基于MIMO的可見光通信系統(tǒng)研究

喬 琪，張 悅

（江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

0 引言

近幾年來，LED因其具有發(fā)光強(qiáng)度高、耗能低、無輻射等優(yōu)點(diǎn)，LED技術(shù)正在突飛猛進(jìn)的發(fā)展。隨著人們對(duì)通信的需求量大幅增多，同時(shí)無線射頻頻譜資源正在日益匱乏，為了解決這個(gè)問題，利用LED實(shí)現(xiàn)的可見光通信也逐漸成了通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。可見光通信是一種新型的無線光通信技術(shù)，使用可見光取代傳統(tǒng)的射頻獲電磁波作為信號(hào)的傳輸宅邸，與傳統(tǒng)的無線通信方式相比，可見光通信具備頻譜資源豐富，無電磁輻射干擾、信息傳輸安全性高的特點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)定位、智能交通系統(tǒng)、智能家居等領(lǐng)域。

可見光通信是利用LED作為信號(hào)發(fā)射端，當(dāng)LED燈亮?xí)r表示為1，燈滅時(shí)表示為0，這樣就可以利用LED燈的閃爍來傳送信號(hào)，在LED光源上加裝控制芯片，因?yàn)長(zhǎng)ED燈閃爍的頻率非常高，人們是覺察不到燈的閃爍。在系統(tǒng)中采用LED燈作為電光轉(zhuǎn)換器，光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換器，這樣LED在作為照明光源使用的同時(shí)，還可以將編碼后的燈光信號(hào)在光照范圍內(nèi)進(jìn)行傳遞，信息經(jīng)過傳遞后在接收端利用光電二極管接收光信號(hào)，再經(jīng)過解調(diào)可以還原出原始信號(hào)。LED與傳統(tǒng)的燈泡相比，具有較長(zhǎng)的使用壽命和更加優(yōu)良的發(fā)光效率，同時(shí)由于可見光的特性，信息只能在可見光的光照范圍內(nèi)進(jìn)行傳遞，因此系統(tǒng)在安全性上表現(xiàn)優(yōu)異，非常適合于室內(nèi)無線通信[1]。

1 關(guān)鍵技術(shù)

MIMO技術(shù)是指多路輸入多路輸出，是目前無線通信領(lǐng)域一個(gè)重要研究技術(shù)。基于MIMO技術(shù)的無線通信系統(tǒng)，是在信號(hào)發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和多個(gè)接收天線，這樣可以在不增加頻譜資源和發(fā)射功率的情況下，提高信道容量。在發(fā)送端將多路串行的傳輸信號(hào)經(jīng)過調(diào)制、編碼再進(jìn)行發(fā)送，信息利用可見光這個(gè)載體進(jìn)行傳遞，在信號(hào)接收端再利用多個(gè)接收天線進(jìn)行信號(hào)的解調(diào)、解碼處理，得到原始的發(fā)送信號(hào)。

基于MIMO技術(shù)的可見光通信系統(tǒng)，可以充分利用MIMO的空分復(fù)用增益，整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)LED組成信號(hào)發(fā)射端，這樣可以有多個(gè)并行的通信信道應(yīng)用于可見光通信系統(tǒng)中，可以有效解決系統(tǒng)里的盲區(qū)，同時(shí)還可以有效地改善多徑效應(yīng)，從而有效地提高系統(tǒng)的頻譜利用率[2]，系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 基于MIMO的可見光通信系統(tǒng)原理圖

