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强背景光下可见光大气湍流信道建模及分集接收技术.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.70M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    第 36 卷 第 3 期 2016 年 3 月 学 光 报 ACTA OPTICA SINICA 学 Vol. 36, No. 3 March, 2016 强背景光下可见光大气湍流信道建模及分集接收技术 赵嘉琦 许银帆 李洁慧 王一光 迟 楠 复旦大学通信科学与工程系电磁波信息科学教育部重点实验室, 上海 200433 摘要 可见光大气传输系统面临的主要问题在于由大气湍流引起的光强闪烁和来自日光及其他照明设备的强背景 光干扰，为了克服大气湍流造成的信道衰落效应及强背景光带来的噪声干扰问题，对室外可见光通信 强背景 光大气湍流信道进行了建模。在接收端采用分集接收技术，在相同的发射功率下提高系统误码率 性能。构 建了在强背景光大气湍流信道模型下基于强度检测脉冲位置调制 方式的室外长距离可见光分集接收系统模 (PPM) 型，在几十微瓦功率背景光噪声下，实现了 信号的仿真系统传输。基于此系统分别研究对比了最大 比合并 、等增益合并 、选择性合并 种分集合并方式的误码率性能。结果表明，在相同的发射功率 下，误码率性能提升最大的是 ，其次是 ， 最差。以 前向纠错码 误码门限作为参考， 能显著 7% (FEC) (EGC) MRC 800 Mb/s PPM (SC)3 EGC SC (VLC) (BER) MRC (MRC) LED 发射功率的要求，并且随着分集支路个数的增多，分集效果越好。 ; ; 脉冲位置调制 信道建模 分集接收 大气湍流 降低对 关键词 大气光学 ; O436 ; doi: 10.3788/AOS201636.0301001 中图分类号 可见光通信 文献标识码 ; A Turbulence Channel Modeling of Visible Light Communication under Strong Background Noise and Diversity Receiving Technologies Zhao Jiaqi Xu Yinfan Li Jiehui Wang Yiguang Chi Nan Key Laboratory of Electromagnetic Wave Information Science, Ministry of Education, Department of Communication Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200433, China Abstract The scintillation caused by the atmosphere turbulence and strong background noise from sunlight and other lighting equipment are two main problems in visible light communication (VLC) atmosphere transmission system. In order to overcome the channel fading effect caused by the atmosphere turbulence and the noise interference caused by the strong background light, VLC atmosphere channel with strong background noise is modeled. Diversity receiving technologies are utilized to improve the bit error rate (BER) performance of the system at the same transmitting power. According to the channel model, outdoor long-distance VLC system based on intensity detection pulse position modulation (PPM) in turbulence atmosphere channel using diversity receiving technologies is finally set up. In our simulation, the system bandwidth is 400 MHz and bit rate is 800 Mb/s. The BER performances of three diversity receiving technologies: maximal