用于室內無線光通信的魚眼鏡頭成像接收技術研究

陳特 鄭重 高梓賀 陶瀅

【摘 ?要】針對室內無線光通信對接收機的大接收視場、高機動性等要求，提出了一種新型的魚眼鏡頭成像接收方案，并進行了建模研究和仿真分析。仿真結果表明，該接收方案在典型室內環境下具有接收視場大、機動性強、抗背景噪聲、信號時延擴展小等諸多優良特性，在室內無線光通信中具有良好的應用前景。

【關鍵詞】無線光通信;魚眼鏡頭;成像接收機

1 ? 引言

近年來，隨著移動互聯網技術的迅猛發展和大數據時代的到來，人們對無線通信業務的需求和要求也越來越高。然而，隨著無線通信業務需求量的指數級增長，傳統的無線通信技術遇到了難以突破的瓶頸——短缺的頻譜資源。在這種情況下，研究者逐漸將目光由“電域”轉移到“光域”，特別是進入21世紀以來，隨著固態照明技術的進步，基于照明發光二極管（Light Emitting Diode，LED）的室內無線光通信技術已成為國內外的研究熱點，被視為實現新一代無線高速接入的重要技術[1-3]。

當前國內外對室內無線光通信的研究主要集中在調制帶寬受限（幾兆赫茲到幾十兆赫茲）的條件下實現高速的數據傳輸[4-8]，而對實際應用環境下系統的機動性沒有特殊的關注。在實際的室內無線通信場景中，用戶終端通常具有一定的移動性，接收端相對于發射端的角度也具有隨機變化特性，這對接收機的機動性、接收視場等提出了很高的要求。傳統的角度分集接收方案利用具有一定角度排布特性的探測器陣列可實現廣角接收[9-10]，然而在接收到信號光的同時往往會接收到更多的背景光和反射光，這會導致背景光噪聲和多徑展寬的增強，很難滿足室內無線光通信的需求。

針對上述問題，本文提出了一種新型的用于室內無線光通信的魚眼鏡頭成像接收方案。該方案利用魚眼鏡頭和探測器陣列實現大視場的無線光信號接收，具有結構簡單、機動性強、抗背景噪聲、抗多徑衰落等優良特性，在未來室內無線光通信中具有良好的應用潛力。

2 ? 魚眼鏡頭成像接收方案及其接收模型

2.1 ?魚眼鏡頭成像接收方案

本文提出的魚眼鏡頭成像接收方案如圖1所示。該接收機由魚眼鏡頭和探測器陣列構成，其中魚眼鏡頭作為成像接收鏡頭將空間光信號投影到焦平面上，而位于接收平面處的探測器陣列則實現對光信號的接收。由于魚眼鏡頭可以將不同入射方向的光信號投影到探測器陣列的不同單元，因此通過硬判決選取接收信號功率最高的探測器單元即可完成通信鏈路的建立。

魚眼鏡頭是一種基于仿生學的超廣角鏡頭，魚眼鏡頭成像接收機應用于室內無線光通信具有很多優勢。首先，由于魚眼鏡頭具有超寬接收視場、高照度均勻性、超高成像質量等優點[11-12]，該成像接收機能夠在入射角不斷變化的情況下依然正常工作，從而實現較高的機動性。其次，由于魚眼鏡頭可以將不同入射方向的光束投影到探測器陣列的不同位置，可以有效區分來自不同方向的信號光、背景光、反射光，從而顯著提高接收性能。此外，魚眼鏡頭的投影成像面很小（幾十平方毫米）[12]，與商用的探測器陣列相匹配，因此魚眼鏡頭易于與探測器陣列相集成，從而有效提高系統的穩定性和可靠性。

2.2 ?多項式接收模型

3 ? 仿真分析

在多項式接收模型的基礎上，本文將對魚眼鏡頭成像接收機的接收性能進行具體的仿真分析。仿真基于前期的研究成果[14-15]，采用商用的魚眼鏡頭和5×5的探測器陣列構成魚眼鏡頭成像接收機，接收機具體參數如表1所示。

3.1 ?不同傾斜角情況下的接收功率

在實際的室內無線通信場景中，接收機有可能相對于發射光源被放置呈任意傾斜角。因此，本文首先仿真分析在不同傾斜角情況下魚眼鏡頭成像接收機的接收功率。

圖2為硬判決之后的歸一化接收功率隨方位角φ和俯仰角θ變化的分布情況。由于接收機的對稱性，圖2只給出了φ在0°到90°變化范圍內的結果（當φ由90°變化到360°時，圖2的結果會重復出現）。可以看到，無論接收機怎樣傾斜，系統所接收到的光功率并沒有發生顯著的劣化（最小接收功率為-2.75 dB）。因此，相比于傳統的無線光通信接收機，魚眼鏡頭成像接收機具有更大的接收視場，可以為室內無線光通信提供更好的機動性。

