室內可見光通信復合光學接收端設計與分析?

王云藍天 倪國強

(北京理工大學光電學院,光電成像技術與系統教育部重點實驗室,北京100081)

室內可見光通信復合光學接收端設計與分析?

王云藍天?倪國強

(北京理工大學光電學院,光電成像技術與系統教育部重點實驗室,北京100081)

(2016年10月6日收到;2017年1月20日收到修改稿)

本文提出了一種適用于室內可見光通信的新型光學接收端的設計.根據復合拋物面聚光器的聚光特性,將光電探測器與復合拋物面聚光器耦合作為接收子單元,并將這些接收子單元按照特定的幾何關系嵌入一個半球面中,得到角度分集型的復合光學接收端,達到水平方向360?,垂直方向180?的大視場.對每個接收單元接收到的光能量,低傳輸數據時進行相加求和作為最終的接收功率,高數據速率時取各個子單元的最大值作為接收功率.在一個5m×5 m×3 m的空曠房間中,通過MATLAB對室內可見光通信系統建模仿真.計算結果表明,采用這種復合型光學接收端后,兩種不同處理算法下的接收功率相對于直接接收分別提高了11.85和7.47 dB,增益分別為15.31和5.98.信噪比較高,兩種情況下的平均值分別為79.17和72.26 dB,且接收信噪比分布平緩,波動較小.這說明采用本文設計的光學接收端,不僅能夠得到較大的接收端視場角,同時獲得較高的增益和接收功率,以及穩定的接收信噪比,避免了室內可見光通信系統中通信盲區的存在,保證了室內通信性能的穩定性.

室內可見光通信,接收端,接收功率

1 引言

可見光通信(visible light communication,VLC)是以白光發光二極管(light eMitting diode,LED)為光源的新型無線光通信方式[1].與傳統的射頻通信及其他光無線通信方式相比,VLC不占用頻譜帶寬,無電磁波干擾,LED光源既有照明功能又有通信功能,只要有LED照明燈的地方都能實現通信,因此是一種極具發展潛力的通信方式.從2000年起,日本研究人員KoMine和Nakagawa等[2]就開始了室內條件下以白光LED作為光源的通信信道研究,他們通過數學分析與仿真計算,確認了白光LED同時作為照明光源和通信光源的可行性.利用白光LED的發光特性,將信號調制到白光上進行傳輸,可以構成LED可見光通信系統.

目前,室內VLC的研究主要集中在調制方式[3,4]、信道模型[5?7],LED光源布局設計等[8?10]方面.事實上,接收端的設計和視場角的選擇對通信性能有著至關重要的影響.室內VLC大多采用多個LED陣列分布在天花板上作為光源,不同路徑的入射光線到達接收端的時間不同,會造成碼間串擾進而影響信噪比(signal to noise ratio,SNR),降低傳輸速率.無線光通信系統的碼間串擾主要取決于數據速率和發射端與接收端的視場角.但對于室內可見光通信來說,由于發射端視場角一般較大,因此,數據速率和接收端的視場角是碼間串擾的主要影響因素.室內VLC通信鏈路分為直射型鏈路和非直射型鏈路,較大的接收端視場角可以使更多的光線進入接收端,提高接收光功率,實現無盲點通信,但是同時也會加劇碼間串擾,降低通信性能,并且視場角的大小會影響接收端的增益,因此接收端的設計和視場角的選擇是一項非常重要的研究內容.南洋理工大學的Wang等[11]針對室內VLC系統提出了一種傾斜接收端的方法,并采用牛頓算法計算最佳傾斜角度,提高了系統的SNR.

角度分集接收器一般采用多個視場角較小的接收單元,面向不同方向放置,組合成具有較大組合視場的陣列式接收端.角度分集接收技術能夠克服多徑衰落的影響,在不同的接收單元中接收到光能量被分別放大與處理.該接收器具有很多優點:相對于大視場的單元素接收器具有更高增益,同時能有效地抑制背景光噪聲、信道干擾和多徑干擾的的影響.本文根據室內VLC系統的特點,利用角度分集思想,提出了一種新型的接收端設計方法.根據復合拋物面的聚光特性,將復合拋物面聚光器與光電探測器耦合作為接收子單元,并按照幾何關系將多個接收子單元嵌入一個半球透鏡中,形成一個半球面(水平方向360?,垂直方向180?)的大視場的復合型全視場接收端.根據不同的通信要求,對每個子單元接收到的光能量進行不同的處理.由于單個接收子單元視場角較小,因此可以有效抑制碼間串擾,提高通信系統性能,同時多個接收子系統又保證接收端的全視場.并通過MATLAB仿真,在一個5m×5m×3m的空曠房間中,模擬了采用這種聚光器時接收端的接收功率分布和SNR分布.仿真結果表明,采用本文設計的復合型光學接收端,在保證大視場的同時,能夠得到較高的增益,在相加求和和取最大值兩種情況下接收端的平均接收功率提高了11.85和7.47 dB,增益分別達到15.31和5.98.SNR較高且波動較小,實現了大視場、高增益和穩定的通信性能.