ratio combing (MRC), equal gain combing (EGC), selection combing (SC) are also compared. The results show that under the same transmitting power, the improvement of BER performance by MRC is the best, followed by EGC and SC is poor. Taking 7% forward error correction(FEC) as the BER threshold, the required LED transmitting power is greatly decreased with MRC. Furthermore, with the increase of the number of diversity branches, the BER performance is better. Key words atmosphere optics; visible light communication; pulse position modulation; channel modeling; diversity receiving; turbulence atmosphere OCIS codes 010.1290; 010.1300; 010.1330; 040.1880 收稿日期: 2015-09-05; 收到修改稿日期: 2015-10-27 计划 基金项目 (61177071) 国家自然科学基金 863 、国家 (2015AA016904) : : : 作者简介 (1993—) (1974—) E-mail: nanchi@fudan.edu.cn( 导师简介 赵嘉琦 迟 楠 ) 通信联系人 ，女，硕士研究生，主要从事光通信系统方面的研究。 ，女，教授，博士生导师，主要从事光通信系统方面的研究。 E-mail: 15210720132@fudan.edu.cn 0301001- 1
    1 引 言 可见光通信 (visible light communication, VLC) LED 光 学 学 报 结合，将信号调制到高性能 无需频谱授权、不受电磁干扰以及能够提供更大的带宽与数据传输速率等优势。因此， 各国学者们的广泛关注和研究，称为近年来的研究热点。 上进行传输。相比于传统的无线通信技术， 技术是一种新兴的无线光通信技术，它将 LED VLC 照明与通信 具有绿色环保、保密性好、 技术迅速得到 VLC VLC (Gb/s)[1-2] VLC VLC 基于以上优点， 具有广泛的应用前景，包括室内的智能家居、室内定位、宽带接入等，室外应用包括 室内通信系统的研究已经较为成熟和完备，调制方式多样且传输 深空通信、车联网、船联网等。目前， 室外通信系统的研究还比较欠缺，目前只能实现室外短距离低速 速率已达吉比特每秒 ，但对于 传 输 ，这 是 因 为 可 见 光 处 于 太 阳 光 辐 射 谱 的 主 要 辐 射 波 段 内 ，背 景 光 干 扰 严 重 ；且 光 信 号 在 大 气 中 传 输 时 ，必 然 受 到 大 气 散 射 、吸 收 以 及 湍 流 效 应 的 影 响 ，从 而 造 成 信 道 衰 落 ，甚 至 会 严 重 影 响 到 系 统 的 通 信 能 力。目前，国际上针对 大气传输信道的研究成果鲜有发表。 VLC [3-4] 本文对 强背景光大气湍流信道进行建模，分析了大气湍流模型并对背景光噪声进行了数值分析。 根据信道模型，接收端采用分集接收技术，通过处理多个独立不相关信号，将有用信号最大化，从而克服强 背景光大气随机信道对 系统的影响。构建了在强背景光大气湍流信道模型下基于强度检测脉冲位置 调制 方式的室外长距离可见光分集接收系统模型。 (PPM) VLC VLC 2 信道模型 2.1 大气湍流模型 光信号在大气信道中传输时主要受到大气衰减和大气湍流的影响。大气衰减由大气分子的吸收与散 射以及大气气溶胶粒子的散射引起，主要影响可见光通信的距离；大气湍流是由于空间温度场分布的不均 匀 性 以 及 空 气 压 力 的 波 动 性 使 得 折 射 率 产 生 变 化 而 导 致 的 ，主 要 体 现 在 接 收 端 光 强 闪 烁 及 中 心 光 束 的 漂 移。相比于大气衰减，湍流会随机改变光波参量而影响通信系统质量，因此分析可见光大气信道模型时主 要考虑湍流带来的影响。 模型 。 种湍流模型的概率分布函数 曲线如图 所示。对数正态模型对应弱湍流状态 种：负指数 3 Gamma-Gamma (negative exponential) (PDF) 模型 、对数正态（ [5] 1 log normal [6] ）模型 和 Gamma- Gamma- ，负 [9] 指 数 模 型 对 应 强 湍 流 状 态 ， 模 型 能 够 描 述 从 弱 到 强 不 同 强 度 的 湍 流 状 态 。 