2016, Vol. 33扩展功能
文章信息
- 秦岭, 巨永锋, 杜永兴, 包旭
- QIN Ling, JU Yong-feng, DU Yong-xing, BAO Xu
- 智能交通中新型可见光通信系统性能研究
- Study on Performance of New Visible Light Communication System in Intelligent Transport
- 公路交通科技, 2016, 33(7): 114-118
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2016, 33(7): 114-118
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2016.07.018
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文章历史
- 收稿日期：2015-06-08
2. 内蒙古科技大学 信息工程学院, 内蒙古 包头 014010 ;
3. 江苏省交通运输与安全保障重点实验室, 江苏 淮安 223003
2. School of Information Engineering, Inner Mongolia University of Science & Technology, Baotou Inner Mongolia 014010, China ;
3. Jiangsu Provincial Key Laboratory for Transportation and Security, Huaian Jiangsu 223003, China
近年来，LED灯以小尺寸、长寿命、低功率消耗的优势被应用在越来越多的场合，例如，大尺寸的LED显示屏、汽车的头尾灯、路灯、交通灯等[1-3]。另外，将LED灯与通信组合起来的可见光通信正在发展，并且受到了美国、日本、欧洲各国的关注和认可[3]。可见光通信是利用配备的LED照明设备发出人的肉眼察觉不到的高速调制信号，然后利用光电二极管等光电转换器件对可见光信号进行接收，主要应用在无线室内连接和智能交通系统。在照明的同时完成了通信，避免了重复投资，节约了成本[4-5]。在智能交通中，LED光通信一般应用于十字路口通过信号灯和汽车之间的无线光通信进行交通疏导与指挥。在国内，丁德强等[6]基于新的白光LED发光模型，对室内可见光通信系统白光LED阵元发射天线进行了优化设计。吴方明等[7]对高速短距离室内可见光通信的调制技术进行了相关研究。目前,国内一些高校、科研机构绝大多数的研究工作集中于室内无线连接和提高通信速率的研究，尚缺少对智能交通中可见光通信关键技术的系统研究。在国外，N.Kumar等[8]提出了基于LED交通灯、采用DSSS结合SIK技术的可见光广播系统。A.M.Cailean等[9]设计并用硬件实现了LED交通灯和车辆间的可见光通信系统。智能交通中可见光通信的关键技术之一是调制技术，常见的有开关键控 (On-Off Keying,OOK)和单脉冲位置调制(Pulse Position Modulation,PPM)两种。与二者相比，多脉冲位置调制(Multi-pulse Pulse Position Modulation，MPPM)在带宽利用率、功率利用率和信道容量方面均有较大优势，但是实现相对复杂并要求严格同步[10]。在目前的研究中，尚未见到MPPM在不同天气环境下应用于LED交通灯与车辆间的室外可见光通信系统性能方面的研究。本文研究相同调制方式下，雨、雪、雾等典型天气条件下系统的接收机信噪比；比较相同天气条件下，采用MPPM、OOK等不同调制方式的可见光通信系统的性能，并进行试验验证。
1 系统模型LED交通灯与车辆间通信的系统模型如图 1所示。
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| 图 1 系统模型 Fig. 1 System model |
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假定LED交通灯与车辆间是视距链路，即LED交通灯发射的信号没有被前方车辆遮挡，道路上有两条车道，每条车道的宽度为4 m，车辆行驶方向定义为x轴，路宽方向定义为y轴，LED交通灯高度方向定义为z轴。接收机被固定在汽车前盖的中心位置，与垂直方向的夹角为θ且接收视角的一半用Ψc表示。由图 1可以得到LED交通灯和接收机之间距离d的表达式[11]：
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(1) |
式中，Z为LED交通灯高度Hl与接收机高度Hr的差值，Z=Hl－Hr，且假定第1车道汽车的y=0 m，第2车道汽车的y=4 m。
由图 1所示,发射机的辐射角为φ,接收机的入射角为ψ[11]，车道长度方向距离为x，车道宽度方向距离为y，则有：
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(2) |
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(3) |
由式(1)～式(3)可以看出，汽车的位置改变时，φ和ψ也跟着改变。系统参数如表 1所示。
| 参数 | 数值 |
| LED交通灯高度/m | 5.3 |
| 接收机高度/m | 1.0 |
| 接收机接收视角(半角)/(°) | 7.6 |
| 接收机垂直倾角/(°) | 79.1 |
3 典型天气条件下接收机信噪比
典型天气条件下,LED交通灯与车辆间的可见光通信系统接收机信噪比为[12]：
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(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，可以通过发射机发射的平均光功率Pt、信道的直流增益H(0)、衰减系数σ等获得，如式(5)所示；σ2total为全部的噪声功率,包括背景光引起的散粒噪声σ2shot和接收机热噪声σ2thermal两部分，如式(6)所示。
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(5) |
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(6) |
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(7) |
式中，A为光电探测器的感应面积；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；阶数m与LED灯的半功率半角Φ1/2有如下关系：
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(8) |
由于在实际应用中，占空比r为0.25的归零OOK和4-PPM已经作为一种标准[12]。所以，本文选用占空比为0.25的归零OOK、4-PPM和(4,2)MPPM这3种调制方式进行比较。当在LED交通灯与车辆间的可见光通信系统中使用占空比为0.25的归零OOK时，可以得到不同天气条件下的接收机信噪比，如图 2所示。仿真参数如表 2所示。
