可見光無線通信網(wǎng)絡(luò)性能分析

仇洪光

（山東省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引 言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，無線通信技術(shù)的需求也不斷增加。可見光通信作為一種新型的無線通信技術(shù)，具有頻譜資源豐富、不受電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，因此越來越受到廣泛關(guān)注。

可見光通信技術(shù)是指利用可見光波段進(jìn)行通信的技術(shù)，其通信介質(zhì)為LED 或LD 等可見光發(fā)光體。相比于傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)，可見光通信技術(shù)具有更高的通信速率和更低的功耗，并且可以廣泛應(yīng)用于各種場景，如室內(nèi)通信、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居等領(lǐng)域。

可見光通信技術(shù)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

（1）頻譜資源豐富。可見光通信使用的頻段在100 THz左右，比傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)的頻段要寬得多，可以提供更高的通信速率和更好的通信質(zhì)量。

（2）不受電磁干擾。可見光通信使用的是可見光波段，與無線電波不同，不會(huì)對(duì)其他無線設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，因此可以保證通信的穩(wěn)定性和可靠性。

（3）安全性高。可見光通信使用的是光信號(hào)進(jìn)行通信，不易被竊聽和破解，可以保證通信的安全性。

（4）環(huán)保節(jié)能。可見光通信使用的是LED 等發(fā)光體作為通信介質(zhì)，具有低功耗、長壽命和環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，可以減少能源消耗和環(huán)境污染。

本文的研究目的是通過對(duì)可見光無線通信網(wǎng)絡(luò)的性能分析，深入探討可見光通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景，并且為可見光通信技術(shù)的研究和應(yīng)用提供參考。

1 可見光通信系統(tǒng)架構(gòu)

可見光通信系統(tǒng)由發(fā)射端、傳輸介質(zhì)和接收端三部分組成。發(fā)射端主要負(fù)責(zé)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為可見光信號(hào)，并將信號(hào)通過傳輸介質(zhì)傳輸?shù)浇邮斩耍粋鬏斀橘|(zhì)主要是空氣或光纖等，用于傳輸可見光信號(hào)；接收端主要負(fù)責(zé)將接收到的可見光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行解碼。可見光通信系統(tǒng)的各個(gè)組成部分詳細(xì)介紹如下。

1.1 發(fā)射端

發(fā)射端主要由光源、調(diào)制器和控制電路組成。光源一般采用LED 或LD 等可見光發(fā)光體，可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為可見光信號(hào)。調(diào)制器主要用于對(duì)可見光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，常見的調(diào)制技術(shù)包括強(qiáng)度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制等。控制電路主要用于控制光源和調(diào)制器的工作狀態(tài)，保證信號(hào)的正常傳輸。

1.2 傳輸介質(zhì)

傳輸介質(zhì)主要是空氣或光纖等，用于傳輸可見光信號(hào)。在室內(nèi)環(huán)境中，可見光信號(hào)主要是通過反射和散射進(jìn)行傳輸，因此需要對(duì)室內(nèi)環(huán)境的反射和散射特性進(jìn)行建模和優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

1.3 接收端

接收端主要由接收器、解調(diào)器和控制電路組成。接收器一般采用光電轉(zhuǎn)換器，可以將接收到的可見光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。解調(diào)器主要用于對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并將解調(diào)后的信號(hào)送入控制電路進(jìn)行后續(xù)處理。

可見光通信系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1 所示。其中發(fā)射端將電信號(hào)通過調(diào)制器轉(zhuǎn)換為可見光信號(hào)，并通過傳輸介質(zhì)傳輸?shù)浇邮斩耍唤邮斩藢⒔邮盏降目梢姽庑盘?hào)通過接收器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)，最終將解調(diào)后的信號(hào)送入控制電路進(jìn)行后續(xù)處理。

圖1 見光通信系統(tǒng)的整體架構(gòu)

2 可見光通信信道模型

2.1 光學(xué)信道傳輸模型

可見光通信信道傳輸模型是可見光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能分析的重要基礎(chǔ)，其中光學(xué)信道傳輸模型是最為關(guān)鍵的一部分。光學(xué)信道傳輸模型主要是描述可見光信號(hào)在空氣或光纖等介質(zhì)中傳輸過程中的衰減和失真情況。通常采用光學(xué)傳輸方程來描述光學(xué)信道傳輸模型，其基本形式為

