漫反射对白光可见光通信系统性能影响的实验研究

　　摘要：室内白光可见光通信系统目前基本集中在对直射链路的研究，忽视了漫射链路的实际应用价值。通过建立一个封闭的实验空间环境，设计可见光通信实验系统，测量漫反射信号的空间分布规律;探索漫反射信号在实际环境中应用的可行性并进行了基于漫反射的白光可见光通信实验。实验结果表明：漫反射为可见光通信中直射链路阻塞、阴影所导致的信号中断以及室内角落通信质量差等问题提供了解决途径。

　　关键词：无线光通信;可见光通信;漫反射;通信链路;直射链路;漫射链路;非定向视距链路

　　0引言

　　由于人们对绿色照明的需求，白光发光二极管(LED)已经被业界明确为未来的主要照明光源。相比于传统照明光源，白光LED具有频谱资源丰富、发光效率高和调制速率快等优点。因此，白光LED具有照明和通信的双重功能。海量LED照明光源的铺设，为白光光通信的广泛应用提供了极大的便利条件。在基于白光LED的可见光通信中，存在着2种通信链路：定向视距链路和非定向视距链路。

　　通信方向评职知识： 无线网络通信方面的课题申报方向

　　定向视距链路通信速率快，但要求接收机与发射机必须对准，一旦有阻塞，链路就会中断，因此这种链路适合于做高速、无障碍物的可见光通信。非定向视距链路中，发射机的发射角度和接收机的视场角都较大，可以有效解决链路阻塞问题，实现链路无间断通信，但在高速和远距离通信中会出现多径效应，导致通信速率低、通信质量差[1-2]。

　　因此，非定向视距链路模型是最符合实际室内照明通信的模型。在非定向视距链路中，光有2种途径进入接收机：一种是直接进入;一种是通过墙壁、地板等反射面(即漫反射)反射后进入接收机。虽然直接进入接收机的光功率远远大于漫反射的光功率，但对系统性能的影响更大[3]。由于漫反射功率远远弱于直射功率，所以目前白光光通信的研究基本都是基于直射链路，而对于基于漫射链路的通信却没有引起重视。实验研究发现，漫反射功率虽然很小，但依然可以实现通信[4]，其信号作为直射信号的补充，可以有效扩大基于直射链路的无线光通信的通信范围，提高通信系统性能，扩展其应用范围。

　　此外，有研究表明：漫反射可以解决链路遮挡问题，并使接收端具有移动性，可以有效改善链路性能[5-9]。但是以上研究基本上都是基于理论仿真。文献[4]实验验证了在一个很小的且漫反射较强的区域内可以借助漫反射信号实现白光光通信。但是，在一个更大范围内且漫反射较弱时，是否依然可以借助漫反射信号进行通信，从而改善通信系统性能，需要进一步研究。为此，本文研究漫反射对白光可见光通信系统性能的影响，探索通过漫反射提高通信质量、增大通信距离和扩大通信空间的可行性，并在通信范围更大的实际环境中进行基于漫反射的可见光通信实验。

　　1室内可见光通信信道模型

　　在室内可见光通信模型中，LED固定在天花板上，接收端位于LED的下方，为了研究漫反射在空间中的分布规律，本文建立非定向视距链路模型如图所示。模型中到达接收端的光信号包含两部分：一部分是由LED发出的未经反射的直射光，另一部分是经过墙壁等其它表面产生的漫反射光。在非定向视距链路中，接收端的光功率是由直射和漫反射叠加而成的。

　　漫反射引起的叠加除了有幅值上的还有相位上的，幅值的叠加可以提高通信质量、增加通信距离和通信范围，相位的叠加将有可能使原来的信号失真或产生错误即引起多径干扰｡在高速通信时，反射引起的多径干扰比反射所引起的功率增加对信噪比的影响较大;而在通信速率较低时，功率增加所带来的优势大于多径干扰的影响[10]。

　　2漫反射对通信性能的影响

　　为了研究漫反射对通信性能的影响，本文对直射链路和“直射+漫射”混合链路这2组通信进行对比实验。首先，搭建了一个1.27m×1.27m×1.27m的模拟房间，房顶安置一个的白光LED光源，通信速率为10Hz。在进行直射链路实验时，将房间的前、后、左、右4个面用纯黑色摄影吸光布来遮挡，尽可能确保除了直射链路之外没有其它漫反射链路存在。在进行“直射+漫射”混合链路实验时，将房间后面、左面、右面3个面都用漫反射率约为0.5的反射材料来遮挡。

