室内可见光LED信道特性研究

谭家杰，邹常青

（衡阳师范学院 物理与电子信息科学系，湖南 衡阳421008）

0 引言

可见光通信（VLC，Visible Light Communication）是随着LED技术的兴起而产生的新技术。对于室内白光LED照明通信来说，信道特性依赖于光线在反射面的反射特性和空间传输路径，因此研究者主要关心的是接收器所接收信号的总功率分布空间分布以及时间分布。目前在可见光通信信道时域特性方面，大部分都是借鉴无线通信的模型。田怡根据IEEE802.20信道模型得到信道的时域、频域特性[1]。吕锋用软件仿真了物理上行信道[2]。在可见光信道方面，张立等利用室内信道模型对室内无线光通信的多径效应进行了分析[3]。Komine和Grubor采用递归方法对信道特性进行了研究[4-6]。这里提出了采用简化的光线追迹法来研究信道的特性。

1 多LED通信系统及照明布局

建立如图1所示的坐标系，四个LED灯具A、B、C、D组成多发射通信系统，它们的中心坐标为：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)。

图1 室内多LED通信系统组成

接收器位于接收平面内组成下行通信链路。为研究通信系统的信道特性，假设天花板、墙面和地板的反射率为固定值，分别为0.8、0.5和0.2。LED灯具采用方形结构，采用LUXEON LED，只需100个LED便能够提供足够的照明，每个LED灯具采用25个LED组成5×5方形阵列，灯具的LED间距为 0.25d= m。该布设符合照度均匀性要求，且接收平面内最大照度为1464 lux，最小照度为350 lux，满足ISO国际标准组织的室内照明300～1500 lux要求[4]。

2 信道特性计算方法

信道的脉冲响应一般表达式表示为：

Si代表第i个发射器，相应的R为接收器，式（1）的第一部分是直射信道的脉冲响应，第二部分则是漫反射信道的脉冲响应。其中，上标代表接收器接收的信号在信道中经过反射的次数，这里定义 k = 0 的响应为直接响应，k = 1 的响应为一阶响应，k = 2 的响应为二阶响应，依此类推。k阶响应可以表示为：

dk为k阶响应从发射器到接收器的距离，每经过一次反射的距离。ρk为k阶响应的总反射率，为第i次反射面的反射系数。lk为光线经过k次反射的实际路径长度，为接收器的聚光器表达式，φk是接收器的入射角，δ（ t - lk/c ）反映的是信号的延时情况。

计算接收器的脉冲响应，主要从两个方法来考虑：第一，把时间分成等间隔，每个时间间隔为0.5 ns，计算接收器在不同时间间隔接收信号的大小。第二，将室内的墙面、地面、天花板分成 50×50的小格，当光信号进入某小格时，就认为在此小格中产生朗伯分布的光源。在计算脉冲响应时，跟踪LED灯发射的光线，得接收器的信号大小为：

3 信道特性的仿真

3.1 仿真方法

信道仿真方法是按照反射次数进行。当反射次数很高，由发射装置进入接收器的信号非常小，因此在进行光线追迹时无需考虑反射的次数过高，这就是这种方法的基本思想。

3.2 仿真参数

为了研究多个LED信道的特性，选择合适的仿真参数十分重要。这里将光电探测器的参数、 LED及其相关参数加以说明。光电探测器采用PIN管，它的接收视场角为600，探测器的聚光器的折射率为1.5，光学滤波器的增益为1.0。对于探测器来说非常中的参数为电光转换效率R=0.45 A/W，探测器的有效面积为1 cm2。LED的仿真参数有发射半角，它的大小为1000，LED功率为1 W。由LED组成的灯具尺寸为1 m ×1 m，每个LED灯具由25个LED组成，因此整个仿真共有100个LED。房间的大小为6 m×6 m×3 m。

3.3 信道特性的仿真结果

仿真时选择3个接收器放置在房间对角线上，1个靠近墙面，4个接收位置参数分别为：（3.0，3.0，0.85）、（1.75，1.75，0.85）、（0.5，0.5，0.85）、（3.0，0.5，0.85）。采用简化的光线追迹法，得到接收器在（3.0，3.0，0.85）位置的各阶脉冲响应如图2所示。

