漫反射對白光可見光通信系統性能影響的實驗研究

　　摘要：室內白光可見光通信系統目前基本集中在對直射鏈路的研究，忽視了漫射鏈路的實際應用價值。通過建立一個封閉的實驗空間環境，設計可見光通信實驗系統，測量漫反射信號的空間分布規律;探索漫反射信號在實際環境中應用的可行性并進行了基于漫反射的白光可見光通信實驗。實驗結果表明：漫反射為可見光通信中直射鏈路阻塞、陰影所導致的信號中斷以及室內角落通信質量差等問題提供了解決途徑。

　　關鍵詞：無線光通信;可見光通信;漫反射;通信鏈路;直射鏈路;漫射鏈路;非定向視距鏈路

　　0引言

　　由于人們對綠色照明的需求，白光發光二極管(LED)已經被業界明確為未來的主要照明光源。相比于傳統照明光源，白光LED具有頻譜資源豐富、發光效率高和調制速率快等優點。因此，白光LED具有照明和通信的雙重功能。海量LED照明光源的鋪設，為白光光通信的廣泛應用提供了極大的便利條件。在基于白光LED的可見光通信中，存在著2種通信鏈路：定向視距鏈路和非定向視距鏈路。

　　通信方向評職知識： 無線網絡通信方面的課題申報方向

　　定向視距鏈路通信速率快，但要求接收機與發射機必須對準，一旦有阻塞，鏈路就會中斷，因此這種鏈路適合于做高速、無障礙物的可見光通信。非定向視距鏈路中，發射機的發射角度和接收機的視場角都較大，可以有效解決鏈路阻塞問題，實現鏈路無間斷通信，但在高速和遠距離通信中會出現多徑效應，導致通信速率低、通信質量差[1-2]。

　　因此，非定向視距鏈路模型是最符合實際室內照明通信的模型。在非定向視距鏈路中，光有2種途徑進入接收機：一種是直接進入;一種是通過墻壁、地板等反射面(即漫反射)反射后進入接收機。雖然直接進入接收機的光功率遠遠大于漫反射的光功率，但對系統性能的影響更大[3]。由于漫反射功率遠遠弱于直射功率，所以目前白光光通信的研究基本都是基于直射鏈路，而對于基于漫射鏈路的通信卻沒有引起重視。實驗研究發現，漫反射功率雖然很小，但依然可以實現通信[4]，其信號作為直射信號的補充，可以有效擴大基于直射鏈路的無線光通信的通信范圍，提高通信系統性能，擴展其應用范圍。

　　此外，有研究表明：漫反射可以解決鏈路遮擋問題，并使接收端具有移動性，可以有效改善鏈路性能[5-9]。但是以上研究基本上都是基于理論仿真。文獻[4]實驗驗證了在一個很小的且漫反射較強的區域內可以借助漫反射信號實現白光光通信。但是，在一個更大范圍內且漫反射較弱時，是否依然可以借助漫反射信號進行通信，從而改善通信系統性能，需要進一步研究。為此，本文研究漫反射對白光可見光通信系統性能的影響，探索通過漫反射提高通信質量、增大通信距離和擴大通信空間的可行性，并在通信范圍更大的實際環境中進行基于漫反射的可見光通信實驗。

　　1室內可見光通信信道模型

　　在室內可見光通信模型中，LED固定在天花板上，接收端位于LED的下方，為了研究漫反射在空間中的分布規律，本文建立非定向視距鏈路模型如圖所示。模型中到達接收端的光信號包含兩部分：一部分是由LED發出的未經反射的直射光，另一部分是經過墻壁等其它表面產生的漫反射光。在非定向視距鏈路中，接收端的光功率是由直射和漫反射疊加而成的。

　　漫反射引起的疊加除了有幅值上的還有相位上的，幅值的疊加可以提高通信質量、增加通信距離和通信范圍，相位的疊加將有可能使原來的信號失真或產生錯誤即引起多徑干擾｡在高速通信時，反射引起的多徑干擾比反射所引起的功率增加對信噪比的影響較大;而在通信速率較低時，功率增加所帶來的優勢大于多徑干擾的影響[10]。

　　2漫反射對通信性能的影響

　　為了研究漫反射對通信性能的影響，本文對直射鏈路和“直射+漫射”混合鏈路這2組通信進行對比實驗。首先，搭建了一個1.27m×1.27m×1.27m的模擬房間，房頂安置一個的白光LED光源，通信速率為10Hz。在進行直射鏈路實驗時，將房間的前、后、左、右4個面用純黑色攝影吸光布來遮擋，盡可能確保除了直射鏈路之外沒有其它漫反射鏈路存在。在進行“直射+漫射”混合鏈路實驗時，將房間后面、左面、右面3個面都用漫反射率約為0.5的反射材料來遮擋。

