CN107017943A - 一种获取室内可见光通信信道特性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种获取室内可见光通信信道特性的方法，主要解决现有室内可见光通信信道模型中只针对空旷房间而未考虑遮挡效应及可视函数只可能取0或1的问题。其技术核心是，引入泊松计数过程描述进入室内区域的不定量随机移动用户的数量，引入概率密度函数描述不定量随机移动用户的身宽和身高、在室内区域中的横坐标值和纵坐标值的联合分布，量化可见光通信信道直射链路未被不定量随机移动用户遮挡的概率，将经典室内可见光通信信道模型中的直射链路脉冲响应乘以其未被不定量随机移动用户遮挡的概率，获得描述信道特性的脉冲响应和接收信号功率值。可用于移动多用户室内可见光通信环境中。

Description

一种获取室内可见光通信信道特性的方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及光通信技术领域中的一种获取室内可见光通信信道特性的方法。本发明可用于获取移动多用户环境下的室内可见光通信信道脉冲响应和接收信号功率。
背景技术
基于白光发光二极管LED(Light Emitting Diode)的可见光通信具有低功耗、高传输速率、无需频谱申请、高安全性、抗电磁干扰等优点，引起了国内外众多研究机构和学者的关注。截至目前，可见光通信还有一些关键问题有待解决。其中主要包括：受制于发光二极管LED的调制带宽无法提供超高的传输速率；缺乏针对室内可见光信道建模的基础性研究；不具备改善室内可见光信号分布的有效途径等。其中，获取信道脉冲响应是所有工作的基础。
Kwonhyung Lee等人在其发表的论文“Indoor Channel Characteristics forVisible Light Communications”(IEEE Communications Letters,2011,15(2),217-219)中提出了一种利用迭代法获取室内可见光通信信道脉冲响应的方法。该方法基于空旷房间将红外信道模型扩展到可见光波段，假设光源和反射面均满足朗伯模型，考虑了多次反射，并引入自变量为波长的反射率的函数，最后给出了信道脉冲响应公式。该方法存在的不足之处是，只针对空旷房间，并未考虑遮挡效应。
丁举鹏在其发表的学位论文“可见光通信室内信道建模及性能优化”(北京邮电大学,2013)中提出了一种基于反射元素获取室内可见光通信信道脉冲响应的方法。该方法假设光源和反射面均满足朗伯模型，将各反射面分成微反射元，考虑多次反射，针对室内固定遮挡物引起的遮挡响应，引入了一个可视函数，当视距链路被遮挡时，可视函数取0，当视距链路未被遮挡时，可视函数取1，最后给出了脉冲响应公式。该方法存在的不足之处是，可视函数只可能取0或1，即只适合于固定遮挡物。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种获取室内可见光通信信道特性的方法，该方法考虑不定量随机移动用户的遮挡效应，适用于移动多用户室内可见光通信环境。
为了实现上述目的，本发明方法的思路是：引入泊松计数过程描述进入室内区域的不定量随机移动用户的数量，引入概率密度函数描述不定量随机移动用户的身宽和身高、在室内区域中的横坐标值和纵坐标值的联合分布，量化可见光通信信道直射链路未被不定量随机移动用户遮挡的概率，获得不定量随机移动用户环境下室内可见光通信信道脉冲响应和接收光功率。
本发明方法的具体步骤如下：
(1)按照下式，获得无遮挡环境下室内可见光通信信道直射链路的脉冲响应：
其中，h(S,R)表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的接收器R对光源S直射链路脉冲的响应，m表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的光源S的朗伯指数，其为任意正数，A表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的接收器R的物理面积，π表示圆周率，L表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的光源S的物理中心点到接收器R的物理中心点的距离，cos表示余弦操作，θ表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的光源S到接收器R的直射链路的出射角，×表示相乘操作，表示无遮挡环境下，可见光通信信道的光源S到接收器R间直射链路的入射角，T表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的接收端滤波器的增益，表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的接收端集中器跟随光源S到接收器R的直射链路的入射角变化的增益，u(·)表示阶跃函数，FOV表示无遮挡环境下室内可见光通信信道的接收器R的视场角，δ(·)表示冲激函数，t表示无遮挡环境下室内可见光通信信道直射链路的脉冲响应的时间参数，c表示光速；
(2)按照下式，依次获得无遮挡环境下室内可见光通信信道1～N次反射链路的脉冲响应：
其中，h(k)(S,R)表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的接收器R对光源S的第k次反射链路的脉冲响应，k表示小于等于N的正整数，N为正整数，其值由所需的室内可见光通信信道脉冲响应精度确定，N值越大，获得的室内可见光通信信道脉冲响应精度越高，∫表示积分操作，Aall表示室内所有光反射面的面积，h(k-1)(S,dA)表示室内光反射面的微分区域dA对无遮挡环境下室内可见光通信信道的光源S的第k-1次反射链路的脉冲响应，h(dA,R)表示无遮挡环境下，室内光反射面的微分区域dA对光源S直射链路脉冲的响应；
