室外可见光通信信道建模

李 鑫，郭心悦，徐伯庆

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海市现代光学系统重点实验室，上海200082）

室外可见光通信信道建模

李 鑫，郭心悦，徐伯庆

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海市现代光学系统重点实验室，上海200082）

提出一种室外可见光通信（V LC）信道模型，介绍了可见光在室外传输的直射路径模型和一次反射路径模型，分析了传输距离、发射机发射角和反射面位置对系统传输性能的影响。采用控制变量法进行了仿真实验，得到了在各参数不同时接收端直射功率和反射功率的比值。

室外可见光通信；一次反射；控制变量

0 引言

可见光通信系统[1]是基于发光二极管（LED）切换速度快的特点，把信号调制到LED光源上变成光信号进行传输。与其它无线电通信技术相比，可见光通信系统具有对人眼安全、无需无线电频谱许可证、保密性好和抗电磁干扰能力强等优点[2]。在通信系统中，信道特性会影响通信系统的具体设计，如调制、编码技术的设计。目前，对可见光通信和信道模型的研究多在室内环境下进行[3～7]，而关于室外可见光通信信道模型的研究仍处于摸索阶段。与室内可见光通信相比，室外可见光通信传输距离更远，大气环境更为复杂，多用于智能交通和近地传输等场合。本文对大气环境下的可见光通信直射信道模型和一次反射信道模型进行研究，分析光源和接收机布局对通信系统性能的影响。

1 室外可见光通信信道模型

本文根据室外可见光通信中大气干扰的特点，结合LED的辐射特性，借鉴室内反射多径建模思想,采用微元法从理论上建立了室外可见光通信信道模型，信道物理模型如图1所示。为简化分析，我们只考虑了光的直射路径和一次反射路径，其中d11为发射机与反射面在直射路径方向上的距离，反映反射面在传输路径中所处的位置。

图1 直射和一次反射链路模型

1.1 直射信道接收光功率

在对系统进行理论建模分析时，通常可将光源看作朗伯光源，发射光信号通过大气信道被光接收机接收。接收端接收到的视距（Line of Sight，LOS）路径光功率PLOS由光源的辐射特性、立体角和大气衰减决定：

其中，能见度距离V（km）定义为周围对比度下降至2%以下时，可见光波段波长为0.55μm处的目标与光源间的距离，波长λ的单位为微米，q为常数，与能见度有关[8]。

1.2 反射信道接收光功率

反射路径建模思想：在计算时，我们将反射面分解为N个较小的微元，光信号在反射面上产生反射后，每个微元都可看作为一个独立的小光源[9]。先对反射光功率进行单独计算，再对各微元的计算结果求和便可得到非视距（Non Line Of Sight，NLOS）路径的总反射分量：

具体计算过程如下：假设光源平均出射光功率为Pt，考虑到大气衰减，发射功率Pt经过第一段直视链路传输后，第k个反射面元（将其视为一个面积为dAwall的接收器）上接收到的光功率为P1(k)：

其中，φk为光源发射角，αk为反射面入射角，cos(αk)×为第k个反射面元相对于光源的立体角,d1,k为光源与第k个反射面元的距离，e-μλd1,k为第一段路径的大气衰减。经过此面元反射后的出射光功率P2(k)=，其中ρ为反射面反射率，βk为第k个反射面源的发射角，m为二级光源的辐射模数。从反射面元到接收端可视为另一段直射链路d2,k，这一段路径的大气衰减为e-μλd2,k。则非直视链路在接收端接收视角（Field of View,FOV）内的功率为PNLOS(k)：

其中，ψk为接收端相对于第k个反射面元的入射角。

2 数值仿真与分析

为了研究通信距离、系统光源和接收机布局对系统性能的影响，我们采用控制变量法通过Matlab仿真得到了通信中传输距离、发射机发射角和反射面位置不同时的直射功率与反射功率比。仿真参数的选取如下：假定天气晴朗，能见度为20km，波长为0.57μm的光在大气中透过率较高，只有少量大气分子存在吸收线，而且吸收强度不大[10]；考虑到室外传输距离较远，选择发射端LED的辐射模数为1，功率为30W，发射角φ小于5°（本文设φ=0.087rad），发射面面积和位置d11分别为1m2和1m，反射率为0.8，微元数为100；在接收端，因为存在NLOS的反射路径，所以接收机选择全向接收器（FOV为90°），光敏面积为0.01m2。

图2 直射路径功率、反射路径功与传输距离的关系

仿真得到直射路径功率、反射路径功率与传输距离的关系曲线如图2所示。接收端接收到的直射路径功率和反射路径功率都随着传输距离的增大而减小，而且反射路径功率减小较快，直射功率要远大于反射功率。

