杨春勇，吕云龙，侯 金，陈少平

(中南民族大学 电子信息工程学院，智能无线通信湖北省重点实验室，武汉 430074)

室内可见光MIMO通信码间干扰分析与接收视场角优化

杨春勇，吕云龙，侯 金，陈少平

(中南民族大学 电子信息工程学院，智能无线通信湖北省重点实验室，武汉 430074)

针对可见光MIMO通信过程中多径时延造成的码间干扰对可见光通信系统性能影响问题，采用光线追踪分析方法建立了室内系统模型及码间干扰模型，讨论了多输入多输出的室内通信环境下，不同LED布局下光学天线视场角大小对系统码间干扰及误码率的影响.研究结果表明：当数据传输速率为100Mbit/s时，存在一种LED布局使整个接收平面能满足基本通信所要求的10-6误码率阈值.在此结构的基础上分析可知，随着视场角的逐渐增大，接收平面的盲区会逐渐消失，但系统码间干扰会随之增加.在接收机视场角为 43°时，平均信噪比最大并能达到室内最佳覆盖，此时能有效减小多径效应及码间干扰并提高系统传输性能.

可见光通信；多输入多输出；视场角；码间干扰

多输入多输出(MIMO)通信技术应用于室内可见光(VLC)通信系统一方面有利于提高系统通信容量，另一方面也存在较大的码间干扰.围绕可见光MIMO通信系统的码间干扰问题，国内外的一些学者沿着光学天线设计的技术方向进行了较深入的研究，取得了一些阶段性进展.

文献[1～3]研究了小视场角(FOV)分集接收系统性能，设计了一种半球形或多面体形的接收天线.这种天线虽然能给系统带来较高的光学增益，但是其天线体积较大.文献[4～6]讨论了MIMO成像分集接收机，相比非成像接收机，它体积更小，集成度更高，但这种天线在工程中实现也比较复杂.文献[7,8]利用宽视场接收天线提高增益，但其存在较严重的码间干扰问题.文献[9～11]通过讨论不同LED布局及FOV、传输速率对系统性能的影响，但并没有确定缓解码间干扰的视场角设计优化方向.

综合分析现有研究进展，VLC光学天线的设计与参数优化对增强光学增益、提高系统性能有一定作用，但这些研究均未明确MIMO环境下的FOV选择与系统性能优化之间的关系.本文针对此问题，依据设定的室内MIMO系统模型及码间干扰模型，采用光线追踪方法分析不同LED布局下的天线FOV与系统信噪比及误码率的关系，及其对系统码间干扰所产生的影响，通过确定最佳LED布局及接收天线FOV，从而获得在室内接收平面上得到较好的覆盖效果并减小多径效应对系统的影响.

1 系统模型

1.1 室内系统模型

为保证系统照明强度足够且房间光照分布均匀，采用多个LED阵列作为光源.将室内VLC系统设定在一个空的房间里，房间大小长宽高为6m×6m×3m，模型如图1a)所示.4个LED阵列按正四边形分布安装在天花板对角线上，每个LED阵列中心之间的间距为dTX，且每个阵列由16(4×4)个LED单元组成[12].设定接收机平面离地面高为0.8m，4个间距为dRX的接收机也成正四边形结构分布在接收平面上.为了便于讨论问题，选取接收平面上均匀分布的900个接收点进行仿真分析.

在室内VLC系统中，基于朗伯辐射模型建立两种信道链路模型，如图1b)所示.视距链路(LOS)和非视距链路(NLOS)，图中φ表示发射光角度，ψ为入射光角度，FOV为接收天线视场角，D为LED与接收天线之间视距链路距离.据文献[10]，LOS链路接收功率占总功率的95%，而NLOS链路中的一次反射部分占3.37%，因此本文仅讨论可见光经过直射和墙面一次反射到达接收机的情况.

图1 系统模型Fig.1 System model

1.2 接收机信噪比和误码率

设MIMOVLC系统具有Nt个LED发送端和Nr个光检测器，接收端的信号可以表示为：

y=Hx+n,

(1)

其中x=[x1…xNt]T和y=[y1…yNr]T分别是发送端和接收端信号矢量，n为系统总噪声矢量，H是信道矩阵[13]：

(2)

其中Hij表示从Nt发射端到Nr接收端的直流增益，表示为：

(3)

其中Hd(0)表示直射链路信道增益，Href(0)表示反射链路信道增益.Href(0)可表示为：

(4)

又，一次反射信道增益dHref(0)为：

dHref(0)=

(5)

其中d1为LED到反射点的距离，d2为反射点到接收机的距离，ρ为墙面反射系数.

