本發(fā)明涉及室內(nèi)可見(jiàn)光通信多徑信道建模，尤其是涉及室內(nèi)單光源時(shí)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的多徑信道建模。

背景技術(shù)：

移動(dòng)通信自20世紀(jì)80年代初誕生以來(lái)，大約每10年就經(jīng)歷標(biāo)志性的一代技術(shù)革新，到目前已普遍投入商用第四代移動(dòng)通信。但是隨著各種行業(yè)和移動(dòng)通信的融合，特別是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為移動(dòng)通信技術(shù)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，到2020年的下一代(thefifthgeneration，5g)無(wú)線(xiàn)通信，通信速率(峰值速率)將增大10倍，全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將達(dá)到2010年的500-1000倍。通常提高通信系統(tǒng)容量的方法有：增加可用帶寬、提高無(wú)線(xiàn)傳輸鏈路的頻譜效率和增加小區(qū)密度等。根據(jù)國(guó)際電聯(lián)2015年世界無(wú)線(xiàn)電通信大會(huì)(wrc-15)的研究，頻率在6ghz以下的可用頻譜資源已非常稀缺，而更高頻率的頻譜資源較為豐富，能有效緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀，因此對(duì)于6ghz以上頻段頻譜的開(kāi)發(fā)和利用成為了未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。

可見(jiàn)光通信(visiblelightcommunication，vlc)是利用可見(jiàn)光(波長(zhǎng)從380納米到780納米)作為信息載體，在自由空間中直接傳輸光信號(hào)的通信方式。通過(guò)給普通的發(fā)光二極管(lightemittingdiode，led)加裝微芯片，led可發(fā)出肉眼感覺(jué)不到的高速明暗閃爍的光信號(hào)來(lái)傳輸信息。led具有節(jié)能、環(huán)保、體積小和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種顯示、裝飾、普通照明和城市夜景等領(lǐng)域。據(jù)《2015-2020年中國(guó)led照明產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》分析，led照明市場(chǎng)一直被認(rèn)為是led最重要、最具發(fā)展前景的應(yīng)用。受“十城萬(wàn)盞”政策的推動(dòng)，我國(guó)led路燈市場(chǎng)將保持持續(xù)增長(zhǎng)，至2013年占到全球市場(chǎng)規(guī)模的五成左右，成為全球最重要的led路燈市場(chǎng)之一。據(jù)歐洲照明協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，到2020年led將占到照明市場(chǎng)的60％。

與傳統(tǒng)射頻(radiofrequency，rf)通信相比，vlc具有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如：白光led響應(yīng)時(shí)間短、具備高速調(diào)制特性，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)照明和通信的雙重作用；提供可自由使用的超過(guò)400thz的通信帶寬；led發(fā)射的是與自然光相似的非相干可見(jiàn)光，可保持較高的發(fā)射功率而不會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生影響；vlc基于照明基礎(chǔ)設(shè)施，有l(wèi)ed照明的地方即可實(shí)現(xiàn)通信，具有良好的范在屬性，vlc還可潛在與電力線(xiàn)載波相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)施的深度利用；通常vlc限制在室內(nèi)，具有良好的保密性，在臨近房間還可以實(shí)現(xiàn)同頻復(fù)用。另外，vlc無(wú)電磁輻射，可應(yīng)用在對(duì)電磁干擾敏感的區(qū)域，如醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)等。應(yīng)該注意到，作為一種全新的無(wú)線(xiàn)光通信技術(shù)，vlc并不是要取代rf，而是對(duì)現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的一種有益的補(bǔ)充。

由于led是非相干光源，vlc一般采用強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(intensitymodulationanddirectdirection，im/dd)技術(shù)，因此只有光信號(hào)的強(qiáng)度包含信息。由于pd的尺寸通常比可見(jiàn)光波長(zhǎng)大上千倍，在接收端的光信號(hào)就形成了類(lèi)似空間分集的效果，因此不存在多徑衰落現(xiàn)象。另外，干擾對(duì)每條光信號(hào)的影響在接收端相當(dāng)于被求了空間平均，所以vlc信道可以看作是時(shí)間穩(wěn)定的、隨著pd位置變化而緩慢變化的信道。在im/dd系統(tǒng)中，定義接收光功率和發(fā)光功率之比為信道增益，那么區(qū)別于rf系統(tǒng)信道的復(fù)數(shù)增益，vlc光無(wú)線(xiàn)信道的信道增益是正實(shí)數(shù)。室內(nèi)vlc系統(tǒng)常被作為線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng)處理，其完全可以通過(guò)自身的沖擊響應(yīng)來(lái)表征。