由 于 模型能很好地与不同湍流条件下的测量值相吻合，适用面更广，故选取 模型作为主 主要的大气湍流模型有 3 [7-8] Gamma Gamma 要的大气湍流模型。 Gamma-Gamma 1 3 PDF Fig.1 PDF curves of three atmosphere turbulence models 种大气湍流模型的 曲线 图 Gamma-Gamma Andrews. [10] 模型，是 通过对光闪烁理论的分析而提出的一种更加精确的描述大气湍流中 光强衰落的数学模型。在该理论中，光的场分布被定义为大范围及小范围的大气涡流效应所共同产生影响的 Gamma 个随机过程变量的乘积，即 Ia＝IxIy，其中 Ix和 Iy分别表示大范围大 扰动函数，归一化的光强衰落 Ia可以表示为 气涡流和小范围大气涡流的影响，两者都服从 Gamma-Gamma 模型得名的原因。 2 等 Gamma-Gamma 分布 模型下，光强衰落 Ia服从的概率分布为 [4] 。这就是 [11] 0301001- 2
    Γ( )· 式中 是标准的伽马函数 [12] f Ia( K )ia ( )· n ， 小范围涡流的有效因子，其计算表达式如下 = 2( Γ( 光 学 学 报 ( - 1∙K + β2 · 2 ia - α + β2 )β α )αβ ·Γ( )α α β ≥ 0 , ) ia ， αβia (1) 表示以 n 为阶数的第二类修正贝塞尔函数 σ ： [11] 0.49 = ì expé 2 2 + 0.56 1 + 0.18 R ï ê í ( ê ï ë î 0.51 1 + 0.69 expé = ì 2 R( 1 + 0.9 2 + 0.62 ï ê í ( ê ï d ë î = 0.5 [13] σ 2 7 6 σ d 2 α β σ d 11 6 σ 12/5 R 7 6 12/5 R ) -5 6 ) 12/5 R 5 6 ) ù ú ú û ù ú ú û 2 R - 1 -1 ， ü ï ý ï þ ü ï ý ï þ 2 ( ， - 1 -1 )4 1 2 ] L κD =[ [12] ，a和 b代表散射环境下大 (2) (3) 式中 σ 2 R 、d 分别是 表接收机镜头的直径，κ nagle-Valley [14] 模型 Rytov p = 2 / = 0.00594( ： v 2 n C 1.7×10-14 m-2/3 似为 2.2 强背景光噪声模型 ，在夜间近似为 方差和几何因子 ，σ C κ L ，d 。其中 L 代表传输距离，D 代 l 是波长 l对应的波数，C n 2 n 是折射率结构常数。最常使用的 C 2 n 计算模型为 Huf⁃ 10-5 10 exp( 27 2( ) ) 8.4×10-15 m-2/3 h 。 1000 + 2.7 × 10-6 exp( ) - h h 1500 + ) - h ∙ exp( (FSO) A 1000 2 (4) ) ， n 式中 h 是海拔高度，v 是风速大小，A 是地表的标称值。对于近地自由空间光通信 链路，C 在日间可近 背景光噪声是影响空间光通信系统接收灵敏度的重要因素之一，尤其在高背景光条件下。因此对背景 光噪声的抑制便成为空间光通信系统的重要课题。 任何温度在绝对零度之上的物体均认为是背景辐射源，如地面、建筑物、太阳、月亮等，可用黑体辐射模 型来描述，辐射能力 w( )λ 如下： =299792.458 km/s = 1.3806488 × 10-23 J/K 式 中 c 为 光 速 大 小 ，c k ，T 为辐射的开氏温度。 w( )λ = c 2 h 5 λ exp[ ì ï í ï î hc 1 /( ，h 为 普 朗 克 常 数 ，h - 1 ， ü ï ý ï þ kλT ] ) =6.62606957(29)×10-34 J (5) s × ，k 为 玻 尔 兹 曼 常 数 ， 2 Fig.2 Relationship between sunlight radiation ability and wavelength 太阳光辐射能力与波长的关系 图 400 760 nm 对于日间室外白光通信系统，其敏感波长在 ，得到的黑体辐射谱如图 2 ~ 之间，最主要的辐射干扰源为太阳。太阳表面 所示，红色区域为可见光波段的辐射谱，对其积分即可得到总的 6000 K 温度约为 太阳光噪声功率。 对于可见光通信系统，接收端进入视场内的光功率为 = PB ηB πæ èç Dr2 2 ö ø÷ L0 Ωr ， (6) 0301001- 3
