馮 慶 ， 方安安，汪蓉蓉

(南昌大學(xué)信息工程學(xué)院電子系，江西南昌 330031)

LED擁有極短的響應(yīng)時(shí)間、高速的調(diào)制特性、極高的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，使其成為照明和通信的雙用基站?；贚ED的可見(jiàn)光通信技術(shù)是一種使用可見(jiàn)光作為信號(hào)載體的無(wú)線通信方式，它與其他無(wú)線通信技術(shù)相比，在電磁輻射、發(fā)射功率、通信效率、安全性等方面都具有很大的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)成為各個(gè)國(guó)家爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)。但可見(jiàn)光通信也有其無(wú)法回避的問(wèn)題，比如由多徑干擾引起的碼間串?dāng)_、傳輸發(fā)散損耗較大、發(fā)射功率利用率不高等問(wèn)題，影響了系統(tǒng)的整體性能。本文針對(duì)這一問(wèn)題，提出可見(jiàn)光通信與激光通信相結(jié)合，既維持了LED燈的雙用基站功能，又優(yōu)化了系統(tǒng)性能，構(gòu)建了由LED照明燈發(fā)送信息給終端用戶的下行鏈路以及由終端向基站發(fā)送信息的上行鏈路，并通過(guò)光碼分多址技術(shù)，利用具有良好性能的光正交碼對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

1 系統(tǒng)原理

1.1 OCDMA 技術(shù)

OCDMA技術(shù)的原理是給每個(gè)用戶分配一個(gè)地址碼，由編碼器對(duì)用戶信號(hào)進(jìn)行編碼，各用戶的編碼信號(hào)經(jīng)星型耦合器疊加，形成一個(gè)總的信號(hào)矢量送入信道傳輸。接收端解碼器對(duì)收到的序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，并進(jìn)行解擴(kuò)處理，通過(guò)門(mén)限判定恢復(fù)出源信號(hào)。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 OCDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

OCDMA技術(shù)具有優(yōu)良的安全性、抗干擾性、隨機(jī)接入等優(yōu)點(diǎn)，使得系統(tǒng)更加高效、可靠和組網(wǎng)靈活，可以很好地應(yīng)用于室內(nèi)可見(jiàn)光無(wú)線通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多用戶間的信息傳輸。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

可見(jiàn)光無(wú)線通信局域網(wǎng)的一種典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。其基本原理是用戶終端發(fā)出的數(shù)據(jù)源經(jīng)過(guò)OCDMA編碼后，驅(qū)動(dòng)用戶終端適配器的光源發(fā)送信號(hào)，調(diào)制方式選擇OOK調(diào)制，設(shè)置在頂部的光電探測(cè)器接收到發(fā)出的光信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并送入集線器，集線器再分時(shí)段地將信息以廣播的方式通過(guò)主光源LED發(fā)送給終端用戶，終端用戶適配器通過(guò)將發(fā)來(lái)的信號(hào)與本地地址碼作相關(guān)運(yùn)算，如果匹配則接收，如果不匹配則放棄，這樣就構(gòu)建了基站和終端的雙向通信，實(shí)現(xiàn)了用戶間的數(shù)據(jù)傳輸。主光源LED兼具照明和通信的雙重功能。

圖2 室內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

終端適配器的原理框圖如圖3所示。

圖3 終端適配器原理框圖

本文用激光代替LED作為“用戶光源”，利用激光通信實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的上行鏈路。與LED光源相比，激光發(fā)散角小、方向性好、光譜線寬窄，并且由于是用于室內(nèi)短距離通信，只需要小功率的激光束即可滿足系統(tǒng)需要，無(wú)須光束自動(dòng)跟蹤，大氣湍流等影響也可忽略不計(jì)。

光在大氣中傳播時(shí)，根據(jù)朗伯定律，其能量衰減可表示為

2 誤碼率分析

系統(tǒng)采用OCDMA編碼，設(shè)局域網(wǎng)內(nèi)有N個(gè)用戶獨(dú)立地發(fā)送數(shù)據(jù)，bi(t)表示第i個(gè)用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)源，即

式中:PT(t)為持續(xù)時(shí)間為T(mén)的矩形脈沖;b(i)k取值為0或+1。信號(hào)采用光強(qiáng)調(diào)制，則經(jīng)過(guò)調(diào)制后的光載波強(qiáng)度為

式中:I0為調(diào)制前的光載波強(qiáng)度;I(t)為調(diào)制后的光載波強(qiáng)度。令mi(t)為(L，w，1)光正交碼，則

式中:PTc(t)為持續(xù)時(shí)間為T(mén)c的矩形脈沖;a(i)j為第i個(gè)用戶地址碼的一個(gè)元素，取值0或1，經(jīng)開(kāi)關(guān)鍵控后的輸出為

則N個(gè)用戶的疊加信號(hào)為

經(jīng)信道傳輸后接收信號(hào)為

這里假設(shè)用戶1發(fā)送信號(hào)給基站，則基站接收到的信號(hào)為

式中:等號(hào)右側(cè)第1項(xiàng)是希望得到的信號(hào);第2項(xiàng)是其他N－1個(gè)用戶的干擾;第3項(xiàng)是信道高斯噪聲干擾。因此式子可以簡(jiǎn)寫(xiě)成