光信號(hào)通常經(jīng)過(guò)兩種傳輸模式入射到光電檢測(cè)器(pd)，一種是發(fā)射光直接入射到pd的視距傳播，另一種是經(jīng)過(guò)墻壁、家具等室內(nèi)反射體的反射光線(xiàn)。光信號(hào)經(jīng)過(guò)不同路徑到達(dá)pd時(shí)必然存在光程差，從而引起多徑效應(yīng)，當(dāng)符號(hào)速率較大時(shí)，多徑效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響不可忽視。另外，大氣隨機(jī)信道引起的光色散效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光脈沖在時(shí)間上延伸展寬。以上因素都可能造成符號(hào)間干擾。為了準(zhǔn)確分析多徑效應(yīng)對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響，必須要建立多徑信道模型。但是目前公認(rèn)的室內(nèi)可見(jiàn)光通信信道模型的建立處于探索階段，已有研究主要是利用室內(nèi)紅外光(infrared，ir)通信系統(tǒng)信道模型。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種室內(nèi)紅外光無(wú)線(xiàn)信道建模的方法，主要包括：

文獻(xiàn)[1](gfellerf.r.,bapstu..wirelessin-housedatacommunicationviadiffuseinfraredradiation[j].proceedingofieee,1979,67(11):1474-1486)在室內(nèi)采用紅外光源，設(shè)計(jì)了一種無(wú)線(xiàn)廣播系統(tǒng)，研究了光漫射信道的信道模型。

文獻(xiàn)[2](barryjr,kahnjm,krausewj,etal.simulationofmultipathimpulseresponseforindoorwirelessopticalchannels[j].ieeejournalonselectedareasincommunications,1993,11(3):367-379)在考慮朗伯(lambertian)反射時(shí)，提出了通過(guò)迭代法計(jì)算任意房間中自由空間光信道的沖激響應(yīng)，該方法可以計(jì)算多次反射，并能夠準(zhǔn)確分析多徑對(duì)光無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的影響。

文獻(xiàn)[3](perez-jimenezr,bergesj,betancormj.statisticalmodelfortheimpulseresponseoninfraredindoordiffusechannels[j].electronicsletters,1997,33(15):1298-1300)考慮漫射紅外無(wú)線(xiàn)信道，通過(guò)估計(jì)時(shí)延擴(kuò)展均方根(rmsspreaddelay)和平均超量時(shí)延(meanexcessdelay)參數(shù)，建立了一種統(tǒng)計(jì)信道模型。

文獻(xiàn)[4](lopez-hermandezfj,betancormj.dustin:algorithmforcalculationofimpulseresponseonirwirelessindoorchannels[j].electronicsletters,1997,33(21):1804-1806)提出了一種復(fù)雜度較低的信道建模方法，該方法不是按照房間內(nèi)墻面反射單元的反射次數(shù)進(jìn)行的，而是按照光在反射單元之間傳輸需要的時(shí)間進(jìn)行的，用矩陣存儲(chǔ)反射單元之間功率貢獻(xiàn)，最后計(jì)算每一個(gè)單元的接收功率。

文獻(xiàn)[5](kahnjm,barryjr.wirelessinfraredcommunications[j].proceedingsoftheieee,1997,85(2):265-298)用直流增益表示紅外信道的頻率響應(yīng)，給出了視線(xiàn)傳播(los)、定向無(wú)los和漫射無(wú)los時(shí)的信道直流增益計(jì)算方法。

文獻(xiàn)[6](lopez-hernandezf,perez-jimenezr,santamariaa.montecarlocalculationofimpulseresponseondiffuseirwirelessindoorchannels[j].electronicsletters,1998,34(12):1260-1262)考慮室內(nèi)墻面反射時(shí)的漫射無(wú)線(xiàn)信道，隨機(jī)產(chǎn)生信源光信號(hào)，用蒙特卡洛仿真方法計(jì)算信道沖激響應(yīng)，方法中信源或反射單元可以服從lambertian反射，也可服從其他非lambertian反射。

