室內可見光mimo通信系統(tǒng)多徑衰落信道建模方法
【專利摘要】室內可見光MIMO通信系統(tǒng)多徑衰落信道建模方法，目的是建立一種適用于在室內可見光多輸入多輸出通信系統(tǒng)中，能將LED調制帶寬和多徑信道模型相結合，解決發(fā)送端存在時間彌散性時的多徑衰落信道建模問題，并給出了多徑信道各路徑增益的計算方法；其步驟是：（1）采用迭代法計算VLC?MIMO系統(tǒng)中每一對LED和PD的時域脈沖響應；（2）LOS信道之間路徑差較大時存在時間彌散，用等效LOS信道代替實際的LOS信道，實現(xiàn)信道建模同步；（3）根據(jù)LED的調制帶寬，得到接收端的符號抽樣速率，給出碼間干擾的定義，從而確定多徑信道各路徑增益的積分時間區(qū)間；（4）將在各路徑增益的積分時間區(qū)間內的脈沖響應求積分，得到多徑信道各路徑增益。
【專利說明】
室內可見光MI MO通信系統(tǒng)多徑衰落信道建模方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明設及室內可見光通信多徑衰落信道建模，尤其是設及室內可見光多輸入多 輸出通信系統(tǒng)的多徑衰落信道建模。
【背景技術】
[0002] 發(fā)光二極管化ight血itting Diode,LED)是未來的新一代光源，被公認為是21世 紀最具發(fā)展前景的高技術領域之一。隨著白光Lm)照明技術的發(fā)展而興起的可見光通信技 術(Vis化Ie Light Communication,化C)其依靠 LED發(fā)出的肉眼感覺不到的高速明暗閃爍 的光信號強度來傳輸信息。與傳統(tǒng)的射頻(Radio化equency,RF)通信相比化C可提供自由 使用的超過4〇(rraz的通信帶寬，保持較高的光發(fā)射功率而不會對人體產(chǎn)生健康危害，通信 保密性好且在鄰近房間可W實現(xiàn)同頻復用，基于照明基礎設施具有良好的泛在屬性，此外 VLC不會與RF相互干擾，適用于對電磁干擾敏感的區(qū)域如醫(yī)院、飛行器。
[0003] 隨著白光L抓照明技術的大規(guī)模使用，基于L抓的化C成為熱點研究問題。然而，目 前商用L抓調制帶寬只有幾兆到幾十兆赫茲，即使針對LED非線性在接收端使用均衡技術， 系統(tǒng)的調制帶寬最大也只能達到50兆赫茲(MHz )，L抓低的調制帶寬限制了 VLC的頻帶利用 率，也無法滿足視頻等高速率業(yè)務的需求。另外一方面，我們通常為了滿足照明亮度需求和 美觀，安裝L抓陣列作為照明光源，足夠的照明亮度保證了化C信道通常有較高的信噪比。顯 然，將多輸入多輸出（Multiple i噸Ut and Multiple ou1:put，MIM0)技術引入到化C系統(tǒng) 中，可W在保證較好誤碼性能的同時，提供較高系統(tǒng)容量。MIMO技術在不增加發(fā)送功率和系 統(tǒng)帶寬的條件下可W提高系統(tǒng)的通信容量和頻譜效率，近年來有大量文獻對室內化C-MIMO 系統(tǒng)進行了研究，附圖1是室內可見光通信MIMO通信系統(tǒng)的幾何場景圖。
[0004] 安裝在屋頂?shù)亩鄠€LED組成發(fā)射陣列作為發(fā)射天線，多個光電檢測器 (Photodetector ,PD)作為接收天線，可W建立室內化C-MIMO通信系統(tǒng)，通常要求光電檢測 器的數(shù)量大于等于發(fā)射LED的數(shù)量。我們知道由于LED是非相干光源，VLC系統(tǒng)常設計成強度 調制直接檢測（intensity modulation and direct direction, IM/DD)系統(tǒng)，因此只有光 信號的強度包含信息。光信號經(jīng)過室內光無線信道傳輸后到達光電檢測器，通常入射到PD 的光信號有兩種傳播模式，一種是發(fā)射光不經(jīng)過任何反射而直接入射到PD的視線傳播 化ine of Sight，L0S)，另一種是經(jīng)過墻面多次反射的漫射(difTuse)光線。漫射傳播的光 信號經(jīng)過室內墻面、屋頂和家具等反射體反射后到達PD,反射引起的多徑效應會影響化C系 統(tǒng)性能。
