用于室内无线光通信的鱼眼镜头成像接收技术研究

陈特 郑重 高梓贺 陶滢

【摘  要】针对室内无线光通信对接收机的大接收视场、高机动性等要求，提出了一种新型的鱼眼镜头成像接收方案，并进行了建模研究和仿真分析。仿真结果表明，该接收方案在典型室内环境下具有接收视场大、机动性强、抗背景噪声、信号时延扩展小等诸多优良特性，在室内无线光通信中具有良好的应用前景。

【关键词】无线光通信;鱼眼镜头;成像接收机

1   引言

近年来，随着移动互联网技术的迅猛发展和大数据时代的到来，人们对无线通信业务的需求和要求也越来越高。然而，随着无线通信业务需求量的指数级增长，传统的无线通信技术遇到了难以突破的瓶颈——短缺的频谱资源。在这种情况下，研究者逐渐将目光由“电域”转移到“光域”，特别是进入21世纪以来，随着固态照明技术的进步，基于照明发光二极管（Light Emitting Diode，LED）的室内无线光通信技术已成为国内外的研究热点，被视为实现新一代无线高速接入的重要技术[1-3]。

当前国内外对室内无线光通信的研究主要集中在调制带宽受限（几兆赫兹到几十兆赫兹）的条件下实现高速的数据传输[4-8]，而对实际应用环境下系统的机动性没有特殊的关注。在实际的室内无线通信场景中，用户终端通常具有一定的移动性，接收端相对于发射端的角度也具有随机变化特性，这对接收机的机动性、接收视场等提出了很高的要求。传统的角度分集接收方案利用具有一定角度排布特性的探测器阵列可实现广角接收[9-10]，然而在接收到信号光的同时往往会接收到更多的背景光和反射光，这会导致背景光噪声和多径展宽的增强，很难满足室内无线光通信的需求。

针对上述问题，本文提出了一种新型的用于室内无线光通信的鱼眼镜头成像接收方案。该方案利用鱼眼镜头和探测器阵列实现大视场的无线光信号接收，具有结构简单、机动性强、抗背景噪声、抗多径衰落等优良特性，在未来室内无线光通信中具有良好的应用潜力。

2   鱼眼镜头成像接收方案及其接收模型

2.1  鱼眼镜头成像接收方案

本文提出的鱼眼镜头成像接收方案如图1所示。该接收机由鱼眼镜头和探测器阵列构成，其中鱼眼镜头作为成像接收镜头将空间光信号投影到焦平面上，而位于接收平面处的探测器阵列则实现对光信号的接收。由于鱼眼镜头可以将不同入射方向的光信號投影到探测器阵列的不同单元，因此通过硬判决选取接收信号功率最高的探测器单元即可完成通信链路的建立。

鱼眼镜头是一种基于仿生学的超广角镜头，鱼眼镜头成像接收机应用于室内无线光通信具有很多优势。首先，由于鱼眼镜头具有超宽接收视场、高照度均匀性、超高成像质量等优点[11-12]，该成像接收机能够在入射角不断变化的情况下依然正常工作，从而实现较高的机动性。其次，由于鱼眼镜头可以将不同入射方向的光束投影到探测器阵列的不同位置，可以有效区分来自不同方向的信号光、背景光、反射光，从而显著提高接收性能。此外，鱼眼镜头的投影成像面很小（几十平方毫米）[12]，与商用的探测器阵列相匹配，因此鱼眼镜头易于与探测器阵列相集成，从而有效提高系统的稳定性和可靠性。

2.2  多项式接收模型

3   仿真分析

在多项式接收模型的基础上，本文将对鱼眼镜头成像接收机的接收性能进行具体的仿真分析。仿真基于前期的研究成果[14-15]，采用商用的鱼眼镜头和5×5的探测器阵列构成鱼眼镜头成像接收机，接收机具体参数如表1所示。

3.1  不同倾斜角情况下的接收功率

在实际的室内无线通信场景中，接收机有可能相对于发射光源被放置呈任意倾斜角。因此，本文首先仿真分析在不同倾斜角情况下鱼眼镜头成像接收机的接收功率。

图2为硬判决之后的归一化接收功率随方位角φ和俯仰角θ变化的分布情况。由于接收机的对称性，图2只给出了φ在0°到90°变化范围内的结果（当φ由90°变化到360°时，图2的结果会重复出现）。可以看到，无论接收机怎样倾斜，系统所接收到的光功率并没有发生显著的劣化（最小接收功率为-2.75 dB）。因此，相比于传统的无线光通信接收机，鱼眼镜头成像接收机具有更大的接收视场，可以为室内无线光通信提供更好的机动性。

3.2  典型室内环境下的接收功率

接下来本文重点研究在典型室内环境下鱼眼镜头成像接收机的接收性能。在这里，假设LED灯具位于房屋天花板的正中央，具体的仿真参数如表2所示：

图3（a）所示为鱼眼镜头成像接收机在室内不同位置时的接收功率分布，最大值和最小值分别为-11.18 dBm和-18.49 dBm。图3（b）所示为相同条件下采用传统接收机时的接收功率分布。在经过硬判决之后，鱼眼镜头成像接收机相比于传统接收机的平均接收功率代价仅为3.37 dB。此外，鱼眼镜头成像接收机在整个室内环境下均可以接收到相对较高的功率，远大于跨阻放大器件（AD8015）-36 dBm的光接收灵敏度[9]。

