漫反射對白光可見光通信系統(tǒng)性能影響的實驗研究

　　摘要：室內(nèi)白光可見光通信系統(tǒng)目前基本集中在對直射鏈路的研究，忽視了漫射鏈路的實際應用價值。通過建立一個封閉的實驗空間環(huán)境，設計可見光通信實驗系統(tǒng)，測量漫反射信號的空間分布規(guī)律;探索漫反射信號在實際環(huán)境中應用的可行性并進行了基于漫反射的白光可見光通信實驗。實驗結(jié)果表明：漫反射為可見光通信中直射鏈路阻塞、陰影所導致的信號中斷以及室內(nèi)角落通信質(zhì)量差等問題提供了解決途徑。

　　關(guān)鍵詞：無線光通信;可見光通信;漫反射;通信鏈路;直射鏈路;漫射鏈路;非定向視距鏈路

　　0引言

　　由于人們對綠色照明的需求，白光發(fā)光二極管(LED)已經(jīng)被業(yè)界明確為未來的主要照明光源。相比于傳統(tǒng)照明光源，白光LED具有頻譜資源豐富、發(fā)光效率高和調(diào)制速率快等優(yōu)點。因此，白光LED具有照明和通信的雙重功能。海量LED照明光源的鋪設，為白光光通信的廣泛應用提供了極大的便利條件。在基于白光LED的可見光通信中，存在著2種通信鏈路：定向視距鏈路和非定向視距鏈路。

　　通信方向評職知識： 無線網(wǎng)絡通信方面的課題申報方向

　　定向視距鏈路通信速率快，但要求接收機與發(fā)射機必須對準，一旦有阻塞，鏈路就會中斷，因此這種鏈路適合于做高速、無障礙物的可見光通信。非定向視距鏈路中，發(fā)射機的發(fā)射角度和接收機的視場角都較大，可以有效解決鏈路阻塞問題，實現(xiàn)鏈路無間斷通信，但在高速和遠距離通信中會出現(xiàn)多徑效應，導致通信速率低、通信質(zhì)量差[1-2]。

　　因此，非定向視距鏈路模型是最符合實際室內(nèi)照明通信的模型。在非定向視距鏈路中，光有2種途徑進入接收機：一種是直接進入;一種是通過墻壁、地板等反射面(即漫反射)反射后進入接收機。雖然直接進入接收機的光功率遠遠大于漫反射的光功率，但對系統(tǒng)性能的影響更大[3]。由于漫反射功率遠遠弱于直射功率，所以目前白光光通信的研究基本都是基于直射鏈路，而對于基于漫射鏈路的通信卻沒有引起重視。實驗研究發(fā)現(xiàn)，漫反射功率雖然很小，但依然可以實現(xiàn)通信[4]，其信號作為直射信號的補充，可以有效擴大基于直射鏈路的無線光通信的通信范圍，提高通信系統(tǒng)性能，擴展其應用范圍。

　　此外，有研究表明：漫反射可以解決鏈路遮擋問題，并使接收端具有移動性，可以有效改善鏈路性能[5-9]。但是以上研究基本上都是基于理論仿真。文獻[4]實驗驗證了在一個很小的且漫反射較強的區(qū)域內(nèi)可以借助漫反射信號實現(xiàn)白光光通信。但是，在一個更大范圍內(nèi)且漫反射較弱時，是否依然可以借助漫反射信號進行通信，從而改善通信系統(tǒng)性能，需要進一步研究。為此，本文研究漫反射對白光可見光通信系統(tǒng)性能的影響，探索通過漫反射提高通信質(zhì)量、增大通信距離和擴大通信空間的可行性，并在通信范圍更大的實際環(huán)境中進行基于漫反射的可見光通信實驗。

　　1室內(nèi)可見光通信信道模型

　　在室內(nèi)可見光通信模型中，LED固定在天花板上，接收端位于LED的下方，為了研究漫反射在空間中的分布規(guī)律，本文建立非定向視距鏈路模型如圖所示。模型中到達接收端的光信號包含兩部分：一部分是由LED發(fā)出的未經(jīng)反射的直射光，另一部分是經(jīng)過墻壁等其它表面產(chǎn)生的漫反射光。在非定向視距鏈路中，接收端的光功率是由直射和漫反射疊加而成的。

　　漫反射引起的疊加除了有幅值上的還有相位上的，幅值的疊加可以提高通信質(zhì)量、增加通信距離和通信范圍，相位的疊加將有可能使原來的信號失真或產(chǎn)生錯誤即引起多徑干擾｡在高速通信時，反射引起的多徑干擾比反射所引起的功率增加對信噪比的影響較大;而在通信速率較低時，功率增加所帶來的優(yōu)勢大于多徑干擾的影響[10]。