[0005] 在研究和設計室內化C-MIMO系統(tǒng)時，只有對室內光無線傳播信道的特征有了充分 的了解，才能確保所設計的通信系統(tǒng)有令人滿意的性能。因此需要建立化C-MIMO系統(tǒng)多徑 衰落信道模型。顯而易見，實際測量的方法獲得信道模型所需的代價大且缺乏統(tǒng)一標準，而 構建傳播模型則花費小且靈活性強。在可見光通信信道研究方面，已有研究大部分是借鑒 室內紅外光（Infrared, IR)通信系統(tǒng)模型，公認的可見光信道模型的建立和測量目前尚處 于探索階段。國內外學者提出了多種室內紅外光無線信道建模的方法，主要包括:Gfeller F.R.,Bapst U..Wireless In-House Data Communication via Diffuse Infrared Radiation[J]. Proceeding of I邸E，1979，67( 11): 1474-1486，研究 了漫射信道的傳輸特 性和系統(tǒng)的傳輸帶寬；J . R . BariT , J . M. Kahn ,W. J . Krause ,et al..Simu Iation of multipath impulse response for indoor wireless optical channels!!J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications,1993,11(3):367-379,提出了迭代法計 算信道的脈沖響應；R.Perez-Jimenez,J.Berges and M.J.Betanco;r.Sl:atistical model for the impulse response on infrared indoor diffuse ch曰nnels[J].Electronics Letters ,1997,33(15) :1298-1300,通過統(tǒng)計法估計脈沖延遲擴展因子，然后建立信道脈沖 口向應函數(shù)；F . J . Lopez-Hernandez and M . J . Be tancor . DUSTIN : Al 邑 or i thm for calculation of impulse response on IR wireless indoor channels[J].Electronics Letters, 1997,33(21) :11804-1806,將室內空間劃分為小的反射單元，然后用矩陣存儲小 單元之間功率貢獻，最后計算每一個單元的接收功率;F. J丄opez-胎rnandez ,R. PCrez- JimCnez and A.Santamaria.Monte Carlo calculation of impulse response on diffuse IRwireless indoor channels[J].化ECTRONICS LETT邸S,1998,34(12):1260- 1261，提出了蒙特卡洛仿真的方法獲得信道脈沖響應；Jeffre^y B. Carruthers ,Joseph M.Kahn.Modeling of Nondirected Wireless Infrared Channels[J]. IEEE Transcations on Communications, 1997,45(10): 1260-1268,提出了 Ceiling-bounce信 道模型，通過估計均方根延遲擴展參數(shù)獲得信道時域脈沖響應;下鵬舉.可見光通信室內信 道建模及性能分析[D].北京:北京郵電大學，2013,提出了針對室內化C的獨立反映元素交 互表征建模方法，該方法不僅可W計算信道脈沖響應而且還可W計算亮度分布特性； Francisco J.Lopez-Herna ndez.Ray-tracing algorithms for fast calculation of the channel impulse response on diffuse IR wireless indoor channels[J] .Optical化gineering，2000，39(10): 277502780，在蒙特卡洛算法的基礎上提出了光線追 跡法，通過計算每一條射線經(jīng)過多次反射后對信道脈沖響應的貢獻來計算信道脈沖響應。
