室内可见光通信遮挡场景下的可靠性评估

杨春勇，杨　杰，侯　金，陈少平

(中南民族大学 电子信息工程学院，智能无线通信湖北省重点实验室，武汉 430074)



室内可见光通信遮挡场景下的可靠性评估

杨春勇，杨杰，侯金，陈少平

(中南民族大学 电子信息工程学院，智能无线通信湖北省重点实验室，武汉 430074)

摘要针对室内可见光通信应用场景，采用光线追踪方法分析了无遮挡、半遮挡和全遮挡三种模型下信号传输特性，研究了接收机探测器视场角与三种模型下通信性能之间的对应关系.研究结果表明：探测器所处状态由全遮挡模型切换至半遮挡模型时，平均接收信噪比仅降低1.51dB.切换至全遮挡状态时，平均信噪比降至11.96dB，室内中心接收点仍能满足通信基本要求.当视场角为50°时，可满足室内不同遮挡模型切换时信号不中断的通信需求.

关键词光通信；可见光通信；遮挡场景；视场角

Evaluation of Reliability on Indoor Visible Light Communication under Shading Scenario

YangChunyong,YangJie,HouJin,ChenShaoping

(Hubei Key Laboratory of Intelligent Wireless Communication, College of Electronics and Information Engineering, South-Central University for Nationalities,Wuhan 430074,China)

AbstractAiming at indoor visible light communication scenarios, the ray tracing method is used to analyze signal transmission characteristics of unobstructed、half blocked and full blocked model, and investigate the corresponding relationship between the field of view of the receiver concentrator and the performance of three models. The numerical results show that, when the state of detector switches from unobstructed model to half blocked model, the average received SNR only decreases 1.51 dB. While the state switches to full blocked model, the average SNR reduces to 11.96 dB, furthermore, the center receiving point of the room can still meet the basic requirements of communication. When the field of view is 50 °, it can meet the requirements of continuous communication for hand over between different indoor blocked models.

Keywordsoptical communications; visible light communication; shading scenario; field of view

可见光通信(VLC)因频谱资源丰富、保密性强、无电磁干扰等优点在通信领域备受关注[1-3]，遮挡效应是影响其获得广泛应用的关键性因素，近年来人们一直致力于突破这项障碍.

可见光波长较短，信号强度在遮挡下衰减严重.针对阴影遮挡问题，文献[4,5]以人引起的遮挡为例，研究了红外通信中阴影遮挡对室内信道特性的影响.文献[6]分析了VLC链路阴影遮挡时，LED数量变化对通信性能的影响，确定了最优化LED数量.文献[7]基于室内可见光信道特性研究了墙面反射及码间干扰对通信性能的影响，发现码间干扰会随着传输速率及视场角(FOV)的变化而变化.文献[8]基于室内动态环境模型，对人移动引起的信道特性变化进行了分析和讨论，证明了VLC适用移动通信的可行性.文献[9-11]通过布局LED阵列来增加室内可见光信号的覆盖范围，同时采用空间复用技术提升系统的传输速率.总之，遮挡场景的不确定变换是影响室内VLC通信持续性的重要因素.

目前，鲜见不同遮挡模型下影响通信性能关键因素的分析.为此，本文从物理模型构建入手，基于室内可见光漫射链路的信道特性，用接收信噪比(SNR)来评估通信性能，通过计算接收SNR的分布特性，研究不同通信场景下通信性能的变化；同时，对不同通信模型下的码间干扰(ISI)、平均接收SNR与接收机FOV之间的关系进行了分析，最终获得FOV的优化，为可见光通信的室内多场景应用提供理论基础，同时为多场景下接收机的FOV选择提供有益参考.

