可見光無線通信網絡性能分析

仇洪光

（山東省郵電規劃設計院有限公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

隨著移動互聯網和物聯網的迅速發展，無線通信技術的需求也不斷增加?？梢姽馔ㄐ抛鳛橐环N新型的無線通信技術，具有頻譜資源豐富、不受電磁干擾的優點，因此越來越受到廣泛關注。

可見光通信技術是指利用可見光波段進行通信的技術，其通信介質為LED 或LD 等可見光發光體。相比于傳統的無線通信技術，可見光通信技術具有更高的通信速率和更低的功耗，并且可以廣泛應用于各種場景，如室內通信、車聯網、智能家居等領域。

可見光通信技術具有以下幾個優點。

（1）頻譜資源豐富?？梢姽馔ㄐ攀褂玫念l段在100 THz左右，比傳統的無線通信技術的頻段要寬得多，可以提供更高的通信速率和更好的通信質量。

（2）不受電磁干擾?？梢姽馔ㄐ攀褂玫氖强梢姽獠ǘ危c無線電波不同，不會對其他無線設備產生電磁干擾，因此可以保證通信的穩定性和可靠性。

（3）安全性高?？梢姽馔ㄐ攀褂玫氖枪庑盘栠M行通信，不易被竊聽和破解，可以保證通信的安全性。

（4）環保節能?？梢姽馔ㄐ攀褂玫氖荓ED 等發光體作為通信介質，具有低功耗、長壽命和環保節能等優點，可以減少能源消耗和環境污染。

本文的研究目的是通過對可見光無線通信網絡的性能分析，深入探討可見光通信技術的發展和應用前景，并且為可見光通信技術的研究和應用提供參考。

1 可見光通信系統架構

可見光通信系統由發射端、傳輸介質和接收端三部分組成。發射端主要負責將電信號轉換為可見光信號，并將信號通過傳輸介質傳輸到接收端；傳輸介質主要是空氣或光纖等，用于傳輸可見光信號；接收端主要負責將接收到的可見光信號轉換為電信號并進行解碼?？梢姽馔ㄐ畔到y的各個組成部分詳細介紹如下。

1.1 發射端

發射端主要由光源、調制器和控制電路組成。光源一般采用LED 或LD 等可見光發光體，可以將電信號轉換為可見光信號。調制器主要用于對可見光信號進行調制，常見的調制技術包括強度調制、頻率調制、相位調制等?？刂齐娐分饕糜诳刂乒庠春驼{制器的工作狀態，保證信號的正常傳輸。

1.2 傳輸介質

傳輸介質主要是空氣或光纖等，用于傳輸可見光信號。在室內環境中，可見光信號主要是通過反射和散射進行傳輸，因此需要對室內環境的反射和散射特性進行建模和優化設計，以提高信號的傳輸質量。

1.3 接收端

接收端主要由接收器、解調器和控制電路組成。接收器一般采用光電轉換器，可以將接收到的可見光信號轉換為電信號。解調器主要用于對接收到的信號進行解調，并將解調后的信號送入控制電路進行后續處理。

可見光通信系統的整體架構如圖1 所示。其中發射端將電信號通過調制器轉換為可見光信號，并通過傳輸介質傳輸到接收端；接收端將接收到的可見光信號通過接收器轉換為電信號，并通過解調器進行解調，最終將解調后的信號送入控制電路進行后續處理。

圖1 見光通信系統的整體架構

2 可見光通信信道模型

2.1 光學信道傳輸模型

可見光通信信道傳輸模型是可見光通信系統設計和性能分析的重要基礎，其中光學信道傳輸模型是最為關鍵的一部分。光學信道傳輸模型主要是描述可見光信號在空氣或光纖等介質中傳輸過程中的衰減和失真情況。通常采用光學傳輸方程來描述光學信道傳輸模型，其基本形式為

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

溫衡發現半年不見，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。

在可見光通信系統中，由于光信號在傳輸過程中會受到衰減和失真的影響，因此需要對光信號的衰減和失真特性進行建模和分析。常見的光學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在空氣或光纖等直線介質中傳輸的模型，其傳輸損耗與傳輸距離的平方成反比，用公式表示為

式中：LdB為信號傳輸損耗；d為發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在室內環境中通過墻壁、地板等表面反射后傳輸的模型，其傳輸損耗與表面反射系數、傳輸距離、信號入射角等因素相關，計算公式為