为方便问题讨论，采用RCMIMO技术[14,15].即所有发射机在同一时间发射相同的信号，利用RC结合M进制脉冲幅度调制(M-PAM)能够实现频谱效率为R=log2(M)bit/s/Hz，同时接收端采用最大比合并(MRC)算法进行信号合并接收[16].基于以上技术方法应用，接收机误码率、信噪比可表示为：

(6)

(7)

(8)

热噪声为：

(9)

1.3 码间干扰模型

为便于研究空间信道传输时延，忽略信号在电缆中的传输时延.房间模型中的天花板上的光信号分别经过不同的路径到达接收端，它们之间的时延有可能会造成两个脉冲符号的重叠或交叉，导致接收端无法正确抽样出信号，误码率进一步增加，进而限制了通信速率和质量.也即码间干扰(ISI)由多径传输造成的.本文用信噪比和误码率评估系统性能.接收功率不仅包含信号功率，还包括码间干扰功率，均考虑统计到噪声功率之中.为便于分析，假定ISI功率为：信号到达接收机的时间与第一个到达接收机信号的时间差小于符号周期的一半，判定为信号功率，其他的视为ISI功率.

(10)

(11)

其中j为信号路径个数，T为符号周期.

2 实验与讨论

为有效评估不同LED阵列分布下的接收机FOV与系统码间干扰之间的关系，按照系统模型配置相关参数，如表1所示.

表1 系统参数

在室内可见光MIMO系统中，为分析FOV和ISI的关系，设定LED间距为3 m，接收机间距为0.1 m，传输速率为100Mbit/s，频谱效率R=2.分别仿真了FOV为40°、50°、 60°、70°时的室内接收平面上ISI的分布如图2 a)、b)、c)、d)所示.

图2 LED间距为3m时，不同FOV下的ISI分布. FOV= a)40°b)50°c)60°d)70°Fig.2 When spacing between LED is 3m,the distribution of ISI under different FOV. FOV= a)40°b)50°c)60°d)70°

从图2中可以看出，当FOV较小时，处于LED源正下方区域内的信号码间干扰较小，且房间中心位置会存在盲区.为了确保通信系统均匀覆盖，有必要在设计上保证室内无盲区接收.随着FOV的增大，盲区会逐渐消失，LED正下方区域内的ISI逐渐增大，室内中心位置和墙边的ISI则随之减小.同样还可以进一步看到，室内接收面平均ISI功率随着FOV变化发生的相应变化，如图3所示.

图3 平均ISI功率与FOV的关系Fig.3 The relationship between the power of ave-ISI and FOV

图3反映了接收平面平均ISI功率随着FOV变化的数值关系.FOV小于50°时，两者关系较平缓；FOV处于50°～70°之间时，ISI功率会显著增强，FOV大于70°时这种关系又会变的平缓.综合来看，为了使接收到的ISI功率尽可能小，FOV适宜选择小于50°.进一步，图4在图2、图3的工作基础上显示了几种不同FOV下的接收面误码率的分布，可见这种分布与ISI功率分布存在近似规律，这是因为ISI会影响系统误码率及通信可靠性.为了使室内接收平面都能有较好的通信质量，必须使接收端满足正常通信所需的性能阈值条件BER<10-6，这个是必要条件.

根据以上分析FOV与ISI、BER的关系，尽管可看出一定规律，但还不能确定系统最优化码间干扰下的LED间距和接收机FOV的具体数值.为此，本文进一步仿真讨论接收平面上满足BER<10-6阈值的接收机个数，如图5所示，x轴为LED间距一半(d0=1/2dTX)，y轴为接收机FOV，z轴为接收平面上满足要求的接收机个数，从图中看出某种条件下接收平面的900个接收机都满足基本通信需求.自此对不同LED间距和接收机FOV下的接收面平均信噪比分布进行分析如图6所示.其中最大的平均SNR=54.7577dB，此时d0=1.5m，FOV=43°，而且接收平面上的接收机都满足基本通信要求.这里可确定100Mbit/s时的最佳接收机间距为3m，接收机FOV为43°，此时能最大化缓解多径效应带来的码间干扰问题，并提高系统整体通信性能.

图4 LED间距为3m时，不同FOV下的BER分布. FOV= a)40°b)50°c)60°d)70°Fig.4 When spacing between LED is 3m, the distribution of BER under different FOV. FOV= a)40°b)50°c)60°d)70°

图5 不同d0及FOV下接收面上BER<10-6的个数分布Fig.5 Distribution of number of BER<10-6 under different d0 and FOV

图6 不同d0及FOV下接收面上平均SNR分布Fig.6 Distribution of ave_SNR under different d0 and FOV

3 总结

本文依据所建立的室内MIMO可见光通信模型及码间干扰模型，分析了不同LED间距场景下的光学天线FOV与系统码间干扰、误码率之间的关系，并进行数值仿真计算.根据仿真结果，可确定在通信速率为100Mbit/s、发射机间距为3m、接收机FOV为43°时，能使接收平面上的接收机都满足基本通信要求，且接收面平均SNR达到最大值，此时能最大化缓解MIMO系统多径效应带来的码间干扰的影响，提高系统传输性能，为LED布局及光学天线视场角的选择提供了有利的参考依据.之后的研究还可以在正交频分复用(OFDM)、均衡或者成像透镜接收机等方面来缓解系统码间干扰.