1系统模型

1.1室内物理模型

在室内VLC中，发送端与接收端之间直射链路常因接收端位置变化而出现阴影遮挡.根据室内常见使用场景，建立如图1(a)、(b)、(c)3种物理模型.结合工程实际，为增大信号的室内覆盖范围并使室内信号覆盖更加均匀，模型发送端采用LED方形阵列布局.图1(a)所示模型中发送端4LED阵列与接收端光电探测器之间直射链路无任何遮挡，定义为无遮挡模型；图1(b)所示模型中T3、T4阵列与探测器R之间直射链路受遮挡物遮挡，T1、T4阵列与R之间无直射遮挡，定义为半遮挡模型，图中所示P1为遮挡物模型；图1(c)所示模型中4LED阵列与探测器R之间直射链路均被遮挡物P2阻挡，发送阵列仅能通过墙面一次反射与探测器R建立链接，定义为全遮挡模型.由文献[7]可知，室内二次反射及二次以上反射信号功率对接收总功率占比仅1.5%，为简化分析，在以下仿真计算中，仅考虑直射信号及一次反射信号功率对系统性能的影响.图中T1、T2、T3、T4均表示发送LED阵列，4阵列呈方形布局，位于天花板对角线上，每个阵列由16个LED灯按4×4方式排列.图中A、B表示墙面反射面元，图1(a)所示T1→A→R及图1(c)所示T2→B→R均代表信号一次反射传递路径，T1→R均代表信号直射传递路径.图1(d)为VLC室内信道模型，可见光信号通过直射和反射两种路径到达接收端探测器.为便于信道特性分析，假定各墙面均为固定反射系数，接收端探测器位于室内离地高0.8m桌面上.

图1　a) 无遮挡模型； b) 半遮挡模型；　　　c) 全遮挡模型；d)室内信道模型Fig.1　 a) unobstructed model b) half blocked model　　　c) full blocked model d) Channel model of indoor

1.2可见光信道模型

可见光接收端总接收功率Pr可以写为：

Pr=PtHd(0)+∫PtHref(0),

(1)

其中，Hd(0)和Href(0)分别为直射链路和反射链路的信道传递函数，Pt为总的发射光功率.

直射链路的信道传递函数可以写为：

Hd(0)=

药学服务是一项技能型实践工作，其能力的培养则需以岗位的需求为标准，无论是学习理论知识或进行项目实践实训，还是考核评价都应符合岗位的要求，真实地反映学生对药学服务相关岗位的适应情况。

(2)

(3)

其中n为聚光器折射率.在可见光漫射链路中，发射端LED灯可看作是一个理想的朗伯强度辐射体[13]，所有墙面反射点也近似看作朗伯辐射体[14].反射链路的信道传递函数可以写为：

(4)

其中，d1为LED灯与墙面反射点之间的距离，d2为墙面反射点与接收机之间的距离，ρ为墙面反射系数，Aw为墙面反射面元面积，θ1为发送端LED的辐射角度，θ2为墙面反射点的辐射角度.

1.3噪声模型

在室内可见光通信系统中，主要噪声包含散粒噪声、热噪声及码间干扰.接收SNR可以表示为：

(5)

(6)

(7)

其中，I2、I3均为噪声带宽因子，k为波尔兹曼常数，Tk为绝对温度，G为开环回路电压，η为光电探测器单元面积下的电容，其他的参数均取自于文献[7],具体定义见表1.其中，η表示房间墙面的反射系数.

表1　系统参数

漫射链路模型中，多路径脉冲信号到达接收端时延不同，信号的重叠会导致采样判决错误，出现码间干扰.如图2所示，若信号到达接收端的脉冲时延比最短信号脉冲时延大半个符号周期，则判定此信号为码间干扰信号[16]，否则视作有效接收信号.有效接收信号总功率及码间干扰信号功率可分别写为：

(8)

(9)

其中,j为信号到达光电探测器的路径数，T为符号周期,Pi为第i路径信号到达接收端功率.

图2　多径叠加带来的信号码间干扰Fig.2　ISI caused by multiple transmissions through different paths

2仿真与分析

按照如图1场景所示的模型配置，相关参数见表1.为便于突出所讨论问题，不失一般性，暂不考虑普通LED调制带宽上限这一因素的影响，仅以OOK(On off keying)调制方式为例，分析3种不同模型下接收SNR.通过光线追踪方法对最短信号路径对应的脉冲时延进行Matlab数值计算，以聚光器视场角60°为例，可得如图3所示结果.由上述噪声模型可知，最短信号路径对应的脉冲时延是判决码间干扰信号强度的重要因素.图3(a)、(b)、(c)仿真结果显示，因阵列正下方直射链路路径长度最短，故无遮挡模型中LED阵列正下方时延较短；无全遮挡模型中最短信号路径均来自反射链路，其平均时延要远高于无遮挡和半遮挡模型.

