摘要： 提出并分析了基于白光發(fā)光二極管（ LED）的室內(nèi)無線通信系統(tǒng)，比較了其與基于紅外的無線通信技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。通過對LED 光源特性、通信鏈路和系統(tǒng)信道模型進(jìn)行分析討論，指出了照明設(shè)計和接收機(jī)設(shè)計時應(yīng)考慮的因素。

　　1 引言

　　可見光LED 具有高亮度、高可靠性、能量損耗低和壽命長等許多優(yōu)良的特性，可用于全色顯示、交通信號指示和照明光源等。與普通光源比較， 可見光LED 還因其高速調(diào)制特性已被應(yīng)用在中短距離光纖通信中， 但其在無線通信領(lǐng)域應(yīng)用還不多。

　　無線光通信技術(shù)與射頻無線通信相比， 有無需頻帶申請、造價低等許多優(yōu)點(diǎn)， 基于可見光LED 研制的手機(jī)信息無線收發(fā)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了10kb/s 的數(shù)據(jù)傳輸。香港的Grantham Pang 等人則已試驗(yàn)成功利用可見光LED 為信號光源、覆蓋距離為20m 的無線音頻信號傳輸系統(tǒng)。近年來Yuichi Tanaka 等[4]人提出將白光LED 引入到室內(nèi)無線通信技術(shù)中。白光LED 在提供室內(nèi)照明的同時， 被用作通信光源有望實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無線高速數(shù)據(jù)接入。

　　2 系統(tǒng)分析

　　2.1 LED 的基本特性

　　LED 光源有發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光功率兩個基本特性參數(shù)。白光LED 不僅提供室內(nèi)照明， 并作為信號光源用以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無線數(shù)據(jù)傳輸?？紤]到紅外光對人眼睛的傷害等因素， LED 白光用作室內(nèi)無線通信的信號光源比紅外光有著許多自身的優(yōu)勢（ 如表1 所示）。

表1 白光和紅外光用作室內(nèi)無線通信時的比較分析

　　2.2 通信鏈路

　　室內(nèi)無線光通信的基本鏈路方式有很多種。本文描述的無線光通信系統(tǒng)中， 白光LED 因提供室內(nèi)照明須固定在天花板上， 故以其為信號光源的室內(nèi)無線通信鏈路有兩種形式： 直射式視距鏈接和漫射鏈接，如圖1 所示。

（a） 直射式視距鏈接 

（b） 漫射鏈接。

圖1 可見光LED 用于室內(nèi)通信時的光鏈路方式。

　　在直射式視距鏈路中， 接收機(jī)直接指向白光LED光源。設(shè)計光鏈路為直射式視距鏈接的優(yōu)點(diǎn)是， 信號光源功率利用率高、容易實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)鏈接。然而該鏈路要求光信號收發(fā)端始終對準(zhǔn)， 容易因鏈路上存在的障礙物而阻斷。漫射鏈路設(shè)計中接收機(jī)視角一般較大， 降低了對指向的要求， 系統(tǒng)不易受陰影效應(yīng)影響。

　　但鏈路中存在的多徑效應(yīng)會限制信號傳輸速率。表2 給出了兩種光鏈路的一些通信性能比較。實(shí)際應(yīng)用中可以綜合兩種鏈路的優(yōu)缺點(diǎn)設(shè)計靈活的鏈路方式以提高系統(tǒng)性能。

表2 兩種無線光通信鏈路比較

　　2.3 信道分析

　　無線光通信系統(tǒng)多采用光強(qiáng)度調(diào)制（IM） 和直接檢測（DD） 技術(shù)。圖2 為一個簡單的基于可見光LED、采用IM- DD 技術(shù)的室內(nèi)無線通信信道模型。白光LED 瞬時發(fā)射光功率不可能為負(fù)值， 所以LED 端輸入電信號為非負(fù)， 其值可表示為X（t）=Pt（1+Amsinωt）。這里Pt 表示發(fā)射光平均功率， Am為正弦曲線幅度（ Am ≤1 ）。探測器接收到的光強(qiáng)度R（t）=Pr（ 1+Amsinωt）+Pamb,Pr 為探測器處入射信號光平均功率， Pamb 為入射到探測器上的背景光（ 包括自然光或室內(nèi)其它光源等） 功率。假設(shè)光探測器的靈敏度大小為R, 則其檢測到的光電流值應(yīng)為：

圖2 采用IM- DD 技術(shù)的基帶可見光無線通信信道

　　無線光通信光接收機(jī)端通常采用pin 光電探測器， 此時接收機(jī)系統(tǒng)前端的主要噪聲是前置放大電路等引入的電路噪聲icirc 和電流引起的散彈噪聲。通信系統(tǒng)在傳輸速率Rb 時的信噪比可由式（2） 計算：

　　其中q 為電子電荷， 為電路噪聲平均功率值。

　　當(dāng)系統(tǒng)工作在強(qiáng)背景光下時， 式（ 2） 可簡化為：

　　可見此時信道噪聲N（t）可以看作與信號無關(guān)的白噪聲。由于散彈噪聲服從伯松分布[7], 通信系統(tǒng)在強(qiáng)背景光影響下的噪聲可以看作若干服從高斯分布的獨(dú)立的噪聲變量的疊加。取其極限值并利用中心極限定理可把信道噪聲視為與信號無關(guān)的高斯白噪聲。因此這里把圖2 所示的通信信道看作一基帶線性系統(tǒng)， 其表達(dá)式由式（4） 給出。其中h（t）是信道脈沖響應(yīng)， 表示卷積。

