雾天对CPPMLED光通信系统误码率的影响

（一）系统设计

图4-6 为雾天LED 交通灯与车辆间通信的系统模型。其工作过程为：随机生成发送的用户信息，利用混沌序列对用户信息进行扩频，将扩频后信号进行PPM 调制，经过LED 发送电路加载到LED，LED 将电信号转换为光信号发送至雾天信道。在接收端，光电接收电路将接收到的光信号转换为电信号，对电信号进行放大并将放大信号进行PPM 解调，之后进行混沌解扩，得到恢复信号。通过对比发送的用户信号与恢复的用户信号，计算出通信系统的实时误码率。室外LED 交通灯作为发射机，通过近地面空气信道的无线光通信系统的误码率指标不高于10-6，同时信噪比指标不低于13.6dB [207]。

图4-6　雾天LED 交通灯与车辆间通信的系统模型

（二）雾衰减预测模型

雾天往往伴随着我们的日常生活，这种天气一般在南方比较多见，南方雨水较多，雨水蒸发形成了雾。而海上的雾一般比陆地雾大而少。造成雾天现象的另一种原因就是雾霾这种情况，是由环境问题而引起的，在较大的城市中是一种普遍的现象，从而对车辆交通造成了不同程度的影响。

能见度是大气对可见光衰减作用的一种度量，在白天是指以水平天空为背景下人眼能看见的最远距离，在夜间是指人眼能看见中等强度的未聚焦光源的距离[206]。能见度的值越大人能看清的视野范围就越大，同样，雾的大小也分成不同等级，不同等级能见度大小值也就不一样。气象学上把能见度分为十个等级，如表4-3 所示[207]。

在光通信中，LED 光脉冲信号由于受到天气的吸收和散射影响，导致LED 光脉冲在大气中传输时能量指数衰减，结果将造成通信系统信噪比的降低，最终导致误码率性能下降。可见光的雾衰减理论是在米氏散射现象下提出的，雾衰减模型主是要由Kruse 模型和Kim 模型给出的[207]。

表4-3　国际雾天能见度等级表

雾衰减预测模型，模型中信道衰减系数afog的表达式为：

式中V 表示在雾环境下的能见度，单位km；λ 表示可见光波长，单位nm；λ0和V%分别表示选定测量波长，该波长可见光在晴天的传输因数，λ0单位nm，q 表示散射系数大小分布，与能见度有关，常用到的雾衰减模型是Kim 模型[208]，q 参数为：

本文中λ0和V%分别为550nm 和2.46 时，则雾衰减系数表达式为

（三）接收机的信噪比

LED 交通灯与车辆间的可见光通信系统接收机信噪比SNR 为【206】：

式中，R 为光电探测器的转换效率；P 为接收机接收到的平均光功率，单位mW；N 为全部的噪声功率，包括背景光引起的散粒噪声和接收机热噪声两部分，单位mW。

接收机接收到的平均光功率P 的表达式为

式中，H(0)为信道的直流增益；Pt为LED 交通灯的中心发光功率，单位mW；afog信道衰减系数；A 为光电探测器的感应面积，单位mm2；φ 辐照度，单位为(°)；n 为接收机集中器的内部折射率；Ts(ψ)为接收机滤波器增益；m 为阶数；Φ1/2为LED 灯的半功率半角，单位为（°）。ψ 和Ψc分别为接收机的入射角和接收机的最大视野范围，单位为（°）；d 为收发机的直线距离（假设系统内为视距传输），单位m。

（四）系统仿真与分析

1 雾天信道信噪比仿真(www.xing528.com)

在雾天能见度为20km，2km，0.5km，0.1km 的条件下，分别测试不同距离下该可见光通信仿真系统信道的信噪比。仿真参数如表4-4 所示。仿真结果如图4-7 所示，横坐标为距离大小，纵坐标为信噪比。距离取值0 m 到90m，步长1 m。

表4-4　仿真参数

图4-7　雾天不同能见度信噪比与距离曲线

从图4-7 可以看出，当能见度一定时，随着距离的增大，信噪比先增加后减小；当距离相同时，随着能见度的增大，信噪比增大；能见度越低，信噪比对距离的变化越敏感。

2.混沌扩频码一定，不同能见度误码率与距离关系

在混沌扩频码长度为16，雾天能见度为20km，2km，0.5km，0.1km 的条件下，同一能见度进行蒙特卡罗1000 次实验，随机发送长度为16bit 信息码，分别测试不同距离下该可见光通信仿真系统的误码率。扩频和解扩时所用Logistic 映射的初始值（即密钥）均为0.289999，仿真结果如图4-8 所示，横坐标为距离大小，纵坐标为误码率。距离取值2m 到90m，步长2m。

图4-8　雾天不同能见度下误码率与距离曲线（密钥一致）

从图4-8 可以看出，晴朗下的误码率<薄雾下的误码率<中雾下的误码率<大雾下的误码率，不同情况下有效通信距离d 跟能见度成正比，同时可以看出雾天随着能见度的越低（雾越大）误码率越高，其对LED 光传输时衰减程度就越大。

由图4-7 和图4-8 可以总结出在雾天情况下室外LED 交通灯工作区间，如表4-5 所示。从表4-5 可以看出随着能见度的减小，LED 交通灯通信距离区间越小。

表4-5　雾天工作区间

3.能见度一定，不同距离误码率与扩频码关系

在能见度为0.5km（中雾），距离为3m，7m，70m，73m 和82m 的条件下，同一距离进行蒙特卡罗1000 次实验，随机发送长度为16bit 信息码，分别测试不同混沌扩频码长度下该可见光通信仿真系统的误码率。扩频和解扩时所用Logistic 映射的初始值均（即密钥）为0.289999，仿真结果如图4-9所示，横坐标为扩频码大小，纵坐标为误码率。扩频码长度取值1~19，步长20~70m 距离为3m 时，信噪比低，误码率高，基本无法接收的发送信息；距离在4~70m，信噪比高，误码率为0，可以无失真接收到发送信息；距离为80m，随着扩频码长度增加，误码率逐渐降低。

图4-9　雾天不同距离误码率与扩频码曲线

4.系统安全性分析

当扩频时所用Logistic 映射的初始值（即密钥）为0.289999，解扩时所用Logistic 映射的初始值（即密钥）为0.290000，得到密钥不一致的雾天CPPM 调制系统误码率随着距离变化曲线图，如图4-10 所示。由图4-10 看出，扩频时所用Logistic映射的初始值与解扩时所用的初始值仅相差0.000001，CPPM 系统的误码率很高，通信距离工作区间误码率约为0.001，系统无法接收到完整的信息。因而本系统可保证传输信息的安全性。

图4-10　雾天不同能见度误码率与距离曲线（密钥不一致）