文獻(xiàn)[7](carruthersjb,kahnjm.modelingofnondirectedwirelessinfraredchannels[j].ieeetransactionsoncommunications,1997,45(10):1260-1268)中，由于基帶調(diào)制(ook，ppm)的發(fā)射功率需要和光信號(hào)的延遲擴(kuò)展均方根(rms)相關(guān)，im/dd系統(tǒng)漫射信道可以由路徑損耗和延遲擴(kuò)展因子描述，基于此提出了ceiling-bounce信道模型。

文獻(xiàn)[8](lofj,per.ray-tracingalgorithmsforfastcalculationofthechannelimpulseresponseondiffuseirwirelessindoorchannels[j].opticalengineering,2000,39(10):2775-2780)在蒙特卡洛算法的基礎(chǔ)上提出了光線(xiàn)追跡法，通過(guò)計(jì)算每一條射線(xiàn)經(jīng)過(guò)多次反射后對(duì)信道脈沖響應(yīng)的貢獻(xiàn)來(lái)計(jì)算信道脈沖響應(yīng)。

文獻(xiàn)[9](kominet,nakagawam.fundamentalanalysisforvisible-lightcommunicationsystemusingledlights[j].ieeetransactionsonconsumerelectronics,2004,50(1):100-107)給出了vlc中l(wèi)os信道和反射信道的直流增益計(jì)算方法，在接收端將延時(shí)大于系統(tǒng)發(fā)射符號(hào)周期的所有光信號(hào)都看作符號(hào)間干擾信號(hào)，小于符號(hào)周期的光信號(hào)作為有用的信號(hào)，將符號(hào)間干擾信號(hào)看作高斯噪聲，分析了信噪比在室內(nèi)的分布情況。

文獻(xiàn)[10](丁舉鵬.可見(jiàn)光通信室內(nèi)信道建模及性能優(yōu)化[d].北京:北京郵電大學(xué),2013)，針對(duì)室內(nèi)vlc提出了獨(dú)立反映元素交互表征建模方法，該方法不僅可以計(jì)算信道沖激響應(yīng)而且還可以計(jì)算亮度分布特性。

文獻(xiàn)[11](譚家杰.室內(nèi)led可見(jiàn)光mimo通信研究[d].華中科技大學(xué),2011)采用光線(xiàn)追跡法計(jì)算信道沖激響應(yīng)，在室內(nèi)mimo中仿真了各次反射的信道沖激響應(yīng)以及頻率響應(yīng)。

文獻(xiàn)[12](喻曉.mimo-vlc通信系統(tǒng)多徑信道特性研究[d].華東理工大學(xué),2014)對(duì)室內(nèi)vlc-mimo中每對(duì)led和pd之間的時(shí)域沖激響應(yīng)進(jìn)行了分析。

專(zhuān)利[13](賈科軍.室內(nèi)可見(jiàn)光mimo通信系統(tǒng)多徑衰落信道建模方法[p]，2016，申請(qǐng)公布號(hào)：cn105939177a)，考慮存在時(shí)域彌散時(shí)，在mimo系統(tǒng)中提出了一種多徑信道建模方法。

綜合分析已有可見(jiàn)光通信信道建模研究成果，其存在以下問(wèn)題：

(1)參考文獻(xiàn)[1-10]都是針對(duì)單發(fā)單收的通信系統(tǒng)，計(jì)算收發(fā)之間的時(shí)域沖激響應(yīng)，但是都沒(méi)有研究多徑信道建模的問(wèn)題；

(2)參考文獻(xiàn)[11-13]研究vlc-mimo通信系統(tǒng)信道的時(shí)域沖激響應(yīng)，其中文獻(xiàn)[13]研究系統(tǒng)存在時(shí)域彌散時(shí)的vlc-mimo多徑信道建模問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是建立一種考慮led調(diào)制符號(hào)周期和實(shí)際光電檢測(cè)器視場(chǎng)角較小時(shí)的，適用于室內(nèi)單光源可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的多徑信道建模方法。

