室内可见光通信研究:链路配置

在设计高速可见光通信系统时，必须要考虑各种因素，比如光信号在室内传播时会经过屋顶、墙壁和其他物体的反射，但是不会穿过不透明的物体。一个光链路可以通过多种物理配置方式实现，图2.4所示为4种典型的系统配置方式，即定向LOS、非定向LOS、对准配置和漫射，其中光传输中的LOS信号是指LED发送的光信号中不经过反射而直接入射到接收端PD的信号，而NLOS指经过一次或多次反射后进入PD的信号。

图2.4　链路配置

定向LOS一般用于点对点的通信系统，LED以较窄的发射角发射光信号，需要很少的光发射功率，接收端就可以获得较大的信号功率。定向LOS不会引入多径信号，当PD的视场角（FOV）较小时，背景光噪声可以被最大限度地消除，其数据率主要受到自由空间路径损耗的限制。但是，定向LOS信号在室内覆盖面积较小，不支持用户的移动性。当在较大的房间有多个用户时，需要采用具有较大发射角的LED，并构成类似RF通信的蜂窝覆盖的系统。此时，LED发送广播信号，允许用户移动，用户之间通过位于小区中心的基站进行通信。另外，定向LOS需要准确的对准，且容易受到遮挡。因此，定向LOS适合于点对点的系统，而在一点对多点的广播通信系统中灵活性较差。在过去，定向LOS系统主要用于一些低速的电子设备的遥控，如家用电视机和广播。近年来，定向LOS系统主要用于室外，如最后一千米接入网、卫星间通信、深空通信等。

在非定向LOS配置中，LED的发射角和PD的FOV角都比较大，光信号经过墙面反射后可以覆盖更大的区域，适合于一点对多点的广播系统，使用灵活性高。同时，PD可以接收到大量的经过不同方向的入射信号，因此非定向LOS可以抵抗遮挡，不需要对准和跟踪。但是，在非定向LOS配置的光路径损耗高，并会引入多径现象。虽然检测器的尺寸远大于波长而不会引起多径衰落，但是解调电信号时，仍会有码间干扰现象，从而限制了数据速率。另外，系统容易引入背景光干扰，从而降低了链路性能。(www.xing528.com)

对准跟踪配置采用可转向的天线系统，使发射端光信号聚焦在接收端上，需要的光信号比漫射系统少。LED发射较窄的光束和PD较小的FOV角减小了系统的符号间干扰和背景光干扰。因此，系统的功率效率高，可达到高的符号速率，但是配置系统价格昂贵，实现复杂。

漫射系统比较典型的配置是发射器指向屋顶，并发射一个宽的光束，经过室内反射后被接收，即非定向无LOS配置。因为不需要收发模块的精确对准，也不要求必须有LOS信道，因此漫射系统可以抵抗遮挡，配置灵活。但是漫射系统光路径损耗比较大，比如，当收发端水平间隔5m时，光功率衰减可以达到50dB～70dB，并且衰减还会随着人和物体的短暂遮挡而进一步增大。另外，由于PD的FOV角较大，能接收经过一次和多次反射的光信号，因此接收信号会有严重的多径时延，从而引起码间干扰，降低了系统的BER性能，限制了符号速率的提高。为了保证系统性能，通常需要更大的光发射功率和功率效率更好的调制技术。