室內單光源可見光通信系統多徑信道建模方法與流程
2023-08-08 00:41:11
本發明涉及室內可見光通信多徑信道建模，尤其是涉及室內單光源時可見光通信系統的多徑信道建模。
背景技術：
移動通信自20世紀80年代初誕生以來，大約每10年就經歷標誌性的一代技術革新，到目前已普遍投入商用第四代移動通信。但是隨著各種行業和移動通信的融合，特別是移動網際網路和物聯網的發展，為移動通信技術帶來了新的挑戰，到2020年的下一代(thefifthgeneration，5g)無線通信，通信速率(峰值速率)將增大10倍，全球移動數據流量將達到2010年的500-1000倍。通常提高通信系統容量的方法有：增加可用帶寬、提高無線傳輸鏈路的頻譜效率和增加小區密度等。根據國際電聯2015年世界無線電通信大會(wrc-15)的研究，頻率在6ghz以下的可用頻譜資源已非常稀缺，而更高頻率的頻譜資源較為豐富，能有效緩解頻譜資源緊張的現狀，因此對於6ghz以上頻段頻譜的開發和利用成為了未來無線通信研究的熱點內容。
可見光通信(visiblelightcommunication，vlc)是利用可見光(波長從380納米到780納米)作為信息載體，在自由空間中直接傳輸光信號的通信方式。通過給普通的發光二極體(lightemittingdiode，led)加裝微晶片，led可發出肉眼感覺不到的高速明暗閃爍的光信號來傳輸信息。led具有節能、環保、體積小和壽命長等特點，廣泛應用於各種顯示、裝飾、普通照明和城市夜景等領域。據《2015-2020年中國led照明產業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告》分析，led照明市場一直被認為是led最重要、最具發展前景的應用。受「十城萬盞」政策的推動，我國led路燈市場將保持持續增長，至2013年佔到全球市場規模的五成左右，成為全球最重要的led路燈市場之一。據歐洲照明協會預測，到2020年led將佔到照明市場的60％。
與傳統射頻(radiofrequency，rf)通信相比，vlc具有諸多優點，比如：白光led響應時間短、具備高速調製特性，可同時實現照明和通信的雙重作用；提供可自由使用的超過400thz的通信帶寬；led發射的是與自然光相似的非相干可見光，可保持較高的發射功率而不會對人體健康產生影響；vlc基於照明基礎設施，有led照明的地方即可實現通信，具有良好的範在屬性，vlc還可潛在與電力線載波相結合，可實現對照明設施的深度利用；通常vlc限制在室內，具有良好的保密性，在臨近房間還可以實現同頻復用。另外，vlc無電磁輻射，可應用在對電磁幹擾敏感的區域，如醫院、機場等。應該注意到，作為一種全新的無線光通信技術，vlc並不是要取代rf，而是對現有無線通信技術的一種有益的補充。
由於led是非相干光源，vlc一般採用強度調製直接檢測(intensitymodulationanddirectdirection，im/dd)技術，因此只有光信號的強度包含信息。由於pd的尺寸通常比可見光波長大上千倍，在接收端的光信號就形成了類似空間分集的效果，因此不存在多徑衰落現象。另外，幹擾對每條光信號的影響在接收端相當於被求了空間平均，所以vlc信道可以看作是時間穩定的、隨著pd位置變化而緩慢變化的信道。在im/dd系統中，定義接收光功率和發光功率之比為信道增益，那麼區別於rf系統信道的複數增益，vlc光無線信道的信道增益是正實數。室內vlc系統常被作為線性時不變系統處理，其完全可以通過自身的衝擊響應來表徵。
光信號通常經過兩種傳輸模式入射到光電檢測器(pd)，一種是發射光直接入射到pd的視距傳播，另一種是經過牆壁、家具等室內反射體的反射光線。光信號經過不同路逕到達pd時必然存在光程差，從而引起多徑效應，當符號速率較大時，多徑效應對系統的影響不可忽視。另外，大氣隨機信道引起的光色散效應會導致光脈衝在時間上延伸展寬。以上因素都可能造成符號間幹擾。為了準確分析多徑效應對通信系統性能的影響，必須要建立多徑信道模型。但是目前公認的室內可見光通信信道模型的建立處於探索階段，已有研究主要是利用室內紅外光(infrared，ir)通信系統信道模型。國內外學者提出了多種室內紅外光無線信道建模的方法，主要包括：