本發(fā)明是室內(nèi)單光源可見(jiàn)光通信系統(tǒng)多徑信道建模方法，其步驟為：

步驟1：給定典型房間，在房間的三維方向建立坐標(biāo)系，將室內(nèi)反射墻面劃分為矩形的微反射單元，給定led和光電檢測(cè)器(pd)的位置和特性參數(shù)；

步驟2：led滿(mǎn)足朗伯輻射，計(jì)算led和pd之間的視線(xiàn)傳播(los)時(shí)域沖激響應(yīng)；

步驟3：將微反射單元視為滿(mǎn)足朗伯輻射的反射體，采用迭代法計(jì)算光信號(hào)經(jīng)過(guò)任意多次反射后到達(dá)pd的反射路徑時(shí)域沖激響應(yīng)；

步驟4：將所有時(shí)域沖激響應(yīng)按照時(shí)間延遲從小到大的順序排序，將時(shí)延相同的沖激響應(yīng)求和；

步驟5：當(dāng)pd能接收到los光信號(hào)時(shí)，以los光信號(hào)時(shí)延作為多徑信道建模時(shí)間起點(diǎn)，當(dāng)pd不能接收到los光信號(hào)時(shí)，以pd到led的直線(xiàn)距離除以光速作為建模起點(diǎn)；

步驟6：根據(jù)led的調(diào)制帶寬，由奈奎斯特定理，得到led調(diào)制符號(hào)的最小周期，并定義碼間干擾；

步驟7：以發(fā)生碼間干擾的信號(hào)延遲時(shí)間作為接收端符號(hào)抽樣周期，從建模時(shí)間起點(diǎn)開(kāi)始，將各抽樣周期之間的時(shí)域沖激響應(yīng)之和作為多徑信道各路徑增益；

步驟8：相對(duì)于建模時(shí)間起點(diǎn)，將最后到達(dá)接收器的光信號(hào)的時(shí)間延遲除以接收端符號(hào)抽樣周期得到的商值向上取整，得到多徑信道路徑總數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果包括：

(1)解決pd視場(chǎng)角較小時(shí)的多徑信道建模同步問(wèn)題：

實(shí)際光電檢測(cè)器的視場(chǎng)角較小，當(dāng)用戶(hù)在室內(nèi)自由移動(dòng)時(shí)，在某些區(qū)域可能接收不到los信號(hào)，檢測(cè)器只能收到反射信號(hào)。由于反射信號(hào)的隨機(jī)性和微弱性，信道建模的時(shí)間起點(diǎn)不易確定，現(xiàn)有文獻(xiàn)都沒(méi)有考慮信道建模的同步問(wèn)題。

當(dāng)能收到los信號(hào)時(shí)，由于los信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于反射信號(hào)，因此信道建模的時(shí)間起點(diǎn)從los信號(hào)的時(shí)延開(kāi)始。而當(dāng)檢測(cè)器不能收到los信號(hào)時(shí)，本發(fā)明提出以pd和led之間的直線(xiàn)距離除以光速作為建模起點(diǎn)?？傊詌ed和pd之間的直線(xiàn)距離除以光速作為建模起點(diǎn)，這樣就解決了信道建模的同步問(wèn)題。

(2)將發(fā)送端調(diào)制符號(hào)周期和信道建模相結(jié)合：

多徑效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響和發(fā)送符號(hào)的周期有關(guān)，發(fā)送符號(hào)的周期又受到led調(diào)制帶寬的限制。為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)多徑效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響，應(yīng)該在信道模型中考慮發(fā)送符號(hào)周期。

由led的調(diào)制帶寬，根據(jù)奈奎斯特定理推導(dǎo)出發(fā)端調(diào)制符號(hào)的最小周期，然后定義碼間干擾，以發(fā)生碼間干擾的信號(hào)延遲時(shí)間作為接收端符號(hào)抽樣周期，最后計(jì)算多徑信道路徑增益，得到多徑信道模型。這樣就能將發(fā)送符號(hào)周期和多徑信道模型相結(jié)合。

