室内可见光通信复合光学接收端设计与分析∗

王云蓝天 倪国强

(北京理工大学光电学院,光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京100081)

室内可见光通信复合光学接收端设计与分析∗

王云蓝天†倪国强

(北京理工大学光电学院,光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京100081)

(2016年10月6日收到;2017年1月20日收到修改稿)

本文提出了一种适用于室内可见光通信的新型光学接收端的设计.根据复合抛物面聚光器的聚光特性,将光电探测器与复合抛物面聚光器耦合作为接收子单元,并将这些接收子单元按照特定的几何关系嵌入一个半球面中,得到角度分集型的复合光学接收端,达到水平方向360◦,垂直方向180◦的大视场.对每个接收单元接收到的光能量,低传输数据时进行相加求和作为最终的接收功率,高数据速率时取各个子单元的最大值作为接收功率.在一个5m×5 m×3 m的空旷房间中,通过MATLAB对室内可见光通信系统建模仿真.计算结果表明,采用这种复合型光学接收端后,两种不同处理算法下的接收功率相对于直接接收分别提高了11.85和7.47 dB,增益分别为15.31和5.98.信噪比较高,两种情况下的平均值分别为79.17和72.26 dB,且接收信噪比分布平缓,波动较小.这说明采用本文设计的光学接收端,不仅能够得到较大的接收端视场角,同时获得较高的增益和接收功率,以及稳定的接收信噪比,避免了室内可见光通信系统中通信盲区的存在,保证了室内通信性能的稳定性.

室内可见光通信,接收端,接收功率

1 引言

可见光通信(visible light communication,VLC)是以白光发光二极管(light eMitting diode,LED)为光源的新型无线光通信方式[1].与传统的射频通信及其他光无线通信方式相比,VLC不占用频谱带宽,无电磁波干扰,LED光源既有照明功能又有通信功能,只要有LED照明灯的地方都能实现通信,因此是一种极具发展潜力的通信方式.从2000年起,日本研究人员KoMine和Nakagawa等[2]就开始了室内条件下以白光LED作为光源的通信信道研究,他们通过数学分析与仿真计算,确认了白光LED同时作为照明光源和通信光源的可行性.利用白光LED的发光特性,将信号调制到白光上进行传输,可以构成LED可见光通信系统.

目前,室内VLC的研究主要集中在调制方式[3,4]、信道模型[5−7],LED光源布局设计等[8−10]方面.事实上,接收端的设计和视场角的选择对通信性能有着至关重要的影响.室内VLC大多采用多个LED阵列分布在天花板上作为光源,不同路径的入射光线到达接收端的时间不同,会造成码间串扰进而影响信噪比(signal to noise ratio,SNR),降低传输速率.无线光通信系统的码间串扰主要取决于数据速率和发射端与接收端的视场角.但对于室内可见光通信来说,由于发射端视场角一般较大,因此,数据速率和接收端的视场角是码间串扰的主要影响因素.室内VLC通信链路分为直射型链路和非直射型链路,较大的接收端视场角可以使更多的光线进入接收端,提高接收光功率,实现无盲点通信,但是同时也会加剧码间串扰,降低通信性能,并且视场角的大小会影响接收端的增益,因此接收端的设计和视场角的选择是一项非常重要的研究内容.南洋理工大学的Wang等[11]针对室内VLC系统提出了一种倾斜接收端的方法,并采用牛顿算法计算最佳倾斜角度,提高了系统的SNR.

