室內(nèi)vlc系統(tǒng)led可見(jiàn)光無(wú)線通信系統(tǒng)建模與仿真

室內(nèi)vlc系統(tǒng)led可見(jiàn)光無(wú)線通信系統(tǒng)建模與仿真

1光分集接收技術(shù)在室內(nèi)vlc系統(tǒng)中，為了通過(guò)照明和提高發(fā)射功率，提高接收能力，避免影響陰影效應(yīng)，需要配置各種燈光或綠燈。因此，光源的合理配置是影響照明和系統(tǒng)性能的重要因素。不同的光信號(hào)到達(dá)接收機(jī)會(huì)產(chǎn)生碼間串?dāng)_(ISI),極大地降低了系統(tǒng)的性能,可采用光分集接收技術(shù)提高VLC系統(tǒng)的信噪比,克服不同路徑引起的ISI、接收機(jī)位置改變、室內(nèi)人員走動(dòng)和物體陰影效應(yīng)對(duì)通信系統(tǒng)的影響。進(jìn)行光信號(hào)檢測(cè)時(shí),白光LED信號(hào)受到背景光的干擾,后續(xù)的檢測(cè)電路設(shè)計(jì)要考慮自身的電路噪聲和前端的背景光噪聲的影響。2內(nèi)部vlc分析2.1系統(tǒng)的無(wú)線特性假定白光LED滿足朗伯輻射模型,直射視距光信道如圖1(a),漫射光信道模型如圖1(b)。直射視距鏈路中,接收機(jī)直接指向白光LED光源,信號(hào)光源功率利用率高,易于實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)鏈接,但會(huì)因鏈路上存在的障礙物而阻斷。漫射鏈路設(shè)計(jì)中接收機(jī)視角一般較大,降低了對(duì)指向的要求,系統(tǒng)不易受陰影效應(yīng)影響,但鏈路中存在多徑效應(yīng)會(huì)引起ISI,限制信號(hào)傳輸速率。直射視距光信道直流增益表示為H(0),漫射光信道(第一反射光)直流增益表示為dHref(0)。式(1)、(2)中,m為光源的輻射模式,A為光電探測(cè)器接收面積,d是發(fā)射端與接收端之間的距離,φ是入射角,?為發(fā)射角,Ts(φ)是光濾波器增益,g(φ)是光聚能器增益,Ψc是接收機(jī)視角。2.2led燈合成的減少因素室內(nèi)VLC系統(tǒng)中,由于各個(gè)房間的大小以及室內(nèi)設(shè)施不盡相同,因而要使通信效果達(dá)到最優(yōu),須使房間內(nèi)同一水平面上分布的光功率變化最小。以一房間為例,該房間尺寸為L(zhǎng)×W×ZH,設(shè)終端設(shè)備均放置在高度為h的平面,平面z=h上任意一點(diǎn)(x,y,h)的接收功率為:Ρr(x,y)=Ν∑i=1Ρti[Ηi(0)+dΗmi,ref(0)](3)Pr(x,y)=∑i=1NPti[Hi(0)+dHmi,ref(0)](3)式(3)中,N為L(zhǎng)ED燈的個(gè)數(shù),dHmi,ref為第i個(gè)LED燈m次一次反射的直流增量和。文獻(xiàn)表明:室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中,直射光、第一反射光、第二次發(fā)射光與總接收光的比率分別為95.16%,3.57%,1.27%,檢測(cè)器接收到的直射光和全部漫射光的增益總和比直射光的增益平均僅增加0.5dB,表明VLC系統(tǒng)性能主要受直射光的影響,dHmi,ref(0)可忽略。室內(nèi)平面z=h上每點(diǎn)的平均功率為:ˉΡr=1S∫L∫Ρr(x,y)dxdy=1S∫L∫Ν∑i=1Ρti[Ηi(0)]dxdy(4)Pˉˉˉr=1S∫L∫Pr(x,y)dxdy=1S∫L∫∑i=1NPti[Hi(0)]dxdy(4)式(4)中,S為房間內(nèi)平面z=h的面積,L代表該區(qū)域。用接收功率的方差D表示平面z=h上各點(diǎn)功率的“平均偏離”程度,則D=1S∫L∫[Ρr(x,y)-ˉΡr]2dxdy(5)D=1S∫L∫[Pr(x,y)?Pˉˉˉr]2dxdy(5)對(duì)式(5)分別求x1和y1的偏導(dǎo)數(shù),僅當(dāng)?D?x1=?D?y1=0時(shí)?