[0006] 綜合W上所述文獻中已有的紅外信道模型建模方法，都是考慮一個發(fā)射器發(fā)射光 信號經(jīng)過室內漫射后到達接收端光電檢測器的情況，然而在化C-MIMO系統(tǒng)中必須要考慮多 反射和多接收器的情況。
[0007] 在化C-MIMO研究方面，考慮的信道模型主要包括:L. Zeng，D. 0 ' brien，H. Minh，et al..High data rate multiple input multiple output(MIMO)opticaI wireless communications using white LED lighting[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2009，27(9): 1654-1662，提出了室內可見光通信MIMO系統(tǒng)，但是僅考慮了 LOS信道；T.Ngoc-Anh,D.A丄uong,T.C.Thang,et al. .Performance analysis of indoor MIMO visible light communication systems[C].20I4IEEE Fifth International Conference on Communications and Elect;ronics(ICCE)2014,60-64,將到達光電檢測器 的延遲大于符號周期的所有光信號之和都認為是碼間干擾（Inter-symbol interference， ISI)，且將ISI簡單地看做加性高斯噪聲;譚家杰.室內Lm)可見光MIMO通信研究[D].武漢： 華中科技大學，2011:63-85,采用光線追跡法計算信道脈沖響應，分析了頻率響應和直流增 益，并在室內MIMO中，仿真了隨著接收端光電檢測器位置變化的各次反射的信道脈沖響應 W及對應頻率響應;喻曉、樊凌濤.MIMI-化C通信系統(tǒng)多徑信道特性研究[D].上海:華東理 工大學，2013，對室內化C-MIMO中每一對L邸和PD之間的時域脈沖響應進行了分析。
[000引綜合W上所述文獻，在設計和研究化C-MIMO系統(tǒng)性能時，現(xiàn)有文獻關于化C-MIMO 系統(tǒng)信道研究存在W下問題： (1)現(xiàn)有的研究只給出了計算化C-MIMO系統(tǒng)中的每一對LED和PD的時域脈沖響應，但 是沒有從總體上綜合考慮多輸入和多輸出的系統(tǒng)信道建模問題，也沒有提出建立MIMO多徑 衰落信道的思想。
[0009] (2)在VLC-MIMO系統(tǒng)中，當多了L抓整列之間的間隔較大時，發(fā)送端的時間彌散性 (time dispersion)將不可忽略，需要考慮多對Lm)和PD之間的信道建模的同步問題。但是 現(xiàn)有的文獻都認為MIMO系統(tǒng)中的各對收發(fā)之間的路徑差可W忽略，即認為在發(fā)端不存在時 間彌散性。
[0010] (3)在室內可見光通信中，當系統(tǒng)符號速率較高和房間較大時，多徑效應引起的碼 間干擾會使得系統(tǒng)的性能降低。碼間干擾和系統(tǒng)的符號速率有關系，符號速率又受到LED調 制帶寬的限制。但是目前的研究沒有將L邸調制帶寬和多徑信道模型相結合考慮。

【發(fā)明內容】

[0011] 本發(fā)明的目的是建立一種適用于在室內可見光多輸入多輸出通信系統(tǒng)中，能將 L抓調制帶寬和多徑信道模型相結合，解決發(fā)送端存在時間彌散性時的多徑衰落信道建模 問題，并給出了多徑信道各路徑增益的計算方法。
[0012] 本發(fā)明是室內可見光MIMO通信系統(tǒng)多徑衰落信道建模方法，其步驟為:步驟1:給 定室內通信房間的大小和墻面反射率、L抓、光電檢測器PD的器件參數(shù)和位置信息，按照建 模精度要求將室內反射墻面劃分為微分反射單元； 步驟2:假設L邸是朗伯光源，計算每對L邸和PD之間視線傳播的時域脈沖響應； 步驟3:將微分反射單元作為反射體，同時也作為高次反射的信源，采用迭代法計算光 信號經(jīng)過多次反射后到達PD的反射路徑的時域脈沖響應； 步驟4:當每一對L抓和PD的LOS信道路徑長度差較大時，即發(fā)送端存在時間彌散時，用 等效LOS信道代替實際的每對L邸和PD之間的LOS信道，W解決信道建模的同步問題； 步驟5:根據(jù)發(fā)送端L邸的調制符號周期，得到接收端的符號抽樣速率，給出碼間干擾的 定義，從而可W確定多徑信道各路徑增益的積分時間區(qū)間； 步驟6:從等效LOS信道時間延遲開始，將在各路徑增益的積分時間區(qū)間內到達PD的脈 沖響應求積分，得到多徑信道各路徑增益，完成多徑衰落信道建模。