角度分集接收器一般采用多个视场角较小的接收单元,面向不同方向放置,组合成具有较大组合视场的阵列式接收端.角度分集接收技术能够克服多径衰落的影响,在不同的接收单元中接收到光能量被分别放大与处理.该接收器具有很多优点:相对于大视场的单元素接收器具有更高增益,同时能有效地抑制背景光噪声、信道干扰和多径干扰的的影响.本文根据室内VLC系统的特点,利用角度分集思想,提出了一种新型的接收端设计方法.根据复合抛物面的聚光特性,将复合抛物面聚光器与光电探测器耦合作为接收子单元,并按照几何关系将多个接收子单元嵌入一个半球透镜中,形成一个半球面(水平方向360◦,垂直方向180◦)的大视场的复合型全视场接收端.根据不同的通信要求,对每个子单元接收到的光能量进行不同的处理.由于单个接收子单元视场角较小,因此可以有效抑制码间串扰,提高通信系统性能,同时多个接收子系统又保证接收端的全视场.并通过MATLAB仿真,在一个5m×5m×3m的空旷房间中,模拟了采用这种聚光器时接收端的接收功率分布和SNR分布.仿真结果表明,采用本文设计的复合型光学接收端,在保证大视场的同时,能够得到较高的增益,在相加求和和取最大值两种情况下接收端的平均接收功率提高了11.85和7.47 dB,增益分别达到15.31和5.98.SNR较高且波动较小,实现了大视场、高增益和稳定的通信性能.

2 光学接收端设计

复合抛物面聚光器[12](coMpound parabolic concentrator,CPC)是一种非成像型聚光器,其结构如图1所示.AC和BD是两条对称的抛物线段,其焦点分别为D和C,AC和BD绕对称轴旋转一周,并在内部涂高反射薄膜介质,得到三维的复合抛物面聚光器.其中,a,b分别为CPC的入射面半径和出射面半径,l为CPC的高度,AD与BC的半夹角θmax为CPC的视场角.当入射光线的入射角度小于或者等于θmax时,光线能够直接到达或者经过反射到达CPC的下端开口并被接收器接收利用;当光线入射角度大于θmax时,光线经过多次反射最终从CPC入射口被反射出去.CPC的增益G可表示为

其中,Cg为CPC的几何聚光比,n为CPC内部填充部分的折射率.

将光电探测器放置在CPC的出射口,经CPC汇聚的光能量被探测器接收利用,由此形成CPC与光电探测器耦合的接收子单元,CPC作为聚光器可以汇聚更多的能量供探测器接收利用,可以大大提高探测器的接收功率.

图1 CPC结构图Fig.1.The structure of CPC.

CPC的这种光学性质,使得其可以用在室内VLC系统中作为光学天线,但是,由于CPC的增益与视场角的平方成反比,视场角越大,增益越小.为了在实现大视场的前提下保证通信性能,根据CPC的几何特点和聚光特性,基于角度分集思想设计成复合型接收端,其模型图和结构图如图2和图3所示.在半球透镜的中心位置插入一个视场角为θ2的接收单元,四周放置M个接收单元,每个接收单元视场角为θ1,要在水平方向达到360◦的视场,需满足

为了避免视场浪费,使视场角下限与水平面平行,每个接收单元的中心轴相对于xoy平面有一个α角度的倾斜,如图4所示.倾斜角α满足

要在垂直方向达到180◦的视场,中心放置的接收单元的视场角θ2需满足下式:

图2 复合接收端俯视模型图Fig.2.The counter Map of the coMposite receiver.

图3 复合接收端透视结构图Fig.3.The structu re of the coMposite receiver.

图4 复合接收端侧视示意图Fig.4.The p rofi le of the coMposite receiver.

本文中采用的半球体的半径为60 mm,每个CPC的出口半径为10 mm,设半球体的球心为坐标原点,根据几何关系,可计算出7个CPC的入射面圆心坐标分别为:(0,−51.96,30),(45,−25.98,30),(45,25.98,30),(0,51.96,30),(−45,25.98,30)(−45,−25.98,30),(0,0,60).根据这些参数,在TracePro可建立接收端的模型,并进行仿真分析.设置光源为四组朗伯辐射面光源,总光通量为4 lm,接收端放置在原点位置,四组光源对称分布.通过光线追迹,可以得到各个CPC接收面的光照度分布(只考虑直射光),如图5中所示.

图5 单个子单元接收示意图(只显示部分光线)Fig.5.Rays collected by one receiving unit.