文獻[1](gfellerf.r.,bapstu..wirelessin-housedatacommunicationviadiffuseinfraredradiation[j].proceedingofieee,1979,67(11):1474-1486)在室內採用紅外光源，設計了一種無線廣播系統，研究了光漫射信道的信道模型。
文獻[2](barryjr,kahnjm,krausewj,etal.simulationofmultipathimpulseresponseforindoorwirelessopticalchannels[j].ieeejournalonselectedareasincommunications,1993,11(3):367-379)在考慮朗伯(lambertian)反射時，提出了通過迭代法計算任意房間中自由空間光信道的衝激響應，該方法可以計算多次反射，並能夠準確分析多徑對光無線通信系統的影響。
文獻[3](perez-jimenezr,bergesj,betancormj.statisticalmodelfortheimpulseresponseoninfraredindoordiffusechannels[j].electronicsletters,1997,33(15):1298-1300)考慮漫射紅外無線信道，通過估計時延擴展均方根(rmsspreaddelay)和平均超量時延(meanexcessdelay)參數，建立了一種統計信道模型。
文獻[4](lopez-hermandezfj,betancormj.dustin:algorithmforcalculationofimpulseresponseonirwirelessindoorchannels[j].electronicsletters,1997,33(21):1804-1806)提出了一種複雜度較低的信道建模方法，該方法不是按照房間內牆面反射單元的反射次數進行的，而是按照光在反射單元之間傳輸需要的時間進行的，用矩陣存儲反射單元之間功率貢獻，最後計算每一個單元的接收功率。
文獻[5](kahnjm,barryjr.wirelessinfraredcommunications[j].proceedingsoftheieee,1997,85(2):265-298)用直流增益表示紅外信道的頻率響應，給出了視線傳播(los)、定向無los和漫射無los時的信道直流增益計算方法。
文獻[6](lopez-hernandezf,perez-jimenezr,santamariaa.montecarlocalculationofimpulseresponseondiffuseirwirelessindoorchannels[j].electronicsletters,1998,34(12):1260-1262)考慮室內牆面反射時的漫射無線信道，隨機產生信源光信號，用蒙特卡洛仿真方法計算信道衝激響應，方法中信源或反射單元可以服從lambertian反射，也可服從其他非lambertian反射。
文獻[7](carruthersjb,kahnjm.modelingofnondirectedwirelessinfraredchannels[j].ieeetransactionsoncommunications,1997,45(10):1260-1268)中，由於基帶調製(ook，ppm)的發射功率需要和光信號的延遲擴展均方根(rms)相關，im/dd系統漫射信道可以由路徑損耗和延遲擴展因子描述，基於此提出了ceiling-bounce信道模型。
