可见光无线通信网络性能分析

仇洪光

（山东省邮电规划设计院有限公司，山东 济南 250000）

0 引 言

随着移动互联网和物联网的迅速发展，无线通信技术的需求也不断增加。可见光通信作为一种新型的无线通信技术，具有频谱资源丰富、不受电磁干扰的优点，因此越来越受到广泛关注。

可见光通信技术是指利用可见光波段进行通信的技术，其通信介质为LED 或LD 等可见光发光体。相比于传统的无线通信技术，可见光通信技术具有更高的通信速率和更低的功耗，并且可以广泛应用于各种场景，如室内通信、车联网、智能家居等领域。

可见光通信技术具有以下几个优点。

（1）频谱资源丰富。可见光通信使用的频段在100 THz左右，比传统的无线通信技术的频段要宽得多，可以提供更高的通信速率和更好的通信质量。

（2）不受电磁干扰。可见光通信使用的是可见光波段，与无线电波不同，不会对其他无线设备产生电磁干扰，因此可以保证通信的稳定性和可靠性。

（3）安全性高。可见光通信使用的是光信号进行通信，不易被窃听和破解，可以保证通信的安全性。

（4）环保节能。可见光通信使用的是LED 等发光体作为通信介质，具有低功耗、长寿命和环保节能等优点，可以减少能源消耗和环境污染。

本文的研究目的是通过对可见光无线通信网络的性能分析，深入探讨可见光通信技术的发展和应用前景，并且为可见光通信技术的研究和应用提供参考。

1 可见光通信系统架构

可见光通信系统由发射端、传输介质和接收端三部分组成。发射端主要负责将电信号转换为可见光信号，并将信号通过传输介质传输到接收端；传输介质主要是空气或光纤等，用于传输可见光信号；接收端主要负责将接收到的可见光信号转换为电信号并进行解码。可见光通信系统的各个组成部分详细介绍如下。

1.1 发射端

发射端主要由光源、调制器和控制电路组成。光源一般采用LED 或LD 等可见光发光体，可以将电信号转换为可见光信号。调制器主要用于对可见光信号进行调制，常见的调制技术包括强度调制、频率调制、相位调制等。控制电路主要用于控制光源和调制器的工作状态，保证信号的正常传输。

1.2 传输介质

传输介质主要是空气或光纤等，用于传输可见光信号。在室内环境中，可见光信号主要是通过反射和散射进行传输，因此需要对室内环境的反射和散射特性进行建模和优化设计，以提高信号的传输质量。

1.3 接收端

接收端主要由接收器、解调器和控制电路组成。接收器一般采用光电转换器，可以将接收到的可见光信号转换为电信号。解调器主要用于对接收到的信号进行解调，并将解调后的信号送入控制电路进行后续处理。

可见光通信系统的整体架构如图1 所示。其中发射端将电信号通过调制器转换为可见光信号，并通过传输介质传输到接收端；接收端将接收到的可见光信号通过接收器转换为电信号，并通过解调器进行解调，最终将解调后的信号送入控制电路进行后续处理。

图1 见光通信系统的整体架构

2 可见光通信信道模型

2.1 光学信道传输模型

可见光通信信道传输模型是可见光通信系统设计和性能分析的重要基础，其中光学信道传输模型是最为关键的一部分。光学信道传输模型主要是描述可见光信号在空气或光纤等介质中传输过程中的衰减和失真情况。通常采用光学传输方程来描述光学信道传输模型，其基本形式为

式中：PR为接收端接收到的信号功率；PT为发射端发射的信号功率；GT和GR分别为发射端和接收端的天线增益；θ为信号传输方向与天线指向方向之间的夹角；AT和AR分别为发射端和接收端的有效接收面积；d为发射端和接收端之间的距离。

温衡发现半年不见，陶小西长高了，嗓音也变粗了，女生还坐在他的自行车后座上，陶小西顺着温衡的目光，才恍然大悟似的介绍了女生。

在可见光通信系统中，由于光信号在传输过程中会受到衰减和失真的影响，因此需要对光信号的衰减和失真特性进行建模和分析。常见的光学信道传输模型包括直线传输模型、反射传输模型和漫反射传输模型等。