3 接收端性能分析

3.1 接收功率分析

采用本文设计的光学接收端,室内VLC系统通信模型如图6所示.接收端有多个接收子单元,由于每个接收子单元的光轴方向不同,相同方向的光线相对于各个子单元的入射角是不同的,根据入射角度的不同光线被不同的接收子单元分角度接收.利用MATLAB仿真软件,在一个5 m×5 m×3m的空旷房间中对室内VLC通信模型建模,其中接收端放置在高度为0.85m的水平桌面上.

图6 室内VLC通信模型Fig.6.The communication Model of indoor VLC system.

一般认为LED灯遵循朗伯辐射规律,其辐射光强度I与其辐射角度相关[2]:其中,I(0)为光源的中心发光强度,ϕ为光源的辐射角,m为辐射模式数,与光源的半功率发射角ϕ1/2相关,可以表示为m=ln 2/ln(cosϕ1/2).

在室内VLC系统中,系统的直流增益H(0)可表示为[11,13]

其中,d为光源到接收端之间的距离,A是光电探测器的有效面积,θ为光线相对于接收端的入射角.由于本文中接收端采用多个接收子单元,相对于每一个接收子单元,光线的入射角θ由接收单元的光轴方向和入射光线的方向向量决定.假设某接收单元的光轴方向单位向量为n(nx,ny,nz),入射光线单位向量为l(lx,ly,lz)则光线相对于该接收单元的夹角为cosθ=n·l.

因此,接收端接收到的直射光功率为

墙壁的一次反射光的直流增益可以表示为

其中,ρ为墙壁的反射率,d Awall为墙壁反射面的微小面源,d1是光线到反射点的距离,d2是反射点到接收端的距离,β1和β2分别是光线相对墙壁的入射角和出射角,θmax为接收端的视场角,g(θ)为接收端增益,TS(θ)为滤波器增益.

一次反射接收光功率

因此系统的总接收功率为

本文中,LED阵列光源布局是根据照度均方差最小原则放置[14],四组LED阵列的放置中心点位置分别为(1.025,3.975,3.000),(3.975,3.975,3.000),(1.025,1.025,3.000)与(3.975,1.025,3.000).每个阵列的LED的数目为3600(60×60)个,每个LED的发射功率为20 mW,半功率角为70◦,LED中心光强为0.73 cd,LED间隔为0.01m,接收子单元的视场角为30◦.

根据(9)式,利用MATLAB仿真,可得到房间中的接收光功率分布.图7是不采用光学天线,直接用探测器接收时房间中的接收功率分布,探测器的具体参数列于表1中.

表1 光电探测器参数Tab le 1.ParaMeters of the photo-detector.

图7 (网刊彩色)直接接收时房间中的功率分布Fig.7.(color on line)The d istribu tion of received power w ithou t op tical receiver.

图8 (网刊彩色)采用单个CPC为光学天线时房间中的功率分布Fig.8.(color on line)The d istribu tion of received power using a CPC as the receiver.

从图7中可以看出,在直接接收情况下,接收功率最大值0.25 dBm(1 dBm=10 lg P(mW)),最小值−5.23 dBm,平均值为−2.25 dBm.接收功率的分布呈现中间高,边缘较低的形状,尤其在距离光源较近的地方功率最高.这是因为在房间中心的位置处,光源与接收端之间的距离较短,光线的入射角度较小,会有更多的光线被接收单元接收.

单独采用一个视场角为60◦的CPC为接收天线时,房间中的接收功率分布如图8所示.其中,接收功率的最大值为0.27 dBm,最小值为−4.72 dBm,平均值为−1.51 dBm.相对于直接接收,增益为1.18.

图9 (网刊彩色)接收端各个接收子单元的接收功率(只考虑直射光)Fig.9.(color online)The received power distribution of each receiving unit.