文獻[8](lofj,per.ray-tracingalgorithmsforfastcalculationofthechannelimpulseresponseondiffuseirwirelessindoorchannels[j].opticalengineering,2000,39(10):2775-2780)在蒙特卡洛算法的基礎上提出了光線追跡法，通過計算每一條射線經過多次反射後對信道脈衝響應的貢獻來計算信道脈衝響應。
文獻[9](kominet,nakagawam.fundamentalanalysisforvisible-lightcommunicationsystemusingledlights[j].ieeetransactionsonconsumerelectronics,2004,50(1):100-107)給出了vlc中los信道和反射信道的直流增益計算方法，在接收端將延時大於系統發射符號周期的所有光信號都看作符號間幹擾信號，小於符號周期的光信號作為有用的信號，將符號間幹擾信號看作高斯噪聲，分析了信噪比在室內的分布情況。
文獻[10](丁舉鵬.可見光通信室內信道建模及性能優化[d].北京:北京郵電大學,2013)，針對室內vlc提出了獨立反映元素交互表徵建模方法，該方法不僅可以計算信道衝激響應而且還可以計算亮度分布特性。
文獻[11](譚家傑.室內led可見光mimo通信研究[d].華中科技大學,2011)採用光線追跡法計算信道衝激響應，在室內mimo中仿真了各次反射的信道衝激響應以及頻率響應。
文獻[12](喻曉.mimo-vlc通信系統多徑信道特性研究[d].華東理工大學,2014)對室內vlc-mimo中每對led和pd之間的時域衝激響應進行了分析。
專利[13](賈科軍.室內可見光mimo通信系統多徑衰落信道建模方法[p]，2016，申請公布號：cn105939177a)，考慮存在時域彌散時，在mimo系統中提出了一種多徑信道建模方法。
綜合分析已有可見光通信信道建模研究成果，其存在以下問題：
(1)參考文獻[1-10]都是針對單發單收的通信系統，計算收發之間的時域衝激響應，但是都沒有研究多徑信道建模的問題；
(2)參考文獻[11-13]研究vlc-mimo通信系統信道的時域衝激響應，其中文獻[13]研究系統存在時域彌散時的vlc-mimo多徑信道建模問題。
技術實現要素：
本發明的目的是建立一種考慮led調製符號周期和實際光電檢測器視場角較小時的，適用於室內單光源可見光通信系統的多徑信道建模方法。
本發明是室內單光源可見光通信系統多徑信道建模方法，其步驟為：
步驟1：給定典型房間，在房間的三維方向建立坐標系，將室內反射牆面劃分為矩形的微反射單元，給定led和光電檢測器(pd)的位置和特性參數；
步驟2：led滿足朗伯輻射，計算led和pd之間的視線傳播(los)時域衝激響應；
步驟3：將微反射單元視為滿足朗伯輻射的反射體，採用迭代法計算光信號經過任意多次反射後到達pd的反射路徑時域衝激響應；
步驟4：將所有時域衝激響應按照時間延遲從小到大的順序排序，將時延相同的衝激響應求和；
步驟5：當pd能接收到los光信號時，以los光信號時延作為多徑信道建模時間起點，當pd不能接收到los光信號時，以pd到led的直線距離除以光速作為建模起點；
步驟6：根據led的調製帶寬，由奈奎斯特定理，得到led調製符號的最小周期，並定義碼間幹擾；
步驟7：以發生碼間幹擾的信號延遲時間作為接收端符號抽樣周期，從建模時間起點開始，將各抽樣周期之間的時域衝激響應之和作為多徑信道各路徑增益；
步驟8：相對於建模時間起點，將最後到達接收器的光信號的時間延遲除以接收端符號抽樣周期得到的商值向上取整，得到多徑信道路徑總數。
與現有技術相比，本發明的有益效果包括：
(1)解決pd視場角較小時的多徑信道建模同步問題：
實際光電檢測器的視場角較小，當用戶在室內自由移動時，在某些區域可能接收不到los信號，檢測器只能收到反射信號。由於反射信號的隨機性和微弱性，信道建模的時間起點不易確定，現有文獻都沒有考慮信道建模的同步問題。