(3)給出了多徑信道模型的路徑數(shù)和路徑增益的計(jì)算方法：

路徑數(shù)和各路徑增益是多徑信道模型的基本參數(shù)。區(qū)別于rf通信，可見(jiàn)光通信中發(fā)送的光功率和傳輸信號(hào)的均值成正比，而不是和信號(hào)的平方成正比。本發(fā)明將led和pd之間的時(shí)域沖激響應(yīng)按照時(shí)間延遲從小到大的順序排序，將時(shí)延相同的沖激響應(yīng)求和。從信道建模時(shí)間起點(diǎn)開(kāi)始，將各抽樣間隔之間的沖激響應(yīng)求和，并作為一路信號(hào)，這樣得到了各路徑增益。

相對(duì)于建模時(shí)間起點(diǎn)，將最后到達(dá)檢測(cè)器的光信號(hào)的時(shí)間延遲除以抽樣周期的商值向上取整就得到了多徑信道路徑總數(shù)。

附圖說(shuō)明

圖1是室內(nèi)單光源可見(jiàn)光信系統(tǒng)模型；圖2是多徑信道建模原理圖；圖3是當(dāng)fov為80°，pd位于室內(nèi)(3，3，0.85)位置時(shí)多徑信道模型；圖4是當(dāng)fov為80°，pd位于室內(nèi)(1.5，1.5，0.85)位置時(shí)多徑信道模型；圖5是當(dāng)fov為80°，pd位于室內(nèi)(0.5，0.5，0.85)位置時(shí)多徑信道模型；圖6是當(dāng)fov為80°，pd位于室內(nèi)(1.5，0.5，0.85)位置時(shí)多徑信道模型；圖7是當(dāng)fov為45°，pd位于室內(nèi)(3，3，0.85)位置時(shí)多徑信道模型；圖8是當(dāng)fov為45°，pd位于室內(nèi)(1.5，1.5，0.85)位置時(shí)多徑信道模型；圖9是當(dāng)fov為45°，pd位于室內(nèi)(0.5，0.5，0.85)位置時(shí)多徑信道模型；圖10是當(dāng)fov為45°，pd位于室內(nèi)(1.5，0.5，0.85)位置時(shí)多徑信道模型。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明是室內(nèi)單光源可見(jiàn)光通信系統(tǒng)多徑信道建模方法，其步驟為：

步驟1：給定典型房間，在房間的三維方向建立坐標(biāo)系，將室內(nèi)反射墻面劃分為矩形的微反射單元，給定led和光電檢測(cè)器(pd)的位置和特性參數(shù)；

步驟2：led滿(mǎn)足朗伯輻射，計(jì)算led和pd之間的視線(xiàn)傳播(los)時(shí)域沖激響應(yīng)；

步驟3：將微反射單元視為滿(mǎn)足朗伯輻射的反射體，采用迭代法計(jì)算光信號(hào)經(jīng)過(guò)任意多次反射后到達(dá)pd的反射路徑時(shí)域沖激響應(yīng)；

步驟4：將所有時(shí)域沖激響應(yīng)按照時(shí)間延遲從小到大的順序排序，將時(shí)延相同的沖激響應(yīng)求和；

步驟5：當(dāng)pd能接收到los光信號(hào)時(shí)，以los光信號(hào)時(shí)延作為多徑信道建模時(shí)間起點(diǎn)，當(dāng)pd不能接收到los光信號(hào)時(shí)，以pd到led的直線(xiàn)距離除以光速作為建模起點(diǎn)；

步驟6：根據(jù)led的調(diào)制帶寬，由奈奎斯特定理，得到led調(diào)制符號(hào)的最小周期，并定義碼間干擾；

步驟7：以發(fā)生碼間干擾的信號(hào)延遲時(shí)間作為接收端符號(hào)抽樣周期，從建模時(shí)間起點(diǎn)開(kāi)始，將各抽樣周期之間的時(shí)域沖激響應(yīng)之和作為多徑信道各路徑增益；

步驟8：相對(duì)于建模時(shí)間起點(diǎn)，將最后到達(dá)接收器的光信號(hào)的時(shí)間延遲除以接收端符號(hào)抽樣周期得到的商值向上取整，得到多徑信道路徑總數(shù)。

以上所述的室內(nèi)單光源可見(jiàn)光通信系統(tǒng)多徑信道建模方法，步驟4將所有時(shí)域沖激響應(yīng)按照時(shí)延從小到大的順序排序，將時(shí)延相同的沖激響應(yīng)求和，合并作為一路信號(hào)。