[0013] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果包括： (1)現(xiàn)有文獻在研究化C-MIMO系統(tǒng)信道時，假設驅動所有L抓發(fā)光的電信號是理想同 步，且每一對Lm)和PD之間的路徑長度差較小，因此可W忽略發(fā)送端的時間彌散性。然而實 際應用中，房間尺寸較大，Lm)陣列的距離增大，接收端檢測器之間空間距離也較大時，VLC- MIMO系統(tǒng)中的多對L邸和PD之間的路徑長度差變大，尤其是當系統(tǒng)發(fā)送的符號速率較高時， 發(fā)送端的時間彌散性將不可忽視。
[0014] 本發(fā)明引入等效LOS信道的概念，即認為每一對L抓和PD之間的LOS信道信號(也就 是最先到達PD的光信號）都是從等效LOS信道相互傳輸?shù)?，因此所有L抓和PD之間LOS信道傳 輸時間延遲相同，運樣就解決了信道建模時間起點不同步的問題。
[0015] (2)現(xiàn)有文獻在研究化C-MIMO系統(tǒng)信道時，利用已有的信道模型的分析方法計算 每一對L抓和PD之間脈沖響應，并分析了各次反射信號功率對總接收光功率的貢獻和時域 脈沖響應對應的信道頻域特性等。雖然指出了反射路徑將引起多徑效應的問題，但是并沒 有具體定義給出在室內化C-MIMO系統(tǒng)中多徑效應W及由此帶來的碼間干擾問題，也沒有將 多徑效應和發(fā)送端L邸的調制帶寬相結合來研究。
[0016] 本發(fā)明在計算每對L抓和PD之間的脈沖響應的基礎上，根據(jù)發(fā)送端L抓的調制符號 周期，由奈奎斯特(Nyqui St)定理計算接收端的符號抽樣速率，并給出了 VLC-MIMO系統(tǒng)中碼 間干擾的定義。在此基礎上，確定計算多徑信道各路徑增益的積分時間區(qū)間，即將多徑信道 模型的建立和發(fā)送端L邸的調制帶寬相結合考慮。
[0017] (3)現(xiàn)有文獻在研究化C-MIMO系統(tǒng)信道時，僅僅分析了每一對LED和PD之間脈沖響 應，并對其進行了分析，并沒有提出建立多徑信道的方法。
[0018] 本發(fā)明將每一對L抓和PD之間的脈沖響應持續(xù)時間除W接收端的符號抽樣周期就 得到了多徑信道的路徑數(shù)。從等效LOS信道時間延遲開始，將多徑信道各路徑增益的積分時 間區(qū)間內的脈沖響應求積分，就可W獲得多徑信道的各路徑增益，從而建立了多徑衰落信 道。 本發(fā)明得到了國家自然科學基金(NO.61461026)的資助。
【附圖說明】
[0019] 圖1是室內可見光MIMO通信系統(tǒng)幾何場景圖；圖2是多徑信道建模原理圖；圖3是檢 測器陣列幾何中屯、為[3,3,0.85]時的多徑信道建模實驗結果；圖4是檢測器陣列幾何中屯、 為[0.5,0.5,0.8引時的多徑信道建模實驗結果。
【具體實施方式】
[0020] 本發(fā)明是室內可見光MIMO通信系統(tǒng)多徑衰落信道建模方法，其步驟為:步驟1:給 定室內通信房間的大小和墻面反射率、L抓、光電檢測器PD的器件參數(shù)和位置信息，按照建 模精度要求將室內反射墻面劃分為微分反射單元； 步驟2:假設L邸是朗伯光源，計算每對L邸和PD之間視線傳播的時域脈沖響應； 步驟3:將微分反射單元作為反射體，同時也作為高次反射的信源，采用迭代法計算光 信號經(jīng)過多次反射后到達PD的反射路徑的時域脈沖響應； 步驟4:當每一對L抓和PD的LOS信道路徑長度差較大時，即發(fā)送端存在時間彌散時，用 等效LOS信道代替實際的每對L邸和PD之間的LOS信道，W解決信道建模的同步問題； 步驟5:根據(jù)發(fā)送端L邸的調制符號周期，得到接收端的符號抽樣速率，給出碼間干擾的 定義，從而可W確定多徑信道各路徑增益的積分時間區(qū)間； 步驟6:從等效LOS信道時間延遲開始，將在各路徑增益的積分時間區(qū)間內到達PD的脈 沖響應求積分，得到多徑信道各路徑增益，完成多徑衰落信道建模。