2 室內(nèi)可見光系統(tǒng)模型

室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的構(gòu)建，首先要求LED能夠滿足照明的需求，因此本文構(gòu)建一個(gè)由4個(gè)LED組成的多LED可見光通信系統(tǒng)模型，如圖2所示。圖中的每個(gè)LED都有各自的光照范圍只有當(dāng)接收端在光照范圍內(nèi)，才能夠正常接收到LED發(fā)出的可見光信號(hào)。在多LED可見光系統(tǒng)中，如果當(dāng)接收端位于兩個(gè)LED光照范圍的重疊處時(shí)，它會(huì)同時(shí)收到兩個(gè)LED發(fā)出的可見光信號(hào)，那么如何識(shí)別兩個(gè)可見光信號(hào)？可以將每一個(gè)LED發(fā)出的可見光信號(hào)設(shè)置各不相同，這樣不同的可見光信號(hào)就代表不同含義，可以通過比較收到的信號(hào)強(qiáng)度，優(yōu)先選擇信號(hào)強(qiáng)度高的；同時(shí)還可以通過調(diào)節(jié)LED的亮度，合理設(shè)置LED的光照強(qiáng)度、LED的光照范圍等，盡量減少相鄰的LED發(fā)出的可見光信號(hào)交疊現(xiàn)象。

圖2 多LED室內(nèi)可見光系統(tǒng)模型

在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中，由于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)周圍存在墻壁和其他物體，因此可見光信號(hào)的傳遞路徑有可見光直射路徑（即發(fā)送端發(fā)出的可見光信號(hào)直接到達(dá)接收端的傳輸通道），還有可見光反射路徑（即可見光從發(fā)送端發(fā)出經(jīng)過室內(nèi)的墻壁或其他物體一次及多次反射后再到達(dá)接收端的傳輸通道），如果室內(nèi)物品較多，信號(hào)在傳遞過程中還會(huì)存在多次反射現(xiàn)象，由于受到多徑效應(yīng)的影響，信號(hào)功率會(huì)變得越來越低，導(dǎo)致信號(hào)傳輸質(zhì)量下降。

本文為了系統(tǒng)的簡(jiǎn)單性，僅考慮一次反射的情況。單個(gè)LED的光線示意圖如圖3所示，其中d1位LED到反射點(diǎn)（墻壁或其他物體）的距離，d2位反射點(diǎn)到接收端的距離；α為L(zhǎng)ED的半功率角，該角度越大，則LED的照明范圍越大；β為接收端的光線入射角，η為可見光到室內(nèi)墻壁的光照角，θ為反射光線到接收端的光照角。

圖3 LED光線示意圖

在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中，半功率角α是固定不變的，一般來說，系統(tǒng)中選用的LED半功率角盡量大，這樣可以覆蓋室內(nèi)較多的區(qū)域，同時(shí)由于接收端是可移動(dòng)的，接收端的入射角β是變化的，通常要求β＜α，此時(shí)接收端能夠接收到可見光信號(hào)的區(qū)域是要小于LED光照覆蓋區(qū)域范圍的。由于任何一個(gè)通信系統(tǒng)都希望得到較高的接收功率和SNR，因此接收端的入射角β的數(shù)值具體設(shè)置為多大，需要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)接收端在不同位置上的平均接收功率進(jìn)行分析比較，最終確定入射角β的數(shù)值。我們通過分析仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定設(shè)置入射角β為50°。

3 室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)

室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)是利用LED發(fā)出的可見光進(jìn)行信號(hào)的傳輸，需要找到一種既能提高系統(tǒng)的傳輸效率又能降低系統(tǒng)誤碼率的調(diào)制方式。目前，調(diào)制方式主要有ASK調(diào)制技術(shù)、FSK調(diào)制技術(shù)、PSK調(diào)制技術(shù)、OFDM調(diào)制技術(shù)等，接下來介紹這幾種調(diào)制技術(shù)。