(3)获得无遮挡环境下可见光通信信道脉冲响应：
将直射链路的脉冲响应与1～N次反射链路的脉冲响应相加，得到无遮挡环境下室内可见光通信信道脉冲响应；
(4)按照下式，量化直射链路未被不定量随机移动用户遮挡的概率：
其中，PEF表示室内区域中任意两点E和F间，直射链路未被不定量随机移动用户遮挡的概率，exp表示以自然常数e为底的指数操作，λ表示进入室内区域的不定量随机移动用户的数量所服从的泊松计数过程的参数，t0表示不定量随机移动用户进入室内区域的时间，X、Y分别表示室内区域的长、宽，∫∫表示双重积分操作，D表示每个不定量随机移动用户遮挡任意两点E和F间的直射链路所需的身宽和身高条件，q(w,h)表示每个进入室内区域的不定量随机移动用户的身宽w和身高h的联合概率密度，f(x0,y0)表示每个进入室内区域的不定量随机移动用户的横坐标值x0与纵坐标值y0的联合概率密度，d表示微分操作；
(5)获得室内可见光通信信道脉冲响应：
(5a)将无遮挡环境下，室内可见光通信信道的直射链路的脉冲响应、1～N次反射链路的脉冲响应，分别乘以该链路未被不定量随机移动用户遮挡的概率，将所有链路对应的结果相加，得到不定量随机移动用户环境下室内可见光通信信道脉冲响应；
(5b)对室内可见光通信信道脉冲响应在时域积分，得到信道在该时间域内描述信道特性的接收信号功率值。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明将无遮挡环境下，室内可见光通信信道的直射链路的脉冲响应、1～N次反射链路的脉冲响应，分别乘以该链路未被不定量随机移动用户遮挡的概率，克服了现有技术中只针对空旷房间，并未考虑遮挡效应的不足，使得本方法适用于移动多用户室内可见光通信环境，扩展了应用范围。
第二，由于本发明量化了室内可见光通信信道直射链路未被不定量随机移动用户遮挡的概率，其取值范围为0～1的任意值，克服了现有技术中可视函数只可能取0或1的不足，使得本方法可以准确描述遮挡效应，提高了实用性。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
具体实施方式
参照附图1，对本发明的具体步骤作进一步的描述。
步骤1，按照下式，计算无遮挡环境下室内可见光通信信道直射链路的脉冲响应：
其中，h(S,R)表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的接收器R对光源S直射链路脉冲的响应，m表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的光源S的朗伯指数，其为任意正数，A表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的接收器R的物理面积，π表示圆周率，L表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的光源S的物理中心点到接收器R的物理中心点的距离，cos表示余弦操作，θ表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的光源S到接收器R的直射链路的出射角，×表示相乘操作，表示无遮挡环境下，可见光通信信道的光源S到接收器R间直射链路的入射角，T表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的接收端滤波器的增益，表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的接收端集中器跟随光源S到接收器R的直射链路的入射角变化的增益，u(·)表示阶跃函数，FOV表示无遮挡环境下室内可见光通信信道的接收器R的视场角，δ(·)表示冲激函数，t表示无遮挡环境下室内可见光通信信道直射链路的脉冲响应的时间参数，c表示光速。
无遮挡环境下室内可见光通信信道的接收端集中器，跟随无遮挡环境下可见光通信信道的光源S到接收器R的直射链路的入射角变化的增益由下式确定：
其中，n表示可见光在室内可见光通信信道中的折射率，sin表示正弦操作。
步骤2，依次获得无遮挡环境下室内可见光通信信道1～N次反射链路的脉冲响应。
无遮挡环境下室内可见光通信信道1次反射链路的脉冲响应可由直射链路的脉冲响应得到，2次反射链路的脉冲响应可由1次反射链路的脉冲响应结合直射链路的脉冲响应得到，3次反射链路的脉冲响应可由2次反射链路的脉冲响应结合直射链路的脉冲响应得到，以此类推。
计算无遮挡环境下室内可见光通信信道1～N次反射链路的脉冲响应的递推公式如下：
其中，h(k)(S,R)表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的接收器R对光源S的第k次反射链路的脉冲响应，k表示小于等于N的正整数，N为正整数，其值由所需的室内可见光通信信道脉冲响应精度确定，N值越大，获得的室内可见光通信信道脉冲响应精度越高，∫表示积分操作，Aall表示室内所有光反射面的面积，h(k-1)(S,dA)表示室内光反射面的微分区域dA对无遮挡环境下室内可见光通信信道的光源S的第k-1次反射链路的脉冲响应，h(dA,R)表示无遮挡环境下，室内光反射面的微分区域dA对光源S直射链路脉冲的响应。
步骤3，获得无遮挡环境下可见光通信信道脉冲响应。
