基于光线追踪的室内可见光通信链路研究

贾 倩，宋志群，2，郎 磊

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081;2.通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北石家庄050081)

0 引言

可见光通信是一种利用可见光波段(波长范围400～700 nm)的光波作为信息载体，在空气中直接传输光信号的通信方式。它使用发光二极管(LED)发出的高速通断的光波信号对信息进行调制和传输，然后利用光电二极管等光电转换器件接收已调光波信号并解调出其所携带的信息。

信道研究对于一个通信系统的实现十分重要。可见光信道建模一般参考红外信道建模的方法，通过计算信道脉冲响应，建立信道模型。而信道脉冲响应与发射机和接收机的相对位置、光源发射角度和接收机视场角度(FOV)有很大的关系。同时当发射机和接收机的相对位置、光源发射角度、接收机视场角度相互改变时，则会构成室内可见光通信的不同链路形式。

本文采用基于朗伯辐射模型的光线追踪算法，通过对6种室内可见光通信链路的信道脉冲响应的计算和分析，为可见光通信应用提供了更为精确的信道参考模型。

1 光线追踪算法

光线追踪算法是利用几何光学原理，模拟光在空中的传播过程的方法。基本思想是:将光源发出的光束分解为一个个独立的光子，对每一个光子进行追踪，直到光子到达接收机或传输时间大于需要考虑的限度。在这个过程中计算出光子能量，求得所有到达接收点的光子数量。在此模型中，白光LED遵循朗伯辐射模型，进行光子发射。每一个出射光子包含4个变量:位置、方向、所携带的功率和传输所用时间。所发射出的光子的强度模型也遵循朗伯模型，假设LED的中心发光强度为I(0)，则光源发光强度可表示为:

式中，θ为光子出射角度;m为光源方向性的参数，称为朗伯辐射系数，由光源半功率角Φ1/2决定，其关系为:

m值越大光源的方向性越好，当Φ1/2=60°时，m=1，表示为理想的朗伯光源，此时光源向各个方向均匀辐射。在此算法中的光源的发射模型如图1所示。

图1 朗伯辐射模型

图1中，n为出射光线，则有

式中，r和z分别为出射光线在xoy面和z轴上的投影。

实际中，以θ角度出射的光线在平面xoy上的投影为一个圆，光子等概率且随机的落在圆上任意一点，即r与y轴的夹角为随机的。因此引入随机数v，其取值范围为［0，1)。则在xoy面上的投影矢量有:

当光源光子发射后，首先计算其是否能被接收机直接接收。假如光子的出射光线与接收机表面有交点且与接收机法线夹角满足FOV的要求，则此光子所携带的能量将被接收机直接接收，同时将其标记为直射链路光子。当光源光子没有被接收机直接接收，且发生反射时，则在发射点产生新的光子，假设新光子的发射模型也遵循朗伯辐射模型。反射点的计算公式为:

式中，r2为反射点的坐标;r1为光子出射点坐标;d为出射点与反射点的距离;n1为由式(3)和式(4)计算出的出射光线的单位方向向量。

当光子到达接收机时，接收机接收到的光子功率表达式为:

式中，d为光子所走的距离;φ为最后一次反射时产生的光子的出射角;α为入射光线与接收机法线的夹角;Ar为接收机的接收面积;Pe为光子被接收时所带的能量。

光线追踪算法的流程图如图2所示。

图2 光线追踪算法流程

2 室内可见光通信系统基本链路形式

室内可见光通信系统的链路形式有很多种，根据发射机和接收机是否定向、两者之间是否存在未受干扰的视距可对其链路进行区分。

所谓视距链路是指接收机接收到的光存在直接由发射机发射过来未经反射的光;而非视距链路则是指接收机接收到的光信号中不存在直接从发射机射过来的光。

所谓定向，其实是一个角度问题。对发射机来讲，当其发射角很小、发出光束近乎平行时，称其为定向发射机。同样，如果接收机的视场角范围很小，则称其为定向接收机。若发射机和接收机均为定向，接发两端对准时就建立了一条链路，此链路就称为定向链路。定向链路中LED的光子最大发射角度为15°～30°，非定向链路使用的是大角度的接收机和发射机。若发射机与接收机中一个是非定向的另一个是定向的，其链路称为混合链路。根据以上分析，可以将室内可见光通信的链路方式分为以下6种:定向式视距链路、混合式视距链路、非定向式视距链路、定向式非视距链路、混合式非视距链路和非定向式非视距链路。链路方式示意图如图3所示，其中T表示发射端，R表示接收端。

图3 链路方式示意

3 仿真结果与分析

仿真中采用了上述所描述的光线追踪算法，每次发射40万个光子，光子的最大存活时间为60 ns;采用蓝光(波长420 nm)激发的LED作为光源，接收机的接收半径为2 cm;所采用的房间模型为5 m×5 m×3 m;光源LED灯和接收机的位置关系如图3所示，在视距链路中发射机位于天花板，非视距链路中位于地板上，接收机一直位于地板上，具体坐标如表1所示。由于一般情况下，屋顶和墙面的光反射系数宜低于60%，地面宜为15% ～35%，因此仿真中墙、地板、天花板对蓝光的反射系数分别为0.25、0.3、0.52。

表1 仿真参量表

图4 定向视距链路信道脉冲响应及接收光子成分组成

图5 混合式视距链路信道脉冲响应及接收光子成分组成

图6 非定向式视距链路信道脉冲响应及接收光子成分组成

图7 定向式非视距链路信道脉冲响应及接收光子成分组成

图8 混合式非视距链路信道脉冲响应及接收光子成分组成

仿真结果如图4、图5、图6、图7、图 8和图 9所示。由图4、图5、图6、图7、图8和图9可知，在视距链路中，接收的光子总数主要以直射为主，且直射链路的光子同时到达，并携带的功率基本相同，经过1次反射的光子几乎没有被接收机接收。在非视距链路中，一般以1次反射为主，且1次反射链路的光子到达时间持续0.3～4 ns。反射脉冲响应功率的具体成分组成比例如表2所示。

图9 非定向非视距链路信道脉冲响应及接收光子成分组成

表2 脉冲响应功率的成分组成比例(%)

在视距链路中，脉冲响应的功率仍然以直射链路为主，反射次数越高，功率所占比例越小，4次以上的反射光子所携带的功率占总的接收功率的百分比不足0.001%;在非视距链路中，脉冲响应的功率以1次反射链路为主，反射次数越高，功率所占比例也越小。

4 结束语

本文采用的光线追踪算法中的光子发射模型、反射模型均遵循朗伯辐射模型。该算法可以更加精确地模拟和分析每个光子的轨迹，使仿真结果更加贴近于实际。介绍了6种基本的室内可见光通信链路形式，并采用光线追踪算法对6种链路的信道进行了模拟，分析了其脉冲响应的组成特性、强度特性和功率分布特性，为以后更加精确地分析复杂环境下的室内可见光通信信道特性打下了基础。同时为基于此6种链路形式的室内可见光通信系统的实际应用提供了参考。

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