可取到?D?x1=?D?y1=0時(shí)?可取到最優(yōu)的x*1和y*1,即可確定最佳的LED燈布局。2.3室內(nèi)無(wú)線電噪聲分析2.3.1光電傳感器增加光柵效果,提高接收靈敏度光接收部分的核心是光電檢測(cè)器和后續(xù)電信號(hào)放大電路。由于PIN光電二極管的光電轉(zhuǎn)換線性度好,無(wú)需高工作電壓,響應(yīng)速度快,價(jià)格較低,但接收靈敏度較低,通?？赏ㄟ^(guò)增加白光LED的發(fā)射功率解決,常應(yīng)用于室內(nèi)光通信。對(duì)于室內(nèi)環(huán)境的雜散光,可以在光電檢測(cè)器前面安裝可見(jiàn)光濾波器,可以減少收到的雜散光強(qiáng)度。如圖2所示,PIN檢測(cè)陣列將接收光轉(zhuǎn)化成微弱光電流,經(jīng)由多級(jí)放大器放大。多級(jí)放大結(jié)構(gòu)中,前級(jí)噪聲會(huì)隨著有用信號(hào)被后級(jí)放大,要求設(shè)計(jì)低噪聲,寬頻帶的前置放大器。限幅放大器則要求增益高,同時(shí)要有均衡電路以減小ISI。2.3.2光電檢測(cè)系統(tǒng)VLC系統(tǒng)多采用強(qiáng)度調(diào)制(IM:Intensitymodu-lation)和直接檢測(cè)(DD:Directdetection)技術(shù)。圖3是室內(nèi)VLC系統(tǒng)的簡(jiǎn)易模型。圖3(a)為采用IM-DD技術(shù)的室內(nèi)VLC系統(tǒng)簡(jiǎn)易模型;圖3(b)為脈沖響應(yīng)為h(t)的線性基帶傳輸模型。室內(nèi)VLC系統(tǒng)中,發(fā)射機(jī)光源為白光LED,發(fā)出經(jīng)過(guò)強(qiáng)度調(diào)制的光功率信號(hào)x(t),接收機(jī)用光電檢測(cè)器直接檢測(cè),背景噪聲和接收機(jī)前置放大器等噪聲可看作高斯白噪聲N(t)。接收到的光電流信號(hào)y(t)表示為:{x(t)=Ρt(1+Amcosωt)y(t)=Rx(t)?h(t)+Ν(t)(6){x(t)=Pt(1+Amcosωt)y(t)=Rx(t)?h(t)+N(t)(6)式(6)中Pt為發(fā)射光平均功率,Am為正弦幅度。R為光電檢測(cè)器的響應(yīng)度。VLC系統(tǒng)接收機(jī)前端的主要噪聲是前置放大電路等引入的電路噪聲icirc。VLC系統(tǒng)在傳輸速率Rb時(shí)的PIN接收端信噪比可由式(7)計(jì)算:SΝR=12A2mR2Ρ2mi2circ+2qR(Ρin+Ρamb)Rb(7)SNR=12A2mR2P2mi2circ+2qR(Pin+Pamb)Rb(7)式(7)中q為電子電荷,i2circ為電路噪聲平均功率值,Pamb為入射到檢測(cè)器的背景光功率(包括自然光和室內(nèi)其它光源等功率),Pin為檢測(cè)器平均輸入光功率。2.3.3光分集接收的采樣研究表明:VLC系統(tǒng)中,傳輸速率越高,ISI對(duì)信噪比的影響也越大。室內(nèi)VLC系統(tǒng)中由于光檢測(cè)器尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光波長(zhǎng),同時(shí)考慮非相干光源白光LED的布局,為了克服高速通信中ISI的影響,提出光分集接收技術(shù)方案。在接收機(jī)的不同方向上安裝多個(gè)光電檢測(cè)器或檢測(cè)器陣列,同時(shí)將多個(gè)檢測(cè)器均勻分布在同一個(gè)半球面上。選取第一個(gè)PIN接收到的光功率下降到垂直入射接收到的光功率的一半時(shí),放置第二個(gè)PIN。