MIMO室內可見光通信系統仿真研究

摘 要： 為了提高室內可見光通信系統的速率和性能，采用OptiSystem軟件在不同數據速率條件下對單輸入單輸出（SISO）室內可見光通信系統和多輸入多輸出（MIMO）室內可見光通信系統進行了眼圖對比分析。仿真分析結果表明：MIMO室內可見光通信系統利用數據的并行傳輸，提高了系統的傳輸速率，提高了系統的性能。

關鍵詞： VLC； MIMO； OptiSystem； 眼圖

中圖分類號： TN929.1?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）07?0016?03

0 引 言

電力線通信（Power Line Communication，PLC）利用已經存在的電線作為通信線路，避免了通信電纜的重復投入，受到各國關注，很多國家完成了對PLC系統標準化的制定[1?4]。

近年來，隨著LED燈的普及應用，結合PLC和LED的室內可見光通信（Visible Light Communication，VLC）成為研究應用的一個熱點[5?7]。在青藏高原地區，為建立一個低碳環保，電磁輻射少的高原生態環境，研究和發展應用可見光通信具有積極意義。

對于如何進一步提高可見光通信系統的速率和系統性能這個問題，可以引入MIMO技術來解決[8]。組建MIMO可見光通信系統，利用數據的并行傳輸來提高系統的傳輸速率，提高系統的性能[9?10]。

1 MIMO室內可見光通信系統模型

MIMO室內可見光通信系統，即多光源多接收的可見光通信系統。實現方法是構建多路離散的發射機和接收機[11?12]。假設系統有[N]個發射機和[N]個接收機，每個白光LED燈輸入端作為一個發射機，二進制數據比特流NRZ碼先由串行轉換為并行數據流，產生電信號[Uit]，[1iN]，[Uit]對LED光源進行調制，產生光功率為[Pit]的光信號，經過光無線信道，在接收機端產生光接收信號[Pjt]，[1jN]，接收到的光信號經過光檢測器轉換成電信號并受到噪聲[njt]的影響，所以，輸出電流為：

[R=rHP+n] （1）

式中：[R]表示光電二極管輸出端的電信號向量；[r]表示光電二極管的響應度；[H]表示[N×N]階的MIMO信道矩陣；[P]為發送的[N]維光信號能量；[n]表示接收端的[N]維噪聲向量。

利用OptiSystem軟件構建的[N×N]階MIMO室內可見光通信系統組成框圖如圖1所示，發射機和接收機均為[N]個，在取不同[N]值和數據速率條件下進行了仿真對比分析。

2 仿真分析

取不同[N]值，在100 Mb/s，150 Mb/s，200 Mb/s數據比特率條件下進行了仿真，眼圖分析儀給出了相應條件下的眼圖。

2.1 單輸入單輸出室內可見光通信系統仿真分析

中取[N]=1，即為單輸入單輸出可見光通信系統。仿真結果為[N]=1時，隨著速率增高，眼圖眼線增粗，尤其是“1”電平始終較粗，[Q]因子值隨速率的增高而減??；100 Mb/s時[Q]因子為12.3，所示；200 Mb/s時[Q]因子減小為5.7，小于6，如圖3所示?？傮w來說，速率越高，眼圖質量越差。造成的原因主要有三個方面：速率越高，抖動越難控制；噪聲沒有完全濾除；阻抗不匹配。

2.2 三輸入三輸出室內可見光通信系統仿真分析

中取[N]=3，即為三輸入三輸出可見光通信系統。仿真結果為[N]=3時，總體來說，速率越高，眼圖質量越差。但與[N]=1時相比，眼圖質量有改善，[Q]因子值在100 Mb/s時提高為18.0，如圖4所示。

2.3 九輸入九輸出室內可見光通信系統仿真分析

中取[N]=9，即為九輸入九輸出可見光通信系統。仿真結果為[N]=9時，總體來看，隨著速率增高，眼圖質量仍然變差，但與[N]=1時相比，眼圖質量大有改善，眼線較細，尤其“1”電平明顯變細。[Q]因子值在100 Mb/s時提高到23.5，如圖5所示；[Q]因子值在150 Mb/s時提高到10.7，；在200 Mb/s時[Q]因子提高到6.53，大于6，

3 結 論

通過對MIMO室內可見光通信系統仿真分析，可得：

（1）MIMO室內可見光通信系統能支持更高的數據速率。例如圖2中 100 Mb/s速率下單輸入單輸出室內可見光通信系統的[Q]因子為12.3，而圖6中150 Mb/s速率下九輸入九輸出室內可見光通信系統的[Q]因子為10.7，兩種室內可見光通信系統的[Q]因子相差不大，但后者支持的速率比前者多出50 Mb/s。

（2）MIMO室內可見光通信系統能獲得更好的系統性能。由圖2～圖7可看出，同一數據速率條件下，隨著[N]值的增大（實際應用中[N]的取值有限），室內可見光通信系統的系統性能不斷改善，但隨著數據速率的提高，系統性能改善的空間縮小。例如由圖2和圖5對比得出，在100 Mb/s速率下，九輸入九輸出室內可見光通信系統的[Q]因子比單輸入單輸出室內可見光通信系統的[Q]因子提高了11.2；由圖3和圖7對比得出，在200 Mb/s速率下，九輸入九輸出室內可見光通信系統的[Q]因子只比單輸入單輸出室內可見光通信系統的[Q]因子提高了0.8。

本文只限于理論上的仿真研究，實際中若組建MIMO室內可見光通信系統來實現無線寬帶接入，還有待解決許多問題，增加相關的光學器件。

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