    ( Dr/2)2 式中 p 为接收镜的面积，L0 为近地天空光亮度，对于非直射情况，L0 一般取 视场立体角，Ωr 2 r,signal ，hB 为滤光片通带内的背景光功率占总功率的比值 θr,signal 为视场角。 = π 4 θ 100 W/(m2·sr) 10 ~ ，Ωr 为接收 光 学 学 报 ( )d λ λ . λ2 w λ1 (7) Eb =∫ 式计算：Δ ∫ ( λ2 w λ1 λ 4 = 1 σT λ )d - : λ1- λ2) (7) (8) 对某一特定波长内的辐射能量可以按 通常把这种波段区间内的辐射能力表示成同温度下的黑体辐射力的百分数，记为 Fb( ∫ ∫ ( λ2 w ( λ1 ∞ 0 w )d )d λ λ λ λ = Fb( λ1- λ2) ∫ = 1 0λ2 w 4 é ë σT -∫ ( )d λ λ ( )d λ 0λ1w ù λ ， û - 为总的黑体辐射力，根据物理上著名的斯忒藩 玻尔兹曼定律，σ 为斯忒藩 玻尔兹曼定律常量，又 4 式中 σT 称黑体辐射常数，其值为 (6) (8) 5.67×10 8 W/(m2·K4) － 。 综合式 、 可以得到最终进入视场内的背景光功率值为 ·πæ λ2) èç Dr2 2 ö ø÷ ·π 4 θ . 2 r,signal L0 = PB Fb( λ1- 80 W/(m2·sr) (9) (FOV) 20 mrad 噪声的目的。假设近地天空总亮度为 带宽和接收视场角的关系如图 在可见光通信系统中，可以通过改变滤光片带宽和波段范围以及减小接收视场角 ，达到减少背景光 ，仿真得到接收背景光功率与滤光片 所示，接收到的背景光功率值大约在几十微米量级。假设接收视场角为 显示，滤光片带宽越窄，接收光功率越小；在相同的滤光片带宽下，红光滤光片滤除噪声的效果最 显示，随着接收视场角的增加，背景光功率迅速增加，这是因为接收到的背景 3 10 nm 好。采用 光功率与接收视场角的平方呈正比关系，因此减小接收视场角可以有效抑制背景光噪声的干扰。 红光滤光片，图 ，接收透镜直径为 3 4 、图 ，图 4 0.3 m 3 图 接收端背景光功率与滤光片带宽的关系 Fig.3 Relationship between background noise power at the receiving end and the optical filter bandwidth 4 图 Fig.4 Relationship between background noise 背景光功率与接收视场角的关系 power and the receiver FOV 3 4 分集接收技术 分 集 接 收 技 术 是 一 种 常 用 的 抗 衰 落 技 术 ，能 在 不 牺 牲 带 宽 和 保 证 信 号 传 输 速 率 的 情 况 下 获 得 分 集 增 益，提高系统的稳定性。可见光通信系统中的分集方法主要是空间接收分集，即在接收端采用多个接收机 接收，然后将每个接收机接收到的信号进行适当的线性组合来提高系统的性能。 5 0 ，则为选择性合并；若不管信号质量优劣，加权系数都相等，即 A1= 所示，其核心在于如何确定支路加权系数 A2,…, A1, 。若只有一个系数不 An， A2=…= An ( ) 为 则为等增益合并；若在最短时间内自动调节系数 An，使得合并后的信号信噪比最大，则为最大比合并。 0( 线性接收分集系统框图如图 信噪比最高 ，其他系数均为 ) 系统仿真结果与分析 针对强背景光大气湍流条件下的 需要的最小发射功率，系统框图如图 6 VLC 系统进行了系统仿真，估算满足 所示。在发射端，信息比特流映射为 前向纠错码 PPM 编码， 门限时系统所 信号经过预均衡和 7% PPM (FEC) 0301001- 4
    光 学 学 报 5 图 可见光线性分集接收系统框图 Fig.5 Block diagram of VLC linear diversity receiving system LED 上采样后被调制到高性能白光 术，将多个接收机接收到的信号进行线性组合后采样，并将 PPM 解码恢复原始数据。 上，经过强背景光大气湍流信道到达接收端，接收端采用分集接收合并技 Fig.6 Block diagram of VLC system in turbulence atmosphere channel with strong background noise 强背景光大气湍流条件下的 通信系统结构 图 VLC 400 MHz Gamma-Gamma LED ，发射端 半功率角为 0.2231 模型，此时闪烁数为 10 mrad ， ，代表弱 仿真条件见表 传输信道中的背景光噪声约 湍流状态，传输距离达 20 1000 m ，调制方式为 ~ ，接收视场角为 调制，预均衡后系统带宽可达 ，采用的湍流模型为 20 mrad 。 1 Table 1 System simulation conditions 系统仿真条件 表 1 6 4PPM 80 W m Parameter Bandwidth /MHz Modulation Background noise / W Turbulence atmosphere m Distance /m Receiving FOV /mrad Semi-angle at half illuminance of a LED /mrad Value 400 4PPM 10 20 80 Gamma-Gamma ~ 1000 20 20 mrad 下面研究了不同噪声功率对所需 发射功率的影响。当接收视场角为 时，采用滤光片后接 收到的背景光功率值大约为几十微瓦，针对这一范围得到的误码率随发射功率变化曲线如图 所示。 从图中可以看出，背景光噪声功率对系统所需最小发射功率有极大的影响，以 ，发射功率就要增加 噪声功率越大，所要求的发射功率越高，几乎噪声每增加 m 20 W 误码门限为例， ，功率代价较高。 为了减小功率代价，在接收端采用分集接收合并技术，最大化有用信号能量，来减少所需要的发射功率。 7 7% FEC 15 W W 当采用两路分集时，得到的仿真结果如图 分集效果最佳， 略差， 的效果最差。采用 EGC SC MRC 所示，两路噪声值分别为 m 和 m 40 W 80 分集接收，系统所需的最小发射功率为 。从图中可以看出， 。对比图 23 W MRC 7 ， LED 8(a) 0301001- 5
