秦　嶺, 巨永鋒, 杜永興，包　旭

(1.長安大學(xué)　電子與控制工程學(xué)院, 陜西　西安　710064； 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)　信息工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古　包頭　014010；3.江蘇省交通運輸與安全保障重點實驗室, 江蘇　淮安　223003)

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智能交通中新型可見光通信系統(tǒng)性能研究

秦嶺1，2, 巨永鋒1, 杜永興2，包旭3

(1.長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院, 陜西西安710064； 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古包頭014010；3.江蘇省交通運輸與安全保障重點實驗室, 江蘇淮安223003)

摘要：在智能交通工程的光通信系統(tǒng)中，為了提高帶寬、功率利用率和信道容量，將多脈沖位置調(diào)制(MPPM)應(yīng)用于LED交通燈與車輛間的可見光通信系統(tǒng)。分析比較了MPPM在幾種典型天氣條件下系統(tǒng)的接收機信噪比。同時，在同一天氣條件下，對分別采用MPPM等多種調(diào)制方式的系統(tǒng)接收機信噪比也進行了比較。仿真結(jié)果表明：在同一調(diào)制方式下，與晴天相比，系統(tǒng)在霧天時信噪比最低，其次是干雪天，雨天和濕雪天信噪比下降得最少，且相差不多；在同一天氣下，采用MPPM的系統(tǒng)信噪比高于采用開關(guān)鍵控(OOK)和單脈沖位置調(diào)制(PPM)的系統(tǒng)信噪比。對MPPM和OOK進行了試驗驗證，試驗結(jié)果與理論仿真相符。

關(guān)鍵詞：智能運輸系統(tǒng)；可見光通信；多脈沖位置調(diào)制；仿真；LED交通燈

0引言

近年來，LED燈以小尺寸、長壽命、低功率消耗的優(yōu)勢被應(yīng)用在越來越多的場合，例如，大尺寸的LED顯示屏、汽車的頭尾燈、路燈、交通燈等[1-3]。另外，將LED燈與通信組合起來的可見光通信正在發(fā)展，并且受到了美國、日本、歐洲各國的關(guān)注和認可[3]?？梢姽馔ㄐ攀抢门鋫涞腖ED照明設(shè)備發(fā)出人的肉眼察覺不到的高速調(diào)制信號，然后利用光電二極管等光電轉(zhuǎn)換器件對可見光信號進行接收，主要應(yīng)用在無線室內(nèi)連接和智能交通系統(tǒng)。在照明的同時完成了通信，避免了重復(fù)投資，節(jié)約了成本[4-5]。在智能交通中，LED光通信一般應(yīng)用于十字路口通過信號燈和汽車之間的無線光通信進行交通疏導(dǎo)與指揮。在國內(nèi)，丁德強等[6]基于新的白光LED發(fā)光模型，對室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)白光LED陣元發(fā)射天線進行了優(yōu)化設(shè)計。吳方明等[7]對高速短距離室內(nèi)可見光通信的調(diào)制技術(shù)進行了相關(guān)研究。目前,國內(nèi)一些高校、科研機構(gòu)絕大多數(shù)的研究工作集中于室內(nèi)無線連接和提高通信速率的研究，尚缺少對智能交通中可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)研究。在國外，N.Kumar等[8]提出了基于LED交通燈、采用DSSS結(jié)合SIK技術(shù)的可見光廣播系統(tǒng)。A.M.Cailean等[9]設(shè)計并用硬件實現(xiàn)了LED交通燈和車輛間的可見光通信系統(tǒng)。智能交通中可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)之一是調(diào)制技術(shù)，常見的有開關(guān)鍵控 (On-Off Keying, OOK)和單脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation, PPM)兩種。與二者相比，多脈沖位置調(diào)制(Multi-pulse Pulse Position Modulation，MPPM)在帶寬利用率、功率利用率和信道容量方面均有較大優(yōu)勢，但是實現(xiàn)相對復(fù)雜并要求嚴格同步[10]。在目前的研究中，尚未見到MPPM在不同天氣環(huán)境下應(yīng)用于LED交通燈與車輛間的室外可見光通信系統(tǒng)性能方面的研究。本文研究相同調(diào)制方式下，雨、雪、霧等典型天氣條件下系統(tǒng)的接收機信噪比；比較相同天氣條件下，采用MPPM、OOK等不同調(diào)制方式的可見光通信系統(tǒng)的性能，并進行試驗驗證。