将直射链路的脉冲响应与1～N次反射链路的脉冲响应相加，得到无遮挡环境下室内可见光通信信道脉冲响应。
步骤4，按照下式，量化直射链路未被不定量随机移动用户遮挡的概率：
其中，PEF表示室内区域中任意两点E和F间，直射链路未被不定量随机移动用户遮挡的概率，exp表示以自然常数e为底的指数操作，λ表示进入室内区域的不定量随机移动用户的数量所服从的泊松计数过程的参数，t0表示不定量随机移动用户进入室内区域的时间，X、Y分别表示室内区域的长、宽，∫∫表示双重积分操作，D表示每个不定量随机移动用户遮挡任意两点E和F间的直射链路所需的身宽和身高条件，q(w,h)表示每个进入室内区域的不定量随机移动用户的身宽w和身高h的联合概率密度，f(x0,y0)表示每个进入室内区域的不定量随机移动用户的横坐标值x0与纵坐标值y0的联合概率密度，建立的坐标系为，以室内区域的任意顶点为原点，室内区域的长、宽、高分别为x轴、y轴、z轴，且正方向均指向室内区域，d表示微分操作。
步骤5，获得室内可见光通信信道脉冲响应。
将无遮挡环境下，室内可见光通信信道的直射链路的脉冲响应、1～N次反射链路的脉冲响应，分别乘以该链路未被不定量随机移动用户遮挡的概率，将所有链路对应的结果相加，得到不定量随机移动用户环境下室内可见光通信信道脉冲响应；
对室内可见光通信信道脉冲响应在时域积分，得到信道在该时间域内描述信道特性的接收信号功率值。

Claims (2)

1.一种获取室内可见光通信信道特性的方法，包括以下步骤：
(1)按照下式，获得无遮挡环境下室内可见光通信信道直射链路的脉冲响应：
其中，h(S,R)表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的接收器R对光源S直射链路脉冲的响应，m表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的光源S的朗伯指数，其为任意正数，A表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的接收器R的物理面积，π表示圆周率，L表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的光源S的物理中心点到接收器R的物理中心点的距离，cos表示余弦操作，θ表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的光源S到接收器R的直射链路的出射角，×表示相乘操作，表示无遮挡环境下，可见光通信信道的光源S到接收器R间直射链路的入射角，T表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的接收端滤波器的增益，表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的接收端集中器跟随光源S到接收器R的直射链路的入射角变化的增益，u(·)表示阶跃函数，FOV表示无遮挡环境下室内可见光通信信道的接收器R的视场角，δ(·)表示冲激函数，t表示无遮挡环境下室内可见光通信信道直射链路的脉冲响应的时间参数，c表示光速；
(2)按照下式，依次获得无遮挡环境下室内可见光通信信道1～N次反射链路的脉冲响应：
其中，h(k)(S,R)表示无遮挡环境下，室内可见光通信信道的接收器R对光源S的第k次反射链路的脉冲响应，k表示小于等于N的正整数，N为正整数，其值由所需的室内可见光通信信道脉冲响应精度确定，N值越大，获得的室内可见光通信信道脉冲响应精度越高，∫表示积分操作，Aall表示室内所有光反射面的面积，h(k-1)(S,dA)表示室内光反射面的微分区域dA对无遮挡环境下室内可见光通信信道的光源S的第k-1次反射链路的脉冲响应，h(dA,R)表示无遮挡环境下，室内光反射面的微分区域dA对光源S直射链路脉冲的响应；
(3)获得无遮挡环境下可见光通信信道脉冲响应：
将直射链路的脉冲响应与1～N次反射链路的脉冲响应相加，得到无遮挡环境下室内可见光通信信道脉冲响应；
(4)按照下式，量化直射链路未被不定量随机移动用户遮挡的概率：
其中，PEF表示室内区域中任意两点E和F间，直射链路未被不定量随机移动用户遮挡的概率，exp表示以自然常数e为底的指数操作，λ表示进入室内区域的不定量随机移动用户的数量所服从的泊松计数过程的参数，t0表示不定量随机移动用户进入室内区域的时间，X、Y分别表示室内区域的长、宽，∫∫表示双重积分操作，D表示每个不定量随机移动用户遮挡任意两点E和F间的直射链路所需的身宽和身高条件，q(w,h)表示每个进入室内区域的不定量随机移动用户的身宽w和身高h的联合概率密度，f(x0,y0)表示每个进入室内区域的不定量随机移动用户的横坐标值x0与纵坐标值y0的联合概率密度，d表示微分操作；
(5)获得室内可见光通信信道脉冲响应：
(5a)将无遮挡环境下，室内可见光通信信道的直射链路的脉冲响应、1～N次反射链路的脉冲响应，分别乘以该链路未被不定量随机移动用户遮挡的概率，将所有链路对应的结果相加，得到不定量随机移动用户环境下室内可见光通信信道脉冲响应；
(5b)对室内可见光通信信道脉冲响应在时域积分，得到信道在该时间域内描述信道特性的接收信号功率值。
2.根据权利要求1所述的一种获取室内可见光通信信道特性的方法，其特征在于，步骤(1a)中所述的无遮挡环境下室内可见光通信信道的接收端集中器，跟随无遮挡环境下可见光通信信道的光源S到接收器R的直射链路的入射角变化的增益由下式确定：
其中，n表示可见光在室内可见光通信信道中的折射率，sin表示正弦操作。
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