以上所述的室內(nèi)單光源可見(jiàn)光通信系統(tǒng)多徑信道建模方法，步驟5考慮檢測(cè)器能收到和不能收到los信號(hào)兩種情況，當(dāng)能收到los信號(hào)時(shí)，以其時(shí)延作為多徑信道建模時(shí)間起點(diǎn)。當(dāng)不能收到los信號(hào)時(shí)，由于反射信號(hào)的隨機(jī)性和強(qiáng)度的微弱性，故以pd和led之間的直線(xiàn)距離除以光速作為建模起點(diǎn)。因此建模起點(diǎn)為τ0＝d/c，其中d表示pd和led之間的直線(xiàn)距離，c是光速。

以上所述的室內(nèi)單光源可見(jiàn)光通信系統(tǒng)多徑信道建模方法，步驟6根據(jù)led的調(diào)制帶寬，由奈奎斯特第一定理，得到無(wú)碼間干擾時(shí)的最小碼元傳輸周期tmin＝1/2wled，實(shí)際調(diào)制led的符號(hào)周期tsym≥tmin，其中wled表示led的調(diào)制帶寬；

定義從最先到達(dá)pd的第一路光信號(hào)開(kāi)始，時(shí)間延遲大于符號(hào)周期一半的光信號(hào)將引起碼間干擾。因此接收端信道建模的抽樣周期為tsp＝tsym/2。

以上所述的室內(nèi)單光源可見(jiàn)光通信系統(tǒng)多徑信道建模方法，步驟7從建模時(shí)間起點(diǎn)開(kāi)始，將各抽樣周期之間的時(shí)域沖激響應(yīng)之和作為多徑信道各路徑增益。多徑信道模型為：

其中l(wèi)表示多徑信道路徑總數(shù)，第l路信道增益表示為：

其中h^(k)(t；s,r)是光信號(hào)經(jīng)過(guò)k次反射的沖激響應(yīng)，當(dāng)k＝0時(shí)表示los信道響應(yīng)，s和r分別表示信源led和光電檢測(cè)器pd的參數(shù)矢量。

以上所述的室內(nèi)單光源可見(jiàn)光通信系統(tǒng)多徑信道建模方法，步驟8相對(duì)于建模時(shí)間起點(diǎn)，將最后到達(dá)接收器的光信號(hào)的時(shí)間延遲除以接收端符號(hào)抽樣周期得到的商值向上取整，得到多徑信道路徑總數(shù)，表示為：

其中τmax為最后接收的光信號(hào)時(shí)間延遲，代表向上取整函數(shù)。

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步展開(kāi)本發(fā)明。本發(fā)明的具體實(shí)施過(guò)程為：

(1)在典型房間建立坐標(biāo)系，將室內(nèi)反射墻面劃分為矩形的微反射單元，給定led和光電檢測(cè)器(pd)的位置和特性參數(shù)。

室內(nèi)單光源可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的通信場(chǎng)景如圖1所示，典型的房間為立方體結(jié)構(gòu)，以房間左后下方的墻角作為坐標(biāo)原點(diǎn)o，建立三維室內(nèi)坐標(biāo)系，xoy平面和地板平面重合。

室內(nèi)屋頂安裝用于照明和通信的led，通常為了照明亮度需要，可能使用由多個(gè)led組成的一個(gè)led陣列，但是由于led之間的距離較近，因此通信時(shí)陣列可以看作一個(gè)led光源。led光源由位置矢量rs、單位方向矢量發(fā)射功率pled和輻射強(qiáng)度模式r(φ,θ)表示，其中r(φ,θ)表示與單位方向矢量夾角為(φ,θ)處的單位立體角內(nèi)輻射的光功率。當(dāng)led服從朗伯輻射模式時(shí)，r(φ,θ)(獨(dú)立于θ)表示為：

其中κ＝-ln2/ln(cosθ1/2)是表征光源輻射方向性的輻射模式指數(shù)，θ1/2表示光源半功率角，φ表示光線(xiàn)出射方向和的夾角。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，輻射功率pled＝1的led表示為：