2 光學接收端設計

復合拋物面聚光器[12](coMpound parabolic concentrator,CPC)是一種非成像型聚光器,其結構如圖1所示.AC和BD是兩條對稱的拋物線段,其焦點分別為D和C,AC和BD繞對稱軸旋轉一周,并在內部涂高反射薄膜介質,得到三維的復合拋物面聚光器.其中,a,b分別為CPC的入射面半徑和出射面半徑,l為CPC的高度,AD與BC的半夾角θmax為CPC的視場角.當入射光線的入射角度小于或者等于θmax時,光線能夠直接到達或者經過反射到達CPC的下端開口并被接收器接收利用;當光線入射角度大于θmax時,光線經過多次反射最終從CPC入射口被反射出去.CPC的增益G可表示為

其中,Cg為CPC的幾何聚光比,n為CPC內部填充部分的折射率.

將光電探測器放置在CPC的出射口,經CPC匯聚的光能量被探測器接收利用,由此形成CPC與光電探測器耦合的接收子單元,CPC作為聚光器可以匯聚更多的能量供探測器接收利用,可以大大提高探測器的接收功率.

圖1 CPC結構圖Fig.1.The structure of CPC.

CPC的這種光學性質,使得其可以用在室內VLC系統中作為光學天線,但是,由于CPC的增益與視場角的平方成反比,視場角越大,增益越小.為了在實現大視場的前提下保證通信性能,根據CPC的幾何特點和聚光特性,基于角度分集思想設計成復合型接收端,其模型圖和結構圖如圖2和圖3所示.在半球透鏡的中心位置插入一個視場角為θ2的接收單元,四周放置M個接收單元,每個接收單元視場角為θ1,要在水平方向達到360?的視場,需滿足

為了避免視場浪費,使視場角下限與水平面平行,每個接收單元的中心軸相對于xoy平面有一個α角度的傾斜,如圖4所示.傾斜角α滿足

要在垂直方向達到180?的視場,中心放置的接收單元的視場角θ2需滿足下式:

圖2 復合接收端俯視模型圖Fig.2.The counter Map of the coMposite receiver.

圖3 復合接收端透視結構圖Fig.3.The structu re of the coMposite receiver.

圖4 復合接收端側視示意圖Fig.4.The p rofi le of the coMposite receiver.

本文中采用的半球體的半徑為60 mm,每個CPC的出口半徑為10 mm,設半球體的球心為坐標原點,根據幾何關系,可計算出7個CPC的入射面圓心坐標分別為:(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).根據這些參數,在TracePro可建立接收端的模型,并進行仿真分析.設置光源為四組朗伯輻射面光源,總光通量為4 lm,接收端放置在原點位置,四組光源對稱分布.通過光線追跡,可以得到各個CPC接收面的光照度分布(只考慮直射光),如圖5中所示.

圖5 單個子單元接收示意圖(只顯示部分光線)Fig.5.Rays collected by one receiving unit.

3 接收端性能分析

3.1 接收功率分析

采用本文設計的光學接收端,室內VLC系統通信模型如圖6所示.接收端有多個接收子單元,由于每個接收子單元的光軸方向不同,相同方向的光線相對于各個子單元的入射角是不同的,根據入射角度的不同光線被不同的接收子單元分角度接收.利用MATLAB仿真軟件,在一個5 m×5 m×3m的空曠房間中對室內VLC通信模型建模,其中接收端放置在高度為0.85m的水平桌面上.

圖6 室內VLC通信模型Fig.6.The communication Model of indoor VLC system.

一般認為LED燈遵循朗伯輻射規律,其輻射光強度I與其輻射角度相關[2]:其中,I(0)為光源的中心發光強度,?為光源的輻射角,m為輻射模式數,與光源的半功率發射角?1/2相關,可以表示為m=ln 2/ln(cos?1/2).