直射路径的光功率与一次反射后的光功率的比值（即接收功率比）随传输距离变化的变化曲线如图3所示。功率比随距离的增大而增大,在50m范围内功率比增幅较大；传输超过一定距离后，增幅减小。这表明系统传输距离较大时，多径效应对系统传输性能的影响不明显。

图3 接收功率比和传输距离的关系

在传输距离d=10m和反射面位置d11=9m时，接收功率比和发射角的关系曲线如图4所示。功率比随着发射角的增大而减小；在0.01rad内功率比减幅较大，随着发射角的增大，减幅变小。这表明发射机的发射角度越小，多径效应的影响就越小。但是，减小发射机的发射角会增加工艺制作难度和成本，因此，应当根据实际需要来设置发射机参数。

图4 接收功率比和发射角的关系

在传输距离d=10m和发射角弧度φ= 0.087rad时，接收功率比与反射面位置d11的关系曲线如图5所示。当反射面处于发射机附近时，随着反射面位置与发射机之间的距离增大，功率比也变大；当反射面处于发射机和接收机的中间段时，反射面位置与发射机之间的距离越大，功率比越小；当反射面在接收机附近时，反射面位置与接收机越近，功率比越大。这表明当反射面在发射机和接收机中间位置时，多径效应对系统传输性能的影响不明显。

图5 接收功率比和反射面位置的关系

3 结束语

本文根据室外大气干扰的特点，结合LED的辐射特性，研究了直射情况下的接收光功率。基于此，通过将反射面看做二级光源的建模思想，采用微元法，得到一次反射光功率，从理论上建立了室外通信信道模型。我们对不同因素影响下的直射功率和反射功率比进行了仿真比较，仿真结果表明：发射机的发射角越小，多径效应对系统的影响就越小；当发射机和接收机远离反射面时，多径效应不明显。

[1]张立,朱娜,张宁.室内LED光无线通信多径效应抑制[J].通信技术, 2010,43(7)：198-200.

[2]王秋平.室内LED可见光无线通信技术的研究[D].天津：天津工业大学,2014.

[3]TANAKA Y,HARUYAMA S,NAKAGAWA M.Wireless Optical Transmissions with White colored Wireless Home Links,The 11th International Symposium on Personal,indoor and MobileRadio Communications [C].London：IEEE,2000.

[4]KOMINE T,NAKAGAWA M.Performance Evaluation of Visible-light Wireless CommunicationSystem using White LED Lightings,The Ninth International Symposium on Computers and Communications[C].Alexandria：IEEE,2004.

[5]BARRY J R,KAHN J M.Link design for non-directed wireless infrared communication[J].Apple Optics,1995,34(19)：3764-3776.

[6]TANAKA Y,KOMINE T,HARUYAMA S,et al.Indoor Visible Light Data Transmission SystemUtilizing White LED Lights[J].IEICE Transaction Communication,2003,E86B(8)：2440-2454.

[7]KOMINE T,LEE J H,HARUYAMA S.Adaptive Equalization for Indoor Visible-Light Wireless Communication Systems,Asia-Pacific Conference on Communications[C].Perth：IEEE,2005.

[8]KIM I I,MCARTHUR B,KOREVAAR E.Comparison of laser beam propagation at 785 nm and 1550 nm in fog and haze for optical wireless communications,Proceedings of SPIE[C].Boston：IEEE,2001.

[9]GHASSEMLOOY Z,POPOOLA W,RAJBHANDRRI S.Optical Wireless Communications：System and Channel Modelling with Matlab[M]. Florida：CRC Press,2012.

[10]宋正方.应用大气光学基础[M].北京：气象出版社,1990.

Channel modeling for outdoor visible light communication

LI Xin，GUO Xin-yue，XU Bo-qing
(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,Shanghai Key Lab of Modern Optical System,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200082，China)

The paper presents a channel model of outdoor visible light communication,introduces the model of direct path and primary reflect path of outdoor VLC,analyzes the impact of transmission distance,launch angle and reflector position on systematic transmission performance.It uses controlling variables method for simulation experiment,obtains the ratio of directed power to reflected power at receiving end in different situations.

outdoor visible light communication,primary reflection,controlling variables method

TN929.1

A

1002-5561（2016）04-0041-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.014

2015-12-03。

国家自然科学基金青年科学基金项目(批准号：61501296)资助；复旦大学电磁波信息科学教育部重点实验室开放基金 (批准号：EMW201507)资助。

李鑫（1994-），男，硕士研究生，主要研究方向为可见光通信技术。