1、室內(nèi)LED可見(jiàn)光通信信道特性分析陳旭（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院）【摘要】針對(duì)室內(nèi)無(wú)線光通信系統(tǒng)中以高亮度發(fā)光二極管（LED）照明燈作為通信信號(hào)發(fā)射源的特點(diǎn)，建 立的信道模型，分析了由于各個(gè)LED發(fā)射端到接收端的距離差而引起的多徑效應(yīng)對(duì)通信系統(tǒng)的影響.【關(guān)鍵詞】光無(wú)線通信；多徑效應(yīng)Channel characteristic analysis for Indoor LEDWireless Optical CommunicationChen xu(Gulin university of electronic technology Information and communication I

2、nstitute) Abstract! Aiming at the LED lights as the signal source for indoor optical wireless communication system, this paper establish the channel model and discusses the multi-path effects resulted from the different distance of each LED to the receiver,Key words! optical wireless communication;

3、multi-path effects1弓|言LED與傳統(tǒng)照明設(shè)備相比，具有使用電壓低、功耗低、壽命長(zhǎng)、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)，它另 外的突出優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)靈敏度非常高、調(diào)制性能好、發(fā)射功率大，適合作為中短距離超高速無(wú)線 光通信系統(tǒng)的光源。利用白光LED發(fā)光特性，將信號(hào)調(diào)制到可見(jiàn)光上進(jìn)行傳輸，可以構(gòu)成LED可 見(jiàn)光無(wú)線通信系統(tǒng)。室內(nèi)LED可見(jiàn)光無(wú)線通信系統(tǒng)的提出基于LED燈的照明性質(zhì)和調(diào)制能力，在 系統(tǒng)中需要考慮LED光源的發(fā)光原理和參數(shù)指標(biāo)之外，還要考慮通信信道的特性對(duì)其影響。2室內(nèi)LED可見(jiàn)光通信鏈路分析室內(nèi)無(wú)線光通信的基本鏈路方式有很多種1在本文描述的LED可見(jiàn)光無(wú)線通信系統(tǒng)中， 假設(shè)LED室內(nèi)照明

4、燈固定在天花板上，以其為信號(hào)光源的通信鏈路主要有兩種形式：直射式視 距鏈接和漫射鏈接，如圖1所示。（a）直射式視距鏈接（b）漫射鏈接圖1可見(jiàn)光LED用于室內(nèi)通信時(shí)的光鏈路方式在直射式視距鏈路中，LED光源發(fā)出的光直接照射到接收機(jī)的探測(cè)器表面上，優(yōu)點(diǎn)是信號(hào) 光源功率利用率高、容易實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)鏈接，然而該鏈路要求光信號(hào)收端和發(fā)端始終對(duì)準(zhǔn)連接， 容易因鏈路上存在的障礙物而阻斷。在以墻面反射為主的漫射鏈路中，系統(tǒng)為了獲得更大的接 收功率，接收機(jī)的探測(cè)器視角一般都比較大，雖然降低了對(duì)方向性的要求，系統(tǒng)不易受陰影效 應(yīng)影響，但鏈路中存在的多徑效應(yīng)會(huì)限制信號(hào)傳輸速率。3室內(nèi)無(wú)線光通信信道模型建立無(wú)線光通信系

5、統(tǒng)多采用光強(qiáng)度調(diào)制（IM）和直接檢測(cè)技術(shù)（DD）。圖2為一個(gè)簡(jiǎn)單的基于 可見(jiàn)光LED、采用IM-DD技術(shù)2的室內(nèi)無(wú)線通信信道模型。在IM0-DD的調(diào)制系統(tǒng)中，無(wú)論需要 傳輸?shù)耐ㄐ判盘?hào)是基帶信號(hào)還是頻帶信號(hào)，由于LED瞬時(shí)發(fā)射功率不可能為負(fù)值，所以必須加 一個(gè)直流偏置，以保證LED端輸入電信號(hào)X（t）為非負(fù)信號(hào)，可表示為：*（，） = （1 + 4 sin 網(wǎng)）這里PT表示發(fā)射光平均功率，Am為正弦曲線幅度且Amlo設(shè)T為發(fā)送I U） 3射艇路L _由網(wǎng)!j訕虹：:77光驅(qū)信號(hào)； 號(hào)！ ，千 Ml V * * M 號(hào). 4HI _ . .尋.乎尋日.土 + iM iM 占圖2采用IM-DD技術(shù)的