式中：ri為信號在第i 次反射時的反射系數；n為反射次數；d為發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在室內環境中通過墻壁、地板等表面散射后傳輸的模型，其傳輸損耗與散射系數、傳輸距離、信號入射角等因素相關，計算公式為

式中：∑i為信號在第i次散射時的散射系數；n為散射次數；d為發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

在可見光通信系統中，傳輸噪聲是影響系統性能的重要因素之一。傳輸噪聲主要由發射端和接收端的電路噪聲以及環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）。在可見光通信系統中，噪聲溫度通常與噪聲系數相關聯，計算公式為

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

2.3 信道傳輸效率計算

可見光通信系統的傳輸效率是指在單位時間內傳輸的信息量與總傳輸時間的比值，通常用比特每秒（bps）來表示。傳輸效率是評價系統性能的重要指標之一，其大小與信道帶寬、調制方式、編碼方式等因素相關。傳輸效率計算公式為

式中：Rbps為傳輸效率；B為信道帶寬；S為信號功率；N是噪聲功率。

3 可見光通信多用戶接入技術

3.1 多用戶接入技術概述

多用戶接入技術是指在同一個頻段或時間段內，多個用戶同時進行通信的技術。在可見光通信系統中，多用戶接入技術主要是用于提高系統的通信容量和效率，常見的多用戶接入技術包括時分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）、碼分多址（CDMA）等。

3.2 多用戶接入協議比較

可見光通信多用戶接入協議比較如表1 所示。

表1 可見光通信多用戶接入協議比較

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、時延、抗干擾能力等指標。在可見光通信系統中，由于可見光通信信道的特殊性，多用戶接入算法的設計和優化具有一定的難度。研究表明，CDMA 技術具有較高的接入容量和抗干擾能力，但是其時延較大；TDMA 技術具有較低的時延和較高的時隙利用率，但是其接入容量和抗干擾能力相對較低。因此，在實際應用中，需要根據具體的應用場景和需求進行選擇和優化。

4 可見光通信調制技術

4.1 常見可見光調制技術概述

可見光通信調制技術是指將數字信號轉換為可見光信號的過程。調制技術主要涉及到信號的調幅、調頻和調相等方面，其中常用的可見光調制技術包括OOK 調制、FSK 調制、ASK 調制、PSK 調制等。

OOK 調制是指將數字信號轉換為光強的高低狀態，當數字信號為0 時，光強為0，當數字信號為1 時，光強為常數。OOK 調制技術具有實現簡單、硬件復雜度低等優點，但是其帶寬利用率相對較低。

FSK 調制是指將數字信號轉換為光波頻率的高低狀態，當數字信號為0 時，光波頻率為f0，當數字信號為1 時，光波頻率為f1。FSK 調制技術具有帶寬利用率高、抗干擾能力強等優點，但是其硬件實現較為復雜。

ASK 調制是指將數字信號轉換為光強的高低狀態，當數字信號為0 時，光強為0，當數字信號為1時，光強為常數。ASK調制技術與OOK調制技術類似，但是其信號復雜度較高。

PSK調制是指將數字信號轉換為光波的相位狀態，當數字信號為0 時，光波相位為∮0，當數字信號為1 時，光波相位為∮1。PSK 調制技術具有帶寬利用率高、抗干擾能力強等優點，但是其對硬件實現和信道估計等方面有較高要求。

4.2 調制技術對系統性能的影響

調制技術對可見光通信系統的性能影響較大，主要體現在帶寬利用率、抗干擾能力、傳輸效率等方面。不同的調制技術具有不同的優缺點，需要根據具體的應用場景和需求進行選擇和優化。

4.3 調制技術的優化方案

為了提高可見光通信系統的性能，可以采用一些調制技術的優化方案，如信道均衡、前向糾錯編碼等。信道均衡是指在接收端對接收到的信號進行處理，以消除信道對信號的失真和衰減。前向糾錯編碼是指在傳輸過程中對數據進行編碼，使其能夠容錯并糾正傳輸中的誤碼。這些優化方案可以提高可見光通信系統的傳輸效率和可靠性，但是也會增加系統的復雜度和功耗。

5 結 論

可見光通信作為一種新興的無線傳輸方式，具有廣闊的應用前景和發展空間。未來，隨著技術的不斷發展和完善，可見光通信將在智能家居、室內導航、智能交通等領域得到廣泛應用，為人們帶來更加便捷、高效、環保的通信服務。