[0021] 如W上所述的室內可見光MIMO通信系統(tǒng)多徑衰落信道建模方法，步驟3采用迭代 法計算L邸和PD之間的時域脈沖響應。
[0022] 根據(jù)W上所述的室內可見光MIMO通信系統(tǒng)多徑衰落信道建模方法，步驟4為保證 可見光MIMO通信系統(tǒng)信道建模同步，求MIMO通信系統(tǒng)發(fā)送端Lm)陣列的幾何中屯、點，再求接 收器陣列的幾何中屯、點，將光信號從兩個中屯、點之間的傳輸路徑作為等效LOS信道，將光信 號經(jīng)過等效LOS信道的時間延遲作為信道建模的起始時間點。
[0023] 根據(jù)W上所述的室內可見光MIMO通信系統(tǒng)多徑衰落信道建模方法，步驟5將L邸的 調制帶寬和多徑信道建模相結合，用Tsym表示LED的調制符號周期，那么根據(jù)奈奎斯特 (Nyquist)定理，接收端抽樣時間間隔為Tsp = Tsy?/2;定義從最先到達PD的第一路光信號開 始，時間延遲大于符號周期一半的光信號將引起碼間干擾；因此，從信道建模的起始點開 始，延遲一個抽樣時間間隔為第一個抽樣時間點，將該抽樣點之前的所有時域脈沖響應之 和作為多徑信道模型的第一徑，其包含信號的有用信息;將從第一個抽樣點到第二個抽樣 點之間的所有時域脈沖響應之和作為第二徑;其余路徑分量增益的計算W此類推。
[0024] 根據(jù)W上所述的室內可見光MIMO通信系統(tǒng)多徑衰落信道建模方法，其步驟為： (1) 建立室內坐標系，反射墻面的離散化，發(fā)送端、接收端參數(shù)設置； 如圖1所示，采用IM/孤的室內化C-MIMO系統(tǒng)的通信場景，建立室內坐標系，坐標系原點 O和房間左后下角重合，xoy平面與地板平面重合;將室內的墻面、地面和天花板劃分成小的 微反射單元，相對于光線從發(fā)射到接收單元的距離來說，運些微反射單元面積非常小，當光 線入射至微反射單元時發(fā)生反射，微反射單元可W認為是服從朗伯模式的點光源； 屋頂安裝Nt個L邸用于照明和通信，其中第m個L抓可W由位置矢量rs", '單位方向矢量 發(fā)射功率巧,和福射強度模式R( 4，0)表示； 當采用LED服從朗伯福射模式時，福射強度函數(shù)表示為：
其4
I表征光源福射方向性的福射模式指數(shù)，01/2表示光源半功率角，4 表示光線出射方向和li,;,,,.的夾角； 為簡單起見，福射功率為巧1的第nt個L邸可W表示為：
接收端由Nr個接收器組成，第nr個接收器可W由位置矢量吃。，'方向矢量'面積Ar和 接收視場角W FCiv表示： (2) 計算LOS信道沖擊響應：
LOS信道指光信號不經(jīng)過任何反射而直接入射到接收器;LOS信道的脈沖響應表示為：
其中d巧不從弟nt個LKU判弟化個W的化罔，傘巧不LUS化巧的出奶用，Ip表示入射至化D 的入射角，C表示光速，S (X)表示狄拉克函數(shù)，且有
其中M ? M表示2范數(shù)；
(3)計算反射信道脈沖響應： 假設所有反射面滿足朗伯福射模型，反射單元的福射模式R( 4 )與光的入射角無關;對 一個反射面積為dA和反射率為P的微反射單元上的反射模型建模分為兩步:第一步，認為微 反射單元是面積為dA接收器，接收功率為dP;第二步，把運個微反射單元當作功率為P=PdP 的福射模式指數(shù)K = I的朗伯光源;假設室內信源發(fā)射光信號經(jīng)過多次反射到達接收器 、.信道的脈沖響應表示為：
其中^^(《;沒,>，。^^^表示光信號經(jīng)過4次反射的沖擊響應，當4=0時表示1^05信道響應， 第k次化> O)反射信道的沖擊響應為：
上式對^平面上的所有微反射單元進行積分，r表示f平面上微反射單元的位置矢量， i是r處微反射單元的單位法向矢量，符號愁)代表卷積運算;實際計算時，將所有反射平面 劃分為面積為A A的小反射單元，那么積分運算數(shù)字化后得到：
其中Nref是反射單元的總數(shù)，化是第i個反射單元的反射率，B = II'
將反射平面的空間離散化而使得沖擊響應在時間上也離散化，從而使分段連續(xù)的 &跑(f為，變成了有限個S (X)函數(shù)之和； 相反的，把時間軸W A t劃分為間隔，計算每時間間隔內收到的所有光功率，當A A和A t取值都趨向于零時就得到了連續(xù)的妒>(《;武，馬:);特別的當1^=1次反射時： ?