當能收到los信號時，由於los信號強度遠大於反射信號，因此信道建模的時間起點從los信號的時延開始。而當檢測器不能收到los信號時，本發明提出以pd和led之間的直線距離除以光速作為建模起點。總之，以led和pd之間的直線距離除以光速作為建模起點，這樣就解決了信道建模的同步問題。
(2)將發送端調製符號周期和信道建模相結合：
多徑效應對系統的影響和發送符號的周期有關，發送符號的周期又受到led調製帶寬的限制。為了準確評價多徑效應對系統的影響，應該在信道模型中考慮發送符號周期。
由led的調製帶寬，根據奈奎斯特定理推導出發端調製符號的最小周期，然後定義碼間幹擾，以發生碼間幹擾的信號延遲時間作為接收端符號抽樣周期，最後計算多徑信道路徑增益，得到多徑信道模型。這樣就能將發送符號周期和多徑信道模型相結合。
(3)給出了多徑信道模型的路徑數和路徑增益的計算方法：
路徑數和各路徑增益是多徑信道模型的基本參數。區別於rf通信，可見光通信中發送的光功率和傳輸信號的均值成正比，而不是和信號的平方成正比。本發明將led和pd之間的時域衝激響應按照時間延遲從小到大的順序排序，將時延相同的衝激響應求和。從信道建模時間起點開始，將各抽樣間隔之間的衝激響應求和，並作為一路信號，這樣得到了各路徑增益。
相對於建模時間起點，將最後到達檢測器的光信號的時間延遲除以抽樣周期的商值向上取整就得到了多徑信道路徑總數。
附圖說明
圖1是室內單光源可見光信系統模型；圖2是多徑信道建模原理圖；圖3是當fov為80°，pd位於室內(3，3，0.85)位置時多徑信道模型；圖4是當fov為80°，pd位於室內(1.5，1.5，0.85)位置時多徑信道模型；圖5是當fov為80°，pd位於室內(0.5，0.5，0.85)位置時多徑信道模型；圖6是當fov為80°，pd位於室內(1.5，0.5，0.85)位置時多徑信道模型；圖7是當fov為45°，pd位於室內(3，3，0.85)位置時多徑信道模型；圖8是當fov為45°，pd位於室內(1.5，1.5，0.85)位置時多徑信道模型；圖9是當fov為45°，pd位於室內(0.5，0.5，0.85)位置時多徑信道模型；圖10是當fov為45°，pd位於室內(1.5，0.5，0.85)位置時多徑信道模型。
具體實施方式
本發明是室內單光源可見光通信系統多徑信道建模方法，其步驟為：
步驟1：給定典型房間，在房間的三維方向建立坐標系，將室內反射牆面劃分為矩形的微反射單元，給定led和光電檢測器(pd)的位置和特性參數；
步驟2：led滿足朗伯輻射，計算led和pd之間的視線傳播(los)時域衝激響應；
步驟3：將微反射單元視為滿足朗伯輻射的反射體，採用迭代法計算光信號經過任意多次反射後到達pd的反射路徑時域衝激響應；
步驟4：將所有時域衝激響應按照時間延遲從小到大的順序排序，將時延相同的衝激響應求和；
步驟5：當pd能接收到los光信號時，以los光信號時延作為多徑信道建模時間起點，當pd不能接收到los光信號時，以pd到led的直線距離除以光速作為建模起點；
步驟6：根據led的調製帶寬，由奈奎斯特定理，得到led調製符號的最小周期，並定義碼間幹擾；
步驟7：以發生碼間幹擾的信號延遲時間作為接收端符號抽樣周期，從建模時間起點開始，將各抽樣周期之間的時域衝激響應之和作為多徑信道各路徑增益；
步驟8：相對於建模時間起點，將最後到達接收器的光信號的時間延遲除以接收端符號抽樣周期得到的商值向上取整，得到多徑信道路徑總數。
以上所述的室內單光源可見光通信系統多徑信道建模方法，步驟4將所有時域衝激響應按照時延從小到大的順序排序，將時延相同的衝激響應求和，合併作為一路信號。
以上所述的室內單光源可見光通信系統多徑信道建模方法，步驟5考慮檢測器能收到和不能收到los信號兩種情況，當能收到los信號時，以其時延作為多徑信道建模時間起點。當不能收到los信號時，由於反射信號的隨機性和強度的微弱性，故以pd和led之間的直線距離除以光速作為建模起點。因此建模起點為τ0＝d/c，其中d表示pd和led之間的直線距離，c是光速。