图2 在（3.0，3.0，0.85）处的仿真结果

由图 2可知，直接响应的起止区间为（8.58，11.84）；一阶响应的起止区间为（15.54，39.29）；二阶响应的起止区间为（35.3，1712.60）；三阶响应为（49.60，13984.00）。各阶响应中最大的是直接响应h0（t），一阶响应h1（t）次之，三阶响应最小。

把各阶响应按照式（3）求和，得到如图 3的信道脉冲响应。图3中存在三个比较明显的尖峰。第一个尖峰发生的时间为8.94 ns，第二个尖峰的时间为18.95 ns，第三个尖峰时间为28.02 ns。将上述数据结合图2可以判断，第一个尖峰是由直接脉冲响应产生，而与其它响应无关。第二、三尖峰是由一阶响应产生的。后面的小峰则是由二、三阶响应共同作用产生的。第一个尖峰是 LOS信道响应，其他属于non-LOS信道响应。信号通过 non-los信道传输的距离比较远，因而滞后于直接响应。如果系统的传输速率很高，那么non-LOS信道响应会落到其他信号的区间，从而造成通信系统产生码间干扰。采用相同方法，可得到接收器在其他位置的脉冲响应。当接收器位于（0.5，0.5，0.85）时，出现了较奇特的现象，信道的直接响应变小，一阶响应变大，并且一阶响应超过了直接响应。说明此处的non-LOS信道响应超过了LOS信道，占据主导地位。由于篇幅关系，在其他位置的各阶脉冲响应就不列出。

图3 在（3.0，3.0，0.85）信道的仿真结果

为了研究信道的直接响应和一阶响应在室内接收平面的分布情况，这里选择了过（0.0，0.0，0.85）、（3.0，3.0，0.85）、（6.0，6.0，0.85）的轴线，得到如图4所示的对比图。图4中直接响应的变化规律是：在墙角位置的直接响应值最小，向中心位置逐步增加，越过中心位置又逐渐减少。图 4中的一阶响应变化规律为：靠近墙角或墙面位置时的响应最大，离开时，其响应值逐步减小。其中沿对角方向在离墙角0.8 m位置一阶响应超过直接响应。

图4 沿对角线方向对比

4 结语

通过采用简化的光线追迹法对室内可见光信道脉冲响应进行仿真，得如下结论：①室内可见光LED通信信道的脉冲响应与接收器、发送装置的位置密切相关，即信道的冲激响应随接收器和发射装置不同位置而不同；②在房间中心部位时，直接响应比一阶响应大；③当接收器逐渐靠近墙面或墙角位置0.7～0.8 m临界位置时，一阶响应大小会超过直接响应；④仿真结果的三阶响应始终不是很大，影响最大的位置是在墙角处。简化的光线追迹方法为研究室内多个 LED的信道特性提供了一种有效方法。

[1] 田怡. 基于IEEE802.20信道模型的仿真分析[J]. 通信技术, 2010,43(07): 147-149.

[2] 吕锋, 董伟. 基于LabVIEW的LTE物理上行共享信道仿真[J]. 通信技术, 2011, 44(05): 125-127.

[3] 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, 43(07): 198-200.

[4] KOMINE T, NAKAGAWA M. Fundamental Analysis for Visible-light Communication System Using LED Lights[J]. Consumer Electronics, IEEE Transactions on, 2004, 50(01): 100-7.

[5] GRUBOR J, RANDEL S, LANGER K D, et al. Broadband Information Broadcasting Using LED-Based Interior Lighting[J]. Lightwave Technology, 2008, 26(24): 3883-92.

[6] KOMINE T，LEE J H，NAKAGAWA M H S. Adaptive Equalization System for Visible Light Wireless Communication Utilizing Multiple White LED Lighting Equipment[J].Wireless Communications,IEEE Transactions on,2009，8(06):2892-2900.