曾鹿濱，裴瑞琳，王晨東，朱永清

(1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201;2.上海英磁新能源科技有限公司，上海 200434)

前言

光照產(chǎn)業(yè)正在大量增加使用白色LED燈作為使用照明源［1］。與傳統(tǒng)的照明方式比，白色LED具有更低的能耗、更長(zhǎng)的壽命和更小的尺寸。迄今為止，還很少有將LED應(yīng)用在車載光無(wú)線通信的研究，本文中將著重闡述LED應(yīng)用于車載通信系統(tǒng)的可行性和可應(yīng)用性。由于LED的低能耗和長(zhǎng)壽命，在車庫(kù)和隧道中使用LED已成為一種趨勢(shì)。在車庫(kù)中，當(dāng)對(duì)導(dǎo)航初始化時(shí)，常出現(xiàn)不能很快定位的問題，其主要原因是導(dǎo)航終端還需花幾分鐘進(jìn)行定位初始化。該難題在現(xiàn)有的機(jī)端很難解決，另一個(gè)難題就是在車庫(kù)或隧道中AM/FM信號(hào)的丟失問題。本文中，將針對(duì)以上問題進(jìn)行研究。首先描述使用白色LED燈的車庫(kù)和隧道中車載可見光通信系統(tǒng);其次詳細(xì)介紹了在車庫(kù)情況下的一種可見光通信系統(tǒng)的模型;之后討論信噪比仿真方法;最后討論系統(tǒng)的可操作性，并得出最終結(jié)論。

1 應(yīng)用場(chǎng)景

1.1 應(yīng)用白色LED燈在車庫(kù)內(nèi)預(yù)定位導(dǎo)航

圖1為應(yīng)用白色LED燈的車庫(kù)內(nèi)預(yù)定位導(dǎo)航系統(tǒng)。在此條件下，LED燈既被作為照明使用，也被用作發(fā)射器來(lái)傳輸信號(hào)(如GPS的經(jīng)緯度信息)給車輛。車庫(kù)的位置加載到LED燈上，并轉(zhuǎn)換成光信號(hào)。在車輛端，使用光敏二極管作為接收器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。因此，所在車庫(kù)GPS的經(jīng)緯度信息將能被車機(jī)立刻接收，從而大大增快導(dǎo)航的初始化定位。

1.2 隧道數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)技術(shù)

圖2為應(yīng)用白色LED燈的隧道數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)，此系統(tǒng)可快速方便地解決FM/AM和GPS的信號(hào)丟失問題。其它數(shù)據(jù)廣播也可被應(yīng)用，例如緊急情況下的交通信息。

2 可見光通信系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)

該可見光通信系統(tǒng)是建立在基于圖1的幾何構(gòu)造下的設(shè)計(jì)。從LED燈(發(fā)射器)到光敏二極管(接收器)，光通過直接和漫射兩種途徑傳播。每個(gè)LED有一部分光線通過視線直接傳播到接收器，而另一部分則通過車庫(kù)內(nèi)各面的漫射傳播到接受器。

2.1 發(fā)射器部分

發(fā)射器由4個(gè)LED陣列構(gòu)成。大多數(shù)商用LED的白色光由藍(lán)光和熒光(黃色)兩部分構(gòu)成。圖3為白色LED的頻譜。其中，第一個(gè)尖峰區(qū)域由藍(lán)色發(fā)光體形成，而第二個(gè)比較平滑的峰區(qū)域則由因磷粉被藍(lán)色光沖擊而產(chǎn)生的熒光形成。

對(duì)于Luxeon型號(hào)的LED，熒光部分的緩慢響應(yīng)會(huì)將整個(gè)調(diào)制系統(tǒng)的帶寬限制在大約2.5MHz［3］;在充足的光能下，通過使用藍(lán)色光濾波器可使帶寬增加到14MHz。

2.2 信道模型部分

圖4為室內(nèi)通信場(chǎng)景的不同信道。

2.2.1 LOS信道

LOS信道有一個(gè)非常平滑的頻率響應(yīng)曲線，對(duì)大多數(shù)信道，有一個(gè)D.C.增益H(0)［4］。在LOS連接中，無(wú)論是寬還是窄接收角的光敏二極管，D.C.增益H(0)僅表示LOS傳播路徑。如圖4(b)所示，單個(gè)LED通信模型可以表示為

式中:APD為探測(cè)器的面積;d為發(fā)射器和接收器的距離;Ro(φ)為發(fā)射器的輻射密度;φ為輻射角;g(φ)為集中增益，g(φ)=n2/sin2φc;φ 為入射角;φc為光敏二極管的覆蓋角(FOV);Tf(φ)為光濾波器的增益。假設(shè)LED是一個(gè)朗伯分布的輻射密度，則Ro(φ)=［(m+1)/2π］cosmφ，m 為朗伯級(jí)數(shù)，m=-ln2/lncosφ1/2，φ1/2為半功率發(fā)射角。

假設(shè)系統(tǒng)的NT個(gè)發(fā)射器(LED陣列)和NR個(gè)接收器(光敏二極管)所形成D.C.增益組成矩陣H，其中某一信道的增益為hij，即為發(fā)射器i到接收器j的增益。