3.1 ASK調(diào)制技術(shù)

幅移鍵控（ASK）是利用載波的振幅變化傳遞數(shù)字信號(hào)的一種調(diào)制方式，此方法又稱為通斷鍵控（OOK），其中最常見的是二進(jìn)制幅移鍵控。二進(jìn)制幅移鍵控簡(jiǎn)稱2ASK，其利用代表數(shù)字信息“0”或“1”的矩形脈沖去鍵控一個(gè)連續(xù)的載波，使載波時(shí)斷時(shí)續(xù)地輸出。產(chǎn)生2ASK信號(hào)的原理如圖4所示，利用二進(jìn)制信號(hào)控制開關(guān)，“1”碼時(shí)，接通開關(guān)，輸出載波信號(hào)；“0”碼時(shí)，斷開開關(guān)，無載波輸出。即有載波輸出時(shí)表示發(fā)送“1”，無載波輸出時(shí)表示發(fā)送“0”。2ASK調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，但是抗干擾能力差，主要用于低速數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 2ASK信號(hào)原理框圖

3.2 FSK調(diào)制技術(shù)

頻移鍵控（FSK）是利用載波的頻率變化傳遞數(shù)字信號(hào)的一種調(diào)制方式，二進(jìn)制頻移鍵控簡(jiǎn)稱2FSK，產(chǎn)生2FSK信號(hào)的原理如圖5所示，用頻率為f1的載波信號(hào)表示數(shù)字信號(hào)“1”碼，頻率為f2的載波信號(hào)表示數(shù)字信號(hào)“0”碼。2FSK調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)，但其占用頻帶較寬，導(dǎo)致頻率利用率較低，只有2ASK調(diào)制的1/3左右。

圖5 2FSK信號(hào)原理框圖

3.3 PSK調(diào)制技術(shù)

相移鍵控（PSK）是利用載波的相位變化傳遞數(shù)字信號(hào)的一種調(diào)制方式，載波的相位隨數(shù)字信號(hào)的變化而變化，相移鍵控可分為絕對(duì)相移鍵控和相對(duì)相移鍵控兩種，其中二進(jìn)制絕對(duì)相移鍵控簡(jiǎn)稱2PSK，產(chǎn)生2PSK信號(hào)的原理如圖6所示。某一碼元所對(duì)應(yīng)的已調(diào)波與參考載波的相位偏移，例如用0相載波表示數(shù)字信號(hào)“1”碼，π相載波表示數(shù)字信號(hào)“0”碼。2PSK調(diào)制的抗噪性能優(yōu)異，但其頻帶利用率不高，且存在“相位模糊”現(xiàn)象。

圖6 2PSK信號(hào)原理框圖

3.4 OFDM調(diào)制技術(shù)

正交頻分復(fù)用（OFDM）是利用正交子載波實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸，高效利用帶寬資源的一種調(diào)制技術(shù)，屬于多載波調(diào)制。OFDM優(yōu)點(diǎn)是可以降低多徑效應(yīng)產(chǎn)生的干擾，從而提高系統(tǒng)的頻帶利用率，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也更好一些[3]。

除了以上介紹的幾種調(diào)制技術(shù)之外，還有在OFDM基礎(chǔ)上改進(jìn)的DMT調(diào)制技術(shù)，與OFDM 技術(shù)相比，DMT調(diào)制技術(shù)直接利用可見光載波傳輸已調(diào)信號(hào)，提升了系統(tǒng)的帶寬利用率，還可以降低或消除碼間串?dāng)_以及多徑效應(yīng)。

由于可見光通信系統(tǒng)中采用新型的傳輸方式，因此發(fā)送端發(fā)出的信號(hào)都是正信號(hào)，是沒有極性和相位的。因此研究適合可見光通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)，對(duì)于提高可見光通信系統(tǒng)的頻譜利用率是非常重要的。

4 結(jié)語

室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)可以滿足日常照明，同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，相比較傳統(tǒng)的無線通信方式如WiFi、紅外通信、藍(lán)牙等，更加安全可靠，但還需要進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行探索研究，提升系統(tǒng)的信號(hào)接收功率、帶寬利用率、傳輸速率等參數(shù)。隨著5G時(shí)代的到來，為了滿足更多更大容量的數(shù)據(jù)傳輸需要，基于LED的可見光通信將會(huì)憑借其自身的優(yōu)點(diǎn)，在未來室內(nèi)無線接入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位[4]。