基于LED車燈的車聯(lián)網(wǎng)高速通信系統(tǒng)

蔣子豪，劉淵帆，梁尚雨，王福民，李廣士,喬 梁,遲 楠

(復(fù)旦大學(xué)通信科學(xué)與工程系電磁波信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200433)

引言

可見(jiàn)光通信(visible light communication, VLC)以發(fā)光二極管(lighting emitting diode，LED)作為發(fā)射光源，且能夠以較低的價(jià)格實(shí)現(xiàn)照明和通信，適用于各種接入場(chǎng)景，其優(yōu)點(diǎn)是綠色、節(jié)能且不受電磁干擾[1]?；贚ED的可見(jiàn)光通信能同步地提供照明和通信，因而其發(fā)展相當(dāng)有前途。VLC作為一種新的照明和通信模式，促進(jìn)了下一代照明和接入網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，同時(shí)也成為國(guó)際研究新的熱點(diǎn)[2，3]。VLC的出現(xiàn)和發(fā)展不僅拓寬了無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源，而且為社會(huì)提供了一種新的移動(dòng)接入方式[4-6]。

車聯(lián)網(wǎng)是交通領(lǐng)域中物聯(lián)網(wǎng)的具體應(yīng)用，是智能交通的基礎(chǔ)和前提。盡管車聯(lián)網(wǎng)仍處于起步階段而且汽車網(wǎng)絡(luò)還不夠成熟，但中國(guó)正不斷加強(qiáng)對(duì)汽車網(wǎng)絡(luò)的研究，這也導(dǎo)致人們從無(wú)到有地認(rèn)知并了解車聯(lián)網(wǎng)。

本文提出一種基于可見(jiàn)光通信而應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)的通信方式，利用車燈LED作為發(fā)射端和高性能的PIN管作為接收端。該可見(jiàn)光通信系統(tǒng)基于離散多音頻(Discrete Multi-Tone，DMT)調(diào)制方式。通過(guò)改變傳輸距離、驅(qū)動(dòng)電流、信號(hào)幅值等參數(shù)，我們研究了該系統(tǒng)的最高傳輸速率與誤碼率性能。

1 車聯(lián)網(wǎng)背景

車聯(lián)網(wǎng)的概念是從物聯(lián)網(wǎng)中擴(kuò)展出來(lái)的，也可以說(shuō)是物聯(lián)網(wǎng)在交通領(lǐng)域的一種應(yīng)用。從廣義上講，車聯(lián)網(wǎng)并非傳統(tǒng)意義上信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)對(duì)所有車輛的動(dòng)態(tài)靜態(tài)信息與屬性等的監(jiān)控與提取，而是更為廣泛地以車為中心的，搭建起車對(duì)車、車對(duì)地面、車對(duì)人和車對(duì)云端一體化的進(jìn)行無(wú)線通訊與信息交換的大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[7，8]。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框圖Fig.1 Car networking system block diagram

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最終的發(fā)展應(yīng)該依托通信平臺(tái)，而且這種通信方式應(yīng)該是多模式的通信方式，傳統(tǒng)的車與車之間的通信技術(shù)主要包括微波、紅外技術(shù)、專用短程通信等[9]，而本文依托時(shí)下快速發(fā)展的可見(jiàn)光通信，提出了一種新的前車與后車之間的車燈通信交互方式。

2 DMT調(diào)制原理

DMT是正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術(shù)中的一種。DMT是通過(guò)對(duì)不同的子信道發(fā)送不同長(zhǎng)度的比特來(lái)得到最大信息流量的多載波調(diào)制的一種特殊形式， DMT調(diào)制提供了高頻譜效率，并且對(duì)跨符號(hào)干擾(inter-symbol-interference, ISI)和頻率選擇性衰落的信道具有很強(qiáng)的魯棒性[10]。

DMT系統(tǒng)模型如圖2所示，在系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，對(duì)輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)先進(jìn)行QAM映射然后再進(jìn)行串轉(zhuǎn)并。為了進(jìn)行信道估計(jì)，在符號(hào)中加入導(dǎo)頻符號(hào)，做快速傅里葉逆變換(IFFT)使各個(gè)信號(hào)調(diào)制到相互正交的子載波上，最后對(duì)信號(hào)做并串轉(zhuǎn)換后將得到的串行數(shù)據(jù)經(jīng)車燈LED光源發(fā)送出去。經(jīng)過(guò)自由光場(chǎng)信道后， VLC系統(tǒng)接收端的光電二極管(PIN)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。在對(duì)DMT進(jìn)行解調(diào)時(shí)，信號(hào)需要進(jìn)行同步，在去CP做FFT變換之前，先做串并轉(zhuǎn)換。為了對(duì)各個(gè)子載波分配合適的調(diào)制方式，系統(tǒng)需要利用導(dǎo)頻做信道估計(jì)。估計(jì)的結(jié)果進(jìn)行并轉(zhuǎn)串，最后通過(guò)QAM解映射將數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出[11]。

