CN108242955A - 一种点对点可见光通信系统及其能效分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种点对点可见光通信系统及其能效分析方法，包含发送端和与其连接的接收端，本发明基于电路分析、光度学和信息论的方法，求解满足可见光通信系统的用户可达速率与系统能效闭式表达式，并建立系统模型分析发送光功率及信道增益。本发明进一步分析了影响可见光通信系统能效的参数值。相比于现有的方法，本发明首次提出了基于光功率及电功率的系统能效分析，在计算能效时，加入了各个模块的功耗取值。

Description

一种点对点可见光通信系统及其能效分析方法

技术领域

本发明属于可见光通信领域，尤其涉及一种点对点可见光通信系统及其能效分析方法。

背景技术

可见光通信(visible light communication，VLC)指利用可见光频段的光作为信息载体进行无线传输的通信方式，通常利用发光二极管(Light Emitting Diode，LED)发出的高速明暗变化光信号来传输信息。可以利用的可见光波段尚属空白频谱，无需授权即可使用，而VLC又具有照明和通信结合，无电磁干扰，能耗低，绿色环保等优势，被认为是5G关键技术之一，引起了国内外学术界和工业界的广泛关注，并取得了一定成果。

可见光通信可以同时实现照明和通信的功能，因此可以利用照明的能量传输信息，提高通信的能效。对于任何通信系统的设计，链路模型分析都是最基本的出发点。可见光通信采用强度调制/直接检测技术(IM/DD)，首先将携带有原始信息的电信号进行基带调制，信号放大，然后与直流偏置共同驱动发光二极管(LED)发光进行信号的传输，利用基带调制后的电信号控制发光二极管产生强度高频变化的光信号，经过无线光信道之后，使用光电检测器(PD)作为接收端进行直接检测，将光信号转换为电信号，从而恢复出原始信息。

根据能效的定义，可见光通信系统能效分析需要已知用户的可达速率表达式和通信链路的功耗模型。在现有的可见光通信网络能效的研究中，一方面用户可达速率主要采用经典香农公式，由于可见光通信的幅度受限和非负性要求，香农公式不适用于可见光通信网络；可见光通信的兼顾照明和通信的技术特点决定了可见光通信可以实现低功率高能效工作，但是，目前可见光通信网络的最优能效理论还是未知的，例如通信链路的功耗模型和能效分析等。因此，本项目将开展关于可见光通信最优能效理论的研究工作，补充现有研究工作的欠缺，为实现未来无线通信网络中低功耗的可见光通信技术提供理论和技术支撑。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供一种点对点可见光通信系统及其能效分析方法，其基于电路分析、光度学和信息论的方法，求解满足可见光通信系统的用户可达速率与系统能效闭式表达式，并建立系统模型分析发送光功率及信道增益。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种可见光点对点通信系统，包含发送端和与其连接的接收端，所述发送端包含调制器、数模转换器D/A、第一滤波器、功率放大器、偏置器、LED驱动电路和LED灯，所述调制器、数模转换器D/A、第一滤波器、功率放大器、偏置器和LED灯依次连接，LED驱动电路和偏置器连接；所述所述接收端包含依次连接的光电探测器、跨阻放大器、第二滤波器、数模转换器A/D和解调器；

其中，调制器，用于调制信号；

数模转换器D/A，用于将模拟信号转换为数字信号；

第一滤波器，用于滤除噪声；

功率放大器，用于放大发送信号；

偏置器，用于将输入信号与直流偏置进行叠加；

LED驱动电路，用于驱动LED正常工作；

LED灯，用于照明和通信；

光电探测器，用于检测收集光信号；

跨阻放大器，用于放大接收信号；

第二滤波器，用于滤除噪声；

数模转换器A/D，用于将数字信号转换为模拟信号；

解调器，用于信号的解调。

一种基于可见光点对点通信系统的能效分析方法，具体包含如下步骤；

步骤1，分析发送端及接收端各个模块的电功率损耗；

步骤2，基于光度学分析发送光功率及光信道增益；

步骤3，获取用户可达速率的闭式表达式以及能效的闭式表达式。

作为本发明可见光点对点通信系统的能效分析方法的进一步优选方案，在步骤1中，发送端消耗的总电功率P_TE具体计算如下：

P_TE＝P_DA+P_Filter+P_PA+P_Driver+P_LED+P_TC

其中，P_DA是数模转换器功率，P_Filter是发送滤波器功率，P_PA是功率放大器功率，P_Driver是LED驱动电路功率，P_TC是发送端配置电路功率，P_LED是LED灯功率，P_LED是正向电压U与输入电流I的乘积，即P_LED＝UI；