　　2.4 系統(tǒng)設(shè)計

　　2.4.1 照明設(shè)計

　　由式（2） 、（3） 可知系統(tǒng)信噪比與探測器接收到的光功率的平方成正比。這就意味著對于采用IM- DD技術(shù)的室內(nèi)無線通信系統(tǒng)， 要增大通信覆蓋范圍， 就必須增大LED 光源發(fā)射功率（ 這一點(diǎn)在基于紅外的室內(nèi)無線通信系統(tǒng)中是受到限制的） , 同時應(yīng)該合理設(shè)計通信鏈路， 以盡量減小信號光傳播過程中的能量損耗。同時為滿足基本照明需求， 在系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)首先考慮室內(nèi)光照度的分布。單個LED 發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光功率都比較小， 利用其提供室內(nèi)照明和通信時， LED 光源應(yīng)設(shè)計為多個白光LED 組成的陣列。當(dāng)接收機(jī)與LED 照明光源距離d 遠(yuǎn)大于光源自身尺寸參數(shù)l 時（ d>5l） , 探測器處的光照度可以用式（ 5） 計算。這里IL（φ ）為LED 光源沿接收機(jī)方向的發(fā)光強(qiáng)度， ψ是入射光相對于探測器表面法線的入射角。

　　如圖3 所示， 考慮在一尺寸為10m×10m×3m 的辦公室房間放置4 盞白光LED 燈， 每盞LED 燈由100×100 個白光LED（ 參數(shù)由表3 給出） 組成。忽略LED 燈在垂直地面方向上的尺寸， 計算可得室內(nèi)地面各處光照度值在355.53~1939.01lx 之間分布。根據(jù)國際化標(biāo)準(zhǔn)， 普通辦公室照明要求光照度為500lx, 而會議室和電腦工作室則要求光照度在300~500lx 之間?？紤]直射式視距鏈路中光接收機(jī)位于室內(nèi)地面處， 并對準(zhǔn)距離其近的LED 燈， 信號光垂直入射到探測器表面，在室內(nèi)地面各處可接收到的光功率值分布在0.585~1.852mW之間。在漫射鏈路中， 由于接收機(jī)視角設(shè)計得較大， 探測處接收到的信號光功率值還會更大， 已超過紅外光用于無線通信的光功率值。由上述分析可知， 圖3 中的LED 光源可以同時用作辦公室照明系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的信號光源?？梢姾侠碓O(shè)計LED 照明光源布局很容易滿足室內(nèi)全部區(qū)域的照明和通信要求， 并能有效消除無線通信系統(tǒng)中陰影效應(yīng)[8]的影響。

圖3 室內(nèi)模型LED 燈分布示意圖

表3 仿真模型計算參數(shù)

　　2.4.2 接收機(jī)設(shè)計

　　⑴光濾波器無線光通信信道中的主要噪聲源是背景光。雖然可以在探測器端使用光濾波器除去低頻和高頻光信號， 但由于LED 白光處于可見光波段， 光譜寬度在幾十納米左右， 因此利用帶通濾波器抑制背景光有一定的難度。在強(qiáng)背景光條件下合理選擇濾波器帶寬以達(dá)到對信號光接收是系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)權(quán)衡的問題。

　?、乒馓綔y器光探測器處接收到的光強(qiáng)和其自身的有效接收面積成正比。在忽略反射損耗的情況下光探測器的有效信號接收面積如式（ 6） 所示， 其中A 為探測器的實(shí)際物理面積。

　　可見減小探測器表面信號光的入射角和增加探測器物理面積將有益于增加探測器的有效接收面積。

　　但增加探測器物理面積價格昂貴， 同時會減小接收機(jī)帶寬、增大接收機(jī)噪聲。

　　⑶光集中器接收機(jī)端可使用光集中器以提高探測器有效接收面積。理想的非成像光集中器的光增益系數(shù)為：

　　式（ 7） 中FOV 是探測器接收視角（ 如圖1 所示） , n為光集中器折射率。考慮到光濾波器增益Tf（ψ）和光集中器增益g（ψ）， 探測器的有效接收面積可表示為：

　　由式（ 8） 可知， 在直射式視距鏈路中， 通過增加光集中器折射率或減小接收機(jī)視角可以增加探測器的有效接收面積， 從而提高信道增益。對于直射式視距鏈路， 減小接收機(jī)視角可以有效減少背景光對鏈路的干擾。對于漫射鏈路， 可以通過增加探測器面積和提高光集中器增益來提高信道增益。由漫射鏈路的設(shè)計特點(diǎn)可知， 在漫射鏈路中應(yīng)該通過增加光集中器折射率， 而不是減小接收機(jī)視角來增加集中器增益。另外，很多情況下合理設(shè)計LED 光源的光功率朗伯分布也可優(yōu)化直流信道增益。

　　3 結(jié)束語

　　與普通照明光源相比， 白光LED 耗能低、工作溫度低、壽命長、體積小， 被公認(rèn)為能取代現(xiàn)在普遍使用的熒光燈的下一代照明光源。我們對基于白光LED 照明光源的室內(nèi)無線通信系統(tǒng)做了基本理論分析和討論。LED 白光不僅提供室內(nèi)照明， 并作為信號光源有望實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無線數(shù)據(jù)傳輸。通過對LED 發(fā)光特性、室內(nèi)通信鏈路和信道模型的理論分析， 指出了光鏈路中系統(tǒng)參數(shù)對通信性能的影響和設(shè)計光收發(fā)機(jī)端時應(yīng)考慮的因素。集照明和數(shù)據(jù)傳輸雙重功能于一身的白光LED 無線通信系統(tǒng)有望進(jìn)入未來室內(nèi)數(shù)據(jù)接入領(lǐng)域。目前， 筆者所在實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行此方面的實(shí)驗(yàn)研究工作。