式中：PR為接收端接收到的信號(hào)功率；PT為發(fā)射端發(fā)射的信號(hào)功率；GT和GR分別為發(fā)射端和接收端的天線增益；θ為信號(hào)傳輸方向與天線指向方向之間的夾角；AT和AR分別為發(fā)射端和接收端的有效接收面積；d為發(fā)射端和接收端之間的距離。

溫衡發(fā)現(xiàn)半年不見，陶小西長高了，嗓音也變粗了，女生還坐在他的自行車后座上，陶小西順著溫衡的目光，才恍然大悟似的介紹了女生。

在可見光通信系統(tǒng)中，由于光信號(hào)在傳輸過程中會(huì)受到衰減和失真的影響，因此需要對(duì)光信號(hào)的衰減和失真特性進(jìn)行建模和分析。常見的光學(xué)信道傳輸模型包括直線傳輸模型、反射傳輸模型和漫反射傳輸模型等。

直線傳輸模型是指可見光信號(hào)在空氣或光纖等直線介質(zhì)中傳輸?shù)哪Ｐ停鋫鬏敁p耗與傳輸距離的平方成反比，用公式表示為

式中：LdB為信號(hào)傳輸損耗；d為發(fā)射端和接收端之間的距離；d0為是參考距離。

反射傳輸模型是指可見光信號(hào)在室內(nèi)環(huán)境中通過墻壁、地板等表面反射后傳輸?shù)哪Ｐ停鋫鬏敁p耗與表面反射系數(shù)、傳輸距離、信號(hào)入射角等因素相關(guān)，計(jì)算公式為

式中：ri為信號(hào)在第i 次反射時(shí)的反射系數(shù)；n為反射次數(shù)；d為發(fā)射端和接收端之間的距離；d0為參考距離。

漫反射傳輸模型是指可見光信號(hào)在室內(nèi)環(huán)境中通過墻壁、地板等表面散射后傳輸?shù)哪Ｐ停鋫鬏敁p耗與散射系數(shù)、傳輸距離、信號(hào)入射角等因素相關(guān)，計(jì)算公式為

式中：∑i為信號(hào)在第i次散射時(shí)的散射系數(shù)；n為散射次數(shù)；d為發(fā)射端和接收端之間的距離；d0為參考距離。

2.2 傳輸噪聲分析

在可見光通信系統(tǒng)中，傳輸噪聲是影響系統(tǒng)性能的重要因素之一。傳輸噪聲主要由發(fā)射端和接收端的電路噪聲以及環(huán)境噪聲等多種因素組成。通常采用噪聲溫度來描述傳輸噪聲的大小，其單位為開爾文（K）。在可見光通信系統(tǒng)中，噪聲溫度通常與噪聲系數(shù)相關(guān)聯(lián)，計(jì)算公式為

在可見光通信系統(tǒng)中，傳輸噪聲主要來自于發(fā)射端和接收端的電路噪聲以及環(huán)境噪聲。為了降低傳輸噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響，可以采用一些技術(shù)手段，如信道編碼、信道均衡和功率控制等。

2.3 信道傳輸效率計(jì)算

可見光通信系統(tǒng)的傳輸效率是指在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘颗c總傳輸時(shí)間的比值，通常用比特每秒（bps）來表示。傳輸效率是評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一，其大小與信道帶寬、調(diào)制方式、編碼方式等因素相關(guān)。傳輸效率計(jì)算公式為

式中：Rbps為傳輸效率；B為信道帶寬；S為信號(hào)功率；N是噪聲功率。

3 可見光通信多用戶接入技術(shù)

3.1 多用戶接入技術(shù)概述

多用戶接入技術(shù)是指在同一個(gè)頻段或時(shí)間段內(nèi)，多個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行通信的技術(shù)。在可見光通信系統(tǒng)中，多用戶接入技術(shù)主要是用于提高系統(tǒng)的通信容量和效率，常見的多用戶接入技術(shù)包括時(shí)分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）、碼分多址（CDMA）等。