作为本发明可见光点对点通信系统的能效分析方法的进一步优选方案，在步骤1中，接收端消耗的电功率P_RE具体计算如下：

P_RE＝P_RC+P_PD+P_TIA+P_Filter+P_AD

其中，P_RC为接收端外接电路的功率，即P_RC＝I² _PDR_r，I_PD为光电探测器接收到的光信号转化的电流信号R_r为外接电路总的电阻，P_PD为光电探测器功率，P_TIA为跨阻放大器功率，P_Filter为滤波器的功率。

作为本发明可见光点对点通信系统的能效分析方法的进一步优选方案，所述步骤2具体包含如下步骤：

步骤2.1，设置可见光波长的最小值λ_min和最大值λ_max，其中，λ_min＝380nm，λ_max＝780nm，

步骤2.2：通过绝对功率谱分布函数积分得到LED灯的光功率P_TO，即

其中，为相对光功率谱分布函数，k是比例系数，k的具体表达式为

式中，Φ为LED灯的光通量，且Φ≈354.286I+27，K_m是最大光谱光视效能，且K_m＝683lm/W，为标准的明视见函数；

步骤2.3：建立直射路径光信道增益服从广义朗伯体照射信道模型：

其中，H为信道增益，m为光源的辐射阶数，且，m＝-ln2/ln(cosθ_1/2)，其中θ_1/2为半功率角，φ为发射角，A_r为光电探测器的接收面积，为入射角，d为LED灯与接收端的距离，Ψ_c为接收视角，为光滤波器的增益，为聚光器增益；

步骤2.4：根据步骤2.1和步骤2.3计算接收光功率P_RO，具体计算如下：

P_RO＝HP_TO

步骤2.5：通过光电探测器将接收到的光信号转化为电流信号，则

I_PD＝R_PD(λ)P_RO

式中，I_PD为光电探测器接收到光信号后输出的电流信号，R_PD(λ)为光电探测器PD关于波长λ的灵敏度函数。

作为本发明可见光点对点通信系统的能效分析方法的进一步优选方案，所述步骤3具体包含如下步骤：

步骤3.1，假设输入信号x均值为零，方差为ε，直流偏置为A，接收端输出信号为y，且

式中，A_PA为功率放大器增益,A_PA＝(ξε)^-1ηP_PA，η和ξ分别为漏极效率和峰均比,A_TIA为跨阻放大器增益,z为接收的噪声；

步骤3.2，求解方程组

其中，

α,β,γ为满足该方程组的一组参数，π为圆周率，e^(·)为指数函数，erf(·)为误差函数；

得到满足条件的ABG分布的概率密度函数

步骤3.3，根据步骤2得到的ABG概率密度函数，产生对应的未加入直流偏置的发射信

号X

步骤3.4，加入直流偏置A，产生用以LED发射的信号，即计算X^LED＝X+A

步骤3.5，求解信道容量的上界与下界具体计算如下：

式中，σ²为噪声功率；

步骤3.6，根据信道容量的下界，可见光点对点通信系统的用户可达速率表达式为：

式中，μ＝ηA_TIA/(ξε)；

步骤3.7，计算可见光点对点通信系统的能效函数为：

式中，P_c＝P_TE+P_RE-P_PA，P＝μP_PA。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明计算了点对点可见光通信系统发送端与接收端各个模块的功率损耗以及光功率，与其他技术相比，功率损耗计算的更完整；

2、本发明计算了点对点可见光通信系统用户的可达速率表达式。与传统射频无线通信不同，可见光通信的输入是幅度受限的，因此经典的香农公式并不适用于可见光通信网络。与其他基于香农公式的可达速率表达式相比，本发明的表达式更准确；

3、本发明介绍了影响系统能效的参数并分析了能效随着各个参数的变化而变化的情况，基于此本发明的能效分析更具代表性，更准确。

附图说明

图1是点对点可见光通信功耗链路图；

图2是可见光通信信道模型图；

图3是信道增益随距离和入射角变化的仿真结果；

图4是能效随距离和入射角变化的仿真结果；

图5是能效随功率放大器功耗变化的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明首先对链路每个模块(器件)的功耗进行建模，分析计算各个模块之间的信号关系，结合用户可达速率闭式表达式，获得可见光通信点对点信道的能效。结合附图进行详细分析。

图1表示点对点可见光通信功耗链路模型图，包括发送端和接收端两部分。其中发送端包括调制器、数模转换器、滤波器、功率放大器、偏置器、LED驱动电路和LED灯；接收端包括光电探测器、跨阻放大器、模数转换器和解调器。链路模型发送端具体分析步骤如下：

