CN102832993A - 多波段室内可见光的通信信道特性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，公开了一种多波段室内可见光的通信信道特性评估方法，包括以下步骤：S1、在同一时刻、不同方向发射不同波段可见光的共Ne个光子；S2、接收端判断是否接收所述光子，若是，则接收，否则使所述光子在接收端所在平面发生反射，直至接收到光子；所述接收端在不停地移动；S3、根据所接收到的光子的数目、时延和功率评估多波段可见光的信道特性。本发明由于考虑了可能会发生的多次的反射对信道的影响，所得到均方时延扩展和路径损耗也更加精确，可以提高多波段室内可见光的通信信道特性评估精度。

Description

多波段室内可见光的通信信道特性评估方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种多波段室内可见光的通信信道特性评估方法。

背景技术

Gfeller and Bapst首先提出了基本面分割算法来模拟室内红外信道的冲击响应[1]。 Barry采用递归算法对上述方案进行了改进[2]，但是随着时间分辨率的增强以及反射次数的增加，计算的复杂度也相应增加，因此考虑的反射次数不能多于五次。Barry所提出的递归算法从原理上证明了光线追踪法的可行性[3]。Barry和Lee在文献[3]中对比了可见光通信与红外通信的功率谱分布，但也只考虑了三种不同的响应。

[1]Gfeller,F.R.,and Bapst,U.:‘Wireless in-house datacommunication via diffuse infrared radiation’,Proceedings of the IEEE,1979,67,(11),pp.1474-1486

[2]Barry,J.R.,Kahn,J.M.,Krause,W.J.,Lee,E.A.,andMesserschmitt,D.G.:‘Simulation of multipath impulse response forindoor wireless optical channels’,Selected Areas in Communications,IEEE Journal on,1993,11,(3),pp.367-379

[3]Kwonhyung,L.,Hyuncheol,P.,and Barry,J.R.:‘Indoor ChannelCharacteristics for Visible Light Communications’,CommunicationsLetters,IEEE,2011,15,(2),pp.217-219

分析已有的信道估计方法，可以发现它们具有三种主要的缺陷。首先，信道估计的精度不能满足要求——为了控制计算的复杂度，反射次数不能多于五次；其次，已有的方法只提出了对单光源的分析方案，对于多光源的分析还是空白，而多光源是更接近实际的模型；最后，已有的方法只分析了特定波长的信道，没有对频谱为380nm到780nm可见光信道进行分析。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提高多波段室内可见光的通信信道特性评估精度。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种多波段室内可见光的通信信道特性评估方法，包括以下步骤：

S1、在同一时刻、不同方向发射不同波段可见光的共N_e个光子；

S2、接收端判断是否接收所述光子，若是，则接收，否则使所述光子在接收端所在平面发生反射，直至接收到光子；所述接收端在不停地移动；

S3、根据所接收到的光子的数目、时延和功率评估多波段可见光的信道特性。

优选地，接收端根据探测器的接收角判断是否接收所述光子。

优选地，若光子在接收端所在平面的入射角小于所述探测器的接收角，则接收所述光子，否则使所述光子在接收端所在平面发生反射。

优选地，步骤S3具体为：

S31、统计预设时间段内接收到的光子数目N_r；

S32、根据N_e和N_r计算路径损耗；

S33、根据每个光子被探测器接收时的时延、所述预设时间段内所接收到的每个光子的平均时延以及功率计算信道的均方时延扩展；

S34、根据所述路径损耗和均方时延扩展衡量信道特性。

优选地，步骤S32和S33执行顺序互换或同时执行。

（三）有益效果

上述技术方案具有如下优点：本发明由于考虑了可能会发生的多次的反射（例如五次以上）对信道的影响，所得到均方时延扩展和路径损耗也更加精确，可以提高多波段室内可见光的通信信道特性评估精度。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是室内可见光的通信信道模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明的方法包括以下步骤：

S1：在同一时刻、不同方向发射不同波段可见光的共N_e个光子，每个光子具有时间t、功率p、反射次数rebound三个参量，发射的光子的光功率强度具有朗伯特性I＝I₀cosnθ，I₀为一个光源LED种类有关的常量，n为朗伯因子，θ表示出射光功率最大方向所对应的角度。

