11LED可见光通信信道特性分析

室内LED可见光通信信道特性分析陈旭（桂林电子科技大学信息与通信学院）【摘要】针对室内无线光通信系统中以高亮度发光二极管（LED）照明灯作为通信信号发射源的特点，建立的信道模型，分析了由于各个LED发射端到接收端的距离差而引起的多径效应对通信系统的影响.【关键词】光无线通信；多径效应ChannelcharacteristicanalysisforIndoorLEDWirelessOpticalCommunicationChenxu(GulinuniversityofelectronictechnologyInformationandcommunicationInstitute)【Abstract】AimingattheLEDlightsasthesignalsourceforindooropticalwirelesscommunicationsystem,thispaperestablishthechannelmodelanddiscussesthemulti-patheffectsresultedfromthedifferentdistanceofeachLEDtothereceiver,【Keywords】opticalwirelesscommunication;multi-patheffects1引言LED与传统照明设备相比，具有使用电压低、功耗低、寿命长、易于小型化等优点，它另外的突出优点是响应灵敏度非常高、调制性能好、发射功率大，适合作为中短距离超高速无线光通信系统的光源。利用白光LED发光特性，将信号调制到可见光上进行传输，可以构成LED可见光无线通信系统。室内LED可见光无线通信系统的提出基于LED灯的照明性质和调制能力，在系统中需要考虑LED光源的发光原理和参数指标之外，还要考虑通信信道的特性对其影响。2室内LED可见光通信链路分析室内无线光通信的基本链路方式有很多种[1]。在本文描述的LED可见光无线通信系统中，假设LED室内照明灯固定在天花板上，以其为信号光源的通信链路主要有两种形式：直射式视距链接和漫射链接，如图1所示。(a)直射式视距链接(b)漫射链接图1可见光LED用于室内通信时的光链路方式在直射式视距链路中，LED光源发出的光直接照射到接收机的探测器表面上，优点是信号光源功率利用率高、容易实现高速数据链接，然而该链路要求光信号收端和发端始终对准连接，容易因链路上存在的障碍物而阻断。在以墙面反射为主的漫射链路中，系统为了获得更大的接收功率，接收机的探测器视角一般都比较大，虽然降低了对方向性的要求，系统不易受阴影效应影响，但链路中存在的多径效应会限制信号传输速率。3室内无线光通信信道模型建立无线光通信系统多采用光强度调制（IM）和直接检测技术（DD）。图2为一个简单的基于可见光LED、采用IM-DD技术[2]的室内无线通信信道模型。在IM0-DD的调制系统中，无论需要传输的通信信号是基带信号还是频带信号，由于LED瞬时发射功率不可能为负值，所以必须加一个直流偏置，以保证LED端输入电信号X(t)为非负信号，可表示为：这里PT表示发射光平均功率，Am为正弦曲线幅度且Am≤l。设T为发送图2采用IM-DD技术的LED可见光通信信道信号的符号持续周期，输入电信号X(t)与平均功率PT还可以表示为下式：在不考虑多径和码间干扰的情况下，假设pr为探测器处入射信号光平均功率，Pamb为入射到探测器上的背景光(包括自然光或室内其它光源等)功率。假设光电探测器的转换效率R(单位为A／W)，则其检测到的光电流值应为：无线光通信光接收机端通常采用PD光电探测器，此时接收机系统前端的主要噪声是前置放大电路等引入的电路噪声i和电流引起的散弹噪声。通信系统在传输速率Rb时的信噪比可按下式计算：q为电子电荷，i2为电路噪声平均功率。当在强背景光情况下时，上式为：由于散弹噪声服从泊松分布[3]，通信系统在强背景光影响下的噪声可以看作若干服从高斯分布的独立噪声变量的叠加。取其极限值，并根据中心极限定理可以把信道噪声视为与各类调制编码信号无关的高斯白噪声。