　　2漫反射對通信性能的影響

　　為了研究漫反射對通信性能的影響，本文對直射鏈路和“直射+漫射”混合鏈路這2組通信進行對比實驗。首先，搭建了一個1.27m×1.27m×1.27m的模擬房間，房頂安置一個的白光LED光源，通信速率為10Hz。在進行直射鏈路實驗時，將房間的前、后、左、右4個面用純黑色攝影吸光布來遮擋，盡可能確保除了直射鏈路之外沒有其它漫反射鏈路存在。在進行“直射+漫射”混合鏈路實驗時，將房間后面、左面、右面3個面都用漫反射率約為0.5的反射材料來遮擋。

　　2.1測量系統(tǒng)設計

　　采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)設計信號發(fā)生器，對LED進行二進制啟閉鍵控(OOK)調(diào)制。光電探測器PIN將接收到的光信號轉(zhuǎn)化成電信號后進行放大;將放大之后的電壓幅值分別輸出到示波器和判決再生電路，示波器顯示的電壓均方根值表示室內(nèi)漫反射信號的強弱;通過對判決再生電路丟失的碼的個數(shù)進行統(tǒng)計，計算信號在傳輸過程中碼的丟失率(即誤碼率)。

　　2.2電路設計

　　2.2.1LED驅(qū)動電路

　　運放LM324和溝道MOS管IRF540構(gòu)成一個電流驅(qū)動電路，用于驅(qū)動LED發(fā)光，由所設計的信號源輸出OOK調(diào)制信號，用于控制電路的通斷。

　　2.2.2信號接收及處理

　　信號放大電路采用電壓反饋型雙運放AD8056，將接收到的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再對電壓信號進行放大，放大倍數(shù)在100倍之間可調(diào)。放大器輸出信號經(jīng)判決再生后輸入基于FPGA的信號處理電路進行接收信號的統(tǒng)計，計算誤碼率。

　　3實際環(huán)境下漫射鏈路通信實驗

　　為了進一步研究漫反射在實際環(huán)境中應用的可行性，本文在實驗樓的走廊內(nèi)進行了基于漫反射的可見光通信實驗。實驗中，采用個3W的LED形成的陣列進行照明和通信，通信頻率為10kHz。LED距離地面的高度為2.5m，走廊寬為2.7m。在PIN上方約10cm處用擋板將直射鏈路完全遮擋，只有漫射鏈路時，其中上面的波形為發(fā)射信號波形，下面的波形為接收端接收到的信號波形。接收端不僅在靠近墻的附近可以接收到漫反射信號，在LED的正下方也可以探測到漫反射信號，漫反射分布規(guī)律與前面的模擬環(huán)境中得到的規(guī)律基本一致。

　　4結(jié)束語

　　在1.27m×1.27m×1.27m模擬房間中，本文進行了直射鏈路和“直射+漫射”混合鏈路通信實驗，測量了漫反射的分布規(guī)律、在此環(huán)境中漫反射對通信距離和通信覆蓋范圍的影響。最后，在走廊中進行了漫反射通信實驗。實驗結(jié)果表明：漫反射可以有效擴大通信覆蓋范圍、增大通信距離，進而改善通信系統(tǒng)性能。這為解決直射鏈路發(fā)生阻塞和陰影導致的通信中斷問題、直射鏈路通信質(zhì)量、距離和范圍有限等問題提供了有效的解決途徑;同時，在實際環(huán)境中將直射鏈路完全遮擋，漫射鏈路可以在一定的范圍內(nèi)進行通信。

　　實驗所得到的漫反射分布規(guī)律對基于白光可見光室內(nèi)定位也有潛在的應用價值。由于實驗條件有限，實驗只是在模擬的空曠房間中進行，光功率小、通信范圍小，沒有考慮復雜環(huán)境下漫反射分布的變化情況，也沒有考慮光電探測器視場角的改變對漫反射信號的影響等因素。下一步將繼續(xù)研究更加先進的信號處理技術(shù)和通信系統(tǒng)，合理的將漫反射信號運用于通信系統(tǒng)中，以進一步擴大通信系統(tǒng)的覆蓋范圍，發(fā)揮漫反射在實際環(huán)境中的應用價值。

　　參考文獻：

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　　[2]楊春勇，楊杰，陳振威.室內(nèi)可見光通信接收機視場角選擇與LED分布優(yōu)化[J].光電子激光，2016，27()：491497.

　　[3]KOMINET,NAKAGAWAM.FundamentalanalysisforvisiblelightcommunicationsystemusingLEDlights[J].IEEETransactionsonConsumerElectronics,2004,50():100107.

　　[4]張博蔡喜平劉健等.基于非視線鏈路的可見光通信實驗研究[J/OL].光通信技術(shù)，2021[20210907].http://kns.cnki.net/kcms/detail/45.1160.TN.20210708.1316.002.html.

　　[5]CHVOJKAP,ZVANOVECS,HAIGHPA,etal.Channelcharacteristicsofvisiblelightcommunicationswithindynamicindoorenvironment[J].JournalofLightwaveTechnology,2015,33():17191725.

　　作者：李娟，蔡喜平，盧鈺松，胡延靜，程貴東

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