在室內VLC系統中,系統的直流增益H(0)可表示為[11,13]

其中,d為光源到接收端之間的距離,A是光電探測器的有效面積,θ為光線相對于接收端的入射角.由于本文中接收端采用多個接收子單元,相對于每一個接收子單元,光線的入射角θ由接收單元的光軸方向和入射光線的方向向量決定.假設某接收單元的光軸方向單位向量為n(nx,ny,nz),入射光線單位向量為l(lx,ly,lz)則光線相對于該接收單元的夾角為cosθ=n·l.

因此,接收端接收到的直射光功率為

墻壁的一次反射光的直流增益可以表示為

其中,ρ為墻壁的反射率,d Awall為墻壁反射面的微小面源,d1是光線到反射點的距離,d2是反射點到接收端的距離,β1和β2分別是光線相對墻壁的入射角和出射角,θmax為接收端的視場角,g(θ)為接收端增益,TS(θ)為濾波器增益.

一次反射接收光功率

因此系統的總接收功率為

本文中,LED陣列光源布局是根據照度均方差最小原則放置[14],四組LED陣列的放置中心點位置分別為(1.025,3.975,3.000),(3.975,3.975,3.000),(1.025,1.025,3.000)與(3.975,1.025,3.000).每個陣列的LED的數目為3600(60×60)個,每個LED的發射功率為20 mW,半功率角為70?,LED中心光強為0.73 cd,LED間隔為0.01m,接收子單元的視場角為30?.

根據(9)式,利用MATLAB仿真,可得到房間中的接收光功率分布.圖7是不采用光學天線,直接用探測器接收時房間中的接收功率分布,探測器的具體參數列于表1中.

表1 光電探測器參數Tab le 1.ParaMeters of the photo-detector.

圖7 (網刊彩色)直接接收時房間中的功率分布Fig.7.(color on line)The d istribu tion of received power w ithou t op tical receiver.

圖8 (網刊彩色)采用單個CPC為光學天線時房間中的功率分布Fig.8.(color on line)The d istribu tion of received power using a CPC as the receiver.

從圖7中可以看出,在直接接收情況下,接收功率最大值0.25 dBm(1 dBm=10 lg P(mW)),最小值?5.23 dBm,平均值為?2.25 dBm.接收功率的分布呈現中間高,邊緣較低的形狀,尤其在距離光源較近的地方功率最高.這是因為在房間中心的位置處,光源與接收端之間的距離較短,光線的入射角度較小,會有更多的光線被接收單元接收.

單獨采用一個視場角為60?的CPC為接收天線時,房間中的接收功率分布如圖8所示.其中,接收功率的最大值為0.27 dBm,最小值為?4.72 dBm,平均值為?1.51 dBm.相對于直接接收,增益為1.18.

圖9 (網刊彩色)接收端各個接收子單元的接收功率(只考慮直射光)Fig.9.(color online)The received power distribution of each receiving unit.

同樣地,可以計算出每個接收子單元的接收功率,由于接收子單元視場較小,這里只考慮直射光,如圖9所示.其中圖9(a)為中心接收單元的接收功率,其余為四周放置的6個接收單元的接收功率.從圖中可以看出,由于視場角小,單個接收子單元接收存在著通信盲區,且每個接收子單元的接收功率分布差別較大,這與每個子單元的法向量相關,對于每一個子單元來說,在順著其法線方向的區域功率較大,背離法線方向的區域則功率較小.

對于每個子單元接收到的光能量的處理分為兩種情況.在室內VLC系統傳輸速率較低時,房間中各個位置的接收光功率可以通過將各個接收子單元接收到的光能量相加而得到,此時房間中的接收功率分布如圖10所示.

圖10 (網刊彩色)低速率求和時房間中的接收功率分布Fig.10.(color on line)The distribution of the received power using suMalgorithMat low bit rate.

從圖10中可以看出,此時房間中的接收功率很高,平均功率可達到9.60 dBm,相對于單獨采用一個視場角為60?的CPC作為光學天線提高了11.11 dB,相對于使用探測器直接接收時提高了11.85 dB.除了角落處的個別點之外,房間中大部分區域接收功率的波動很小.這說明采用本文設計的光學接收端房間中大部分區域的接收功率不僅較高且穩定,這樣無論接收端在房間中的任何位置,都能夠收到足夠的光功率,有較好的移動性.此時,相對于直接接收時的光功率,光學天線的增益G=15.31,相對于單獨采用CPC作為接收天線,增益提高了11.97倍.