因此这里把所示的IM-DD调制的通信信道看作基带线性系统，信道可由脉冲响应来h(t)描述，信道环境和原理简图见图3，接收信号的表达式如下：图3信道模拟简图4室内可见光通信信道分析在LED典型室内可见光无线通信系统中，假设有N条多径信道，PD探测器的接收信号为各个LED光多径信号之和，接收信号可以表示为：其中αi，Гi分别为各条路径的衰减系数和相对传输时延。由于各个信道的时延不同，将造成接收信号时域波形的展宽，称为光信道时延扩展(DelaySpread)。房间内的多径时延扩展会引起频率选择性衰落，延时将会伴随着每盏灯的不同路径和墙面的反射路径而产生，所以多径信道模型的确立取决于房间光信道时延扩展的分布。为了获得上述典型房间的LED可见光无线通信系统多径信道模型，参考红外散射系统确立信道模型的方法[4]，根据rms的物理定义：其中，PT是平均发送功率，pi是每盏灯的接收功率，其中Гi分别为各条路径的传输时延，Г0是桌面接收点的平均时延，在本系统中为常数。室内LED可见光信道直流增益的表达式为：其中A是PD中探测器的可探测的物理区域，m是朗伯辐射系数，Dd仍是发射器和接收器的距离，Ψ是入射光角度，Φ是发光角度，TS(Ψ)是光滤波器的增益，g(Ψ)是光集中器的增益，Ψc表示接收机视角，n表示折射因子，g(Ψ)表达式为：下面，我们考虑有墙面引起的反射光，则接收功率由信道在直射路径H(0)和反射路径Href（0）上的直流增益决定，公式如下：参考图1（b）的墙面发射情况，给出反射一次的直流增益表达式：其中，D1是一个LED芯片与一个反射点的距离，D2是反射点与接收机的距离，ρ是反射系数，dAwall是反射的小区域面积，Φ是光源发射角，α是光源和反射点的夹角，β是光源与接收机的夹角，Ψ是反射角。5室内无线光通信多径效应分析在室内可见光通信系统中，多径效应主要由以下几种情况引起[5]，首先是如图4所示的各个LED灯光与接收端路径的距离差引起的，其次是由如图5所示的LED灯光经过墙体的一次反射和二次反射引起的。图4LED灯室内模型图5灯光反射室内模型先考虑第一种情况，如图4所示，当两个LED灯离接收端的距离不等时，就会引起脉冲延时，脉冲延时的宽度为：其中，c是光速，Rb是光脉冲速率，其他的参数如图4所示。当脉冲延时达到一定程度时，就会产生码间干扰，从而产生多径效应。第二种情况如图5所示，只考虑一次反射时，光线经过左右墙壁反射后的脉冲延时宽度分别为：在室内可见光通信系统中，同时存在着上述两种产生多径效应的情况。6总结本文通过建立简单的室内LED可见光通信链路，室内无线光通信信道模型，分析室内可见光通信信道的基础上，简单阐述了室内LED可见光通信多径效应情况，对室内LED可见光通信信道特性进行了简单了解，分析了基于LED的室内可见光无线通信中多径效应产生的原因。参考文献[1]KAHNJM，BARRYJR．Wirelessinfraredcommunications[J].Proc.co．ofIEEE，1997，85(2)：265-298．[2]胡国永，陈长缨，陈振强．白光LED照明光源用作室内无线通信研究[J]．光通信技术，2006，30(7):46-48.[3]ALEXANDERSB．opticalcommunicationreceiverdesign[M]．London：SPIEOpticalEngineeringPress，1997．[4]J.R.BARRY，andJ．M．Kahn，“SimulationofMulti-pathImpulseResponseforindoorWirelessOpticalChannels[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications.V01．1l，No．3，pp．367-379，April，1993．[5]张立，朱娜，张宁．室内LED光无线通信多径效应抑制[J]．通信技术，2010，07（43）.[6]江晓明．室内LED可见光无线通信系统物理层研究[D]．江苏:江苏大学,2008年．