　　2.1测量系统设计

　　采用现场可编程门阵列(FPGA)设计信号发生器，对LED进行二进制启闭键控(OOK)调制。光电探测器PIN将接收到的光信号转化成电信号后进行放大;将放大之后的电压幅值分别输出到示波器和判决再生电路，示波器显示的电压均方根值表示室内漫反射信号的强弱;通过对判决再生电路丢失的码的个数进行统计，计算信号在传输过程中码的丢失率(即误码率)。

　　2.2电路设计

　　2.2.1LED驱动电路

　　运放LM324和沟道MOS管IRF540构成一个电流驱动电路，用于驱动LED发光，由所设计的信号源输出OOK调制信号，用于控制电路的通断。

　　2.2.2信号接收及处理

　　信号放大电路采用电压反馈型双运放AD8056，将接收到的电流信号转化为电压信号，再对电压信号进行放大，放大倍数在100倍之间可调。放大器输出信号经判决再生后输入基于FPGA的信号处理电路进行接收信号的统计，计算误码率。

　　3实际环境下漫射链路通信实验

　　为了进一步研究漫反射在实际环境中应用的可行性，本文在实验楼的走廊内进行了基于漫反射的可见光通信实验。实验中，采用个3W的LED形成的阵列进行照明和通信，通信频率为10kHz。LED距离地面的高度为2.5m，走廊宽为2.7m。在PIN上方约10cm处用挡板将直射链路完全遮挡，只有漫射链路时，其中上面的波形为发射信号波形，下面的波形为接收端接收到的信号波形。接收端不仅在靠近墙的附近可以接收到漫反射信号，在LED的正下方也可以探测到漫反射信号，漫反射分布规律与前面的模拟环境中得到的规律基本一致。

　　4结束语

　　在1.27m×1.27m×1.27m模拟房间中，本文进行了直射链路和“直射+漫射”混合链路通信实验，测量了漫反射的分布规律、在此环境中漫反射对通信距离和通信覆盖范围的影响。最后，在走廊中进行了漫反射通信实验。实验结果表明：漫反射可以有效扩大通信覆盖范围、增大通信距离，进而改善通信系统性能。这为解决直射链路发生阻塞和阴影导致的通信中断问题、直射链路通信质量、距离和范围有限等问题提供了有效的解决途径;同时，在实际环境中将直射链路完全遮挡，漫射链路可以在一定的范围内进行通信。

　　实验所得到的漫反射分布规律对基于白光可见光室内定位也有潜在的应用价值。由于实验条件有限，实验只是在模拟的空旷房间中进行，光功率小、通信范围小，没有考虑复杂环境下漫反射分布的变化情况，也没有考虑光电探测器视场角的改变对漫反射信号的影响等因素。下一步将继续研究更加先进的信号处理技术和通信系统，合理的将漫反射信号运用于通信系统中，以进一步扩大通信系统的覆盖范围，发挥漫反射在实际环境中的应用价值。

　　参考文献：

　　[1]迟楠LED可见光通信技术[M].北京：清华大学出版社，2013.

　　[2]杨春勇，杨杰，陈振威.室内可见光通信接收机视场角选择与LED分布优化[J].光电子激光，2016，27()：491497.

　　[3]KOMINET,NAKAGAWAM.FundamentalanalysisforvisiblelightcommunicationsystemusingLEDlights[J].IEEETransactionsonConsumerElectronics,2004,50():100107.

　　[4]张博蔡喜平刘健等.基于非视线链路的可见光通信实验研究[J/OL].光通信技术，2021[20210907].http://kns.cnki.net/kcms/detail/45.1160.TN.20210708.1316.002.html.

　　[5]CHVOJKAP,ZVANOVECS,HAIGHPA,etal.Channelcharacteristicsofvisiblelightcommunicationswithindynamicindoorenvironment[J].JournalofLightwaveTechnology,2015,33():17191725.

　　作者：李娟，蔡喜平，卢钰松，胡延静，程贵东

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