6、LED可見(jiàn)光通信信道信號(hào)的符號(hào)持續(xù)周期，輸入電信號(hào)X（t）與平均功率PT還可以表示為下式:=lim(l/2r)JX(r)血在不考慮多徑和碼間干擾的情況下，假設(shè)pr為探測(cè)器處入射信號(hào)光平均功率，Pamb為入射到探 測(cè)器上的背景光（包括自然光或室內(nèi)其它光源等）功率。假設(shè)光電探測(cè)器的轉(zhuǎn)換效率R（單位為A /W），則其檢測(cè)到的光電流值應(yīng)為：?。?犬（耳+編）+牌4血刨無(wú)線光通信光接收機(jī)端通常采用PD光電探測(cè)器，此時(shí)接收機(jī)系統(tǒng)前端的主要噪聲是前置放大電 路等引入的電路噪聲i和電流引起的散彈噪聲。通信系統(tǒng)在傳輸速率Rb時(shí)的信噪比可按下式計(jì) 算:q為電子電荷，i2為電路噪聲平均功率。當(dāng)在強(qiáng)背景光情況下時(shí)，上

7、式為:由于散彈噪聲服從泊松分布3，通信系統(tǒng)在強(qiáng)背景光影響下的噪聲可以看作若干服從高斯分 布的獨(dú)立噪聲變量的疊加。取其極限值，并根據(jù)中心極限定理可以把信道噪聲視為與各類(lèi)調(diào)制 編碼信號(hào)無(wú)關(guān)的高斯白噪聲。因此這里把所示的IM-DD調(diào)制的通信信道看作基帶線性系統(tǒng)，信道可由脈沖響應(yīng)來(lái)h(t)描述，信道環(huán)境和原理簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3,接收信號(hào)的表達(dá)式如下:圖3信道模擬簡(jiǎn)圖4室內(nèi)可見(jiàn)光通信信道分析在LED典型室內(nèi)可見(jiàn)光無(wú)線通信系統(tǒng)中，假設(shè)有N條多徑信道，PD探測(cè)器的接收信號(hào)為各個(gè) LED光多徑信號(hào)之和，接收信號(hào)可以表示為：&。) = 2快用-弟虹1其中a i，r i分別為各條路徑的衰減系數(shù)和相對(duì)傳輸時(shí)延。由于各個(gè)信道

8、的時(shí)延不同，將造成接收信號(hào)時(shí)域波形的展寬，稱為光信道時(shí)延擴(kuò)展(Delay Spread)。房間內(nèi)的多徑時(shí)延擴(kuò)展會(huì)引起頻率選擇性衰落，延時(shí)將會(huì)伴隨著每盞燈的不同路徑 和墻面的反射路徑而產(chǎn)生，所以多徑信道模型的確立取決于房間光信道時(shí)延擴(kuò)展的分布。為了 獲得上述典型房間的LED可見(jiàn)光無(wú)線通信系統(tǒng)多徑信道模型，參考紅外散射系統(tǒng)確立信道模型 的方法4，根據(jù)rms的物理定義：其中，pt是平均發(fā)送功率，pi是每盞燈的接收功率，其中r i分別為各條路徑的傳輸時(shí)延，r 0是桌面接收點(diǎn)的平均時(shí)延，在本系統(tǒng)中為常數(shù)。室內(nèi)LED可見(jiàn)光信道直流增益的表達(dá)式為：(膽 + Dgcob 炬 3)g(w)cos(w),0甲幻其

