白光強(qiáng)光探照燈的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理
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在可見光通信系統(tǒng)中,白光強(qiáng)光探照燈具有通信與照明的雙重作用,白光強(qiáng)光探照燈的亮度很高,且調(diào)制速率非常高,人的眼睛完全感覺不到光的閃爍。由于實(shí)現(xiàn)簡單,VLC系統(tǒng)大多設(shè)計(jì)成光強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)(IM/DD)系統(tǒng),采用曼徹斯特編碼和OOK(on-off-keying)調(diào)制方式。在IM/DD系統(tǒng)中,由于存在多個(gè)光源,每個(gè)接收機(jī)都會(huì)接收到來自不同方向的光信號(hào),因而不會(huì)因?yàn)槟硹l光路徑被遮擋而導(dǎo)致通信中斷,保證了通信的可靠性。
室內(nèi)無線光通信的基本鏈路方式可以有很多種。由于室內(nèi)的白光強(qiáng)光探照燈一般固定在天花板上,因此,以此為信號(hào)光源的室內(nèi)無線通信鏈路有兩種形式:直射式視距鏈接和漫射鏈接。
在直射式視距鏈路中,接收機(jī)直接指向白光強(qiáng)光探照燈光源。這種光鏈路的優(yōu)點(diǎn)是:信號(hào)光源功率利用率高、容易實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)連接,然而該鏈路要求光信號(hào)收發(fā)端始終對(duì)準(zhǔn),容易因鏈路上存在的障礙物而阻斷。漫射鏈路設(shè)計(jì)中接收機(jī)視角一般較大,降低了對(duì)指向的要求,系統(tǒng)不易受陰影效應(yīng)影響,但鏈路中存在的多徑效應(yīng)會(huì)限制信號(hào)傳輸速率,因此,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該綜合兩種鏈路的優(yōu)缺點(diǎn)設(shè)計(jì)靈活運(yùn)用。
強(qiáng)光探照燈白光光束會(huì)導(dǎo)致調(diào)制帶寬受限,不利于數(shù)據(jù)的有效、高效傳輸。所以要實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸,必須深入探索頻帶利用率高、抗干擾性能好的調(diào)制復(fù)用技術(shù)。新型正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)是一種較合適的高效率調(diào)制復(fù)用方式。室內(nèi)強(qiáng)光探照燈可見光通信系統(tǒng)中,強(qiáng)光探照燈光源通常是由多個(gè)發(fā)光強(qiáng)光探照燈陣列組成,具有較大的表面積、較大的發(fā)射功率和寬廣的輻射角。為了達(dá)到較好的照明和通信效果、防止“陰影”影響,一個(gè)房間通常會(huì)安裝多個(gè)強(qiáng)光探照燈光源。
由于強(qiáng)光探照燈單元燈分布位置不同及大氣信道中存在的粒子散射導(dǎo)致了不同的傳輸延遲,加上光的色散,已調(diào)光脈沖會(huì)在時(shí)間上延伸,每個(gè)符號(hào)的脈沖將加寬延伸到相鄰符號(hào)的時(shí)間間隔內(nèi),不可避免地會(huì)產(chǎn)生碼間干擾(ISI),極大地降低了系統(tǒng)的性能,甚至導(dǎo)致不能正常通信。通常運(yùn)用部分響應(yīng)技術(shù)、均衡濾波器可以消除碼間干擾。對(duì)光無線通信系統(tǒng)來講,多徑傳播是引入碼間干擾的主要原因,許多技術(shù)人員認(rèn)為依靠OFDM能有效地降低碼間干擾。
在室內(nèi)強(qiáng)光探照燈可見光無線通信系統(tǒng)中,當(dāng)接收機(jī)從一個(gè)基站(房間)移動(dòng)到另一個(gè)基站(房間)時(shí),需要接收機(jī)能夠自動(dòng)切換。切換操作既要能識(shí)別一個(gè)新基站又要將信令信號(hào)分派到新基站的信道上。因此,我們?cè)谠O(shè)計(jì)一個(gè)室內(nèi)強(qiáng)光探照燈可見光通信系統(tǒng)時(shí),必須制定一個(gè)啟動(dòng)切換的最恰當(dāng)?shù)男盘?hào)強(qiáng)度和切換時(shí)間,以避免不必要的切換。因此,基站在準(zhǔn)備切換之前必須先對(duì)信號(hào)監(jiān)視一段時(shí)間才能進(jìn)行信號(hào)能量的檢測(cè),此項(xiàng)工作可以由接收機(jī)輔助切換來完成。
白光強(qiáng)光探照燈可見光通信系統(tǒng)的信號(hào)傳輸信道是隨機(jī)信道,強(qiáng)光探照燈可見光的波長與室內(nèi)大氣中的塵灰氣體分子的尺寸相近甚至更小,很容易產(chǎn)生光的散射及吸收,從而造成信號(hào)的嚴(yán)重衰減。不同位置的強(qiáng)光探照燈燈光及日光等背景光也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生一定的影響。因此,要保證在隨機(jī)信道下的正常工作,還必須對(duì)強(qiáng)光探照燈可見光傳輸信道作更深入的研究,建立適合強(qiáng)光探照燈可見光信號(hào)傳輸?shù)哪P汀?/p>
強(qiáng)光探照燈光源發(fā)出可見光,由于發(fā)散角較大,對(duì)人眼睛基本無害,發(fā)射端可以具有較大的發(fā)射功率,系統(tǒng)的可靠性將大大提高。系統(tǒng)的接收部分主要由光電檢測(cè)器(PD)和相應(yīng)號(hào)處理單元組成,室內(nèi)的光信號(hào)被光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào),然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大和處理,恢復(fù)成與發(fā)端一樣的信號(hào)。該系統(tǒng)的上行鏈路與下行鏈路的組成除了使用的光源不同外,其他與傳統(tǒng)的光通信原理基本一樣。