圖2 可見(jiàn)光通信DMT調(diào)制系統(tǒng)模型Fig.2 DMT modulation of VLC system diagram

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

VLC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖3所示。在這個(gè)VLC系統(tǒng)中，我們所使用的任意波形發(fā)生器(AWG)型號(hào)是Tektronix AWG520。輸出的DMT信號(hào)經(jīng)過(guò)電放大器(EA)與直流偏置器(Bias Tee)交直流耦合后，加載到車燈LED。發(fā)送的信號(hào)經(jīng)自由空間，通過(guò)透鏡與光柵，由PIN管(濱松S6968)接收光信號(hào)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)導(dǎo)入到示波器中，數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行離線處理，最后比較輸入輸出的誤碼率(bit error rate,BER)。發(fā)射信號(hào)為32 QAM DMT 8倍上采樣，接收端接收帶寬為50 MHz，示波器的采樣速率為500 MHz。

圖3 VLC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.3 The experimental setup of VLC system

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4(a)表示該可見(jiàn)光通信系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)的頻譜，因?yàn)榭梢?jiàn)光系統(tǒng)中LED的響應(yīng)曲線是呈指數(shù)衰減，所以接收信號(hào)頻譜如圖4(b)所示。

圖4 發(fā)送信號(hào)、接收信號(hào)頻譜圖Fig.4 Spectrogram of the signal sent and received

圖5 速率對(duì)信號(hào)性能的影響圖Fig.5 Effect of data rate on the signal performance

圖5所示為速率對(duì)信號(hào)性能的影響圖，在做速率對(duì)信號(hào)性能影響分析的時(shí)候，設(shè)定驅(qū)動(dòng)電流為380 mA,Vpp為0.5 V。我們可以從圖5中看出誤碼率隨著傳輸速率的增大而增大。系統(tǒng)傳輸最大的比特率為181.25 Mbps，即AWG的最高采樣率為290 MHz時(shí)，誤碼率在3.8×10-3以下。

圖6所示為距離對(duì)信號(hào)性能的影響圖，在做距離對(duì)信號(hào)性能影響分析的時(shí)候，設(shè)定驅(qū)動(dòng)電流為420 mA，AWG的采樣率為290 MHz，即信道傳輸比特率為181.25 Mbps。我們將車燈LED與PIN之間的距離設(shè)定在1.2～2 m之間,測(cè)試間隔為0.2 m。我們同時(shí)采集了信號(hào)幅值Vpp為0.6 V, 0.7 V與0.8 V的三組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。我們可以從圖中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)VLC系統(tǒng)距離在1.2～2 m之間時(shí)，誤碼率全部都在誤碼門限3.8×10-3以下，由于距離增加后接收機(jī)接收到的光功率降低，系統(tǒng)的信噪比(SNR)降低，BER增加，這也符合預(yù)期。

圖6 距離對(duì)信號(hào)性能的影響圖Fig.6 BER v.s distance

最后實(shí)驗(yàn)測(cè)試了車燈LED驅(qū)動(dòng)電流與信號(hào)幅值的影響，為的是能夠找到該車燈通信的最佳工作點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)電流的變化范圍為300～460 mA,間隔為40 mA，信號(hào)幅值變化范圍在0.5～0.9 V之間，間隔為0.1 V。圖7是信號(hào)幅值與驅(qū)動(dòng)電流對(duì)信號(hào)性能的影響圖，縱向比較系統(tǒng)誤碼率，可以看出在信號(hào)幅值一定的時(shí)候最佳工作電流為340 mA，橫向比較，在工作電流一定時(shí)，最佳工作的信號(hào)幅值為0.7 V。所以當(dāng)工作電流為340 mA，信號(hào)幅值為0.7 V，誤碼率只有5.25×10-4，因此我們也可以根據(jù)圖8找到最佳工作點(diǎn)。

圖7 信號(hào)幅值與驅(qū)動(dòng)電流對(duì)信號(hào)性能的影響圖Fig.7 BER v.s signal amplitude and current

圖8 工作點(diǎn)等高線圖Fig.8 Contour map of operating point

5 結(jié)束語(yǔ)

我們提出了一種用在車聯(lián)網(wǎng)中以解決車與車之間交互的LED車燈可見(jiàn)光通信系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中使用車燈LED模組，高靈敏度的PIN接收器，采用DMT調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)將系統(tǒng)的傳輸速率達(dá)到181.25 Mbps。系統(tǒng)的誤碼性能在經(jīng)過(guò)2 m的自由空間傳輸后仍然低于誤碼門限3.8×10-3。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到了該車燈模組在進(jìn)行可見(jiàn)光通信時(shí)的最佳工作點(diǎn)，即驅(qū)動(dòng)電流為340 mA,信號(hào)幅值為0.7 V。