假設(shè)發(fā)射器i包含K個(gè)LED，hij則為發(fā)射器中所有LED到第j個(gè)接收器的增益累加，即

當(dāng)只有一個(gè)接收器的情況下(NR=1)時(shí)，hij則被簡(jiǎn)化為

則式(2)可簡(jiǎn)化為

2.2.2 漫反射信道

對(duì)于漫反射信道的建模，有兩種廣泛使用的方法。一種是假設(shè)將房間內(nèi)部表面分成微小的漫反射單元，然后被漫反射的光，為所有漫反射單元的總和［5-6］;另一種是利用光線跟蹤方式來(lái)追蹤一個(gè)光子從發(fā)射端到接收端的整個(gè)路徑［7］。這個(gè)信道響應(yīng)是基于從大量的傳播實(shí)驗(yàn)提取的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。相比前一種方法，這種方法更加可靠，但效率偏低。

本文中的建模使用一個(gè)積分球體模型來(lái)保證準(zhǔn)確和效率。由于漫反射信道的脈沖與積分球的脈沖非常接近［8］，一種積分球模型被應(yīng)用到研究的室內(nèi)模型(車庫(kù)通道)中。通過車庫(kù)通道表面Agarage的第一次漫反射信道為

式中:ρ1為表面反射率;PLED為一個(gè)LED的平均發(fā)射功率。

平均反射率ρa(bǔ)ve定義為

式中:ρi為室內(nèi)墻面、窗戶和其他物體的單個(gè)反射率;Ai為每個(gè)表面的面積。

因此，強(qiáng)度總和是對(duì)所有分強(qiáng)度的累加，即

式中:i為反射的次數(shù)。

接收器被假設(shè)為車庫(kù)通道表面很小的部分，所以在接收面積Arx接收的漫反射功率pdiff為

式中:Arx為經(jīng)過集中器接后接收面積;Tf(φ)為光濾波器的增益。

2.2.3 環(huán)境光噪聲

光無(wú)線傳輸系統(tǒng)常會(huì)被環(huán)境光噪聲所干擾［9］，包括日光、鎢絲燈、白熾燈和熒光燈等光源［10-14］。每種光都有特別的特性和光譜。圖5是幾種常見的環(huán)境光源光譜［4］。

信道信號(hào)和D.C.光電流和環(huán)境光也會(huì)產(chǎn)生散粒噪聲。在一般的光無(wú)線通信系統(tǒng)中，環(huán)境光產(chǎn)生絕大部分的散粒噪聲。

2.3 接收器

接收器包括光集中器、探測(cè)器和一個(gè)放大器。在有效光入射范圍內(nèi)，有效光接收面積Arx為

式中:APD為光探測(cè)器的面積;n為集中器折射系數(shù)。

在接收器端，接收信號(hào)為

對(duì)于獨(dú)立的接收器，有

式中:Psignal為平均接收功率;Pambient為環(huán)境光中收到的功率，Pambient=χampAirx2π(1-cosφc)，χamp為環(huán)境噪聲光電流;B為接收器的帶寬;iamp為放大器的噪聲電流強(qiáng)度。在仿真中，隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的白噪聲被作為近似噪聲加載到信號(hào)中。

3 信噪比SNR仿真和性能評(píng)估

車庫(kù)通道的天花板上安裝了4個(gè)LED大燈，接收器平面(車的頂部)大約距天花板2.5m，仿真參數(shù)見表1。天花板模型如圖1和圖6所示，本研究主要使用較為通用的大反射罩LEDIP65來(lái)照明，此照明設(shè)計(jì)能滿足車庫(kù)至少150Lux照明亮度的要求。

表1 車庫(kù)通道仿真參數(shù)

光從車庫(kù)通道天花板上每個(gè)LED傳輸?shù)轿挥谲図敹说慕邮掌魃?。傳輸性能依賴系統(tǒng)的信噪比SNR。在車庫(kù)通道中，對(duì)接收平面不同點(diǎn)的SNR進(jìn)行計(jì)算后，得到整個(gè)接收平面的SNR分布圖，如圖7所示。系統(tǒng)信噪比是一個(gè)關(guān)于位置變量的函數(shù)，如果通信系統(tǒng)的比特誤差率BER在10-6內(nèi)，則要求SNR達(dá)到15.6dB。仿真結(jié)果顯示，此車庫(kù)通道中SNR非常高，在4個(gè)角落處 SNR最低也達(dá)到59.5dB，遠(yuǎn)大于15.6dB的要求，因此，此車庫(kù)通道光無(wú)線系統(tǒng)的光傳輸功率評(píng)估足以滿足14Mbit/s的單信道數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。

4 結(jié)論

本文中描述了一種車庫(kù)光無(wú)線通信模型?；诖四Ｐ停ㄟ^車庫(kù)通道信噪比SNR分布圖計(jì)算得到在使用LED燈陣列的安裝方式下，光功率足以提供一個(gè)單信道數(shù)據(jù)傳輸。在SNR分布圖中，SNR最低值為59.5dB，遠(yuǎn)大于13.5dB(比特誤差率 BER為10-6的要求)。在沒有使用光濾波器和多信道情況下，系統(tǒng)傳輸速率達(dá)到14Mbit/s，可用于數(shù)據(jù)廣播和GPS傳輸。將來(lái)的工作重點(diǎn)主要集中在演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立和更高傳輸速率的設(shè)計(jì)方案。

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