雾天对混沌PPM的LED光通信系统误码率影响

王凤英，秦 岭，胡晓莉，郭 瑛

(内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古 包头 014010)

1 引言

大气信道十分复杂，雾天对光信号产生散射作用，造成能量不断衰减，严重时导致接收端无法探测到信号[1-2]。因此，对LED光在雾天的传输特性进行分析具有重要意义。光通信系统中常用的调制技术之一是PPM调制[3]。2010年粟嘉等通过对混合FSO/RF系统雨、雾天气下的误码率进行研究，从仿真结果中分析出雾是影响FSO系统的最主要因素，同时还对雨、雾天气情况下的开关键控(OOK)和脉冲相位调制(PPM)的性能进行了仿真分析。验证了在无线光通信系统中，PPM调制系统性能要优于OOK调制系统的性能[4]。2013年刘景龙对雾天、雨天、雪天三种情况下的光通信系统性能、工作区内通信质量进行了仿真[5]。2017年秦岭等为了降低误码率和提高通信距离，在原有的PPM调制技术上增加了同步帧头，便于确定信息位的到来，从而实现在复杂环境下的LED交通灯与车辆的高质量通信要求[6]。2018年金陈潇帅通过仿真计算得，当通信距离为10km，发射端半功率角为5°，采用50mm焦距、0.95光圈的接收透镜，大气透射率为0.8T时，信道衰减为106.37dB[7]。

2011年K. Cui等对室外交通灯对车可见光通信系统LOS链路特性进行了深入的研究。首先描述了视距链路中可能存在的干扰，包括背景太阳辐射和人工光源。研究了商用现货(COTS)LED交通灯作为发射器件的频率响应，揭示了普通LED交通灯的调制带宽为3～5mHz。提出了理论的视轴路径损耗模型，并通过实测结果进行了验证。最后，对基于上述特性的实际通信系统性能进行了评估，结果表明，在电子噪声受限的情况下，在75m的距离上，可以达到1mbit/s的数据速率，原始误码率为10-2[8]。2015年Y. H. Kim等提出了一种基于可视光通信技术的雾天车对车通信方法，在基于VLC的V2V系统中，对雾环境的影响进行了实验分析。在识别衰减系数最小和车辆尾灯颜色的基础上，使用一个红色发光二极管(LED)进行实验。此外，利用菲涅尔透镜和多个光电二极管有效地抵消了雾造成的损害[9]。2017年Fatima Hussain等提出了公路旁资产的基础设施通过使用Foglets进行管理，在车头/尾灯与Foglets之间建立了通道模型。根据车辆与Foglets之间的不同距离，计算从视距和非视距接收到的总光功率。结果表明，主要贡献来自于LOS路径。同时，采用OOK调制，分析VLC链路的BER与雾滴和头/尾之间距离的关系，随着距离的减小，误码率降低，在20米时，误码率略小于10-5[10]。

目前光通信系统中误码率较高，采用扩频技术可以降低通信系统误码率，而混沌信号具有伪随机性，它的自相关和互相关很好，满足扩频序列的要求，容易产生且具有保密性[11]。因此，本文将混沌扩频与PPM技术相结合，实现雾天对CPPM的LED光通信系统误码率的影响的研究。仿真结果表明，该系统可进一步降低光通信系统的误码率，并能提高可见光通信系统安全性。

2 系统设计

雾天往往伴随着人们的日常生活，对车辆交通造成了不同程度的影响，图1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交通灯作为发射机透过近地面空气信道的无线光通信系统性能中的误码率指标不高于10-6，同时信噪比指标不低于13.6dB 为工作区[4]。

图1 雾天LED交通灯与车辆间通信的系统模型

2.1 CPPM调制

2.1.1 混沌扩频

混沌扩频序列在很多方面具有传统扩频序列无法比拟的优势，例如初值敏感性、类噪声性、非周期性等，使其非常适合于扩频通信系统。由于Logistic映射电路结构简单，容易实现[12]，本文选用Logistic映射。

二值的Logistic映射表达式

(1)

其中μ被称为Logistic参数，研究表明，当xn∈(0，1]且μ∈(3.569945…，4]时，Logistic映射工作处于混沌状态，也就是说，给定初始条件x0，在Logistic映射作用下产生的序列是非周期的，不收敛的。本文中μ=4，sgn(x)为符号函数。