這種相加求和的算法適用于系統傳輸速率較低的情況下,當系統傳輸速率較高時,就不能這樣簡單地相加求和了.對于本文中設計的光學接收端,在房間中的每個位置,對每個接收單元的接收功率分別進行比較,然后選擇接收功率最大的接收子單元的接收功率作為此位置的接收功率.

圖11為采用取最大值算法時房間中的功率分布.從圖中可以看出,此時的平均接收功率為5.22 dBm,相對于直接接收時提高了7.47 dB.并且從圖中可以看出,接收功率的分布也發生了變化,這是因為接收端有多個接收單元,且每個接收單元視場角小,增益較高,因此在房間中的邊緣位置也能獲得較高的接收功率.但整體分布與直接接收時情況相似,在燈下區域接收功率最高,邊緣位置下降.此時,相對于直接接收時的光功率,接收端的增益G為5.98,相對于采用單個視場角為60?的CPC為光學天線,增益提高了4.07倍.表2中列出了不同接收條件下房間中的接收功率的最大值、最小值、平均值,以及此時的接收端增益.

圖11 (網刊彩色)取最大值時房間內的接收功率分布Fig.11.(color on line)The distribution of received power using MaxiMuMalgorithm.

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

3.2 信噪比分析

在室內VLC中,探測器的大小是光波長的上萬倍,光波是空間分集接收,因此可忽略多徑衰落.系統中的噪聲主要包括散粒噪聲σshot與熱噪聲σtherMal,即

其中散粒噪聲和熱噪聲可分別表示為:

其中,探測器的響應率γ=0.53 A/W,Prsignal為信號功率,PrISI為碼間串擾功率,I3=0.0868[2],q為電荷電量,B為等效噪聲帶寬,Ibg為暗電流,I2是噪聲帶寬因子,k是玻爾茲曼常數,TK為絕對溫度,G是開環電壓增益,η是光電探測器單位面積的固定電容,Γ是FET信道噪聲系數,gm是FET跨導,各參數的具體值分別列于表3中.在只考慮直射光的情況下,可忽略碼間串擾噪聲.

這里我們引入一個Q因子[9]來評估房間中接收SNR的波動大小:

圖12 (網刊彩色)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.

根據(10)式可分別計算出采用光學接收端后,低速率求和和高速率取最大值兩種算法下房間中的SNR分布,如圖12(a)和圖12(b)所示.其中圖12(a)中的最大值為81.46 dB,最小值為61.95 dB,平均值為79.17 dB;圖12(b)中的最大值為76.45 dB,最小值為61.86 dB,平均值為72.26 dB.

從圖12中可以看出,除房間角落處的個別位置,房間中大部分區域SNR較高且波動較小.根據(13)式可以計算出兩種情況下的Q因子分別高達20.64和15.11 dB.這說明,本文中設計的光學接收端可以得到較高的接收功率,在獲得大視場的情況下同時可以得到較為穩定的接收SNR,保證了室內VLC的通信質量.

4 結論

本文設計了一種新的室內可見光通信系統光學接收端.對于單個CPC來說,視場角越大,增益越小.通過將復合拋物面聚光器與探測器的耦合作為接收子單元,并將這些接收子單元按照特定幾何關系嵌入一個半球中,設計成一種角度分集型的復合光學接收端,達到了水平方向360?、垂直方向180?的視場范圍.并在軟件TracePro中建立了接收端模型,通過MATLAB軟件對室內VLC系統建模,得到了采用這種復合接收端后房間中的功率分布和SNR分布,在低速率相加求和和高速率取最大值兩種情況下,接收端的增益分別為15.31和5.98,同時保證了大視場和高增益.通過與直接接收情況下的對比可以看出,采用這種復合接收端,接收功率分別提高了11.85和7.47 dB.且SNR分布比較均勻,波動較小,兩種情況下Q因子分別達到了20.64和15.11 dB,這說明,采用這種復合接收端,在提高接收端視場角的同時,還能夠獲得較高的接收功率,且在房間中的任何位置都有較高的SNR,使得接收端有較好的移動性,提高了系統的通信性能.

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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

?國家重點基礎研究發展計劃(批準號:2013CB 329202)資助的課題.

?通信作者.E-Mail:lantian@bit.edu.cn

?2017中國物理學會C h inese P hysica l Society

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