新型车载LED光无线通信系统*

曾鹿滨，裴瑞琳，王晨东，朱永清

(1.泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201;2.上海英磁新能源科技有限公司，上海 200434)

前言

光照产业正在大量增加使用白色LED灯作为使用照明源［1］。与传统的照明方式比，白色LED具有更低的能耗、更长的寿命和更小的尺寸。迄今为止，还很少有将LED应用在车载光无线通信的研究，本文中将着重阐述LED应用于车载通信系统的可行性和可应用性。由于LED的低能耗和长寿命，在车库和隧道中使用LED已成为一种趋势。在车库中，当对导航初始化时，常出现不能很快定位的问题，其主要原因是导航终端还需花几分钟进行定位初始化。该难题在现有的机端很难解决，另一个难题就是在车库或隧道中AM/FM信号的丢失问题。本文中，将针对以上问题进行研究。首先描述使用白色LED灯的车库和隧道中车载可见光通信系统;其次详细介绍了在车库情况下的一种可见光通信系统的模型;之后讨论信噪比仿真方法;最后讨论系统的可操作性，并得出最终结论。

1 应用场景

1.1 应用白色LED灯在车库内预定位导航

图1为应用白色LED灯的车库内预定位导航系统。在此条件下，LED灯既被作为照明使用，也被用作发射器来传输信号(如GPS的经纬度信息)给车辆。车库的位置加载到LED灯上，并转换成光信号。在车辆端，使用光敏二极管作为接收器将光信号转换成电信号。因此，所在车库GPS的经纬度信息将能被车机立刻接收，从而大大增快导航的初始化定位。

1.2 隧道数据广播系统技术

图2为应用白色LED灯的隧道数据广播系统，此系统可快速方便地解决FM/AM和GPS的信号丢失问题。其它数据广播也可被应用，例如紧急情况下的交通信息。

2 可见光通信系统模型的设计

该可见光通信系统是建立在基于图1的几何构造下的设计。从LED灯(发射器)到光敏二极管(接收器)，光通过直接和漫射两种途径传播。每个LED有一部分光线通过视线直接传播到接收器，而另一部分则通过车库内各面的漫射传播到接受器。

2.1 发射器部分

发射器由4个LED阵列构成。大多数商用LED的白色光由蓝光和荧光(黄色)两部分构成。图3为白色LED的频谱。其中，第一个尖峰区域由蓝色发光体形成，而第二个比较平滑的峰区域则由因磷粉被蓝色光冲击而产生的荧光形成。

对于Luxeon型号的LED，荧光部分的缓慢响应会将整个调制系统的带宽限制在大约2.5MHz［3］;在充足的光能下，通过使用蓝色光滤波器可使带宽增加到14MHz。

2.2 信道模型部分

图4为室内通信场景的不同信道。

2.2.1 LOS信道

LOS信道有一个非常平滑的频率响应曲线，对大多数信道，有一个D.C.增益H(0)［4］。在LOS连接中，无论是宽还是窄接收角的光敏二极管，D.C.增益H(0)仅表示LOS传播路径。如图4(b)所示，单个LED通信模型可以表示为

式中:APD为探测器的面积;d为发射器和接收器的距离;Ro(φ)为发射器的辐射密度;φ为辐射角;g(φ)为集中增益，g(φ)=n2/sin2φc;φ 为入射角;φc为光敏二极管的覆盖角(FOV);Tf(φ)为光滤波器的增益。假设LED是一个朗伯分布的辐射密度，则Ro(φ)=［(m+1)/2π］cosmφ，m 为朗伯级数，m=-ln2/lncosφ1/2，φ1/2为半功率发射角。