    光 学 学 报 7 图 Fig.7 BER versus transmitting power under different background noise powers 不同背景光噪声功率下，系统误码率随发射功率的变化曲线 40 W 80 m 和 m 相比 到的仿真结果如图 的优化效果更明显。 W 8(b) 噪声单路接收，所需最小发射功率分别降低了 m 路信号的噪声分别为 所示， ， ， ， 40 40 4 80 80 11 W W 41 W MRC 和 ，同样 。将支路个数增加至 的分集效果最好，且 路比 4 4 2 个，得 路 5 8 , (a) 2 ; (b) 4 Fig.8 BER versus transmitting power under different diversity receiving technologies. (a) With 2 branches; (b) with four branches 系统误码率随发射功率的变化曲线。 不同分集接收方式下 路分集接收 路分集接收 图 结 论 本文对室外可见光通信信道进行建模，选取 Gamma-Gamma VLC 大气湍流的主要模型，并对强 背景光噪声功率进行了数值分析，其值大约在几十微瓦。提出在接收端采用分集接收合并技术提高系统误 码率性能，从而降低对 ，最差 路噪声功率分别为 的是 m ，并且，随着分 具有最佳的分集效果，其次是 发射功率的要求，当 时，合并后系统所需的最小发射功率相比单路接收分别降低了 发射功率的要求。仿真结果表明， 7% FEC W m 误码门限作为参考， MRC LED 能显著降低对 。以 和 SC W 41 W 11 W MRC 模型作为 EGC LED 40 80 2 和 集支路个数的增加，分集效果越好。 et al. et al.. . Indoor VLC system with multiple LEDs of different path lengths employing space-time block-coded 45-Gb/s RGB-LED based WDM visible light communication system employing CAP modulation and 1 Wang Y, Huang X, Tao L, 参 考 文 献 RLS based adaptive equalization[J]. Optics Express, 2015, 23(10): 13626. 2 Wei C C, Wu F M, Chen Z Y, DMT/CAP modulation[J]. Journal of Optical Communications & Networking IEEE/OSA, 2015, 7(3): A459-A466. 3 Lourenco N, Terra D, Kumar N, & Digital Signal Processing (CSNDSP), 2012 8th International Symposium on IEEE, 2012: 1-6. 4 Liu Jianyu, Yu Lijuan. Research on short distance outdoor visible light digital transmission system[J]. Science Technology and Engineering, 2013, (3): 744-748. . Visible light communication system for outdoor applications[C]. Communication Systems, Networks 5 Kiasaleh K. Performance of APD-based, PPM free-space optical communication systems in atmospheric turbulence[J]. IEEE Transactions on Communications, 2005, 53(9): 1455-1461. , 2013, (3): 744-748. 短距离室外可见光数字传输系统研究 科学技术与工程 于立娟 刘建余 [J]. et al.. , 0301001- 6
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