S2：接收端判断是否接收所述光子，若是，则接收，否则使所述光子在接收端所在平面发生反射，直至接收到光子；所述接收端沿一个方向不停地移动。光子到达接收端所在平面之后，功率分布为：

$P_r=\left\{\begin{array}{c}\frac{A_r}{{\mathrm{\πd}}^2}\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\α}{P}_e,\mathrm{\α}\≤\mathrm{FOV}\\ 0,\mathrm{\α}>\mathrm{FOV}\end{array}\right.$

A_r为探测器的接收面积；P_e是到达接收端所在平面的光子功率；FOV是探测器的接收角；d为光子从发送端到接收端经过的距离，φ为接收端所在平面的出射角，α为接收端所在平面的入射角。如不能直接接收，则光子继续与接收端所在平面发生反射。

光子在室内以光速直线前进，直到被反射或被接收端成功接收，r2＝r1+λn，r1代表光子的初始位置；λ代表两个反射面之间的距离；r2是光子与反射面发生反射的位置；n是光子运动的方向向量。当光子碰到反射面时，会发生漫反射现象，此时光子能量发生衰减，在如图2所示模型中均采用朗伯特性的反射面，即在反射处产生具有朗伯特性的新光子，同时记录反射次数。图2是室内可见光的通信信道模型示意图，Tx1-Tx4为四个不同的光源位置，接收端PD沿箭头方向移动，不同的光源的位置坐标可以在仿真程序中进行设置。

当光子运行时间超过仿真程序设定的最大值时，判定光子“死亡”，丢弃该光子，并在程序的光源发射模块重新生成新的光子。

在室内各个反射面会对不同波段的光子具有不同的反射系数，通过对模型中反射壁不同反射参数的选择，就能得到光子经过多次反射后的功率分布，按时间顺序对接收到的光子进行统计以得到室内不同波段的冲激响应。

S3、根据所接收到的光子的数目、时延和功率评估多波段可见光的信道特性。路径损耗和均方时延扩展是评价无线通信信道的两个重要参数，路径损耗越大，则信道特性越差，均方时延扩展越大，多径效应越大，则信道特性越差。

1.路径损耗的计算公式为：

$a=-101\log \frac{N_r}{N_e}$

其中N_r为被接收到的光子数目；N_e为被追踪的总光子数目，在仿真中将这个参数设为10⁶。

2.多径效应会加宽信道的冲击响应时间，我们使用信道的均方时延扩展来衡量这一效应的大小。每个光子通过的路径不同，它们的时延也不同。信道的均方时延扩展计算公式如下：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N_r}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\τ}}_i-{\mathrm{\τ}}_0)}^2{p}_i^2}{P_r}}$

其中，τ_i为每个光子被探测器接收时的时延，τ₀为平均时延，p_i为接受平面上每个光子的功率，p_r为p_i的平方和。τ₀与p_r的公式如下：

${\mathrm{\τ}}_0=\frac{1}{P_r}\underset{i=1}{\overset{N_r}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i^2{\mathrm{\τ}}_i$

$P_r=\underset{i=1}{\overset{N_r}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i^2$

可以看出，本发明由于考虑了可能会发生的多次的反射（例如五次以上）对信道的影响，所得到均方时延扩展和路径损耗也更加精确，可以提高多波段室内可见光的通信信道特性评估精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种多波段室内可见光的通信信道特性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在同一时刻、不同方向发射不同波段可见光的共N_e个光子；

S2、接收端判断是否接收所述光子，若是，则接收，否则使所述光子在接收端所在平面发生反射，直至接收到光子；所述接收端在不停地移动；

S3、根据所接收到的光子的数目、时延和功率评估多波段可见光的信道特性。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，接收端根据探测器的接收角判断是否接收所述光子。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S2中，若光子在接收端所在平面的入射角小于所述探测器的接收角，则接收所述光子，否则使所述光子在接收端所在平面发生反射。

4.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，步骤S3具体为：

S31、统计预设时间段内接收到的光子数目N_r；

S32、根据N_e和N_r计算路径损耗；

S33、根据每个光子被探测器接收时的时延、所述预设时间段内所接收到的每个光子的平均时延以及功率计算信道的均方时延扩展；

S34、根据所述路径损耗和均方时延扩展衡量信道特性。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S32和S33执行顺序互换或同时执行。

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