文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào)： 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(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)IM/DD(Intensity Modulation/Direct Detection)方式直接導(dǎo)致了光信道相關(guān)性較強(qiáng)[2]。
成像MIMO是實(shí)現(xiàn)高速、遠(yuǎn)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(duì)成像MIMO的研究還相對(duì)較少，針對(duì)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(xiàn)[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(jìn)一步提高了頻帶利用率。參考文獻(xiàn)[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(diǎn)數(shù)的關(guān)系，對(duì)一定距離范圍內(nèi)的接收像素點(diǎn)數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。參考文獻(xiàn)[7-8]分析了成像MIMO的信道容量，但是兩文獻(xiàn)中都沒有考慮空間碼間串?dāng)_SISI(Spatial Inter-Symbol Interference)對(duì)信道容量的影響。
SISI是由不完美對(duì)焦、鏡頭抖動(dòng)或光源布局不合理造成的，它會(huì)影響系統(tǒng)的通信效率。為了分析SISI對(duì)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(duì)多光源情況下的接收單元尺寸進(jìn)行優(yōu)化。首先建立了基于LED陣列的成像MIMO通信模型，并對(duì)信道和噪聲進(jìn)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(jì)算得到了能使信道容量達(dá)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(hào)對(duì)LED陣列進(jìn)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(gè)PD或像素稱為一個(gè)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(hào)。
由于接收端的尺寸通常較小，所以LED到每個(gè)接收單元的距離、發(fā)光角和入射角的差異可以忽略不計(jì)。假設(shè)發(fā)送端有K個(gè)LED，則由朗伯輻射模型可得第k個(gè)LED到接收端的直流增益為[9]:
成像過程中的模糊會(huì)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L(zhǎng)ED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(cè)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(gè)重要指標(biāo)，決定了信息傳輸?shù)淖畲笏俾省１竟?jié)對(duì)成像MIMO信道的復(fù)用和分集特性進(jìn)行分析。
3 數(shù)值計(jì)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(jì)算參數(shù)設(shè)置如表1所示，由此計(jì)算得到最佳的接收單元個(gè)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(shì)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(shí)的d2和d3。從圖中可以看出，接收單元為60×60時(shí)，在距離d<d2=13.2 m時(shí),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(shí)信噪比緩慢下降。而由于SISI的功率遠(yuǎn)大于散粒噪聲的功率,故當(dāng)d>d2=13.2 m時(shí)，信噪比迅速降低。而當(dāng)d>d3=25.2 m時(shí)，通信系統(tǒng)進(jìn)入分集模式，分集增益又使信噪比迅速上升，此時(shí)像素點(diǎn)越多，每個(gè)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(shí)，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(zhǎng)，每個(gè)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(duì)應(yīng)，接收單元為10×10、30×30和44×44時(shí)，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(shí)，SISI的影響會(huì)使復(fù)用模式下的信道容量迅速降低，隨后進(jìn)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(shí)，在沒有SISI影響，像素點(diǎn)越多，信噪比越大，信道容量也越大。
本文對(duì)成像MIMO通信系統(tǒng)的容量進(jìn)行了分析。首先給出了成像MIMO通信模型，分析了SISI對(duì)成像MIMO信道容量的影響，并給出了發(fā)送端為100個(gè)LED的信道容量數(shù)值計(jì)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(huì)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(dá)到最佳，對(duì)接收單元尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。但是，本文只對(duì)文章中提到的發(fā)送模式下的信道容量進(jìn)行了分析，下一步還需要針對(duì)SISI合理設(shè)計(jì)發(fā)送模式，進(jìn)一步減小SISI對(duì)信道容量的影響，增加通信距離。
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