3.2 ?典型室內環境下的接收功率

接下來本文重點研究在典型室內環境下魚眼鏡頭成像接收機的接收性能。在這里，假設LED燈具位于房屋天花板的正中央，具體的仿真參數如表2所示：

圖3（a）所示為魚眼鏡頭成像接收機在室內不同位置時的接收功率分布，最大值和最小值分別為-11.18 dBm和-18.49 dBm。圖3（b）所示為相同條件下采用傳統接收機時的接收功率分布。在經過硬判決之后，魚眼鏡頭成像接收機相比于傳統接收機的平均接收功率代價僅為3.37 dB。此外，魚眼鏡頭成像接收機在整個室內環境下均可以接收到相對較高的功率，遠大于跨阻放大器件（AD8015）-36 dBm的光接收靈敏度[9]。

為了提供在移動環境下更直觀的結果，本文還計算了當魚眼鏡頭成像接收機在室內移動時的接收功率。接收機的移動軌跡如圖4（a）所示，圖4（b）為隨著接收機在室內位置的變化，不同探測器單元的接收功率變化曲線，其中PDij表示探測器陣列第i行第j列的探測器單元。可以看到，通過簡單的硬判決選擇最大的接收功率，系統在移動環境下可以提供很好的接收機動性。

3.3 ?接收背景光噪聲分析

在室內無線光通信系統中，背景光是最主要的噪聲源之一。由于背景光與信號光在接收端完全混疊，因此背景光噪聲很難得到有效的抑制。針對這個問題，本文提出的魚眼鏡頭成像接收機可以有效抑制背景光。在實際的室內通信場景中，背景光主要來源于太陽或其他照明燈具，且與信號光通常具有不同的來源方向。由于魚眼鏡頭可以有效區分不同入射方向的光束，將其投射到不同的探測器單元上，因此在經過硬判決之后背景光噪聲可以得到有效的濾除。

在前文設定的典型的室內通信場景下，假設天花板上的四個角落分別安有一組LED燈具，參數如表3所示。與天花板中央的LED光源不同，角落的四盞燈具僅提供室內照明，而不進行數據傳輸，因此它們是室內無線光通信的背景光源。

為了驗證魚眼鏡頭成像接收機可以有效抑制背景噪聲，本文仿真對比了采用魚眼鏡頭成像接收機和采用傳統接收機兩種情況下的背景光接收功率分布，如圖5所示。當采用傳統接收機時，室內環境下背景光接收功率的最大、最小和平均值分別為-6.48 dBm、-9.11 dBm和-7.22 dBm，甚至會超過信號光的接收功率，這將嚴重影響室內無線光通信的性能。而當采用魚眼鏡頭成像接收機時，即使背景光源的總發光功率（100 W）大于信號光功率（80 W），但經過硬判決后系統僅接收到極弱的背景光（最高值-24.61 dBm，平均值-29.42 dBm）。因此，魚眼鏡頭成像接收機具有很好的抗背景噪聲特性，在典型室內環境下相比于傳統接收機的平均背景噪聲抑制比高達22.2 dB，因此可以有效提高室內無線光通信性能。

3.4 ?信道時延擴展分析

在室內無線通信環境下，由于墻面反射光的入射角通常遠大于直射光的入射角，因此魚眼鏡頭成像接收機在保證大視場接收的同時，還可以在空間上區分并有效抑制反射光對通信性能的影響，從而顯著改善信道多徑干擾的問題。

本文利用基于光子追蹤算法的蒙特卡洛方法，對室內環境下的信道沖激響應和時延擴展進行仿真計算。圖6所示為采用魚眼鏡頭成像接收機和傳統接收機兩種情況下，在室內（3.5 m， 3.5 m）處的信道沖激響應對比圖。可以看到，魚眼鏡頭成像接收機可以有效抑制反射光，特別是一次反射光對多徑展寬的影響。

圖7為采用魚眼鏡頭成像接收機和傳統接收機的時延擴展分布對比圖。當采用傳統接收機時，室內環境下信道RMS延時擴展的最大值、最小值和平均值分別為5.44 ns、1.03 ns和3.06 ns。當采用魚眼鏡頭成像接收機時，由于可以有效抑制反射光的影響，延時擴展的最大值、最小值和平均值分別僅為1.02 ns、0.18 ns和0.51 ns。

對于不使用均衡器的通信系統來說，系統的最大傳輸符號速率Rs與RMS時延擴展τRMS之間的關系可以表示為：Rs ≤（10τRMS）-1。由此可以計算得到采用魚眼鏡頭成像接收機的最大傳輸符號速率（在室內環境下平均224.68 Baud）相比于傳統接收機（平均37.67 Baud）提高了6倍。可見，魚眼鏡頭成像接收機可以供更高的信道帶寬，因此在未來高速室內無線光通信中具有良好的應用潛力。

4 ? 結束語

室內無線光通信對接收機的接收視場、機動性以及抗背景光、抗多徑衰落等特性提出了較高的要求。為此，本文提出了一種新型的魚眼鏡頭成像接收方案，并進行了建模研究和仿真分析。魚眼鏡頭成像接收機可利用魚眼鏡頭的超寬視場特性實現超大視場的光信號接收，并通過硬判決選取接收功率最高的探測器單元完成無線鏈路的建立。仿真結果表明，該接收方案在典型室內無線通信環境下具有良好的機動性和接收性能，相比于普通接收機，平均背景噪聲抑制比高達22.2 dB，信道帶寬可以提高6倍。魚眼鏡頭成像接收機由于具有機動性強、抗背景噪聲性能好、信號時延擴展小等諸多優良特性，在室內無線光通信中具有良好的應用前景。

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