譚家杰,鄒常青
(衡陽(yáng)師范學(xué)院 物理與電子信息科學(xué)系,湖南 衡陽(yáng)421008)
可見光通信(VLC,Visible Light Communication)是隨著LED技術(shù)的興起而產(chǎn)生的新技術(shù)。對(duì)于室內(nèi)白光LED照明通信來(lái)說(shuō),信道特性依賴于光線在反射面的反射特性和空間傳輸路徑,因此研究者主要關(guān)心的是接收器所接收信號(hào)的總功率分布空間分布以及時(shí)間分布。目前在可見光通信信道時(shí)域特性方面,大部分都是借鑒無(wú)線通信的模型。田怡根據(jù)IEEE802.20信道模型得到信道的時(shí)域、頻域特性[1]。呂鋒用軟件仿真了物理上行信道[2]。在可見光信道方面,張立等利用室內(nèi)信道模型對(duì)室內(nèi)無(wú)線光通信的多徑效應(yīng)進(jìn)行了分析[3]。Komine和Grubor采用遞歸方法對(duì)信道特性進(jìn)行了研究[4-6]。這里提出了采用簡(jiǎn)化的光線追跡法來(lái)研究信道的特性。
建立如圖1所示的坐標(biāo)系,四個(gè)LED燈具A、B、C、D組成多發(fā)射通信系統(tǒng),它們的中心坐標(biāo)為:A (1.5, 1.5, 3.0),B (4.5, 1.5, 3.0),C (4.5, 4.5, 3.0),D (1.5, 4.5, 3.0)。
圖1 室內(nèi)多LED通信系統(tǒng)組成
接收器位于接收平面內(nèi)組成下行通信鏈路。為研究通信系統(tǒng)的信道特性,假設(shè)天花板、墻面和地板的反射率為固定值,分別為0.8、0.5和0.2。LED燈具采用方形結(jié)構(gòu),采用LUXEON LED,只需100個(gè)LED便能夠提供足夠的照明,每個(gè)LED燈具采用25個(gè)LED組成5×5方形陣列,燈具的LED間距為 0.25d= m。該布設(shè)符合照度均勻性要求,且接收平面內(nèi)最大照度為1464 lux,最小照度為350 lux,滿足ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的室內(nèi)照明300~1500 lux要求[4]。
信道的脈沖響應(yīng)一般表達(dá)式表示為:
Si代表第i個(gè)發(fā)射器,相應(yīng)的R為接收器,式(1)的第一部分是直射信道的脈沖響應(yīng),第二部分則是漫反射信道的脈沖響應(yīng)。其中,上標(biāo)代表接收器接收的信號(hào)在信道中經(jīng)過(guò)反射的次數(shù),這里定義 k = 0 的響應(yīng)為直接響應(yīng),k = 1 的響應(yīng)為一階響應(yīng),k = 2 的響應(yīng)為二階響應(yīng),依此類推。k階響應(yīng)可以表示為:
dk為k階響應(yīng)從發(fā)射器到接收器的距離,每經(jīng)過(guò)一次反射的距離。ρk為k階響應(yīng)的總反射率,為第i次反射面的反射系數(shù)。lk為光線經(jīng)過(guò)k次反射的實(shí)際路徑長(zhǎng)度,為接收器的聚光器表達(dá)式,φk是接收器的入射角,δ( t - lk/c )反映的是信號(hào)的延時(shí)情況。
計(jì)算接收器的脈沖響應(yīng),主要從兩個(gè)方法來(lái)考慮:第一,把時(shí)間分成等間隔,每個(gè)時(shí)間間隔為0.5 ns,計(jì)算接收器在不同時(shí)間間隔接收信號(hào)的大小。第二,將室內(nèi)的墻面、地面、天花板分成 50×50的小格,當(dāng)光信號(hào)進(jìn)入某小格時(shí),就認(rèn)為在此小格中產(chǎn)生朗伯分布的光源。在計(jì)算脈沖響應(yīng)時(shí),跟蹤LED燈發(fā)射的光線,得接收器的信號(hào)大小為:
信道仿真方法是按照反射次數(shù)進(jìn)行。當(dāng)反射次數(shù)很高,由發(fā)射裝置進(jìn)入接收器的信號(hào)非常小,因此在進(jìn)行光線追跡時(shí)無(wú)需考慮反射的次數(shù)過(guò)高,這就是這種方法的基本思想。
為了研究多個(gè)LED信道的特性,選擇合適的仿真參數(shù)十分重要。這里將光電探測(cè)器的參數(shù)、 LED及其相關(guān)參數(shù)加以說(shuō)明。光電探測(cè)器采用PIN管,它的接收視場(chǎng)角為600,探測(cè)器的聚光器的折射率為1.5,光學(xué)濾波器的增益為1.0。對(duì)于探測(cè)器來(lái)說(shuō)非常中的參數(shù)為電光轉(zhuǎn)換效率R=0.45 A/W,探測(cè)器的有效面積為1 cm2。LED的仿真參數(shù)有發(fā)射半角,它的大小為1000,LED功率為1 W。由LED組成的燈具尺寸為1 m ×1 m,每個(gè)LED燈具由25個(gè)LED組成,因此整個(gè)仿真共有100個(gè)LED。房間的大小為6 m×6 m×3 m。