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| 图 2 典型天气条件下占空比为0.25的归零OOK调制的接收机信噪比 Fig. 2 Receiver SNRs of OOK modulation under typical weather condition (RZ,r=0.25) |
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| 参数 | 数值 |
| LED的波长/nm | 505 |
| 光电探测器转换效率 | 0.35 |
| 发射机发射的平均光功率/mW | 314 |
| 光电探测器感应面积/cm2 | 0.79 |
| 内部折射率 | 1.7 |
| 接收机滤波器增益 | 1.0 |
| LED的半功率半角/(°) | 15 |
| 降雨量/(mm·h-1) | 12.5 |
| 能见度/km | 0.5 |
| 降雪量/(mm·h-1) | 2 |
从图 2可以看出，无论是晴天，还是雨、雾、雪等天气条件下，LED交通灯与车辆间可见光通信系统的接收机信噪比都随着车道长度方向距离x的增大而先增大后减小。而且，与晴天相比，系统在雾天时信噪比最低，其次是干雪天，雨天和湿雪天信噪比下降得最少，且相差不多。
同理可得，在LED交通灯与车辆间的可见光通信系统中使用4-PPM和(4,2)MPPM时，不同天气条件下的接收机信噪比，如图 3、图 4所示。
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| 图 3 典型天气条件下4-PPM调制的接收机信噪比 Fig. 3 Receiver SNRs of 4-PPM under typical |
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| 图 4 典型天气条件下(4,2)MPPM调制的接收机信噪比 Fig. 4 Receiver SNRs of (4,2) MPPM under typical |
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从图 3、图 4可以看出，系统的接收机信噪比也是随着车道长度方向距离x的增大而先增大后减小。且与晴天相比，系统在雾天时信噪比最低。
为了容易实现同步，在4-PPM信号前加入同步头，以便实现信号的同步，如图 5所示。
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| 图 5 带有同步头的4-PPM信号帧 Fig. 5 Signal frame of 4-PPM with synchronization head |
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比较相同天气条件下不同调制方式时，LED交通灯与车辆间可见光通信系统的接收机信噪比,如图 6(a)～(e)所示。
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| 图 6 相同天气条件下3种调制方式的接收机信噪比 Fig. 6 Receiver SNRs modulated by 3 schemes under same weather condition |
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从图 6(a)可以看出，在晴天条件下，与OOK (RZ,r=0.25)和4-PPM相比，采用(4,2)MPPM时，该系统的接收机信噪比最高。从图 6(b)可以看出，在雨天条件下，与OOK (RZ,r=0.25)和4-PPM相比，采用(4,2)MPPM时，该系统的接收机信噪比也最高。从图 6(c)可以看出，在雾天条件下，与OOK (RZ,r=0.25)和4-PPM相比，采用(4,2)MPPM时，该系统的接收机信噪比还是最高。
干雪天和湿雪天条件下，该系统的接收机信噪比如图 6(d)、图 6(e)所示。可以看出，在这两种天气条件下，与OOK(RZ,r=0.25)和4-PPM相比，采用(4,2)MPPM时，该系统的接收机信噪比最高。
4 试验验证本试验系统采用XILINX公司Virtex-5系列型号为XC5VSX95T的FPGA主处理芯片，采用AD公司的AD6645模数转换芯片进行信号采集。使用型号为JXK200-13-RG-2A的LED交通灯作为光源，其中包含81个LED红灯，输出功率共6 W。使用THORLABS公司型号为PDA10A-EC光电检测器及型号为ACL7560的非球面聚光镜进行光信号的接收。系统码速率为1 MHz，试验系统图如图 7所示。试验参数如表 3所示。
| 参数 | 数值 |
| LED交通灯高度/m | 2 |
| 接收机高度/m | 1.0 |
| 接收机接收视角(半角)/(°) | 7.6 |
| 接收机垂直倾角/(°) | 85 |
| LED的波长/nm | 650 |
| 光电探测器转换效率 | 0.4 |
| 发射机发射的平均光功率/mW | 74 |
| 光电探测器感应面积/mm2 | 0.8 |
| 内部折射率 | 1.7 |
| 接收机滤波器增益 | 1.0 |
| LED的半功率半角/(°) | 15 |
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| 图 7 交通光通信试验系统 Fig. 7 Experimental system for traffic light communication |
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信噪比结果如图 8所示。可以看出，理论计算与试验基本相符，且采用(4,2)MPPM的系统信噪比比采用OOK的更高。
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| 图 8 OOK与(4,2)MPPM调制系统的信噪比试验与理论的结果比较 Fig. 8 Comparison between experimental and theoretical results of OOK and (4,2) MPPM system |
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5 结论
本文将MPPM应用于LED交通灯与车辆间的室外可见光通信系统中，研究了典型天气条件下系统接收机的信噪比。分析比较了典型天气条件下，OOK、PPM和MPPM不同调制方式下LED交通灯与车辆间可见光通信系统的性能。结果表明，调制方式相同时，与晴天相比，系统在雾天时信噪比最低，其次是干雪天，雨天和湿雪天信噪比下降最少，且相差不多。天气条件相同时，采用MPPM的系统信噪比比采用OOK和PPM的更高。试验验证了理论仿真的正确性。
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