其中di表示從Lm)到反射單元的距離，Cb表示從反射單元到PD的距離，a表示入射到反 射單元的光線入射角，e表示反射單元的光線出射角； (4) 定義等效LOS信道： 將L抓陣列的幾何中屯、和PD陣列的幾何中屯、相連接，作為等效LOS信道，如圖1所示，對 應的時間延遲為T〇 = dR/c，即認為每一對L抓和PD之間的LOS信道都是從等效LOS信道傳輸 的，時間延遲都等于T0,那么信道建模的時間起點都從TO開始； (5) 建立第m個L邸到第nr個PD的多徑信道增益矢量： 定義從最先到達PD的第一路光信號開始，時間延遲大于符號周期一半的光信號將引起 碼間干擾;根據(jù)Nyqui St定理，接收端抽樣時間間隔為Tsp = Tsym/2，Tsym表示LED的調制符號周 期。建立從第m個L抓到第nr個PD的長度為的多徑信道增益矢量為：
其中[? ]T表示矩陣的轉置，第1路信道增益表示為：
因此，從信道建模的起始點開始，延遲一個抽樣時間間隔為接收端第一個抽樣時間點， 將該抽樣點之前的所有時域脈沖響應之和作為多徑信道模型的第一徑 <，,,，其包含信號的 有用信息，將第一個采用周期到第二個采樣周期之間的所有時域脈沖響應之和作為第二徑 A,U，其給系統(tǒng)帶來碼間干擾;其余路徑分量增益的計算W此類推。 (6) 建立化C-MIMO多徑信道模型： 安裝在屋頂?shù)幕瘋€L抓陣列作為發(fā)送天線，佩個PD作為接收天線，能夠建立室內化C- MIMO系統(tǒng)，VLC-MIMO的信道巧陣為：
其中^A表示從第化個L邸劍第化個PD的信道增益矢量。
[0025] 仿真實驗： 通過仿真實驗驗證本發(fā)明多徑衰落信道建模方法的合理性和可行性。
[0026] 仿真參數(shù)設置:房間長、寬和高分別為:6米、6米和4米。安裝4個垂直指向地面的高 度為3.5米的L抓用于照明和通信，L抓陣列組成邊長為dTx=l米正方形，對角線中屯、在0' 點。檢測器PD的高度是0.85米(約為普通辦公桌和人腰部的高度），由4個垂直指向屋頂?shù)腜D 組成邊長為0.1米(普通手持電話的尺寸)的正方形陣列，對角線中屯、在0"點。將室內反射墻 面在空間坐標系按照間隔0.1米劃分成小反射單元，其它仿真參數(shù)如表1所示。
[0027] 表1仿真參數(shù)
假設系統(tǒng)L抓調制帶寬為50MHz，那么根據(jù)Nyquist定理，接收端抽樣時間間隔為10納 秒，當相比于最先到達PD的第一路光信號開始，信號時間延遲大于5納秒時就認為發(fā)生了碼 間干擾。因為PD接收到的光功率中LOS信道和一次反射光信號占所有接收光功率的近90%， 因此為了計算簡單起見，考慮LOS和一次反射信道。
[00巧]仿真結果： 如圖3和圖4所示為當檢測器PD陣列的中屯、坐標為：[3,3,0.85]和[0.5,0.5,0.85]時， 第4個LED (S4)和第1個PD (Ri)之間的多徑衰落信道模型?？蒞看出：當PD在房間中屯、時信號 時間延遲小，多徑信道的信息增益(第一徑)較大，多徑衰落快，則碼間干擾影響?。划擯D在 房間墻角時時間延遲大，相比于信息路徑增益，多徑分量信號衰減較慢，則碼間干擾影響較 大。
[0029] W上是本發(fā)明的【具體實施方式】和仿真驗證。應當指出，本領域的普通技術人員能 夠清楚的理解，本發(fā)明系統(tǒng)設計方案所舉的W上實施例和仿真僅用于說明和驗證方法的合 理性和可行性，而并不用于限制本發(fā)明方法。雖然通過實施例能有效說明和描述了本發(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質的情況 下，本領域技術人員當可根據(jù)本發(fā)明方法做出各種相應的改變或變形，但運些相應的改變 或變形均屬于本發(fā)明方法要求的保護范圍。
