基于OCDMA的改進型室內可見光無線局域網分析

馮 慶 ， 方安安，汪蓉蓉

(南昌大學信息工程學院電子系，江西南昌 330031)

LED擁有極短的響應時間、高速的調制特性、極高的穩定性等優點，使其成為照明和通信的雙用基站。基于LED的可見光通信技術是一種使用可見光作為信號載體的無線通信方式，它與其他無線通信技術相比，在電磁輻射、發射功率、通信效率、安全性等方面都具有很大的優勢，近年來成為各個國家爭相研究的熱點。但可見光通信也有其無法回避的問題，比如由多徑干擾引起的碼間串擾、傳輸發散損耗較大、發射功率利用率不高等問題，影響了系統的整體性能。本文針對這一問題，提出可見光通信與激光通信相結合，既維持了LED燈的雙用基站功能，又優化了系統性能，構建了由LED照明燈發送信息給終端用戶的下行鏈路以及由終端向基站發送信息的上行鏈路，并通過光碼分多址技術，利用具有良好性能的光正交碼對信號進行編碼，以提高系統的抗干擾能力。

1 系統原理

1.1 OCDMA 技術

OCDMA技術的原理是給每個用戶分配一個地址碼，由編碼器對用戶信號進行編碼，各用戶的編碼信號經星型耦合器疊加，形成一個總的信號矢量送入信道傳輸。接收端解碼器對收到的序列進行相關運算，并進行解擴處理，通過門限判定恢復出源信號。其結構原理如圖1所示。

圖1 OCDMA系統結構原理圖

OCDMA技術具有優良的安全性、抗干擾性、隨機接入等優點，使得系統更加高效、可靠和組網靈活，可以很好地應用于室內可見光無線通信網，實現多用戶間的信息傳輸。

1.2 系統結構

可見光無線通信局域網的一種典型結構如圖2所示。其基本原理是用戶終端發出的數據源經過OCDMA編碼后，驅動用戶終端適配器的光源發送信號，調制方式選擇OOK調制，設置在頂部的光電探測器接收到發出的光信號，將其轉化為電信號并送入集線器，集線器再分時段地將信息以廣播的方式通過主光源LED發送給終端用戶，終端用戶適配器通過將發來的信號與本地地址碼作相關運算，如果匹配則接收，如果不匹配則放棄，這樣就構建了基站和終端的雙向通信，實現了用戶間的數據傳輸。主光源LED兼具照明和通信的雙重功能。

圖2 室內無線局域網系統結構圖

終端適配器的原理框圖如圖3所示。

圖3 終端適配器原理框圖

本文用激光代替LED作為“用戶光源”，利用激光通信實現系統的上行鏈路。與LED光源相比，激光發散角小、方向性好、光譜線寬窄，并且由于是用于室內短距離通信，只需要小功率的激光束即可滿足系統需要，無須光束自動跟蹤，大氣湍流等影響也可忽略不計。

光在大氣中傳播時，根據朗伯定律，其能量衰減可表示為

2 誤碼率分析

系統采用OCDMA編碼，設局域網內有N個用戶獨立地發送數據，bi(t)表示第i個用戶發送的數據源，即

式中:PT(t)為持續時間為T的矩形脈沖;b(i)k取值為0或+1。信號采用光強調制，則經過調制后的光載波強度為

式中:I0為調制前的光載波強度;I(t)為調制后的光載波強度。令mi(t)為(L，w，1)光正交碼，則

式中:PTc(t)為持續時間為Tc的矩形脈沖;a(i)j為第i個用戶地址碼的一個元素，取值0或1，經開關鍵控后的輸出為

則N個用戶的疊加信號為

經信道傳輸后接收信號為

這里假設用戶1發送信號給基站，則基站接收到的信號為

式中:等號右側第1項是希望得到的信號;第2項是其他N－1個用戶的干擾;第3項是信道高斯噪聲干擾。因此式子可以簡寫成

根據光正交碼理論得到N個用戶情況下誤碼率的概率密度函數為

接收機熱噪聲方差為

式中:L為正交碼碼長;k為玻爾茲曼常數;設接收機的光電轉換率R=0.52 A/W;絕對溫度Tk=300 K;開環電壓G取10 mW;暗電流取I3=0.086 8 A;場效應管跨導gm=30 mS;場效應管噪聲因子Γ=1.5;接收機單位面積固定電容η =112 pF/cm2;噪聲帶寬因子I2=0.562 A。