以上所述的室內單光源可見光通信系統多徑信道建模方法，步驟6根據led的調製帶寬，由奈奎斯特第一定理，得到無碼間幹擾時的最小碼元傳輸周期tmin＝1/2wled，實際調製led的符號周期tsym≥tmin，其中wled表示led的調製帶寬；
定義從最先到達pd的第一路光信號開始，時間延遲大於符號周期一半的光信號將引起碼間幹擾。因此接收端信道建模的抽樣周期為tsp＝tsym/2。
以上所述的室內單光源可見光通信系統多徑信道建模方法，步驟7從建模時間起點開始，將各抽樣周期之間的時域衝激響應之和作為多徑信道各路徑增益。多徑信道模型為：
其中l表示多徑信道路徑總數，第l路信道增益表示為：
其中h(k)(t；s,r)是光信號經過k次反射的衝激響應，當k＝0時表示los信道響應，s和r分別表示信源led和光電檢測器pd的參數矢量。
以上所述的室內單光源可見光通信系統多徑信道建模方法，步驟8相對於建模時間起點，將最後到達接收器的光信號的時間延遲除以接收端符號抽樣周期得到的商值向上取整，得到多徑信道路徑總數，表示為：
其中τmax為最後接收的光信號時間延遲，代表向上取整函數。
下面結合附圖進一步展開本發明。本發明的具體實施過程為：
(1)在典型房間建立坐標系，將室內反射牆面劃分為矩形的微反射單元，給定led和光電檢測器(pd)的位置和特性參數。
室內單光源可見光通信系統的通信場景如圖1所示，典型的房間為立方體結構，以房間左後下方的牆角作為坐標原點o，建立三維室內坐標系，xoy平面和地板平面重合。
室內屋頂安裝用於照明和通信的led，通常為了照明亮度需要，可能使用由多個led組成的一個led陣列，但是由於led之間的距離較近，因此通信時陣列可以看作一個led光源。led光源由位置矢量rs、單位方向矢量發射功率pled和輻射強度模式r(φ,θ)表示，其中r(φ,θ)表示與單位方向矢量夾角為(φ,θ)處的單位立體角內輻射的光功率。當led服從朗伯輻射模式時，r(φ,θ)(獨立於θ)表示為：
其中κ＝-ln2/ln(cosθ1/2)是表徵光源輻射方向性的輻射模式指數，θ1/2表示光源半功率角，φ表示光線出射方向和的夾角。為簡單起見，輻射功率pled＝1的led表示為：
用戶隨機分布在室內，其中用戶ueu可由位置矢量rr,u、方向矢量面積ar和視場角(fov)ψfov表示為
(2)los信道衝激響應的計算：
不經過任何反射而直接入射到接收器的光信號稱為los信號，用戶ueu的衝激響應為：
其中d表示led到用戶ueu的距離，φ表示los光信號出射角，表示接收器入射光的入射角，c表示光速，δ(x)表示狄拉克函數，且有：
d＝||rs-rr,u||，(5)
其中||·||表示2範數，矩形函數定義為：
(3)反射信道衝激響應的計算：
假設所有反射面上的反射微單元滿足朗伯輻射，反射微單元的輻射模式r(φ)與入射光的入射角無關。對一個反射面積為da和反射率為ρ的微反射單元上的反射模型建模分為兩步：第一步，認為微反射單元是面積為da接收器，接收功率為dp，第二步，將微反射單元當作功率為p＝ρdp、κ＝1的朗伯光源。
假設光信號經過多次反射後到達用戶ueu，則信道衝激響應表示為：
其中h(k)(t；s,ru)表示經過k次(k>0)反射的信道衝激響應，
當k＝0時表示los信道響應，對反射面上的所有微反射單元積分，r表示微反射單元的位置矢量，是r處微反射單元的單位法向矢量，符號代表卷積運算。
將los信道響應帶入公式(10)可得：
實際計算時，將所有反射平面劃分為面積為△a的小反射單元，那麼積分運算數位化得到：
其中nref是反射單元的總數，ρi是第i個反射單元的反射率，d＝||r-rs||，將反射面在空間離散化而使衝激響應在時間上也離散化，從而使分段連續的h(k)(t)變成有限個δ(x)函數之和。特別的當k＝1時，
其中d1表示從led到反射單元的距離，d2表示從反射單元到用戶ueu的距離，α表示入射到反射單元的光入射角，β表示反射單元的光線出射角。
(4)時域衝激響應排序：