　　2.1測量系統設計

　　采用現場可編程門陣列(FPGA)設計信號發生器，對LED進行二進制啟閉鍵控(OOK)調制。光電探測器PIN將接收到的光信號轉化成電信號后進行放大;將放大之后的電壓幅值分別輸出到示波器和判決再生電路，示波器顯示的電壓均方根值表示室內漫反射信號的強弱;通過對判決再生電路丟失的碼的個數進行統計，計算信號在傳輸過程中碼的丟失率(即誤碼率)。

　　2.2電路設計

　　2.2.1LED驅動電路

　　運放LM324和溝道MOS管IRF540構成一個電流驅動電路，用于驅動LED發光，由所設計的信號源輸出OOK調制信號，用于控制電路的通斷。

　　2.2.2信號接收及處理

　　信號放大電路采用電壓反饋型雙運放AD8056，將接收到的電流信號轉化為電壓信號，再對電壓信號進行放大，放大倍數在100倍之間可調。放大器輸出信號經判決再生后輸入基于FPGA的信號處理電路進行接收信號的統計，計算誤碼率。

　　3實際環境下漫射鏈路通信實驗

　　為了進一步研究漫反射在實際環境中應用的可行性，本文在實驗樓的走廊內進行了基于漫反射的可見光通信實驗。實驗中，采用個3W的LED形成的陣列進行照明和通信，通信頻率為10kHz。LED距離地面的高度為2.5m，走廊寬為2.7m。在PIN上方約10cm處用擋板將直射鏈路完全遮擋，只有漫射鏈路時，其中上面的波形為發射信號波形，下面的波形為接收端接收到的信號波形。接收端不僅在靠近墻的附近可以接收到漫反射信號，在LED的正下方也可以探測到漫反射信號，漫反射分布規律與前面的模擬環境中得到的規律基本一致。

　　4結束語

　　在1.27m×1.27m×1.27m模擬房間中，本文進行了直射鏈路和“直射+漫射”混合鏈路通信實驗，測量了漫反射的分布規律、在此環境中漫反射對通信距離和通信覆蓋范圍的影響。最后，在走廊中進行了漫反射通信實驗。實驗結果表明：漫反射可以有效擴大通信覆蓋范圍、增大通信距離，進而改善通信系統性能。這為解決直射鏈路發生阻塞和陰影導致的通信中斷問題、直射鏈路通信質量、距離和范圍有限等問題提供了有效的解決途徑;同時，在實際環境中將直射鏈路完全遮擋，漫射鏈路可以在一定的范圍內進行通信。

　　實驗所得到的漫反射分布規律對基于白光可見光室內定位也有潛在的應用價值。由于實驗條件有限，實驗只是在模擬的空曠房間中進行，光功率小、通信范圍小，沒有考慮復雜環境下漫反射分布的變化情況，也沒有考慮光電探測器視場角的改變對漫反射信號的影響等因素。下一步將繼續研究更加先進的信號處理技術和通信系統，合理的將漫反射信號運用于通信系統中，以進一步擴大通信系統的覆蓋范圍，發揮漫反射在實際環境中的應用價值。

　　參考文獻：

　　[1]遲楠LED可見光通信技術[M].北京：清華大學出版社，2013.

　　[2]楊春勇，楊杰，陳振威.室內可見光通信接收機視場角選擇與LED分布優化[J].光電子激光，2016，27()：491497.

　　[3]KOMINET,NAKAGAWAM.FundamentalanalysisforvisiblelightcommunicationsystemusingLEDlights[J].IEEETransactionsonConsumerElectronics,2004,50():100107.

　　[4]張博蔡喜平劉健等.基于非視線鏈路的可見光通信實驗研究[J/OL].光通信技術，2021[20210907].http://kns.cnki.net/kcms/detail/45.1160.TN.20210708.1316.002.html.

　　[5]CHVOJKAP,ZVANOVECS,HAIGHPA,etal.Channelcharacteristicsofvisiblelightcommunicationswithindynamicindoorenvironment[J].JournalofLightwaveTechnology,2015,33():17191725.

　　作者：李娟，蔡喜平，盧鈺松，胡延靜，程貴東

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