【主權項】
1. 室內可見光ΜΙΜΟ通信系統(tǒng)多徑衰落信道建模方法，其特征在于:其步驟為： 步驟1:給定室內通信房間的大小和墻面反射率、LED、光電檢測器PD的器件參數(shù)和位置 信息，按照建模精度要求將室內反射墻面劃分為微分反射單元； 步驟2:假設L邸是朗伯光源，計算每對L邸和PD之間視線傳播的時域脈沖響應； 步驟3:將微分反射單元作為反射體，同時也作為高次反射的信源，采用迭代法計算光 信號經(jīng)過多次反射后到達PD的反射路徑的時域脈沖響應； 步驟4:當每一對Lm)和PD的L0S信道路徑長度差較大時，即發(fā)送端存在時間彌散時，用 等效L0S信道代替實際的每對L邸和PD之間的L0S信道，W解決信道建模的同步問題； 步驟5:根據(jù)發(fā)送端Lm)的調制符號周期，得到接收端的符號抽樣速率，給出碼間干擾的 定義，從而可W確定多徑信道各路徑增益的積分時間區(qū)間； 步驟6:從等效L0S信道時間延遲開始，將在各路徑增益的積分時間區(qū)間內到達PD的脈 沖響應求積分，得到多徑信道各路徑增益，完成多徑衰落信道建模。2. 根據(jù)權利要求1所述的室內可見光ΜΙΜΟ通信系統(tǒng)多徑衰落信道建模方法，其特征在 于:步驟3采用迭代法計算L邸和PD之間的時域脈沖響應。3. 根據(jù)權利要求1所述的室內可見光ΜΙΜΟ通信系統(tǒng)多徑衰落信道建模方法，其特征在 于:步驟4為保證可見光ΜΙΜΟ通信系統(tǒng)信道建模同步，求ΜΙΜΟ通信系統(tǒng)發(fā)送端L抓陣列的幾 何中屯、點，再求接收器陣列的幾何中屯、點，將光信號從兩個中屯、點之間的傳輸路徑作為等 效L0S信道，將光信號經(jīng)過等效L0S信道的時間延遲作為信道建模的起始時間點。4. 根據(jù)權利要求1所述的室內可見光ΜΙΜΟ通信系統(tǒng)多徑衰落信道建模方法，其特征在 于:步驟5將L邸的調制帶寬和多徑信道建模相結合，用Tsym表示Lm)的調制符號周期，那么根 據(jù)奈奎斯特定理，接收端抽樣時間間隔為Tsp = Tsym/2 ; 定義從最先到達PD的第一路光信號開始，時間延遲大于符號周期一半的光信號將引起 碼間干擾；因此，從信道建模的起始點開始，延遲一個抽樣時間間隔為第一個抽樣時間點， 將該抽樣點之前的所有時域脈沖響應之和作為多徑信道模型的第一徑，其包含信號的有用 信息;將從第一個抽樣點到第二個抽樣點之間的所有時域脈沖響應之和作為第二徑;其余 路徑分量增益的計算W此類推。5. 根據(jù)權利要求1所述的室內可見光ΜΙΜΟ通信系統(tǒng)多徑衰落信道建模方法，其特征在 于： (1)建立室內坐標系，反射墻面的離散化，發(fā)送端、接收端參數(shù)設置； 建立室內坐標系，坐標系原點和房間左后下角重合，xoy平面與地板平面重合;將室內 的墻面、地面和天花板劃分成小的微反射單元，相對于光線從發(fā)射到接收單元的距離來說， 運些微反射單元面積非常小，當光線入射至微反射單元時發(fā)生反射，微反射單元可W認為 是服從朗伯模式的點光源； 屋頂安裝Ντ個Lm)用于照明和通信，其中第m個Lm)可W由位置矢量杞。,'單位方向矢量 、發(fā)射功率氣和福射強度模式R( Φ，θ)表示； 當采用LED服從朗伯福射模式時，福射強度函數(shù)表示為：其中是表征光源福射方向性的福射模式指數(shù)，θ?