基于MIMO的可見光通信系統研究

喬 琪，張 悅

（江蘇電子信息職業學院，江蘇 淮安 223003）

0 引言

近幾年來，LED因其具有發光強度高、耗能低、無輻射等優點，LED技術正在突飛猛進的發展。隨著人們對通信的需求量大幅增多，同時無線射頻頻譜資源正在日益匱乏，為了解決這個問題，利用LED實現的可見光通信也逐漸成了通信領域研究的熱點之一。可見光通信是一種新型的無線光通信技術，使用可見光取代傳統的射頻獲電磁波作為信號的傳輸宅邸，與傳統的無線通信方式相比，可見光通信具備頻譜資源豐富，無電磁輻射干擾、信息傳輸安全性高的特點，目前已被廣泛應用于室內定位、智能交通系統、智能家居等領域。

可見光通信是利用LED作為信號發射端，當LED燈亮時表示為1，燈滅時表示為0，這樣就可以利用LED燈的閃爍來傳送信號，在LED光源上加裝控制芯片，因為LED燈閃爍的頻率非常高，人們是覺察不到燈的閃爍。在系統中采用LED燈作為電光轉換器，光電二極管作為光電轉換器，這樣LED在作為照明光源使用的同時，還可以將編碼后的燈光信號在光照范圍內進行傳遞，信息經過傳遞后在接收端利用光電二極管接收光信號，再經過解調可以還原出原始信號。LED與傳統的燈泡相比，具有較長的使用壽命和更加優良的發光效率，同時由于可見光的特性，信息只能在可見光的光照范圍內進行傳遞，因此系統在安全性上表現優異，非常適合于室內無線通信[1]。

1 關鍵技術

MIMO技術是指多路輸入多路輸出，是目前無線通信領域一個重要研究技術。基于MIMO技術的無線通信系統，是在信號發射端和接收端分別使用多個發射天線和多個接收天線，這樣可以在不增加頻譜資源和發射功率的情況下，提高信道容量。在發送端將多路串行的傳輸信號經過調制、編碼再進行發送，信息利用可見光這個載體進行傳遞，在信號接收端再利用多個接收天線進行信號的解調、解碼處理，得到原始的發送信號。

基于MIMO技術的可見光通信系統，可以充分利用MIMO的空分復用增益，整個系統由多個LED組成信號發射端，這樣可以有多個并行的通信信道應用于可見光通信系統中，可以有效解決系統里的盲區，同時還可以有效地改善多徑效應，從而有效地提高系統的頻譜利用率[2]，系統如圖1所示。

圖1 基于MIMO的可見光通信系統原理圖

2 室內可見光系統模型

室內可見光通信系統的構建，首先要求LED能夠滿足照明的需求，因此本文構建一個由4個LED組成的多LED可見光通信系統模型，如圖2所示。圖中的每個LED都有各自的光照范圍只有當接收端在光照范圍內，才能夠正常接收到LED發出的可見光信號。在多LED可見光系統中，如果當接收端位于兩個LED光照范圍的重疊處時，它會同時收到兩個LED發出的可見光信號，那么如何識別兩個可見光信號？可以將每一個LED發出的可見光信號設置各不相同，這樣不同的可見光信號就代表不同含義，可以通過比較收到的信號強度，優先選擇信號強度高的；同時還可以通過調節LED的亮度，合理設置LED的光照強度、LED的光照范圍等，盡量減少相鄰的LED發出的可見光信號交疊現象。

圖2 多LED室內可見光系統模型

在室內可見光通信系統中，由于發射機與接收機周圍存在墻壁和其他物體，因此可見光信號的傳遞路徑有可見光直射路徑（即發送端發出的可見光信號直接到達接收端的傳輸通道），還有可見光反射路徑（即可見光從發送端發出經過室內的墻壁或其他物體一次及多次反射后再到達接收端的傳輸通道），如果室內物品較多，信號在傳遞過程中還會存在多次反射現象，由于受到多徑效應的影響，信號功率會變得越來越低，導致信號傳輸質量下降。

本文為了系統的簡單性，僅考慮一次反射的情況。單個LED的光線示意圖如圖3所示，其中d1位LED到反射點（墻壁或其他物體）的距離，d2位反射點到接收端的距離；α為LED的半功率角，該角度越大，則LED的照明范圍越大；β為接收端的光線入射角，η為可見光到室內墻壁的光照角，θ為反射光線到接收端的光照角。