步骤1：根据图1，设置发送端各个模块的参数。

数模转换器功率：P_DA；

发送滤波器功率：P_Filter；

功率放大器功率：P_PA；

LED驱动电路功率：P_Driver；P_LED是

LED灯功率：P_LED＝UI，是正向电压U与输入电流I的乘积；

发送端配置电路功率：P_TC；P_LED。

则，发送端消耗的总电功率P_TE可以表示为

P_TE＝P_DA+P_Filter+P_PA+P_Driver+P_LED+P_TC

步骤2：设置系统光功率的参数。

LED灯的光通量：Φ≈354.286I+27，I为输入电流；

最大光谱光视效能：K_m＝683lm/W；

标准的明视见函数：

则，比例系数k表示为：

设置λ_min和λ_max分别为可见光波长的最小值(380nm)和最大值(780nm)， 为相对光功率谱分布函数(LED数据手册的重要参数)。

LED灯的光功率P_TO可以通过绝对功率谱分布函数积分得到，光功率可表示为：

图2表示可见光通信信道模型，对信道进行建模分析。分析步骤如下：

步骤1：根据设计要求设置系统相关参数和约束。

光源的辐射阶数m：m＝-ln2/ln(cosθ_1/2)；

半功率角：θ_1/2；

发射角：φ；

光电探测器的接收面积：A；

入射角：

LED灯与接收端的距离：d；

接收视角：Ψ_c；

光滤波器的增益：

聚光器增益：

步骤2：直射路径光信道增益服从广义朗伯体照射(Generalized Lambertianradiant model)信道模型可表示为：

建立直射路径光信道增益服从广义朗伯体照射信道模型：

其中，H为信道增益，m为光源的辐射阶数，且，m＝-ln2/ln(cosθ_1/2)，其中θ_1/2为半功率角，φ为发射角，A_r为光电探测器的接收面积，为入射角，d为LED灯与接收端的距离，Ψ_c为接收视角，为光滤波器的增益，为聚光器增益；

结合发送端与信道增益分析接收端的能耗。步骤如下：

步骤1：求解接收光功率，可表示为：

P_RO＝HP_TO

步骤2：求解光电探测器将接收到的光信号转化为电流信号，

I_PD＝R_PD(λ)P_RO

式中，R_PD(λ)为光电探测器PD关于波长λ的灵敏度函数。

步骤3：设置接收端各个模块的参数。

接收端外接电路的功率：P_RC＝I² _PDR_r；

光电探测器接收到的光信号转化的电流信号：I_PD；

外接电路总的电阻：R_r；

光电探测器功率：P_PD；

跨阻放大器功率：P_TIA；

滤波器的功率：P_Filter。

求解接收端电功率P_RE为：

P_RE＝P_RC+P_PD+P_TIA+P_Filter+P_AD

综合上述，对系统的能效进行分析。

步骤1：根据设计要求设置系统相关参数和约束。

输入信号X：-A≤X≤A；

均值：

均方值：

直流偏置：A；

步骤2：求解方程组

得到满足条件的ABG分布的概率密度函数

步骤3：由步骤2得到发射信号X，加入直流偏置A，得到用以LED发射的信号，即计算

X^LED＝X+A

步骤4：求解信道容量的下界即计算

步骤5：由步骤4，可得可见光点对点通信系统的用户可达速率表达式为：

式中，μ＝ηA_TIA/(ξε)，η和ξ分别为漏极效率和峰均比,A_TIA为跨阻放大器增益。

步骤6：结合收发端的电功率损耗与用户可达速率，可求的可见光点对点通信系统的能效函数为：

式中，P_c＝P_TE+P_RE-P_PA，P＝μP_PA。

由上述能效函数可知，可见光点对点通信系统的能效并不是功率P的单调递增函数，而是先增加，达到最大值，然后减小。因此，可以利用该特征进行基于最优能效功率分配，实现高能效通信。

为了验证我们的理论分析，对信道及能效进行了仿真分析。我们假设信道基本参数如表1，图3表示了信道增益H随距离d以及入射角的变化特性曲线。固定入射角信道增益H随距离d的增大而减小。固定距离d时，信道增益H随入射角的增大而减小，当入射角为90°时，信道增益为零。

图4表示了点对点可见光通信系统的能效随距离的增大而减小，当固定距离d时，能效随入射角增大而减小。图5表示当功率放大器的功率增加时，系统能效先增大后减小；当功放功率约为0.3时，系统能效最优。证实以上仿真曲线与理论分析结论一致。表1点对点可见光通信系统基本参数。

表1

Claims (6)

1.一种可见光点对点通信系统，其特征在于：包含发送端和与其连接的接收端，所述发送端包含调制器、数模转换器D/A、第一滤波器、功率放大器、偏置器、LED驱动电路和LED灯，所述调制器、数模转换器D/A、第一滤波器、功率放大器、偏置器和LED灯依次连接，LED驱动电路和偏置器连接；所述所述接收端包含依次连接的光电探测器、跨阻放大器、第二滤波器、数模转换器A/D和解调器；