2.1.2 PPM调制

PPM的原理是把一确定时间段分成M等份，每等份称为一个时隙。在某个时隙发出一个脉冲，其它时隙上无脉沖，则这一确定时间段就是一个PPM信号。本文选择256-PPM调制发送二进制数据，设一帧传输时间为T(s)，那么信息传递速率T/8(bit/s)。

2.2 雾衰减预测模型

LED光脉冲信号由于受到天气的吸收和散射影响，导致LED光脉冲在大气传输时能量的指数衰减，结果将引起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，雾衰减模型主要由Kruse模型和Kim模型给出的[4]。

雾衰减预测模型，模型中信道衰减系数αfog的表达式为

(2)

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；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[13]。

q参数为：

(3)

2.3 接收机的信噪比

(4)

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

P=H(0)Pte-αfogd

(5)

(6)

(7)

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；αfog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；如图1所示。

3 仿真及性能分析

3.1 雾天信道信噪比仿真

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1所示。仿真结果如图2所示，横坐标为距离大小，纵坐标为信噪比。距离取值0到90m，步长1。

表1 仿真参数

图2 不同能见度信噪比与距离曲线

从图2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。

3.2 光通信系统误码率仿真

3.2.1 能见度一定，不同扩频码误码率与距离关系

本文选256-PPM和CPPM这2种调制方式进行比较。256-PPM调制和CPPM中同一混沌扩频码分别进行蒙特卡罗1000次实验，随机发送长度为32位信息码。扩频和解扩时所用Logistic映射的初始值均(即密钥)为0.289999，在能见度为0.5km(中雾)，混沌扩频码长度N为9，10，16的条件下，分别测试不同距离下该可见光通信仿真系统的误码率。仿真结果如图3所示，横坐标为距离大小，纵坐标为误码率。距离取值2到90m，步长2。

图3 不同扩频码时误码率与距离曲线

从图3可以看出，当N=9时，PPM调制可见光通信系统比CPPM可见光通信系统的误码率低，优于CPPM光通信系统；当N大于9时，CPPM可见光通信系统的误码率低于PPM调制可见光通信系统的误码率。在距离为82m，混沌扩频码长度N等于16时，可见光通信系统的误码率为1.25×10-4，小于PPM可见光通信系统误码率2.2× 10-2，通过混沌扩频可降低光通信系统的误码率，实现高质量通信。

3.2.2 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32位信息码，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到19，步长2。从图4可以看出，距离为3米时，信噪比低，误码率高，基本无法接收的发送信息；距离在7～72米，信噪比高，误码率为0，可以无失真接收到发送信息；距离大于72米，即73，82米，随着扩频码长度增加，误码率逐渐降低。

图4 不同距离时误码率与扩频码曲线

3.2.3 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32位信息码，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5所示，横坐标为距离大小，纵坐标为误码率。距离取值2到90m，步长2。

图5 不同能见度下误码率与距离曲线(密钥一致)

从图5可以看出，从图中可以分析，晴朗下误码率<薄雾下误码率<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降低(雾越大)误码率越高，其对LED光传输时衰减程度就越大。

由图2和图5可以总结出室外LED交通灯工作区间，如表2所示。从表2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2 工作区间

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CPPM调制系统误码率BER随着距离变化曲线图，如图6所示。由图6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，在图5中通信距离工作区间误码率约为0.01，系统无法接收到正确的信息。因而本系统可保证传输信息的安全性。

图6 不同能见度误码率与距离曲线(密钥不一致)

4 结束语

研究雾天对CPPM调制可见光通信系统误码率的影响，根据仿真结果可知，雾天能见度越大，可见光通信系统的误码率越低。CPPM调制系统与PPM调制系统相比，当混沌扩频码大于9后，CPPM调制系统误码率低于PPM调制系统误码率。利用混沌对初始值的敏感性，对CPPM可见光系统传输的信息实现加密，

保证传输信息的安全性。通过优化混沌序列的构造、减小放大电路噪声等方式，可以进一步提升系统性能。综上，对于远距离、高速率光通信而言，将混沌扩频与PPM调制相结合可以克服长距离信道引入的干扰，有效保证通信性能，具有较好的应用前景。本文分析雾天对CPPM调制系统的误码率，为该系统的实际应用提供一定的参考价值。