直线传输模型是指可见光信号在空气或光纤等直线介质中传输的模型，其传输损耗与传输距离的平方成反比，用公式表示为

式中：LdB为信号传输损耗；d为发射端和接收端之间的距离；d0为是参考距离。

反射传输模型是指可见光信号在室内环境中通过墙壁、地板等表面反射后传输的模型，其传输损耗与表面反射系数、传输距离、信号入射角等因素相关，计算公式为

式中：ri为信号在第i 次反射时的反射系数；n为反射次数；d为发射端和接收端之间的距离；d0为参考距离。

漫反射传输模型是指可见光信号在室内环境中通过墙壁、地板等表面散射后传输的模型，其传输损耗与散射系数、传输距离、信号入射角等因素相关，计算公式为

式中：∑i为信号在第i次散射时的散射系数；n为散射次数；d为发射端和接收端之间的距离；d0为参考距离。

2.2 传输噪声分析

在可见光通信系统中，传输噪声是影响系统性能的重要因素之一。传输噪声主要由发射端和接收端的电路噪声以及环境噪声等多种因素组成。通常采用噪声温度来描述传输噪声的大小，其单位为开尔文（K）。在可见光通信系统中，噪声温度通常与噪声系数相关联，计算公式为

在可见光通信系统中，传输噪声主要来自于发射端和接收端的电路噪声以及环境噪声。为了降低传输噪声对系统性能的影响，可以采用一些技术手段，如信道编码、信道均衡和功率控制等。

2.3 信道传输效率计算

可见光通信系统的传输效率是指在单位时间内传输的信息量与总传输时间的比值，通常用比特每秒（bps）来表示。传输效率是评价系统性能的重要指标之一，其大小与信道带宽、调制方式、编码方式等因素相关。传输效率计算公式为

式中：Rbps为传输效率；B为信道带宽；S为信号功率；N是噪声功率。

3 可见光通信多用户接入技术

3.1 多用户接入技术概述

多用户接入技术是指在同一个频段或时间段内，多个用户同时进行通信的技术。在可见光通信系统中，多用户接入技术主要是用于提高系统的通信容量和效率，常见的多用户接入技术包括时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）、码分多址（CDMA）等。

3.2 多用户接入协议比较

可见光通信多用户接入协议比较如表1 所示。

表1 可见光通信多用户接入协议比较

3.3 多用户接入算法性能分析

多用户接入算法的性能主要包括通信容量、时延、抗干扰能力等指标。在可见光通信系统中，由于可见光通信信道的特殊性，多用户接入算法的设计和优化具有一定的难度。研究表明，CDMA 技术具有较高的接入容量和抗干扰能力，但是其时延较大；TDMA 技术具有较低的时延和较高的时隙利用率，但是其接入容量和抗干扰能力相对较低。因此，在实际应用中，需要根据具体的应用场景和需求进行选择和优化。

4 可见光通信调制技术

4.1 常见可见光调制技术概述

可见光通信调制技术是指将数字信号转换为可见光信号的过程。调制技术主要涉及到信号的调幅、调频和调相等方面，其中常用的可见光调制技术包括OOK 调制、FSK 调制、ASK 调制、PSK 调制等。

OOK 调制是指将数字信号转换为光强的高低状态，当数字信号为0 时，光强为0，当数字信号为1 时，光强为常数。OOK 调制技术具有实现简单、硬件复杂度低等优点，但是其带宽利用率相对较低。

FSK 调制是指将数字信号转换为光波频率的高低状态，当数字信号为0 时，光波频率为f0，当数字信号为1 时，光波频率为f1。FSK 调制技术具有带宽利用率高、抗干扰能力强等优点，但是其硬件实现较为复杂。

ASK 调制是指将数字信号转换为光强的高低状态，当数字信号为0 时，光强为0，当数字信号为1时，光强为常数。ASK调制技术与OOK调制技术类似，但是其信号复杂度较高。

PSK调制是指将数字信号转换为光波的相位状态，当数字信号为0 时，光波相位为∮0，当数字信号为1 时，光波相位为∮1。PSK 调制技术具有带宽利用率高、抗干扰能力强等优点，但是其对硬件实现和信道估计等方面有较高要求。

4.2 调制技术对系统性能的影响

调制技术对可见光通信系统的性能影响较大，主要体现在带宽利用率、抗干扰能力、传输效率等方面。不同的调制技术具有不同的优缺点，需要根据具体的应用场景和需求进行选择和优化。

4.3 调制技术的优化方案

为了提高可见光通信系统的性能，可以采用一些调制技术的优化方案，如信道均衡、前向纠错编码等。信道均衡是指在接收端对接收到的信号进行处理，以消除信道对信号的失真和衰减。前向纠错编码是指在传输过程中对数据进行编码，使其能够容错并纠正传输中的误码。这些优化方案可以提高可见光通信系统的传输效率和可靠性，但是也会增加系统的复杂度和功耗。

5 结 论

可见光通信作为一种新兴的无线传输方式，具有广阔的应用前景和发展空间。未来，随着技术的不断发展和完善，可见光通信将在智能家居、室内导航、智能交通等领域得到广泛应用，为人们带来更加便捷、高效、环保的通信服务。