9、中A是PD中探測(cè)器的可探測(cè)的物理區(qū)域，m是朗伯輻射系數(shù)，Dd仍是發(fā)射器和接收器的距 離，中是入射光角度，0是發(fā)光角度，TS(W )是光濾波器的增益，g(W )是光集中器的增益， W c表示接收機(jī)視角，n表示折射因子，g(W )表達(dá)式為：t、5N 吼g(W)= sm 仁0# a嘰下面，我們考慮有墻面引起的反射光，則接收功率由信道在直射路徑H(0)和反射路徑Href (0) 上的直流增益決定，公式如下：LEDi已=化H(), L知七d迎()參考圖1 (b)的墻面發(fā)射情況，給出反射一次的直流增益表達(dá)式：M沖其中，D1是一個(gè)LED芯片與一個(gè)反射點(diǎn)的距離，D2是反射點(diǎn)與接收機(jī)的距離，p是反射系數(shù)，dAw

10、all是反射的小區(qū)域面積，0是光源發(fā)射角，a是光源和反射點(diǎn)的夾角，P是光源與接收機(jī)的夾角，W是反射角。5室內(nèi)無(wú)線光通信多徑效應(yīng)分析在室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中，多徑效應(yīng)主要由以下幾種情況引起5，首先是如圖4所示的 各個(gè)LED燈光與接收端路徑的距離差引起的，其次是由如圖5所示的LED燈光經(jīng)過(guò)墻體的一次 反射和二次反射引起的。圖4 LED燈室內(nèi)模型圖5燈光反射室內(nèi)模型先考慮第一種情況，如圖4所示，當(dāng)兩個(gè)LED燈離接收端的距離不等時(shí)，就會(huì)引起脈沖延時(shí)， 脈沖延時(shí)的寬度為：對(duì)+ 阮-+ 為2 ）其中，c是光速，Rb是光脈沖速率，其他的參數(shù)如圖4所示。當(dāng)脈沖延時(shí)達(dá)到一定程度時(shí)，就 會(huì)產(chǎn)生碼間干擾，從而產(chǎn)生多徑

11、效應(yīng)。第二種情況如圖5所示，只考慮一次反射時(shí)，光線經(jīng)過(guò)左右墻壁反射后的脈沖延時(shí)寬度分別為：上 氏技（，+由一可_或+用 成%）1 / Rbcctd Rb - (A2 sinQ + h2 碰 ) - Erx= z在室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中，同時(shí)存在著上述兩種產(chǎn)生多徑效應(yīng)的情況。6總結(jié)本文通過(guò)建立簡(jiǎn)單的室內(nèi)LED可見(jiàn)光通信鏈路，室內(nèi)無(wú)線光通信信道模型，分析室內(nèi)可見(jiàn) 光通信信道的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)單闡述了室內(nèi)LED可見(jiàn)光通信多徑效應(yīng)情況，對(duì)室內(nèi)LED可見(jiàn)光通信 信道特性進(jìn)行了簡(jiǎn)單了解，分析了基于LED的室內(nèi)可見(jiàn)光無(wú)線通信中多徑效應(yīng)產(chǎn)生的原因。參考文獻(xiàn)KAHN J M, BARRY J R. Wireless i

12、nfrared communicationsJ.Proc.co. of IEEE, 1997, 85(2)： 265-298.胡國(guó)永，陳長(zhǎng)纓，陳振強(qiáng).白光LED照明光源用作室內(nèi)無(wú)線通信研究J.光通信技術(shù)，2006, 30(7) : 46-48.ALEXANDER S B. optical communication receiver designM. London： SPIE Optical Engineering Press, 1997.J .R. BARRY, and J. M. Kahn, “Simulation of Multi-path Impulse Response for indoor Wireless