其中，调制器，用于调制信号；

数模转换器D/A，用于将模拟信号转换为数字信号；

第一滤波器，用于滤除噪声；

功率放大器，用于放大发送信号；

偏置器，用于将输入信号与直流偏置进行叠加；

LED驱动电路，用于驱动LED正常工作；

LED灯，用于照明和通信；

光电探测器，用于检测收集光信号；

跨阻放大器，用于放大接收信号；

第二滤波器，用于滤除噪声；

数模转换器A/D，用于将数字信号转换为模拟信号；

解调器，用于信号的解调。

2.一种基于权利要求1所述的可见光点对点通信系统的能效分析方法，其特征在于：具体包含如下步骤；

步骤1，分析发送端及接收端各个模块的电功率损耗；

步骤2，基于光度学分析发送光功率及光信道增益；

步骤3，获取用户可达速率的闭式表达式以及能效的闭式表达式。

3.根据权利要求2所述的可见光点对点通信系统的能效分析方法，其特征在于：在步骤1中，发送端消耗的总电功率P_TE具体计算如下：

P_TE＝P_DA+P_Filter+P_PA+P_Driver+P_LED+P_TC

其中，P_DA是数模转换器功率，P_Filter是发送滤波器功率，P_PA是功率放大器功率，P_Driver是LED驱动电路功率，P_TC是发送端配置电路功率，P_LED是LED灯功率，P_LED是正向电压U与输入电流I的乘积，即P_LED＝UI。

4.根据权利要求2所述的可见光点对点通信系统的能效分析方法，其特征在于：在步骤1中，接收端消耗的电功率P_RE具体计算如下：

P_RE＝P_RC+P_PD+P_TIA+P_Filter+P_AD

其中，P_RC为接收端外接电路的功率，即P_RC＝I² _PDR_r，I_PD为光电探测器接收到的光信号转化的电流信号R_r为外接电路总的电阻，P_PD为光电探测器功率，P_TIA为跨阻放大器功率，P_Filter为滤波器的功率。

5.根据权利要求2所述的可见光点对点通信系统的能效分析方法，其特征在于：所述步骤2具体包含如下步骤：

步骤2.1，设置可见光波长的最小值λ_min和最大值λ_max，其中，λ_min＝380nm，λ_max＝780nm，

步骤2.2：通过绝对功率谱分布函数积分得到LED灯的光功率P_TO，即

其中，为相对光功率谱分布函数，k是比例系数，k的具体表达式为

式中，Φ为LED灯的光通量，且Φ≈354.286I+27，K_m是最大光谱光视效能，且K_m＝683lm/W，为标准的明视见函数；

步骤2.3：建立直射路径光信道增益服从广义朗伯体照射信道模型：

其中，H为信道增益，m为光源的辐射阶数，且，m＝-ln2/ln(cosθ_1/2)，其中θ_1/2为半功率角，为发射角，A_r为光电探测器的接收面积，为入射角，d为LED灯与接收端的距离，Ψ_c为接收视角，为光滤波器的增益，为聚光器增益；

步骤2.4：根据步骤2.1和步骤2.3计算接收光功率P_RO，具体计算如下：

P_RO＝HP_TO

步骤2.5：通过光电探测器将接收到的光信号转化为电流信号，则

I_PD＝R_PD(λ)P_RO

式中，I_PD为光电探测器接收到光信号后输出的电流信号，R_PD(λ)为光电探测器PD关于波长λ的灵敏度函数。

6.根据权利要求4所述的可见光点对点通信系统的能效分析方法，其特征在于：所述步骤3具体包含如下步骤：

步骤3.1，假设输入信号x均值为零，方差为ε，直流偏置为A，接收端输出信号为y，且

式中，A_PA为功率放大器增益,A_PA＝(ξε)^-1ηP_PA，η和ξ分别为漏极效率和峰均比,A_TIA为跨阻放大器增益,z为接收的噪声；

步骤3.2，求解方程组

其中，

α,β,γ为满足该方程组的一组参数，π为圆周率，e^(·)为指数函数，erf(·)为误差函数；

得到满足条件的ABG分布的概率密度函数

步骤3.3，根据步骤2得到的ABG概率密度函数，产生对应的未加入直流偏置的发射信号X

步骤3.4，加入直流偏置A，产生用以LED发射的信号，即计算X^LED＝X+A

步骤3.5，求解信道容量的上界与下界具体计算如下：

式中，σ²为噪声功率；

步骤3.6，根据信道容量的下界，可见光点对点通信系统的用户可达速率表达式为：

式中，μ＝ηA_TIA/(ξε)；

步骤3.7，计算可见光点对点通信系统的能效函数为：

式中，P_c＝P_TE+P_RE-P_PA，P＝μP_PA。