文獻標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2014)07-0096-03
LED較傳統(tǒng)白熾燈具有較高的發(fā)光效率和較寬的調(diào)制帶寬,,近年來,使用白光LED作為發(fā)送光源的可見光通信VLC(Visible Light Communication)得到了迅猛發(fā)展,,并引起了人們的廣泛關(guān)注[1],。然而目前VLC系統(tǒng)普遍采用的強度調(diào)制/直接檢測IM/DD(Intensity Modulation/Direct Detection)方式直接導(dǎo)致了光信道相關(guān)性較強[2]。
成像MIMO是實現(xiàn)高速,、遠距離可見光通信的新型方式,,它能有效地解決光MIMO系統(tǒng)中信道相關(guān)性較大的問題。但是目前針對成像MIMO的研究還相對較少,,針對傳統(tǒng)MIMO通信的技術(shù)成果[3-4]都并不能直接應(yīng)用于成像MIMO通信中,。參考文獻[5]建立了基于像素的成像系統(tǒng),并提出了一種全新的調(diào)制方式——空間離散多音調(diào)制SDMT(Spatial Discrete Multi-Tone),,進一步提高了頻帶利用率,。參考文獻[6]分析了單信源情況下成像系統(tǒng)的信噪比和距離、接收端像素點數(shù)的關(guān)系,,對一定距離范圍內(nèi)的接收像素點數(shù)進行了優(yōu)化,。參考文獻[7-8]分析了成像MIMO的信道容量,,但是兩文獻中都沒有考慮空間碼間串?dāng)_SISI(Spatial Inter-Symbol Interference)對信道容量的影響。
SISI是由不完美對焦,、鏡頭抖動或光源布局不合理造成的,,它會影響系統(tǒng)的通信效率。為了分析SISI對成像MIMO系統(tǒng)信道容量的影響,,本文以信道容量為優(yōu)化指標(biāo)對多光源情況下的接收單元尺寸進行優(yōu)化,。首先建立了基于LED陣列的成像MIMO通信模型,并對信道和噪聲進行建模,,然后根據(jù)接收情況分析了在考慮SISI情況下成像MIMO的復(fù)用和分集特性,,最后通過數(shù)值計算得到了能使信道容量達到最佳的接收單元尺寸。
1 系統(tǒng)模型
考慮如圖1所示的成像MIMO通信模型,,初始電信號對LED陣列進行調(diào)制,,成像透鏡將LED陣列投影到PD陣列或CCD(Charge Coupled Device)上,每個PD或像素稱為一個接收單元,,接收端則采用直接合并的方式恢復(fù)出原始電信號,。
由于接收端的尺寸通常較小,所以LED到每個接收單元的距離,、發(fā)光角和入射角的差異可以忽略不計,。假設(shè)發(fā)送端有K個LED,則由朗伯輻射模型可得第k個LED到接收端的直流增益為[9]:
成像過程中的模糊會降低成像質(zhì)量,影響通信效率,。成像模糊可以建模為高斯函數(shù),,接收的模糊圖像是理想圖像和高斯函數(shù)的二維卷積,因此光斑半徑可以近似為其中,,f為透鏡的焦距,,l為LED的直徑(將LED看作圓形發(fā)光源),d是發(fā)送端和接收端之間的距離,,σblur則是高斯模糊的標(biāo)準(zhǔn)差,,通常由測量得到,這里假定d>>f [10],。
2 信道容量
信道容量是表征信道通信能力的一個重要指標(biāo),,決定了信息傳輸?shù)淖畲笏俾省1竟?jié)對成像MIMO信道的復(fù)用和分集特性進行分析,。
3 數(shù)值計算結(jié)果分析
假設(shè)接收端尺寸為1 cm×1 cm,,接收端由PD陣列組成,數(shù)值計算參數(shù)設(shè)置如表1所示,,由此計算得到最佳的接收單元個數(shù)為44×44,。由式(7)、式(8)可以得到成像MIMO的信噪比和信道容量隨距離變化趨勢分別如圖3、圖4所示,。
圖3是信噪比隨距離變化的曲線,圖中只標(biāo)注了接收單元為60×60時的d2和d3,。從圖中可以看出,,接收單元為60×60時,在距離d<d2=13.2 m時,通信系統(tǒng)工作在復(fù)用模式下,,由于系統(tǒng)不受SISI的影響,,只有散粒噪聲,此時信噪比緩慢下降,。而由于SISI的功率遠大于散粒噪聲的功率,故當(dāng)d>d2=13.2 m時,,信噪比迅速降低。而當(dāng)d>d3=25.2 m時,,通信系統(tǒng)進入分集模式,,分集增益又使信噪比迅速上升,此時像素點越多,,每個像素的面積越小,,散粒噪聲越小,信噪比越高,。接收單元為10×10,、30×30和44×44時,由于d3≤d2,,即在復(fù)用模式下沒有SISI的影響,,故信噪比沒有迅速降低的過程。另外,,接收單元數(shù)量越多,,復(fù)用模式工作的距離越長,每個接收單元的面積越小,,散粒噪聲也越小,,分集模式下的信噪比也越大。
圖4中信道容量的變化與圖3中信噪比變化相互對應(yīng),,接收單元為10×10,、30×30和44×44時,系統(tǒng)不受SISI的影響,,直接從復(fù)用模式切換到分集模式,。當(dāng)接收單元為60×60時,SISI的影響會使復(fù)用模式下的信道容量迅速降低,,隨后進入分集模式,,從圖4中還可以看出系統(tǒng)工作在分集模式時,在沒有SISI影響,像素點越多,,信噪比越大,,信道容量也越大。
本文對成像MIMO通信系統(tǒng)的容量進行了分析,。首先給出了成像MIMO通信模型,,分析了SISI對成像MIMO信道容量的影響,并給出了發(fā)送端為100個LED的信道容量數(shù)值計算結(jié)果,。由于受到高斯模糊的影響,,從理論推導(dǎo)和仿真數(shù)據(jù)可以看出:SISI會嚴(yán)重影響成像MIMO的信道容量,使信道容量迅速下降,。為了避免SISI的影響,,使信道容量達到最佳,對接收單元尺寸進行了優(yōu)化,。但是,,本文只對文章中提到的發(fā)送模式下的信道容量進行了分析,下一步還需要針對SISI合理設(shè)計發(fā)送模式,,進一步減小SISI對信道容量的影響,,增加通信距離。
參考文獻
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