圖3 LED光線示意圖

在室內可見光通信系統中，半功率角α是固定不變的，一般來說，系統中選用的LED半功率角盡量大，這樣可以覆蓋室內較多的區域，同時由于接收端是可移動的，接收端的入射角β是變化的，通常要求β＜α，此時接收端能夠接收到可見光信號的區域是要小于LED光照覆蓋區域范圍的。由于任何一個通信系統都希望得到較高的接收功率和SNR，因此接收端的入射角β的數值具體設置為多大，需要進行仿真實驗，通過對接收端在不同位置上的平均接收功率進行分析比較，最終確定入射角β的數值。我們通過分析仿真實驗結果，確定設置入射角β為50°。

3 室內可見光通信系統的調制技術

室內可見光通信系統是利用LED發出的可見光進行信號的傳輸，需要找到一種既能提高系統的傳輸效率又能降低系統誤碼率的調制方式。目前，調制方式主要有ASK調制技術、FSK調制技術、PSK調制技術、OFDM調制技術等，接下來介紹這幾種調制技術。

3.1 ASK調制技術

幅移鍵控（ASK）是利用載波的振幅變化傳遞數字信號的一種調制方式，此方法又稱為通斷鍵控（OOK），其中最常見的是二進制幅移鍵控。二進制幅移鍵控簡稱2ASK，其利用代表數字信息“0”或“1”的矩形脈沖去鍵控一個連續的載波，使載波時斷時續地輸出。產生2ASK信號的原理如圖4所示，利用二進制信號控制開關，“1”碼時，接通開關，輸出載波信號；“0”碼時，斷開開關，無載波輸出。即有載波輸出時表示發送“1”，無載波輸出時表示發送“0”。2ASK調制的優點是易于實現，但是抗干擾能力差，主要用于低速數據傳輸。

圖4 2ASK信號原理框圖

3.2 FSK調制技術

頻移鍵控（FSK）是利用載波的頻率變化傳遞數字信號的一種調制方式，二進制頻移鍵控簡稱2FSK，產生2FSK信號的原理如圖5所示，用頻率為f1的載波信號表示數字信號“1”碼，頻率為f2的載波信號表示數字信號“0”碼。2FSK調制的優點是電路實現簡單、抗干擾能力強，但其占用頻帶較寬，導致頻率利用率較低，只有2ASK調制的1/3左右。

圖5 2FSK信號原理框圖

3.3 PSK調制技術

相移鍵控（PSK）是利用載波的相位變化傳遞數字信號的一種調制方式，載波的相位隨數字信號的變化而變化，相移鍵控可分為絕對相移鍵控和相對相移鍵控兩種，其中二進制絕對相移鍵控簡稱2PSK，產生2PSK信號的原理如圖6所示。某一碼元所對應的已調波與參考載波的相位偏移，例如用0相載波表示數字信號“1”碼，π相載波表示數字信號“0”碼。2PSK調制的抗噪性能優異，但其頻帶利用率不高，且存在“相位模糊”現象。

圖6 2PSK信號原理框圖

3.4 OFDM調制技術

正交頻分復用（OFDM）是利用正交子載波實現數據高速傳輸，高效利用帶寬資源的一種調制技術，屬于多載波調制。OFDM優點是可以降低多徑效應產生的干擾，從而提高系統的頻帶利用率，系統的穩定性也更好一些[3]。

除了以上介紹的幾種調制技術之外，還有在OFDM基礎上改進的DMT調制技術，與OFDM 技術相比，DMT調制技術直接利用可見光載波傳輸已調信號，提升了系統的帶寬利用率，還可以降低或消除碼間串擾以及多徑效應。

由于可見光通信系統中采用新型的傳輸方式，因此發送端發出的信號都是正信號，是沒有極性和相位的。因此研究適合可見光通信系統的調制技術，對于提高可見光通信系統的頻譜利用率是非常重要的。

4 結語

室內可見光通信系統可以滿足日常照明，同時，還可以實現數據傳輸，相比較傳統的無線通信方式如WiFi、紅外通信、藍牙等，更加安全可靠，但還需要進一步對其進行探索研究，提升系統的信號接收功率、帶寬利用率、傳輸速率等參數。隨著5G時代的到來，為了滿足更多更大容量的數據傳輸需要，基于LED的可見光通信將會憑借其自身的優點，在未來室內無線接入市場競爭中占據優勢地位[4]。