假设系统的NT个发射器(LED阵列)和NR个接收器(光敏二极管)所形成D.C.增益组成矩阵H，其中某一信道的增益为hij，即为发射器i到接收器j的增益。

假设发射器i包含K个LED，hij则为发射器中所有LED到第j个接收器的增益累加，即

当只有一个接收器的情况下(NR=1)时，hij则被简化为

则式(2)可简化为

2.2.2 漫反射信道

对于漫反射信道的建模，有两种广泛使用的方法。一种是假设将房间内部表面分成微小的漫反射单元，然后被漫反射的光，为所有漫反射单元的总和［5-6］;另一种是利用光线跟踪方式来追踪一个光子从发射端到接收端的整个路径［7］。这个信道响应是基于从大量的传播实验提取的统计数据。相比前一种方法，这种方法更加可靠，但效率偏低。

本文中的建模使用一个积分球体模型来保证准确和效率。由于漫反射信道的脉冲与积分球的脉冲非常接近［8］，一种积分球模型被应用到研究的室内模型(车库通道)中。通过车库通道表面Agarage的第一次漫反射信道为

式中:ρ1为表面反射率;PLED为一个LED的平均发射功率。

平均反射率ρave定义为

式中:ρi为室内墙面、窗户和其他物体的单个反射率;Ai为每个表面的面积。

因此，强度总和是对所有分强度的累加，即

式中:i为反射的次数。

接收器被假设为车库通道表面很小的部分，所以在接收面积Arx接收的漫反射功率pdiff为

式中:Arx为经过集中器接后接收面积;Tf(φ)为光滤波器的增益。

2.2.3 环境光噪声

光无线传输系统常会被环境光噪声所干扰［9］，包括日光、钨丝灯、白炽灯和荧光灯等光源［10-14］。每种光都有特别的特性和光谱。图5是几种常见的环境光源光谱［4］。

信道信号和D.C.光电流和环境光也会产生散粒噪声。在一般的光无线通信系统中，环境光产生绝大部分的散粒噪声。

2.3 接收器

接收器包括光集中器、探测器和一个放大器。在有效光入射范围内，有效光接收面积Arx为

式中:APD为光探测器的面积;n为集中器折射系数。

在接收器端，接收信号为

对于独立的接收器，有

式中:Psignal为平均接收功率;Pambient为环境光中收到的功率，Pambient=χampAirx2π(1-cosφc)，χamp为环境噪声光电流;B为接收器的带宽;iamp为放大器的噪声电流强度。在仿真中，随机信号发生器产生的白噪声被作为近似噪声加载到信号中。

3 信噪比SNR仿真和性能评估

车库通道的天花板上安装了4个LED大灯，接收器平面(车的顶部)大约距天花板2.5m，仿真参数见表1。天花板模型如图1和图6所示，本研究主要使用较为通用的大反射罩LEDIP65来照明，此照明设计能满足车库至少150Lux照明亮度的要求。

表1 车库通道仿真参数

光从车库通道天花板上每个LED传输到位于车顶端的接收器上。传输性能依赖系统的信噪比SNR。在车库通道中，对接收平面不同点的SNR进行计算后，得到整个接收平面的SNR分布图，如图7所示。系统信噪比是一个关于位置变量的函数，如果通信系统的比特误差率BER在10-6内，则要求SNR达到15.6dB。仿真结果显示，此车库通道中SNR非常高，在4个角落处 SNR最低也达到59.5dB，远大于15.6dB的要求，因此，此车库通道光无线系统的光传输功率评估足以满足14Mbit/s的单信道数据传输速率的要求。

4 结论

本文中描述了一种车库光无线通信模型。基于此模型，通过车库通道信噪比SNR分布图计算得到在使用LED灯阵列的安装方式下，光功率足以提供一个单信道数据传输。在SNR分布图中，SNR最低值为59.5dB，远大于13.5dB(比特误差率 BER为10-6的要求)。在没有使用光滤波器和多信道情况下，系统传输速率达到14Mbit/s，可用于数据广播和GPS传输。将来的工作重点主要集中在演示实验系统的建立和更高传输速率的设计方案。

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