根據(jù)光正交碼理論得到N個(gè)用戶情況下誤碼率的概率密度函數(shù)為

接收機(jī)熱噪聲方差為

式中:L為正交碼碼長(zhǎng);k為玻爾茲曼常數(shù);設(shè)接收機(jī)的光電轉(zhuǎn)換率R=0.52 A/W;絕對(duì)溫度Tk=300 K;開(kāi)環(huán)電壓G取10 mW;暗電流取I3=0.086 8 A;場(chǎng)效應(yīng)管跨導(dǎo)gm=30 mS;場(chǎng)效應(yīng)管噪聲因子Γ=1.5;接收機(jī)單位面積固定電容η =112 pF/cm2;噪聲帶寬因子I2=0.562 A。

背景光引起的散粒噪聲方差為

式中:q為電子電荷;背景光電流Ibg=5 100 μA。

對(duì)于可見(jiàn)光，其接收信號(hào)信噪比為

其中H(0)為

式中:m為光源的輻射模式;A為探測(cè)器接收面積;l為發(fā)射端與接收端之間的距離;φ為發(fā)射角;ψ為入射角;Ts(ψ)為光濾波器增益;g(ψ)為基站接收機(jī)光集中器的集中系數(shù);ψc為接收機(jī)視角。

將式(14)、(15)代入式(11)中，得其誤碼率為

對(duì)于激光，其接收信號(hào)信噪比為

式中:τ(l)=exp(－βl);ηt為天線發(fā)射效率;ηr為接收效率;dr為接收天線孔徑;θ為光束發(fā)散角;l為發(fā)射端與接收端之間的距離。

將式(17)代入式(11)，得其誤碼率為

3 仿真與分析

上行鏈路采用可見(jiàn)光時(shí)，令接收機(jī)面積A=1 cm2，基站接收角ψ為0°，終端信號(hào)發(fā)射角φ為60°，接收機(jī)光濾波器透射系數(shù)Ts(ψ)為0.9，光集中器集中系數(shù)g(ψ)為1，接收機(jī)FOV為60°;當(dāng)用激光實(shí)現(xiàn)上行鏈路，設(shè)置接收天線孔徑為10 cm，光束發(fā)散角取1 rad，選取波長(zhǎng)為1.06 μm 的激光，發(fā)射接收效率為 0.95，衰減系數(shù) β =10 dB/km。采用(512，5，1)的正交碼對(duì)多用戶信號(hào)進(jìn)行編碼。圖4反映誤碼率與傳輸距離的關(guān)系，從仿真結(jié)果來(lái)看，隨著傳輸距離的增加，傳輸損耗會(huì)增大，導(dǎo)致接收信號(hào)信噪比下降，系統(tǒng)誤碼率上升。終端適配器光源改為激光后，系統(tǒng)誤碼率相對(duì)更低。圖5反映誤碼率與判決門(mén)限的關(guān)系，仿真圖顯示隨著判決門(mén)限的上升，信源傳輸?shù)摹?”碼誤判為“1”的概率下降，從而使系統(tǒng)誤碼率下降。用戶光源改為激光后，系統(tǒng)誤碼率更低，并且隨著th的上升，下降幅度更大。圖6反映了誤碼率與碼重的關(guān)系，從仿真圖來(lái)看，隨著碼重的增加，多用戶之間的干擾會(huì)增加，從而導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率上升。上行鏈路改用激光通信后，系統(tǒng)誤碼率明顯更低，系統(tǒng)性能更好。

圖4 誤碼率與距離l的關(guān)系

圖5 誤碼率與判決門(mén)限th的關(guān)系

4 小結(jié)

本文提出用激光取代可見(jiàn)光作為系統(tǒng)上行鏈路的光源，采用可見(jiàn)光通信與激光通信相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無(wú)線通信局域網(wǎng)，并用OCDMA技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼傳輸。將系統(tǒng)改進(jìn)前后的性能進(jìn)行對(duì)比分析并進(jìn)行仿真，結(jié)果表明改進(jìn)后的系統(tǒng)誤碼率低于上、下行鏈路均采用可見(jiàn)光通信的系統(tǒng)，性能有了明顯的改善，能較好滿足局域網(wǎng)中用戶的通信需求。

圖6 誤碼率與碼重w的關(guān)系

:

［1］于志剛，陳長(zhǎng)纓，趙俊.白光LED照明通信系統(tǒng)中的分集接收技術(shù)［J］.光通信技術(shù)，2008，32(9):52－54.

［2］張士兵，包志華，徐晨.近距離無(wú)線通信及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.電視技術(shù)，2006，30(6):62－64.

［3］KOMINE T，NAKAGAWA M.Fundamental analysis for visible light communication system using LED light［J］.IEEE Trans.Consumer Electronics，2004，50(1):100－107.

［4］李傳起，李曉濱.光纖通信 OCDMA系統(tǒng)［M］.北京:科學(xué)出版社，2008.

［5］丁德強(qiáng)，熙政.一種基于可見(jiàn)光通信的無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真［J］.西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，(23):114－117.

［6］SALEHI J A.Code division multiple－access techniques in optical fiber network－partⅡ:System performance analysis［J］.IEEE Trans.Commun，1989，37(8):824－833.

［7］KAHN J M，BANY J R.Wireless infrared communications［J］.Proceeding of the IEEE，1997，85(2):265－298.