基于OCDMA的改进型室内可见光无线局域网分析

冯 庆 ， 方安安，汪蓉蓉

(南昌大学信息工程学院电子系，江西南昌 330031)

LED拥有极短的响应时间、高速的调制特性、极高的稳定性等优点，使其成为照明和通信的双用基站。基于LED的可见光通信技术是一种使用可见光作为信号载体的无线通信方式，它与其他无线通信技术相比，在电磁辐射、发射功率、通信效率、安全性等方面都具有很大的优势，近年来成为各个国家争相研究的热点。但可见光通信也有其无法回避的问题，比如由多径干扰引起的码间串扰、传输发散损耗较大、发射功率利用率不高等问题，影响了系统的整体性能。本文针对这一问题，提出可见光通信与激光通信相结合，既维持了LED灯的双用基站功能，又优化了系统性能，构建了由LED照明灯发送信息给终端用户的下行链路以及由终端向基站发送信息的上行链路，并通过光码分多址技术，利用具有良好性能的光正交码对信号进行编码，以提高系统的抗干扰能力。

1 系统原理

1.1 OCDMA 技术

OCDMA技术的原理是给每个用户分配一个地址码，由编码器对用户信号进行编码，各用户的编码信号经星型耦合器叠加，形成一个总的信号矢量送入信道传输。接收端解码器对收到的序列进行相关运算，并进行解扩处理，通过门限判定恢复出源信号。其结构原理如图1所示。

图1 OCDMA系统结构原理图

OCDMA技术具有优良的安全性、抗干扰性、随机接入等优点，使得系统更加高效、可靠和组网灵活，可以很好地应用于室内可见光无线通信网，实现多用户间的信息传输。

1.2 系统结构

可见光无线通信局域网的一种典型结构如图2所示。其基本原理是用户终端发出的数据源经过OCDMA编码后，驱动用户终端适配器的光源发送信号，调制方式选择OOK调制，设置在顶部的光电探测器接收到发出的光信号，将其转化为电信号并送入集线器，集线器再分时段地将信息以广播的方式通过主光源LED发送给终端用户，终端用户适配器通过将发来的信号与本地地址码作相关运算，如果匹配则接收，如果不匹配则放弃，这样就构建了基站和终端的双向通信，实现了用户间的数据传输。主光源LED兼具照明和通信的双重功能。

图2 室内无线局域网系统结构图

终端适配器的原理框图如图3所示。

图3 终端适配器原理框图

本文用激光代替LED作为“用户光源”，利用激光通信实现系统的上行链路。与LED光源相比，激光发散角小、方向性好、光谱线宽窄，并且由于是用于室内短距离通信，只需要小功率的激光束即可满足系统需要，无须光束自动跟踪，大气湍流等影响也可忽略不计。

光在大气中传播时，根据朗伯定律，其能量衰减可表示为

2 误码率分析

系统采用OCDMA编码，设局域网内有N个用户独立地发送数据，bi(t)表示第i个用户发送的数据源，即

式中:PT(t)为持续时间为T的矩形脉冲;b(i)k取值为0或+1。信号采用光强调制，则经过调制后的光载波强度为

式中:I0为调制前的光载波强度;I(t)为调制后的光载波强度。令mi(t)为(L，w，1)光正交码，则

式中:PTc(t)为持续时间为Tc的矩形脉冲;a(i)j为第i个用户地址码的一个元素，取值0或1，经开关键控后的输出为

则N个用户的叠加信号为

经信道传输后接收信号为

这里假设用户1发送信号给基站，则基站接收到的信号为

式中:等号右侧第1项是希望得到的信号;第2项是其他N－1个用户的干扰;第3项是信道高斯噪声干扰。因此式子可以简写成

根据光正交码理论得到N个用户情况下误码率的概率密度函数为

接收机热噪声方差为

式中:L为正交码码长;k为玻尔兹曼常数;设接收机的光电转换率R=0.52 A/W;绝对温度Tk=300 K;开环电压G取10 mW;暗电流取I3=0.086 8 A;场效应管跨导gm=30 mS;场效应管噪声因子Γ=1.5;接收机单位面积固定电容η =112 pF/cm2;噪声带宽因子I2=0.562 A。

背景光引起的散粒噪声方差为

式中:q为电子电荷;背景光电流Ibg=5 100 μA。

对于可见光，其接收信号信噪比为

其中H(0)为

式中:m为光源的辐射模式;A为探测器接收面积;l为发射端与接收端之间的距离;φ为发射角;ψ为入射角;Ts(ψ)为光滤波器增益;g(ψ)为基站接收机光集中器的集中系数;ψc为接收机视角。

将式(14)、(15)代入式(11)中，得其误码率为

对于激光，其接收信号信噪比为

式中:τ(l)=exp(－βl);ηt为天线发射效率;ηr为接收效率;dr为接收天线孔径;θ为光束发散角;l为发射端与接收端之间的距离。

将式(17)代入式(11)，得其误码率为

3 仿真与分析

上行链路采用可见光时，令接收机面积A=1 cm2，基站接收角ψ为0°，终端信号发射角φ为60°，接收机光滤波器透射系数Ts(ψ)为0.9，光集中器集中系数g(ψ)为1，接收机FOV为60°;当用激光实现上行链路，设置接收天线孔径为10 cm，光束发散角取1 rad，选取波长为1.06 μm 的激光，发射接收效率为 0.95，衰减系数 β =10 dB/km。采用(512，5，1)的正交码对多用户信号进行编码。图4反映误码率与传输距离的关系，从仿真结果来看，随着传输距离的增加，传输损耗会增大，导致接收信号信噪比下降，系统误码率上升。终端适配器光源改为激光后，系统误码率相对更低。图5反映误码率与判决门限的关系，仿真图显示随着判决门限的上升，信源传输的“0”码误判为“1”的概率下降，从而使系统误码率下降。用户光源改为激光后，系统误码率更低，并且随着th的上升，下降幅度更大。图6反映了误码率与码重的关系，从仿真图来看，随着码重的增加，多用户之间的干扰会增加，从而导致系统误码率上升。上行链路改用激光通信后，系统误码率明显更低，系统性能更好。

图4 误码率与距离l的关系

图5 误码率与判决门限th的关系

4 小结

本文提出用激光取代可见光作为系统上行链路的光源，采用可见光通信与激光通信相结合的方式实现室内无线通信局域网，并用OCDMA技术对信号进行编码传输。将系统改进前后的性能进行对比分析并进行仿真，结果表明改进后的系统误码率低于上、下行链路均采用可见光通信的系统，性能有了明显的改善，能较好满足局域网中用户的通信需求。

图6 误码率与码重w的关系

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