a)无遮挡模型，平均时延=2.4221ns；b) 半遮挡模型，平均时延=2.4339ns；c) 全遮挡模型，平均时延3.1399ns图3　各接收点最短时延 Fig.3　The shortest delay of different location

a)无遮挡模型，平均SNR=22.0894dB；b) 半遮挡模型，平均SNR=20.5737dB；c) 全遮挡模型，平均SNR=11.9656dB图4　室内各接收点SNR分布图 Fig.4　Distribution of receiving SNR

继续对室内各接收点SNR分布进行计算，图4(a)、 (b)仿真结果显示，方形阵列布局下接收平面各点接收SNR较为均匀，无遮挡模型下室内大部分接收点均满足通信的基本要求13.6dB[7]；相对于无遮挡模型，当光电探测器处于半遮挡模型时，接收平面各点平均SNR仅降低1.516dB，由此可知，由无遮挡状态切换至半遮挡状态时接收SNR未有明显变化，通信质量未明显衰减；而当探测器处于全遮挡状态时，平均SNR相对于无遮挡状态将降低至11.9656dB,如图4(c)所示，通信性能也将明显恶化.

上述结果表明，探测器由无遮挡模型变换至半遮挡模型时仍能保持较好的通信质量，即使切换至全遮挡状态，室内部分接收点仍能满足13.6dB的通信基本要求.

通过对(2)、(4)式分析可知，当减小FOV时，聚光器增益会提高，接收功率会相应增大；另一方面，对于不同的室内模型，小FOV将限制一些来自直射链路或一次反射链路信号进入接收机，导致接收功率有所下降，为进一步弄清FOV变化对不同模型下系统传输性能的影响，继续对各模型下FOV与平均信噪比之间的关系进行仿真计算，结果如图5所示.图中结果显示，在不同的FOV下，半遮挡状态下SNR相对于全遮挡均未有明显降低；全遮挡模型下SNR下降严重，且随着FOV增长，平均接收SNR均下降；当FOV<40°时,无遮挡模型房间中心位置开始出现有效接收信号盲区，如图6(a)所示;当FOV<50°时，极少量有效一次反射信号进入接收机，导致全遮挡时房间中心位置信噪比极低，全遮挡模型下房间中心位置出现有效接收信号盲区，如图6(b)所示 .

因此，根据室内常用场景需求可灵活设置视场角，考虑到室内实用场景中各种不同遮挡模型切换下信号不中断的通信需求，FOV=50°为较佳的视场角状态.

图5　平均接收SNR与FOV的关系Fig.5　The relation between the average SNR and FOV

a)无遮挡模型 FOV=35°；b)全遮挡模型 FOV =45°图6　接收SNR的室内分布Fig.6　Distribution of receiving SNR

图7　ISI信号功率与FOV的关系Fig.7　The relationship between the FOV and ISI power

继续对不同模型下码间干扰信号随FOV的变化规律进行计算分析，图7显示的是ISI信号功率与视场角FOV的关系图.由于无遮挡模型下某些房间边缘点接收到的直射信号因时延过长被判决为ISI信号，导致无遮挡模型下ISI信号功率在不同FOV时均高于半遮挡模型，且全遮挡模型下ISI信号功率在3种模型中最低.当FOV增大时，各模型下的平均ISI信号功率均提升，其中全遮挡及半遮挡模型下在FOV>50°时，ISI功率显著提升了.为适应不同模型下最优FOV的选择提供了理论支撑.

3结语

分析了室内VLC系统多种通信场景下的通信性能，研究了接收机探测器FOV与多通信场景下通信质量之间的密切关系.从多场景遮挡建模着手,对室内VLC系统多模型下通信质量进行了仿真计算和讨论.据计算和分析得知，探测器由全遮挡模型变换至半遮挡模型时仍能保持较好的通信质量，即使变换至全遮挡状态，室内中心部分接收点仍能满足通信基本要求.为满足室内应用场景中各种不同遮挡模型的平滑切换，FOV=50°为优化的视场角状态.此外，不同模型下码间干扰信号功率随FOV增大而增大，为接收机FOV的选择和设计提供了理论支撑.

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中图分类号TN914

文献标识码A

文章编号1672-4321(2016)01-0089-06

基金项目国家自然科学基金资助项目(61002013、11147014); 湖北省自然科学基金资助项目(2014CFA051)

作者简介杨春勇(1975-)，男，教授，博士，研究方向：光通信系统与网络、无线传感器网络和仪器仪表， E-mail:cyyang@mail.scuec.edu.cn

收稿日期2016-01-10