/2表示光源半功率角，Φ 表不光線出射方向和的夾角； 為簡單起見，福射功率為巧,=1的第m個LED可W表示為：接收端由Nr個接收器組成，第nr個接收器可W由位置矢量rs,,,, '方向矢量、面積Ar和 視場角Ψρ日V表不：(2) 計算LOS信道沖擊響應： LOS信道指光信號不經(jīng)過任何反射而直接入射到接收器;LOS信道的脈沖響應表示為：其中d表示從第nt個L邸到第nr個PD的距離，Φ表示LOS光線的出射角，Φ表示入射到PD的 入射角，C表示光速，δ (X )表示狄拉克函數(shù)，且有其中II · II表示2范數(shù);矩形函數(shù)定義為：(3) 計算反射信道脈沖響應： 假設所有反射面滿足朗伯福射模型，反射單元的福射模式R( Φ )與光的入射角無關;對 一個反射面積為dA和反射率為P的微反射單元上的反射模型建模分為兩步:第一步，認為微 反射單元是面積為dA接收器，接收功率為dP;第二步，把運個微反射單元當作功率為P = pdP 的福射模式指數(shù)K = 1的朗伯光源； 假設室內信源發(fā)射光信號經(jīng)過多次反射到達接收器成/信道的脈沖響應表示為：其中薩表示光信號經(jīng)過k次反射的沖擊響應，當k = 0時表示LOS信道響應，第 k次化>0)反射信道的沖擊響應為：上式對妄平面上的所有微反射單元進行積分，r表示玄平面上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@代表卷積運算； 實際計算時，將所有反射平面劃分為面積為A A的小反射單元，那么積分運算數(shù)字化后 得到：其中Nref是反射單元的總數(shù)，Pi是第i個反射單元的反射率，巧二'將反射平面的空間離散化而使得沖擊響應在時間上也離散化，從而使分段連續(xù)的hW (t)變成了有限個δ(χ)函數(shù)之和； 相反的，把時間軸W A t劃分為間隔，計算每Δ t時間間隔內收到的所有光功率，當Δ A 和At取值都趨向于零時就得到了連續(xù)的hW(t);特別的當k=l次反射時：其中山表示從L抓到反射單元的距離，cb表示從反射單元到PD的距離，α表示入射到反射 單元的光線入射角，β表示反射單元的光線出射角； (4) 定義等效LOS信道： 將Lm)陣列的幾何中屯、和PD陣列的幾何中屯、相連接，作為等效LOS信道，對應的時間延 遲為T〇 = dR/c，即認為每一對L抓和PD之間的LOS信道都是從等效LOS信道傳輸?shù)?，時間延遲 都等于τ〇,那么信道建模的時間起點都從το開始； (5) 建立第m個L邸到第nr個PD的多徑信道增益矢量： 定義從最先到達PD的第一路光信號開始，時間延遲大于符號周期一半的光信號將引起 碼間干擾;根據(jù)Nyqui St定理，接收端抽樣時間間隔為Tsp = Tsym/2，Tsym表示LED的調制符號周 期。建立從第m個L抓到第nr個PD的長度為馬f，,:i的多徑信道增益矢量為：其中[· ]τ表示矩陣的轉置，第1路信道增益表示為：因此，從信道建模的起始點開始，延遲一個抽樣時間間隔為接收端第一個抽樣時間點， 將該抽樣點之前的所有時域脈沖響應之和作為多徑信道模型的第一徑/<,,,，其包含信號的 有用信息，將第一個采用周期到第二個采樣周期之間的所有時域脈沖響應之和作為第二徑 A，U，其給系統(tǒng)帶來碼間干擾;其余路徑分量增益的計算W此類推。 (6) 建立化C-MIM0多徑信道模型： 安裝在屋頂?shù)幕瘋€L抓陣列作為發(fā)送天線，佩個PD作為接收天線，能夠建立室內化C- MIM0系統(tǒng)，VLC-MIM0的信道矩陣為：其中h。,,。,表示從第nt個L邸到第nr個PD的信道增益矢量。
【文檔編號】H04B17/391GK105939177SQ201610133787
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月10日
【發(fā)明人】賈科軍
【申請人】蘭州理工大學