[发明专利]室内单光源可见光通信系统多径信道建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及室内可见光通信多径信道建模，尤其是涉及室内单光源时可见光通信系统的多径信道建模。

背景技术

移动通信自20世纪80年代初诞生以来，大约每10年就经历标志性的一代技术革新，到目前已普遍投入商用第四代移动通信。但是随着各种行业和移动通信的融合，特别是移动互联网和物联网的发展，为移动通信技术带来了新的挑战，到2020年的下一代(the fifth generation，5G)无线通信，通信速率(峰值速率)将增大10倍，全球移动数据流量将达到2010年的500-1000倍。通常提高通信系统容量的方法有：增加可用带宽、提高无线传输链路的频谱效率和增加小区密度等。根据国际电联2015年世界无线电通信大会(WRC-15)的研究，频率在6GHz以下的可用频谱资源已非常稀缺，而更高频率的频谱资源较为丰富，能有效缓解频谱资源紧张的现状，因此对于6GHz以上频段频谱的开发和利用成为了未来无线通信研究的热点内容。

可见光通信(Visible Light Communication，VLC)是利用可见光(波长从380纳米到780纳米)作为信息载体，在自由空间中直接传输光信号的通信方式。通过给普通的发光二极管(light emitting diode，LED)加装微芯片，LED可发出肉眼感觉不到的高速明暗闪烁的光信号来传输信息。LED具有节能、环保、体积小和寿命长等特点，广泛应用于各种显示、装饰、普通照明和城市夜景等领域。据《2015-2020年中国LED照明产业市场前瞻与投资战略规划分析报告》分析，LED照明市场一直被认为是LED最重要、最具发展前景的应用。受“十城万盏”政策的推动，我国LED路灯市场将保持持续增长，至2013年占到全球市场规模的五成左右，成为全球最重要的LED路灯市场之一。据欧洲照明协会预测，到2020年LED将占到照明市场的60％。

与传统射频(Radio Frequency，RF)通信相比，VLC具有诸多优点，比如：白光LED响应时间短、具备高速调制特性，可同时实现照明和通信的双重作用；提供可自由使用的超过400THz的通信带宽；LED发射的是与自然光相似的非相干可见光，可保持较高的发射功率而不会对人体健康产生影响；VLC基于照明基础设施，有LED照明的地方即可实现通信，具有良好的范在属性，VLC还可潜在与电力线载波相结合，可实现对照明设施的深度利用；通常VLC限制在室内，具有良好的保密性，在临近房间还可以实现同频复用。另外，VLC无电磁辐射，可应用在对电磁干扰敏感的区域，如医院、机场等。应该注意到，作为一种全新的无线光通信技术，VLC并不是要取代RF，而是对现有无线通信技术的一种有益的补充。

由于LED是非相干光源，VLC一般采用强度调制直接检测(intensity modulation and direct direction，IM/DD)技术，因此只有光信号的强度包含信息。由于PD的尺寸通常比可见光波长大上千倍，在接收端的光信号就形成了类似空间分集的效果，因此不存在多径衰落现象。另外，干扰对每条光信号的影响在接收端相当于被求了空间平均，所以VLC信道可以看作是时间稳定的、随着PD位置变化而缓慢变化的信道。在IM/DD系统中，定义接收光功率和发光功率之比为信道增益，那么区别于RF系统信道的复数增益，VLC光无线信道的信道增益是正实数。室内VLC系统常被作为线性时不变系统处理，其完全可以通过自身的冲击响应来表征。

光信号通常经过两种传输模式入射到光电检测器(PD)，一种是发射光直接入射到PD的视距传播，另一种是经过墙壁、家具等室内反射体的反射光线。光信号经过不同路径到达PD时必然存在光程差，从而引起多径效应，当符号速率较大时，多径效应对系统的影响不可忽视。另外，大气随机信道引起的光色散效应会导致光脉冲在时间上延伸展宽。以上因素都可能造成符号间干扰。为了准确分析多径效应对通信系统性能的影响，必须要建立多径信道模型。但是目前公认的室内可见光通信信道模型的建立处于探索阶段，已有研究主要是利用室内红外光(Infrared，IR)通信系统信道模型。国内外学者提出了多种室内红外光无线信道建模的方法，主要包括：

文献[1](Gfeller F.R.,Bapst U..Wireless In-House Data Communication via Diffuse Infrared Radiation[J].Proceeding of IEEE,1979,67(11):1474-1486)在室内采用红外光源，设计了一种无线广播系统，研究了光漫射信道的信道模型。