因素。最小接收信噪比,整體房間內的接收信噪比的極差,以及接收器最有可能出現的位置。例如針對商場內固定店鋪處、醫院內病床處等接收機出現可能性極大的場所,應該布置一定的光功率補償。

進一步的測試更優化的LED拓撲結構。將LED數量添加至9個,并在其拓撲結構多次改進后得出以下結構:

中心位置放置一個,正方形四個角的位置各放置一個,在對角線上距離中心2.12 m處再各放置一個。

從圖10的(a)、(b)兩圖可以看出,房間內整體接受信噪比提升到了4 dBm,房間內接收信噪比的最大值和最小值的差值也控制了大約1 dBm以內,接受信噪比的分布更加的分散且平均。

(a)SNR分布三維圖示

(b)SNR分布二維圖示

5 結 論

本文通過建立室內可見光通信系統模型,并采用Matlab對室內可見光通信中的LED拓撲結構以及幾種典型的LED拓撲結構的接收信噪比分布進行仿真分析,。仿真結果表明,LED拓撲結構對室內接收信噪比分布有明顯影響,在進行室內可見光通信相關研究前,應選用分布更加均勻的拓撲結構,在室內信噪比分布的薄弱區域,適量添加LED照明節點對其進行補償,從而使通信系統的通信質量有明顯提升。對于之后的工作,將針對更多實際應用的場景,優化可見光信道模型,優化LED拓撲結構,以找到一種更好的解決應用方案,對可見光通信系統的性能做進一步的提升。