led發出的光信號經過室內牆面發射後到達接收器，因為反射空間的對稱性，可能有光信號經過不同路徑後，同時到達接收器，將同時到達的光信號功率相加，合併為一路信號。然後將所有時域衝激響應按照時間延遲從小到大的順序排序。
(5)確定信道建模時間起點：
以pd到led的直線距離除以光速作為建模起點，即有
τ0＝d/c，
其中d表示pd和led之間的直線距離，c是光速。
(6)定義碼間幹擾：
根據led的調製帶寬，由奈奎斯特(nyquist)第一定理，得到無碼間幹擾時的最小碼元傳輸周期tmin＝1/2wled，實際調製led的符號周期tsym≥tmin，其中wled表示led的調製帶寬。
定義從最先到達pd的第一路光信號開始，時間延遲大於符號周期一半的光信號將引起碼間幹擾，如圖2所示。因此接收端信道建模的抽樣周期為
(7)多徑信道路徑增益的計算：
在可見光通信中，發射的光功率和信號的均值成正比，而在射頻通信中信號的功率和發送信號的平方的均值成正比，因此將各抽樣周期之間的時域衝激響應之和作為多徑信道各路徑增益。多徑信道模型為：
其中l表示多徑信道路徑總數，第l路信道增益表示為：
其中h(k)(t；s,r)是光信號經過k次反射的衝激響應，當k＝0時表示los信道響應，s和r分別表示信源led和光電檢測器pd的參數矢量。
(8)多徑信道路徑數的計算：
相對於建模時間起點，將最後到達接收器的光信號的時間延遲除以接收端符號抽樣周期得到的商值向上取整，得到多徑信道路徑總數。假設相對於建模時間起點，最後到達的光信號時間延遲為τmax，那麼多徑信道模型的路徑數為：
其中代表向上取整函數。
仿真實驗
通過仿真實驗驗證本發明多徑信道建模方法的合理性和可行性。
在長、寬和高分別為6米、6米和4米的房間內，安裝垂直指向地面的距屋頂中心0.5米的led，pd位於高度為0.85米的工作平臺(普通辦公桌高度)上，垂直指向屋頂。將牆面在三維坐標方向上按0.1米劃分成小的矩形反射單元。
假設led調製帶寬為50兆赫茲(mhz)，led的調製符號周期為10納秒(ns)，因此相對於最先到達pd的光信號，時間延遲大於5ns的光信號就認為引起isi。接收端的抽樣周期為tsp＝5ns。接收端接收的光功率中los信道和一次反射佔有接收光功率的近90％，為了簡單起見，僅考慮los和一次反射光功率。其它仿真參數如表1所示。
表1仿真參數
仿真結果：
圖3，圖4，圖5，圖6為當pd的視場角為80度時，pd位於室內典型位置(3,3,0.85)、(1.5,1.5,0.85)、(0.5,0.5,0.85)和(1.5,0.5,0.85)時，led和pd之間的多徑信道模型。可以看出，pd的視場角較大，在4個典型位置都能收到los信道的信號和反射信號，因此多徑信道路徑數較多。當pd在房間中心時，los路徑延遲小，多徑分量h0(第一徑)較大，多徑分量衰減快；當pd在房間牆角時，los路徑延遲變大，多徑分量h0變小，多徑信道路徑分量衰減較慢，且相對於h0較大。
圖7，圖8，圖9，圖10為當pd的視場角為45度時，pd位於室內典型位置(3,3,0.85)、(1.5,1.5,0.85)、(0.5,0.5,0.85)和(1.5,0.5,0.85)時，led和pd之間的多徑信道模型。可以看出，pd的視場角較小，接收到的反射信號少，所以多徑信道路徑數較小。圖7中當pd在位置(3,3,0.85)時，只能收到los信道光信號，不能收到經過牆面反射的信號。圖9，圖10中當pd在位置(0.5,0.5,0.85)和(1.5,0.5,0.85)時，收不到los信號，多徑信道增益較小。
以上是本發明的具體實施方式和仿真驗證。應當指出，本領域的普通技術人員能夠清楚的理解，本發明系統設計方案所舉的以上實施例和仿真僅用於說明和驗證方法的合理性和可行性，而並不用於限制本發明方法。雖然通過實施例能有效說明和描述了本發明，本發明存在許多變化而不脫離本發明的精神。在不背離本發明方法的精神及其實質的情況下，本領域技術人員當可根據本發明方法做出各種相應的改變或變形，但這些相應的改變或變形均屬於本發明方法要求的保護範圍。