背景光引起的散粒噪聲方差為

式中:q為電子電荷;背景光電流Ibg=5 100 μA。

對于可見光，其接收信號信噪比為

其中H(0)為

式中:m為光源的輻射模式;A為探測器接收面積;l為發射端與接收端之間的距離;φ為發射角;ψ為入射角;Ts(ψ)為光濾波器增益;g(ψ)為基站接收機光集中器的集中系數;ψc為接收機視角。

將式(14)、(15)代入式(11)中，得其誤碼率為

對于激光，其接收信號信噪比為

式中:τ(l)=exp(－βl);ηt為天線發射效率;ηr為接收效率;dr為接收天線孔徑;θ為光束發散角;l為發射端與接收端之間的距離。

將式(17)代入式(11)，得其誤碼率為

3 仿真與分析

上行鏈路采用可見光時，令接收機面積A=1 cm2，基站接收角ψ為0°，終端信號發射角φ為60°，接收機光濾波器透射系數Ts(ψ)為0.9，光集中器集中系數g(ψ)為1，接收機FOV為60°;當用激光實現上行鏈路，設置接收天線孔徑為10 cm，光束發散角取1 rad，選取波長為1.06 μm 的激光，發射接收效率為 0.95，衰減系數 β =10 dB/km。采用(512，5，1)的正交碼對多用戶信號進行編碼。圖4反映誤碼率與傳輸距離的關系，從仿真結果來看，隨著傳輸距離的增加，傳輸損耗會增大，導致接收信號信噪比下降，系統誤碼率上升。終端適配器光源改為激光后，系統誤碼率相對更低。圖5反映誤碼率與判決門限的關系，仿真圖顯示隨著判決門限的上升，信源傳輸的“0”碼誤判為“1”的概率下降，從而使系統誤碼率下降。用戶光源改為激光后，系統誤碼率更低，并且隨著th的上升，下降幅度更大。圖6反映了誤碼率與碼重的關系，從仿真圖來看，隨著碼重的增加，多用戶之間的干擾會增加，從而導致系統誤碼率上升。上行鏈路改用激光通信后，系統誤碼率明顯更低，系統性能更好。

圖4 誤碼率與距離l的關系

圖5 誤碼率與判決門限th的關系

4 小結

本文提出用激光取代可見光作為系統上行鏈路的光源，采用可見光通信與激光通信相結合的方式實現室內無線通信局域網，并用OCDMA技術對信號進行編碼傳輸。將系統改進前后的性能進行對比分析并進行仿真，結果表明改進后的系統誤碼率低于上、下行鏈路均采用可見光通信的系統，性能有了明顯的改善，能較好滿足局域網中用戶的通信需求。

圖6 誤碼率與碼重w的關系

:

［1］于志剛，陳長纓，趙俊.白光LED照明通信系統中的分集接收技術［J］.光通信技術，2008，32(9):52－54.

［2］張士兵，包志華，徐晨.近距離無線通信及其關鍵技術［J］.電視技術，2006，30(6):62－64.

［3］KOMINE T，NAKAGAWA M.Fundamental analysis for visible light communication system using LED light［J］.IEEE Trans.Consumer Electronics，2004，50(1):100－107.

［4］李傳起，李曉濱.光纖通信 OCDMA系統［M］.北京:科學出版社，2008.

［5］丁德強，熙政.一種基于可見光通信的無線局域網系統設計與仿真［J］.西安理工大學學報，2007，(23):114－117.

［6］SALEHI J A.Code division multiple－access techniques in optical fiber network－partⅡ:System performance analysis［J］.IEEE Trans.Commun，1989，37(8):824－833.

［7］KAHN J M，BANY J R.Wireless infrared communications［J］.Proceeding of the IEEE，1997，85(2):265－298.