同样地,可以计算出每个接收子单元的接收功率,由于接收子单元视场较小,这里只考虑直射光,如图9所示.其中图9(a)为中心接收单元的接收功率,其余为四周放置的6个接收单元的接收功率.从图中可以看出,由于视场角小,单个接收子单元接收存在着通信盲区,且每个接收子单元的接收功率分布差别较大,这与每个子单元的法向量相关,对于每一个子单元来说,在顺着其法线方向的区域功率较大,背离法线方向的区域则功率较小.

对于每个子单元接收到的光能量的处理分为两种情况.在室内VLC系统传输速率较低时,房间中各个位置的接收光功率可以通过将各个接收子单元接收到的光能量相加而得到,此时房间中的接收功率分布如图10所示.

图10 (网刊彩色)低速率求和时房间中的接收功率分布Fig.10.(color on line)The distribution of the received power using suMalgorithMat low bit rate.

从图10中可以看出,此时房间中的接收功率很高,平均功率可达到9.60 dBm,相对于单独采用一个视场角为60◦的CPC作为光学天线提高了11.11 dB,相对于使用探测器直接接收时提高了11.85 dB.除了角落处的个别点之外,房间中大部分区域接收功率的波动很小.这说明采用本文设计的光学接收端房间中大部分区域的接收功率不仅较高且稳定,这样无论接收端在房间中的任何位置,都能够收到足够的光功率,有较好的移动性.此时,相对于直接接收时的光功率,光学天线的增益G=15.31,相对于单独采用CPC作为接收天线,增益提高了11.97倍.

这种相加求和的算法适用于系统传输速率较低的情况下,当系统传输速率较高时,就不能这样简单地相加求和了.对于本文中设计的光学接收端,在房间中的每个位置,对每个接收单元的接收功率分别进行比较,然后选择接收功率最大的接收子单元的接收功率作为此位置的接收功率.

图11为采用取最大值算法时房间中的功率分布.从图中可以看出,此时的平均接收功率为5.22 dBm,相对于直接接收时提高了7.47 dB.并且从图中可以看出,接收功率的分布也发生了变化,这是因为接收端有多个接收单元,且每个接收单元视场角小,增益较高,因此在房间中的边缘位置也能获得较高的接收功率.但整体分布与直接接收时情况相似,在灯下区域接收功率最高,边缘位置下降.此时,相对于直接接收时的光功率,接收端的增益G为5.98,相对于采用单个视场角为60◦的CPC为光学天线,增益提高了4.07倍.表2中列出了不同接收条件下房间中的接收功率的最大值、最小值、平均值,以及此时的接收端增益.

图11 (网刊彩色)取最大值时房间内的接收功率分布Fig.11.(color on line)The distribution of received power using MaxiMuMalgorithm.

表2 不同接收条件下的接收功率Tab le 2.Received power under d iff erent receiving cond itions.

3.2 信噪比分析

在室内VLC中,探测器的大小是光波长的上万倍,光波是空间分集接收,因此可忽略多径衰落.系统中的噪声主要包括散粒噪声σshot与热噪声σtherMal,即

其中散粒噪声和热噪声可分别表示为:

其中,探测器的响应率γ=0.53 A/W,Prsignal为信号功率,PrISI为码间串扰功率,I3=0.0868[2],q为电荷电量,B为等效噪声带宽,Ibg为暗电流,I2是噪声带宽因子,k是玻尔兹曼常数,TK为绝对温度,G是开环电压增益,η是光电探测器单位面积的固定电容,Γ是FET信道噪声系数,gm是FET跨导,各参数的具体值分别列于表3中.在只考虑直射光的情况下,可忽略码间串扰噪声.

这里我们引入一个Q因子[9]来评估房间中接收SNR的波动大小:

图12 (网刊彩色)接收SNR分布(a)低速率求和;(b)高速率取最大值Fig.12.(color on line)The SNR distribution using the coMposite receiver:(a)Low data rate;(b)high data rate.

根据(10)式可分别计算出采用光学接收端后,低速率求和和高速率取最大值两种算法下房间中的SNR分布,如图12(a)和图12(b)所示.其中图12(a)中的最大值为81.46 dB,最小值为61.95 dB,平均值为79.17 dB;图12(b)中的最大值为76.45 dB,最小值为61.86 dB,平均值为72.26 dB.