为了提供在移动环境下更直观的结果，本文还计算了当鱼眼镜头成像接收机在室内移动时的接收功率。接收机的移动轨迹如图4（a）所示，图4（b）为随着接收机在室内位置的变化，不同探测器单元的接收功率变化曲线，其中PDij表示探测器阵列第i行第j列的探测器单元。可以看到，通过简单的硬判决选择最大的接收功率，系统在移动环境下可以提供很好的接收机动性。

3.3  接收背景光噪声分析

在室内无线光通信系统中，背景光是最主要的噪声源之一。由于背景光与信号光在接收端完全混叠，因此背景光噪声很难得到有效的抑制。针对这个问题，本文提出的鱼眼镜头成像接收机可以有效抑制背景光。在实际的室内通信场景中，背景光主要来源于太阳或其他照明灯具，且与信号光通常具有不同的来源方向。由于鱼眼镜头可以有效区分不同入射方向的光束，将其投射到不同的探测器单元上，因此在经过硬判决之后背景光噪声可以得到有效的滤除。

在前文设定的典型的室内通信场景下，假设天花板上的四个角落分别安有一组LED灯具，参数如表3所示。与天花板中央的LED光源不同，角落的四盏燈具仅提供室内照明，而不进行数据传输，因此它们是室内无线光通信的背景光源。

为了验证鱼眼镜头成像接收机可以有效抑制背景噪声，本文仿真对比了采用鱼眼镜头成像接收机和采用传统接收机两种情况下的背景光接收功率分布，如图5所示。当采用传统接收机时，室内环境下背景光接收功率的最大、最小和平均值分别为-6.48 dBm、-9.11 dBm和-7.22 dBm，甚至会超过信号光的接收功率，这将严重影响室内无线光通信的性能。而当采用鱼眼镜头成像接收机时，即使背景光源的总发光功率（100 W）大于信号光功率（80 W），但经过硬判决后系统仅接收到极弱的背景光（最高值-24.61 dBm，平均值-29.42 dBm）。因此，鱼眼镜头成像接收机具有很好的抗背景噪声特性，在典型室内环境下相比于传统接收机的平均背景噪声抑制比高达22.2 dB，因此可以有效提高室内无线光通信性能。

3.4  信道时延扩展分析

在室内无线通信环境下，由于墙面反射光的入射角通常远大于直射光的入射角，因此鱼眼镜头成像接收机在保证大视场接收的同时，还可以在空间上区分并有效抑制反射光对通信性能的影响，从而显著改善信道多径干扰的问题。

本文利用基于光子追踪算法的蒙特卡洛方法，对室内环境下的信道冲激响应和时延扩展进行仿真计算。图6所示为采用鱼眼镜头成像接收机和传统接收机两种情况下，在室内（3.5 m， 3.5 m）处的信道冲激响应对比图。可以看到，鱼眼镜头成像接收机可以有效抑制反射光，特别是一次反射光对多径展宽的影响。

图7为采用鱼眼镜头成像接收机和传统接收机的时延扩展分布对比图。当采用传统接收机时，室内环境下信道RMS延时扩展的最大值、最小值和平均值分别为5.44 ns、1.03 ns和3.06 ns。当采用鱼眼镜头成像接收机时，由于可以有效抑制反射光的影响，延时扩展的最大值、最小值和平均值分别仅为1.02 ns、0.18 ns和0.51 ns。

对于不使用均衡器的通信系统来说，系统的最大传输符号速率Rs与RMS时延扩展τRMS之间的关系可以表示为：Rs ≤（10τRMS）-1。由此可以计算得到采用鱼眼镜头成像接收机的最大传输符号速率（在室内环境下平均224.68 Baud）相比于传统接收机（平均37.67 Baud）提高了6倍。可见，鱼眼镜头成像接收机可以供更高的信道带宽，因此在未来高速室内无线光通信中具有良好的应用潜力。

4   结束语

室内无线光通信对接收机的接收视场、机动性以及抗背景光、抗多径衰落等特性提出了较高的要求。为此，本文提出了一种新型的鱼眼镜头成像接收方案，并进行了建模研究和仿真分析。鱼眼镜头成像接收机可利用鱼眼镜头的超宽视场特性实现超大视场的光信号接收，并通过硬判决选取接收功率最高的探测器单元完成无线链路的建立。仿真结果表明，该接收方案在典型室内无线通信环境下具有良好的机动性和接收性能，相比于普通接收机，平均背景噪声抑制比高达22.2 dB，信道带宽可以提高6倍。鱼眼镜头成像接收机由于具有机动性强、抗背景噪声性能好、信号时延扩展小等诸多优良特性，在室内无线光通信中具有良好的应用前景。

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