經(jīng)過(guò)計(jì)算,當(dāng)通信傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于檢測(cè)器所在半球面的球半徑時(shí),兩個(gè)PIN表面的夾角應(yīng)為60°。在與水平面成60°方向放置第三個(gè)PIN,PIN的表面垂直球面半徑。為了提高接收效果,半球面頂部水平再放置一個(gè)PIN,因此至少需要四個(gè)PIN構(gòu)成PIN陣列,其布局如圖4所示。該布局既可以提高接收效果,減少PIN的個(gè)數(shù),又可以克服高速通信中ISI,可以保證接收機(jī)位置移動(dòng)或是室內(nèi)有人員走動(dòng)和有其他物體產(chǎn)生陰影時(shí)也能可靠通信。光分集接收中,低速率傳輸系統(tǒng)中可以簡(jiǎn)單地將多個(gè)信號(hào)直接求和,總體上提高接收信號(hào)的功率;傳輸速率高于100Mbps時(shí),由于ISI的影響,不能將信號(hào)直接相加。信噪比最大的方向就是直射信道鏈接的方向,應(yīng)選取最接近直射信道鏈接的方向作為最佳接收方向。3結(jié)果與討論3.1信號(hào)模型的建立VLC系統(tǒng)中,多個(gè)LED光源的光信號(hào)疊加會(huì)引起多徑效應(yīng),導(dǎo)致ISI并降低通信性能,均方根時(shí)延擴(kuò)展(RMSdelayspread)是反映ISI性能的重要指標(biāo)。仿真中,光調(diào)制解調(diào)方式為光強(qiáng)度調(diào)制-直接探測(cè)(IM-DD)。電信號(hào)調(diào)制方式為OOK-NRZ和OOK-RZ。假定光傳輸為直視信道,噪聲為加性高斯白噪聲,并且它的光功率為0.0dBm,一個(gè)PIN的響應(yīng)度R為0.53A/W。根據(jù)指數(shù)式衰減模型建立多徑信道模型。he(t,τ)=1τexp(t/τ)u(t)(8)he(t,τ)=1τexp(t/τ)u(t)(8)式(8)中τ為描述多路信道特性的時(shí)延參數(shù),通過(guò)參數(shù)τ計(jì)算τRMSτRΜS=√1ΡΤ∑ΝLEDΡiτ2i-τ20(9)τRMS=1PT∑NLEDPiτ2i?τ20??????????????????√(9)式(9)中Pi表示接收光功率,τi表示任意光束相對(duì)于第一個(gè)到達(dá)終端的光束時(shí)延。τ0為平均時(shí)延,PT為總接收功率,由式(10)給出。{τ0=1ΡΤ∑ΝLEDΡiτiΡΤ=∑ΝLEDΡi(10)?????????τ0=1PT∑NLEDPiτiPT=∑NLEDPi(10)3.2ls+opk-rzOOK-NRZ調(diào)制方式的BER(Biterrorrate)和τRMS之間的關(guān)系如圖5所示。當(dāng)接收光功率prcv<-30dBm時(shí),既使數(shù)據(jù)傳輸速率是100Mbit/s時(shí),τRMS<1.0ns的情況也不具有討論意義。當(dāng)τRMS=1.0ns時(shí),此時(shí)的誤碼率大約是3×10-4。當(dāng)τRMS>1.0ns時(shí),誤碼率開(kāi)始增加。數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到400Mbit/s時(shí),延時(shí)影響更嚴(yán)重。OOK-NRZ(占空比r=100%)和OOK-RZ調(diào)制方式的BER和τRMS之間的關(guān)系比較曲線如圖6所示。由于OOK-RZ噪聲等效帶寬比OOK-NRZ大,當(dāng)接收光功率相同時(shí),OOK-RZ的SNR比OOK-NRZ的SNR小。τRMS<1.0ns時(shí)(即ISI的影響小),OOK-NRZ特性比OOK-RZ好。當(dāng)τRMS>1.0ns,由于OOK-RZ的信號(hào)保護(hù)間隔可以減弱ISI的影響,OOK-RZ特性優(yōu)于OOK-NRZ。4led燈布局設(shè)計(jì)方法白光LED具有高輸出功率,壽命