从图12中可以看出,除房间角落处的个别位置,房间中大部分区域SNR较高且波动较小.根据(13)式可以计算出两种情况下的Q因子分别高达20.64和15.11 dB.这说明,本文中设计的光学接收端可以得到较高的接收功率,在获得大视场的情况下同时可以得到较为稳定的接收SNR,保证了室内VLC的通信质量.

4 结论

本文设计了一种新的室内可见光通信系统光学接收端.对于单个CPC来说,视场角越大,增益越小.通过将复合抛物面聚光器与探测器的耦合作为接收子单元,并将这些接收子单元按照特定几何关系嵌入一个半球中,设计成一种角度分集型的复合光学接收端,达到了水平方向360◦、垂直方向180◦的视场范围.并在软件TracePro中建立了接收端模型,通过MATLAB软件对室内VLC系统建模,得到了采用这种复合接收端后房间中的功率分布和SNR分布,在低速率相加求和和高速率取最大值两种情况下,接收端的增益分别为15.31和5.98,同时保证了大视场和高增益.通过与直接接收情况下的对比可以看出,采用这种复合接收端,接收功率分别提高了11.85和7.47 dB.且SNR分布比较均匀,波动较小,两种情况下Q因子分别达到了20.64和15.11 dB,这说明,采用这种复合接收端,在提高接收端视场角的同时,还能够获得较高的接收功率,且在房间中的任何位置都有较高的SNR,使得接收端有较好的移动性,提高了系统的通信性能.

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(Received 6 October 2016;revised Manuscrip t received 20 January 2017)

PACS:42.79.Sz,74.25.Gz,42.15.Eq,42.60.LhDOI:10.7498/aps.66.084207

*Pro ject supported by the National Basic Research PrograMof China(G rant No.2013CB329202).

†Corresponding author.E-Mail:lantian@bit.edu.cn

Design and analysis of coMposite op tical receiver for indoor visib le light comMun ication∗

Wang Yun Lan Tian†NiGuo-Qiang

(K ey Laboratory of Photoelectronic IMaging Technology and System,School ofOptoelectronics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

A novel design of optical receiver for visib le light communication systeMin indoor environMent is p roposed in this study.The coMpound parabolic concentrator is coup led w ith a photo-detector as the receiving unit due to its optical properties.The coMposite optical receiver is coMposed of seven receiving units inserted in a hyper-heMispherical lens aligned w ith geoMetry configuration based on angle diversity.The coMposite op tical receiver has fields of view of 360◦in the horizontal direction and 180◦in the vertical direction respectively,while the field of view of each receiving unit is 30◦.Model of indoor visible light communication is built through MeasureMent in a rooMof a 5m×5 m×3 Msize.The received power and SNR distribution are acquired through MATLAB scripts.The received power of each receiving unit is treated by diff erent algorithMs.At a lower data rate,the suMof the received power froMall receiving units is the final received power,while at a higher data rate,the final received power is the highest value of power collected by the each unit.The resu lts show that the received powers of the coMposite receiver by using two diff erent algorithMs increase 11.58 and 7.47 dB,respectively,while the gains of the receiver are 15.31 and 5.98,respectively.Themean values of the signaltonoise ratio are 79.17 dB froMthe suMalgorithMand 72.26 dB froMMaximuMalgorithm,respectively.It is concluded that signaltonoise ratio is high and the distribution fluctuation is weak.This usually Means a good and stab le communication performance.It is proved that the coMposite receiver designed in this study gives high quality communication perforMance and p resents a w ide field of view,thereby avoiding the b lind area in communication.

visib le light communication,receiver,received power

10.7498/aps.66.084207

∗国家重点基础研究发展计划(批准号:2013CB 329202)资助的课题.

†通信作者.E-Mail:lantian@bit.edu.cn

©2017中国物理学会C h inese P hysica l Society

http://w u lixb.iphy.ac.cn