面向多用户室内可见光通信系统优化研究

孟凡，赵乐

（1 石家庄铁道大学，石家庄 050043；2 河北医科大学第四医院，石家庄 050000）

在短短20年间，各种接入技术和网络架构迅速发展起来。在信息接入方面，应用可见光波段（380～780 nm）传输的可见光通信（VLC）技术具有很多独特优势：不占用传统无线通信频段，拥有450 THz的巨大频带资源；使用LED作为信号光源，借助多种光学手段进行广覆盖、热点覆盖等应用场景的灵活切换；与无线通信相比，通信速率更快，最高可实现50 Gbit/s；可见光不仅不会危害人体健康，还能被障碍物阻挡、防止信息外泄等。VLC技术的室内应用场景主要在智能家居、工业控制和移动医疗等领域，如何通过传输模型优化和改善相应网络性能和传输特性是本文的研究重点，为物联网的室内应用提供借鉴价值。

1 VLC系统结构和LED光源特性

VLC系统主要由LED发射光源、可见光传输通道和光电接收端组成；在实际应用时，需要配合发射端编码、调制、均衡等电域处理器，发射和接收光学天线，解码、解调、后均衡等电域处理器和运算处理器等组件，实现前端信息采集和载体转换（如光电、电光转换）、信道传输和后台信息处理反馈的系统功能。该系统承载信号发射的LED光源，其光辐射遵循朗伯辐射模型（Lambert Radiation）：

其中φ是发射光相对于法线的辐射角，m代表朗伯余弦阶数，与LED半功率辐射的半角φ1/2的关系为m=-ln2/ln(cosφ1/2) 。为研究光辐射量与辐射角的关系，分别选取半功率角φ1/2为30°、45°和60°，得到图1的辐射曲线：随着半功率角的减小，发射光源的辐射分布由发散变为集中。在实际应用中，由于LED总辐射量一定，可通过选取不同参数光源或调整发射端光学天线参数改变半功率辐射角，实现广覆盖和热点覆盖的模式选择和切换。

图1 LED发射光源光辐射量R与辐射角φ关系曲线

2 VLC室内系统模型及性能参数

模拟室内VLC系统搭建在尺寸为长宽各5 m、高3 m的封闭空间内，发射光源对称分布在天花板上，本文采用两种对比方案：独立LED光源，强度为I0；2×2LED发光阵列，每个光源强度为I0/4。光电转换（PD）接收器阵列均匀分布在高0.8 m的水平台上，整个VLC系统环境示意图如图2所示。根据辐射模型，对于房间中任意位置（x，y，z）处PD接收器上的水平照度E（x，y，z）为

图2 模拟室内VLC系统环境示意图

I0是光源中心发光强度，D为接收器与LED视距（即空间直线距离），θ为光线进入接收器的平面入射角（PD视场角为70°）。在方案1和方案2中，通过建立三维直角坐标系数值仿真得到两种方案的水平照度分布图（由于水平照度为标量，方案2的4个LED光源照度可相互叠加），如图3（a）和（b）。对比两个方案可以发现，方案2具有更加平坦的照度分布（ΔE2/E2=21.5%），而方案1的照度波动为ΔE1/E1=21.5%。在单纯追求接收功率的单用户场景下（如通信模式），可在天花板正中心放置LED发射源、正下方放置接收器，实现热点、高质量通信传输；在追求分散、均等接收功率的多用户场景下（如广播模式），如果在天花板中心附近（2 m左右）对称放置多个LED发射源，可在其下方2 m×2 m范围内得到均匀照度分布，实现广覆盖通信传输。不同于微波和红外波段，由于可见光辐射对人体无伤害，在方案2中可进一步提高发射功率来达到接收功率的要求。

图3 (a）和（b）两种方案中接收面水平照度空间分布图

在VLC系统模型中，信道噪声为高斯白噪声，可得输出电信号信噪比（SNR）为

其中， s2(t)为输出电信号平均功率，Pnoise为噪声功率，R=1A/W为PD响应度，Pt为发射功率，MI为信号调制（OOK）指数，由于这些系统参数一定，可知VLC室内系统的SNR性能正比于H(0)2{H(0)=[R(φ)Acosθ]/D2}。通过数值仿真，得到两种方案的SNR三维分布图，如图4（a）和（b）所示。显而易见，前者SNR的均值为9.9 dB，而后者SNR的均值达到16.1 dB（优化值为6.2 dB）；同时，前者的SNR变化值为13.7 dB，后者的SNR变化值为4.7 dB。LED光源分散方案不仅具有更好的覆盖广度，整体信噪比性能也有了很高的提升。

图4 (a）和（b）两种方案信噪比（SNR）三维分布图

3 VLC室内系统模型优化和设计流程

根据朗伯辐射模型和图2可知，LED辐射光源具有一定发射角，在室内传输时不可避免具有反射效应，由此带来同一光源到同一PD接收器的多径时延效应。如图5、6所示，LED发射光源可通过直射和一阶反射效应的多径传输到达接收器，其中的反射点可看作二次辐射光源，在模型分析中等同于面积极小的朗伯辐射体（同时满足反射定律），则在接收器平面任意点接收功率为

图5 考虑一阶反射效应的VLC室内系统环境图

对于每个LED光源，可算出其直射和一阶反射到某个接收器上的功率：直射功率算法可参考上节理论；对于一阶反射，以该LED和接收器所在直线为轴、旋转平面与密闭空间相交，在每个相交平面上都满足反射定律，因而是在发射光源的视场角内进行积分求得（连续变化）。将每个LED光源在接收面上的功率分布进行叠加，最终考虑一阶反射效应的总功率分布。其中，直射和一阶反射增益如下所示：

图6 应用于实际场景的VLC设计流程图

在实际的VLC场景设计中，需要经历如下设计流程。

（1）根据具体场景分析各种通信方式（如Wi-Fi、微波通信、可见光通信等）可行性，通过对比性能指标、建设难度和维护成本等方面是否选择VLC方式。

（2）明确满足业务需求的各项系统性能指标，如光照强度、信噪比、误码率等，选择相应的VLC系统结构。

（3）设置发射源参数，包括数量、光辐射和位置排列等，代入VLC室内系统模型进行运算。

（4）利用系统获取目标性能参数，如E (x，y，z)、SNR等。

（5）分析对比（2）和（4）数值结果，是否满足实际系统要求：如果不满足，重复步骤（2）～（4）；如果满足，进行下一步。

（6）如果实际特殊要求，在高精度场景下对VLC系统模型进行修正，考虑补盲光源（如在房间角落处）、一阶反射及其带来的多径时延效应、用于系统优化的光学收发天线等，深入优化完善系统模型，不过缺点是带来巨大的运算处理量。

（7） 通过模型选择实际应用的系统及其参数，设计完毕。

4 结束语

随着万物互联物联网时代的到来，VLC传输技术的优势日益凸显，在各种重要领域中发挥出高速率、安全可靠和无电磁干扰的特点。特别在“智慧医疗”领域，医疗设备对无线通信的电磁干扰影响数据传输、增加接收误码率，同时无线信号将导致医疗设备的数据监测及输出产生失真，都会严重影响医疗效果。本文立足于多用户室内传输场景，通过建立模型和对比分析两种VLC传输方案的水平照度和信噪比性能进行研究，得出分散光源方案不仅能在区域范围内获得平坦（21.5%）接收功率，同时还能得到高数值（16.1 dB）、 平坦（4.7 dB）信噪比分布。在要求苛刻的实用场景中，可通过增加算法复杂度和信息处理量得到更为精确、完善的一阶反射VLC系统模型，为实际应用提供理论支撑。