用戶(hù)隨機(jī)分布在室內(nèi)，其中用戶(hù)ueu可由位置矢量rr,u、方向矢量面積ar和視場(chǎng)角(fov)ψfov表示為

(2)los信道沖激響應(yīng)的計(jì)算：

不經(jīng)過(guò)任何反射而直接入射到接收器的光信號(hào)稱(chēng)為los信號(hào)，用戶(hù)ueu的沖激響應(yīng)為：

其中d表示led到用戶(hù)ueu的距離，φ表示los光信號(hào)出射角，表示接收器入射光的入射角，c表示光速，δ(x)表示狄拉克函數(shù)，且有：

d＝||rs-rr,u||，(5)

其中||·||表示2范數(shù)，矩形函數(shù)定義為：

(3)反射信道沖激響應(yīng)的計(jì)算：

假設(shè)所有反射面上的反射微單元滿(mǎn)足朗伯輻射，反射微單元的輻射模式r(φ)與入射光的入射角無(wú)關(guān)。對(duì)一個(gè)反射面積為da和反射率為ρ的微反射單元上的反射模型建模分為兩步：第一步，認(rèn)為微反射單元是面積為da接收器，接收功率為dp，第二步，將微反射單元當(dāng)作功率為p＝ρdp、κ＝1的朗伯光源。

假設(shè)光信號(hào)經(jīng)過(guò)多次反射后到達(dá)用戶(hù)ueu，則信道沖激響應(yīng)表示為：

其中h^(k)(t；s,ru)表示經(jīng)過(guò)k次(k>0)反射的信道沖激響應(yīng)，

當(dāng)k＝0時(shí)表示los信道響應(yīng)，對(duì)反射面上的所有微反射單元積分，r表示微反射單元的位置矢量，是r處微反射單元的單位法向矢量，符號(hào)代表卷積運(yùn)算。

將los信道響應(yīng)帶入公式(10)可得：

實(shí)際計(jì)算時(shí)，將所有反射平面劃分為面積為△a的小反射單元，那么積分運(yùn)算數(shù)字化得到：

其中nref是反射單元的總數(shù)，ρi是第i個(gè)反射單元的反射率，d＝||r-rs||，將反射面在空間離散化而使沖激響應(yīng)在時(shí)間上也離散化，從而使分段連續(xù)的h^(k)(t)變成有限個(gè)δ(x)函數(shù)之和。特別的當(dāng)k＝1時(shí)，

其中d1表示從led到反射單元的距離，d2表示從反射單元到用戶(hù)ueu的距離，α表示入射到反射單元的光入射角，β表示反射單元的光線(xiàn)出射角。

(4)時(shí)域沖激響應(yīng)排序：

led發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)過(guò)室內(nèi)墻面發(fā)射后到達(dá)接收器，因?yàn)榉瓷淇臻g的對(duì)稱(chēng)性，可能有光信號(hào)經(jīng)過(guò)不同路徑后，同時(shí)到達(dá)接收器，將同時(shí)到達(dá)的光信號(hào)功率相加，合并為一路信號(hào)。然后將所有時(shí)域沖激響應(yīng)按照時(shí)間延遲從小到大的順序排序。

(5)確定信道建模時(shí)間起點(diǎn)：

以pd到led的直線(xiàn)距離除以光速作為建模起點(diǎn)，即有

τ0＝d/c，

其中d表示pd和led之間的直線(xiàn)距離，c是光速。

(6)定義碼間干擾：

根據(jù)led的調(diào)制帶寬，由奈奎斯特(nyquist)第一定理，得到無(wú)碼間干擾時(shí)的最小碼元傳輸周期tmin＝1/2wled，實(shí)際調(diào)制led的符號(hào)周期tsym≥tmin，其中wled表示led的調(diào)制帶寬。

定義從最先到達(dá)pd的第一路光信號(hào)開(kāi)始，時(shí)間延遲大于符號(hào)周期一半的光信號(hào)將引起碼間干擾，如圖2所示。因此接收端信道建模的抽樣周期為

(7)多徑信道路徑增益的計(jì)算：

在可見(jiàn)光通信中，發(fā)射的光功率和信號(hào)的均值成正比，而在射頻通信中信號(hào)的功率和發(fā)送信號(hào)的平方的均值成正比，因此將各抽樣周期之間的時(shí)域沖激響應(yīng)之和作為多徑信道各路徑增益。多徑信道模型為：