1系統(tǒng)模型

LED交通燈與車輛間通信的系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)模型Fig.1　System model

假定LED交通燈與車輛間是視距鏈路，即LED交通燈發(fā)射的信號沒有被前方車輛遮擋，道路上有兩條車道，每條車道的寬度為4 m，車輛行駛方向定義為x軸，路寬方向定義為y軸，LED交通燈高度方向定義為z軸。接收機被固定在汽車前蓋的中心位置，與垂直方向的夾角為θ且接收視角的一半用Ψc表示。由圖1可以得到LED交通燈和接收機之間距離d的表達式[11]：

(1)

式中，Z為LED交通燈高度Hl與接收機高度Hr的差值，Z=Hl-Hr，且假定第1車道汽車的y=0 m，第2車道汽車的y=4 m。

由圖1所示,發(fā)射機的輻射角為φ,接收機的入射角為ψ[11]，車道長度方向距離為x，車道寬度方向距離為y，則有：

(2)

由式(1)～式(3)可以看出，汽車的位置改變時，φ和ψ也跟著改變。系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1　系統(tǒng)參數(shù)

3典型天氣條件下接收機信噪比

典型天氣條件下,LED交通燈與車輛間的可見光通信系統(tǒng)接收機信噪比為[12]：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中，A為光電探測器的感應(yīng)面積；n為接收機集中器的內(nèi)部折射率；Ts(ψ)為接收機濾波器增益；階數(shù)m與LED燈的半功率半角Φ1/2有如下關(guān)系：

(8)

4典型天氣條件下系統(tǒng)的性能分析

由于在實際應(yīng)用中，占空比r為0.25的歸零OOK和4-PPM已經(jīng)作為一種標準[12]。所以，本文選用占空比為0.25的歸零OOK、4-PPM和(4,2)MPPM這3種調(diào)制方式進行比較。當在LED交通燈與車輛間的可見光通信系統(tǒng)中使用占空比為0.25的歸零OOK時，可以得到不同天氣條件下的接收機信噪比，如圖2所示。仿真參數(shù)如表2所示。

圖2　典型天氣條件下占空比為0.25的歸零OOK調(diào)制的接收機信噪比Fig.2　Receiver SNRs of OOK modulation under typical weather condition (RZ, r=0.25)

參數(shù) 數(shù)值LED的波長/nm505光電探測器轉(zhuǎn)換效率0.35發(fā)射機發(fā)射的平均光功率/mW314光電探測器感應(yīng)面積/cm20.79內(nèi)部折射率1.7接收機濾波器增益1.0LED的半功率半角/(°)15降雨量/(mm?h-1)12.5能見度/km0.5降雪量/(mm?h-1)2

從圖2可以看出，無論是晴天，還是雨、霧、雪等天氣條件下，LED交通燈與車輛間可見光通信系統(tǒng)的接收機信噪比都隨著車道長度方向距離x的增大而先增大后減小。而且，與晴天相比，系統(tǒng)在霧天時信噪比最低，其次是干雪天，雨天和濕雪天信噪比下降得最少，且相差不多。

同理可得，在LED交通燈與車輛間的可見光通信系統(tǒng)中使用4-PPM和(4,2)MPPM時，不同天氣條件下的接收機信噪比，如圖3、圖4所示。

圖3　典型天氣條件下4-PPM調(diào)制的接收機信噪比Fig.3　Receiver SNRs of 4-PPM under typical weather condition

圖4　典型天氣條件下(4,2)MPPM調(diào)制的接收機信噪比Fig.4　Receiver SNRs of (4, 2) MPPM under typical weather condition

從圖3、圖4可以看出，系統(tǒng)的接收機信噪比也是隨著車道長度方向距離x的增大而先增大后減小。且與晴天相比，系統(tǒng)在霧天時信噪比最低。

為了容易實現(xiàn)同步，在4-PPM信號前加入同步頭，以便實現(xiàn)信號的同步，如圖5所示。

圖5　帶有同步頭的4-PPM信號幀F(xiàn)ig.5　Signal frame of 4-PPM with synchronization head

比較相同天氣條件下不同調(diào)制方式時，LED交通燈與車輛間可見光通信系統(tǒng)的接收機信噪比,如圖6(a)～(e)所示。

從圖6(a)可以看出，在晴天條件下，與OOK (RZ,r=0.25)和4-PPM相比，采用(4,2)MPPM時，該系統(tǒng)的接收機信噪比最高。從圖6(b)可以看出，在雨天條件下，與OOK (RZ,r=0.25)和4-PPM相比，采用(4,2)MPPM時，該系統(tǒng)的接收機信噪比也最高。從圖6(c)可以看出，在霧天條件下，與OOK (RZ,r=0.25)和4-PPM相比，采用(4,2)MPPM時，該系統(tǒng)的接收機信噪比還是最高。