仿真時(shí)選擇3個(gè)接收器放置在房間對(duì)角線上,1個(gè)靠近墻面,4個(gè)接收位置參數(shù)分別為:(3.0,3.0,0.85)、(1.75,1.75,0.85)、(0.5,0.5,0.85)、(3.0,0.5,0.85)。采用簡(jiǎn)化的光線追跡法,得到接收器在(3.0,3.0,0.85)位置的各階脈沖響應(yīng)如圖2所示。
圖2 在(3.0,3.0,0.85)處的仿真結(jié)果
由圖 2可知,直接響應(yīng)的起止區(qū)間為(8.58,11.84);一階響應(yīng)的起止區(qū)間為(15.54,39.29);二階響應(yīng)的起止區(qū)間為(35.3,1712.60);三階響應(yīng)為(49.60,13984.00)。各階響應(yīng)中最大的是直接響應(yīng)h0(t),一階響應(yīng)h1(t)次之,三階響應(yīng)最小。
把各階響應(yīng)按照式(3)求和,得到如圖 3的信道脈沖響應(yīng)。圖3中存在三個(gè)比較明顯的尖峰。第一個(gè)尖峰發(fā)生的時(shí)間為8.94 ns,第二個(gè)尖峰的時(shí)間為18.95 ns,第三個(gè)尖峰時(shí)間為28.02 ns。將上述數(shù)據(jù)結(jié)合圖2可以判斷,第一個(gè)尖峰是由直接脈沖響應(yīng)產(chǎn)生,而與其它響應(yīng)無(wú)關(guān)。第二、三尖峰是由一階響應(yīng)產(chǎn)生的。后面的小峰則是由二、三階響應(yīng)共同作用產(chǎn)生的。第一個(gè)尖峰是 LOS信道響應(yīng),其他屬于non-LOS信道響應(yīng)。信號(hào)通過(guò) non-los信道傳輸?shù)木嚯x比較遠(yuǎn),因而滯后于直接響應(yīng)。如果系統(tǒng)的傳輸速率很高,那么non-LOS信道響應(yīng)會(huì)落到其他信號(hào)的區(qū)間,從而造成通信系統(tǒng)產(chǎn)生碼間干擾。采用相同方法,可得到接收器在其他位置的脈沖響應(yīng)。當(dāng)接收器位于(0.5,0.5,0.85)時(shí),出現(xiàn)了較奇特的現(xiàn)象,信道的直接響應(yīng)變小,一階響應(yīng)變大,并且一階響應(yīng)超過(guò)了直接響應(yīng)。說(shuō)明此處的non-LOS信道響應(yīng)超過(guò)了LOS信道,占據(jù)主導(dǎo)地位。由于篇幅關(guān)系,在其他位置的各階脈沖響應(yīng)就不列出。
圖3 在(3.0,3.0,0.85)信道的仿真結(jié)果
為了研究信道的直接響應(yīng)和一階響應(yīng)在室內(nèi)接收平面的分布情況,這里選擇了過(guò)(0.0,0.0,0.85)、(3.0,3.0,0.85)、(6.0,6.0,0.85)的軸線,得到如圖4所示的對(duì)比圖。圖4中直接響應(yīng)的變化規(guī)律是:在墻角位置的直接響應(yīng)值最小,向中心位置逐步增加,越過(guò)中心位置又逐漸減少。圖 4中的一階響應(yīng)變化規(guī)律為:靠近墻角或墻面位置時(shí)的響應(yīng)最大,離開時(shí),其響應(yīng)值逐步減小。其中沿對(duì)角方向在離墻角0.8 m位置一階響應(yīng)超過(guò)直接響應(yīng)。
圖4 沿對(duì)角線方向?qū)Ρ?/p>
通過(guò)采用簡(jiǎn)化的光線追跡法對(duì)室內(nèi)可見光信道脈沖響應(yīng)進(jìn)行仿真,得如下結(jié)論:①室內(nèi)可見光LED通信信道的脈沖響應(yīng)與接收器、發(fā)送裝置的位置密切相關(guān),即信道的沖激響應(yīng)隨接收器和發(fā)射裝置不同位置而不同;②在房間中心部位時(shí),直接響應(yīng)比一階響應(yīng)大;③當(dāng)接收器逐漸靠近墻面或墻角位置0.7~0.8 m臨界位置時(shí),一階響應(yīng)大小會(huì)超過(guò)直接響應(yīng);④仿真結(jié)果的三階響應(yīng)始終不是很大,影響最大的位置是在墻角處。簡(jiǎn)化的光線追跡方法為研究室內(nèi)多個(gè) LED的信道特性提供了一種有效方法。
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[2] 呂鋒, 董偉. 基于LabVIEW的LTE物理上行共享信道仿真[J]. 通信技術(shù), 2011, 44(05): 125-127.
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