[1] Kong M, Liang Z, Zhang G. Optical receiving antenna design based on angle diversity technology[J]. Infrared & Laser Engineering,2012, 41(3):750-754.

[2] Mmbaga P F, Thompson J, Haas H. Performance Analysis of Indoor Diffuse VLC MIMO Channels Using Angular Diversity Detectors[J]. Journal of Lightwave Technology, 2016, 34(4):1254-1266.

[3] Nuwanpriya A, Ho S W, Chen C S. Indoor MIMO Visible Light Communications: Novel Angle Diversity Receivers for Mobile Users[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2015, 33(9):1780-1792.

[4] Zeng L, O'Brien D C, Minh H L, et al. High data rate multiple input multiple output (MIMO) optical wireless communications using white LED lighting[J]. Selected Areas in Communications IEEE Journal on, 2009, 27(9):1654-1662.

[5] Li B, Lai X, Wang J, et al. Performance analysis of the imaging receivers using a hemispherical lens for Visible Light Communications[C]//IEEE. International Conference on Wireless Communications & Signal Processing.New Jersey: IEEE, 2013:1-5.

[6] Chen T, Zheng Z, Liu L, et al. High-Diversity Space Division Multiplexing Visible Light Communication Utilizing a Fisheye-Lens-Based Imaging Receiver[C]// IEEE.Optical Fiber Communications Conference and Exhibition. New Jersey:IEEE, 2015:1-3.

[7] Stefan I, Haas H. Analysis of Optimal Placement of LED Arrays for Visible Light Communication[C]//IEEE. Vehicular Technology Conference. New Jersey:IEEE, 2013:1-5.

[8] Wang T Q, Sekercioglu Y A, Armstrong J. Analysis of an Optical Wireless Receiver Using a Hemispherical Lens With Application in MIMO Visible Light Communications[J]. Journal of Lightwave Technology, 2013, 31(11):1744-1754.

[9] Gao M, Lan T, Zhao T, et al. Research on field of view of optical receiving antenna based on indoor visible light communication system[C]// ISOP.International Conference on Optical Instruments and Technology.New York: International Society for Optics and Photonics, 2015:208-209.

[10] Komine T, Nakagawa M. Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights[J]. Consumer Electronics IEEE Transactions on, 2004, 50(1):100-107.

[11] Choi S I. New Type of White-light LED Lighting for Illumination and Optical Wireless Communication under Obstacles[J]. Journal of the Optical Society of Korea, 2012, 16(3):203-209.

[12] 杨春勇, 杨 杰, 侯 金,等. 室内可见光通信遮挡场景下的可靠性评估[J]. 中南民族大学学报(自然科学版), 2016, 35(1):89-94.

[13] Chen C, Basnayaka D, Haas H. Non-line-of-sight channel impulse response characterisation in visible light communications[C]// IEEE. International Conference on Communications. New Jersey:IEEE, 2016:1-6.

[14] Tran N A, Luong D A, Thang T C, et al. Performance analysis of indoor MIMO visible light communication systems[C]// IEEE. Fifth International Conference on Communications and Electronics. New Jersey:IEEE, 2014:60-64.

[15] Fath T, Haas H. Performance Comparison of MIMO Techniques for Optical Wireless Communications in Indoor Environments[J]. Communications IEEE Transactions on, 2013, 61(2):733-742.

[16] Tuyen L P, Bao V N Q. Comparison of diversity combining techniques for MIMO systems[C]// IEEE.The Asia Pacific Conference on Communications.New Jersey: IEEE, 2011:295-300.

Analysis of Inter-Symbol Interference and Optimization of Receiver Field-of-View in Indoor Visible Light MIMO Communication System

YangChunyong,LüYunlong,HouJin,ChenShaoping

(Hubei Key Laboratory of Intelligent Wireless communication, College of Electronics and Information Engineering, South-Central University for Nationalities,Wuhan 430074,China)

Aiming at the influence of the intersymbol interference caused by multipath delay on the performance of visible light communication system in visible light MIMO communication. Ray tracing method is adopted to establish the channel model and intersymbol interference model. The effects of various LED layout and antenna FOV to the system intersymbol interference and bit-error rate has been analyzed in indoor MIMO condition. Results show that there is a LED layout so that the entire receiving plane satisfies the basic communication requirements of 10-6BER when the transmission rate is 100Mbit/s.On the basis of this layout, the receiving blind spot disappear slowly and the intersymbol interference increase with the increase of FOV. When the receiving angle is 43°, the average SNR reach maximum value and meet the best indoor coverage. Under this condition the multipath effect and the ISI can be effectively reduced and the system performance can be highly improved.

visible light communication; multi-input multi-output; filed of view; intersymbol interference

2016-12-20

杨春勇(1975-)，教授，博士，研究方向：光通信系统与网络、无线传感器网络和仪器仪表，E-mail:cyyang@mail.scuec.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(61002013、11147014)； 湖北省自然科学基金资助项目 (2014CFA051)

TN914

A

1672-4321(2017)02-0085-06