干雪天和濕雪天條件下，該系統(tǒng)的接收機信噪比如圖6(d)、圖6(e)所示?？梢钥闯?，在這兩種天氣條件下，與OOK(RZ,r=0.25)和4-PPM相比，采用(4,2)MPPM時，該系統(tǒng)的接收機信噪比最高。

4試驗驗證

本試驗系統(tǒng)采用XILINX公司Virtex-5系列型號為XC5VSX95T的FPGA主處理芯片，采用AD公司的AD6645模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進行信號采集。使用型號為JXK200-13-RG-2A的LED交通燈作為光源，其中包含81個LED紅燈，輸出功率共6 W。使用THORLABS公司型號為PDA10A-EC光電檢測器及型號為ACL7560的非球面聚光鏡進行光信號的接收。系統(tǒng)碼速率為1 MHz，試驗系統(tǒng)圖如圖7所示。試驗參數(shù)如表3所示。

信噪比結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯碚撚嬎闩c試驗基本相符，且采用(4,2)MPPM的系統(tǒng)信噪比比采用OOK的更高。

5結(jié)論

本文將MPPM應(yīng)用于LED交通燈與車輛間的室外可見光通信系統(tǒng)中，研究了典型天氣條件下系統(tǒng)接收機的信噪比。分析比較了典型天氣條件下，OOK、PPM和MPPM不同調(diào)制方式下LED交通燈與車輛間可見光通信系統(tǒng)的性能。結(jié)果表明，調(diào)制方式相同時，與晴天相比，系統(tǒng)在霧天時信噪比最低，其次是干雪天，雨天和濕雪天信噪比下降最少，且相差不多。天氣條件相同時，采用MPPM的系統(tǒng)信噪比比采用OOK和PPM的更高。試驗驗證了理論仿真的正確性。

表3　試驗參數(shù)

圖7　交通光通信試驗系統(tǒng)Fig.7　Experimental system for traffic light communication

圖8　OOK與(4,2)MPPM調(diào)制系統(tǒng)的信噪比試驗與理論的結(jié)果比較Fig.8　Comparison between experimental and theoretical results of OOK and (4,2) MPPM system

參考文獻：

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收稿日期：2015-06-08

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(61501266，61301073)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項目(2015MS0625)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項資金項目(310832142008)；江蘇省交通運輸與安全保障重點建設(shè)實驗室開放基金項目(TTS2015-04)

作者簡介：秦嶺(1979-)，女，內(nèi)蒙古包頭人，副教授.(qinling1979@imust.edu.cn)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.07.018

中圖分類號：U491；TN929.1

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)07-0114-05

Study on Performance of New Visible Light Communication System in Intelligent Transport

QIN Ling1,2, JU Yong-feng1, DU Yong-xing2, BAO Xu3

(1. School of Electronic and Control Engineering, Chang’an University, Xi’an Shaanxi 710064, China；2. School of Information Engineering, Inner Mongolia University of Science & Technology, Baotou Inner Mongolia 014010, China；3. Jiangsu Provincial Key Laboratory for Transportation and Security, Huaian Jiangsu 223003, China)

Abstract：In the optical communication system of intelligent traffic engineering, In order to improve the bandwidth efficiency, the power efficiency and the channel capacity, etc., multi-pulse position modulation (MPPM) is used in the visible light communication (VLC) system between LED traffic lights and vehicles. Under typical weather conditions, the receiver SNRs of the system modulated by MPPM are analyzed and compared. Under the same weather condition, the receiver SNRs of the system modulated by MPPM, etc. are analyzed. The simulation result indicates that (1) fog day has the lowest receiver SNR compared to clear day when modulation scheme is the same, dry day has the second SNR, the SNRs in rain and wet snow days have fallen least and similar; (2) MPPM offer higher receiver SNR to the system compared to OOK and PPM when weather condition is the same. The verification experiment is conducted when MPPM and OOK are used, the experimental result is consistent with simulation result.

Key words：ITS；visible light communication; multi-pulse position modulation; simulation;led traffic light