其中l(wèi)表示多徑信道路徑總數(shù)，第l路信道增益表示為：

其中h^(k)(t；s,r)是光信號(hào)經(jīng)過(guò)k次反射的沖激響應(yīng)，當(dāng)k＝0時(shí)表示los信道響應(yīng)，s和r分別表示信源led和光電檢測(cè)器pd的參數(shù)矢量。

(8)多徑信道路徑數(shù)的計(jì)算：

相對(duì)于建模時(shí)間起點(diǎn)，將最后到達(dá)接收器的光信號(hào)的時(shí)間延遲除以接收端符號(hào)抽樣周期得到的商值向上取整，得到多徑信道路徑總數(shù)。假設(shè)相對(duì)于建模時(shí)間起點(diǎn)，最后到達(dá)的光信號(hào)時(shí)間延遲為τmax，那么多徑信道模型的路徑數(shù)為：

其中代表向上取整函數(shù)。

仿真實(shí)驗(yàn)

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明多徑信道建模方法的合理性和可行性。

在長(zhǎng)、寬和高分別為6米、6米和4米的房間內(nèi)，安裝垂直指向地面的距屋頂中心0.5米的led，pd位于高度為0.85米的工作平臺(tái)(普通辦公桌高度)上，垂直指向屋頂。將墻面在三維坐標(biāo)方向上按0.1米劃分成小的矩形反射單元。

假設(shè)led調(diào)制帶寬為50兆赫茲(mhz)，led的調(diào)制符號(hào)周期為10納秒(ns)，因此相對(duì)于最先到達(dá)pd的光信號(hào)，時(shí)間延遲大于5ns的光信號(hào)就認(rèn)為引起isi。接收端的抽樣周期為tsp＝5ns。接收端接收的光功率中l(wèi)os信道和一次反射占有接收光功率的近90％，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，僅考慮los和一次反射光功率。其它仿真參數(shù)如表1所示。

表1仿真參數(shù)

仿真結(jié)果：

圖3，圖4，圖5，圖6為當(dāng)pd的視場(chǎng)角為80度時(shí)，pd位于室內(nèi)典型位置(3,3,0.85)、(1.5,1.5,0.85)、(0.5,0.5,0.85)和(1.5,0.5,0.85)時(shí)，led和pd之間的多徑信道模型。可以看出，pd的視場(chǎng)角較大，在4個(gè)典型位置都能收到los信道的信號(hào)和反射信號(hào)，因此多徑信道路徑數(shù)較多。當(dāng)pd在房間中心時(shí)，los路徑延遲小，多徑分量h⁰(第一徑)較大，多徑分量衰減快；當(dāng)pd在房間墻角時(shí)，los路徑延遲變大，多徑分量h⁰變小，多徑信道路徑分量衰減較慢，且相對(duì)于h⁰較大。

圖7，圖8，圖9，圖10為當(dāng)pd的視場(chǎng)角為45度時(shí)，pd位于室內(nèi)典型位置(3,3,0.85)、(1.5,1.5,0.85)、(0.5,0.5,0.85)和(1.5,0.5,0.85)時(shí)，led和pd之間的多徑信道模型?？梢钥闯?，pd的視場(chǎng)角較小，接收到的反射信號(hào)少，所以多徑信道路徑數(shù)較小。圖7中當(dāng)pd在位置(3,3,0.85)時(shí)，只能收到los信道光信號(hào)，不能收到經(jīng)過(guò)墻面反射的信號(hào)。圖9，圖10中當(dāng)pd在位置(0.5,0.5,0.85)和(1.5,0.5,0.85)時(shí)，收不到los信號(hào)，多徑信道增益較小。

以上是本發(fā)明的具體實(shí)施方式和仿真驗(yàn)證。應(yīng)當(dāng)指出，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠清楚的理解，本發(fā)明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案所舉的以上實(shí)施例和仿真僅用于說(shuō)明和驗(yàn)證方法的合理性和可行性，而并不用于限制本發(fā)明方法。雖然通過(guò)實(shí)施例能有效說(shuō)明和描述了本發(fā)明，本發(fā)明存在許多變化而不脫離本發(fā)明的精神。在不背離本發(fā)明方法的精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明方法做出各種相應(yīng)的改變或變形，但這些相應(yīng)的改變或變形均屬于本發(fā)明方法要求的保護(hù)范圍。