3.2 多用戶接入?yún)f(xié)議比較

可見光通信多用戶接入?yún)f(xié)議比較如表1 所示。

表1 可見光通信多用戶接入?yún)f(xié)議比較

3.3 多用戶接入算法性能分析

多用戶接入算法的性能主要包括通信容量、時(shí)延、抗干擾能力等指標(biāo)。在可見光通信系統(tǒng)中，由于可見光通信信道的特殊性，多用戶接入算法的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有一定的難度。研究表明，CDMA 技術(shù)具有較高的接入容量和抗干擾能力，但是其時(shí)延較大；TDMA 技術(shù)具有較低的時(shí)延和較高的時(shí)隙利用率，但是其接入容量和抗干擾能力相對(duì)較低。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求進(jìn)行選擇和優(yōu)化。

4 可見光通信調(diào)制技術(shù)

4.1 常見可見光調(diào)制技術(shù)概述

可見光通信調(diào)制技術(shù)是指將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為可見光信號(hào)的過程。調(diào)制技術(shù)主要涉及到信號(hào)的調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相等方面，其中常用的可見光調(diào)制技術(shù)包括OOK 調(diào)制、FSK 調(diào)制、ASK 調(diào)制、PSK 調(diào)制等。

OOK 調(diào)制是指將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)的高低狀態(tài)，當(dāng)數(shù)字信號(hào)為0 時(shí)，光強(qiáng)為0，當(dāng)數(shù)字信號(hào)為1 時(shí)，光強(qiáng)為常數(shù)。OOK 調(diào)制技術(shù)具有實(shí)現(xiàn)簡單、硬件復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)，但是其帶寬利用率相對(duì)較低。

FSK 調(diào)制是指將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為光波頻率的高低狀態(tài)，當(dāng)數(shù)字信號(hào)為0 時(shí)，光波頻率為f0，當(dāng)數(shù)字信號(hào)為1 時(shí)，光波頻率為f1。FSK 調(diào)制技術(shù)具有帶寬利用率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是其硬件實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。

ASK 調(diào)制是指將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)的高低狀態(tài)，當(dāng)數(shù)字信號(hào)為0 時(shí)，光強(qiáng)為0，當(dāng)數(shù)字信號(hào)為1時(shí)，光強(qiáng)為常數(shù)。ASK調(diào)制技術(shù)與OOK調(diào)制技術(shù)類似，但是其信號(hào)復(fù)雜度較高。

PSK調(diào)制是指將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為光波的相位狀態(tài)，當(dāng)數(shù)字信號(hào)為0 時(shí)，光波相位為∮0，當(dāng)數(shù)字信號(hào)為1 時(shí)，光波相位為∮1。PSK 調(diào)制技術(shù)具有帶寬利用率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是其對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)和信道估計(jì)等方面有較高要求。

4.2 調(diào)制技術(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響

調(diào)制技術(shù)對(duì)可見光通信系統(tǒng)的性能影響較大，主要體現(xiàn)在帶寬利用率、抗干擾能力、傳輸效率等方面。不同的調(diào)制技術(shù)具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求進(jìn)行選擇和優(yōu)化。

4.3 調(diào)制技術(shù)的優(yōu)化方案

為了提高可見光通信系統(tǒng)的性能，可以采用一些調(diào)制技術(shù)的優(yōu)化方案，如信道均衡、前向糾錯(cuò)編碼等。信道均衡是指在接收端對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，以消除信道對(duì)信號(hào)的失真和衰減。前向糾錯(cuò)編碼是指在傳輸過程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，使其能夠容錯(cuò)并糾正傳輸中的誤碼。這些優(yōu)化方案可以提高可見光通信系統(tǒng)的傳輸效率和可靠性，但是也會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度和功耗。

5 結(jié) 論

可見光通信作為一種新興的無線傳輸方式，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，可見光通信將在智能家居、室內(nèi)導(dǎo)航、智能交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為人們帶來更加便捷、高效、環(huán)保的通信服務(wù)。