移动车辆与led路灯间可见光无线通信研究.pdf

独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 彳砉弩 口彤年占月9 日 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致，允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入 中国学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供 查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：侮哲 功眸年6 月节日 指导教师签名：串呷 z 。睁年, e l 下日 江苏大学硕士学位论文 摘要 l e d 可见光无线通信因节能、无电磁干扰、绿色而成为一种新型的短距离 无线通信技术。智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) 是一种集 先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算 机处理技术等一体的交通运输管理系统，在未来社会中的地位会变得越来越重 要。l e d 路灯作为i t s 中常见的照明工具，若将它作为呵见光通信发送端，车 辆上安装光接收器，能做到照明与通信共用，解决i t s 中最后一公里无线接 入，最大限度的解决成本效益问题。 本文主要研究移动车辆与l e d 路灯间可见光无线通信无缝连接问题。移动 车辆与l e d 路灯问可见光无线通信时，车辆在相邻两个l e d 路灯之间行驶， 面临着接收多个l e d 路灯发射信号时信号的选择或无l e d 路灯照射时信号中 断问题，以及车辆行驶过程中产生的多普勒效应对接收信号的影响。根据室外 可见光通信中的实际情况、移动车辆行驶状况与多个l e d 路灯实际部署情况建 立无信号覆盖通信模型与信号重叠覆盖通信模型，仿真分析两种模型中多个 l e d 路灯信号功率分布情况。划分l e d 路灯之间无信号覆盖和信号重叠覆盖 两种模型中功率分布情况，采用接收信号功率( r e c e i v e ds i g n a lp o w e rr s p ) 切换 方法来解决信号选择或信号中断问题。在无信号重叠模型中采用r s p 存储切换 方法来解决车辆与l e d 路灯通信中断问题，在信号相互重叠模型中运用r s p 选择切换方法来解决车辆的信号选择问题。仿真论证了多普勒效应会减低室外 可见光通信系统的性能，减低系统信噪比，增加系统误码率。采用基于循环前 缀的多普勒估计算法与信号重采样的补偿算法来减少多普勒效应对车辆与l e d 路灯之间可见光通信系统造成的影响。 经过仿真验证得出较好的结果：采用r s p 存储切换后，当车速在3 6 k m h 9 0 k m h 时，接收机能够预留出足够大的缓存空间来存储信号中断过程中丢失的 数据。采用r s p 选择切换后，能够稳定接收端接收到的信号功率，提高系统信 噪比，从而保证了通信的无缝连接。对系统中存在的多普勒效应采用估计补偿 移动车辆与l e d 路灯间可见光无线通信研究 算法后，能够有效降低系统误码率，并得出该估计补偿算法的性能在高信噪比 条件下优于低信噪比。 关键词：可见光通信；r s p 切换；多普勒效应；估计补偿算法 i i 江 苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t l e dv i s i b l el i g h tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb e c o m e sa l la d v a n c e ds h o r td i s t a n c e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yd u et oi t se n e r g ys a v i n g ，n oe l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ea n dg r e e n i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) i sat r a n s p o r t a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e mc o m b i n i n g a d v a n c e di n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，d a t a c o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ，e l e c t r o n i cs e n s o rt e c h n o l o g y ，e l e c t r o n i c c o n t r o lt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，w h i c hb e c o m e si n c r e a s i n g l y i m p o r t a n ti nt h ef u t u r es o c i e t y a sw ek n o w ，l e ds t r e e tl a m p sa r ec o m m o nl i g h t i n g t o o l si ni t s i fw es e ti ta st h ev i s i b l el i g h tc o m m u n i c a t i o ns e n d e ra n dp u tal i g h t r e c e i v e ri nt h ev e h i c l e ，w ec a l ln o to n l yf i g u r eo u tt h ew i r e l e s sa c c e s st ol a s to n e k i l o m e t e rt h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no fl i g h t i n ga n dc o m m u n i c a t i o n , b u ta l s os o l v et h e p r o b l e mo fc o s te f f i c i e n c y t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so ns e a m l e s sc o n n e c t i o np r o b l e m so fv i s i b l el i g h t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm o v i n gv e h i c l e sa n dl e d l a m p s t h ef i s to n e i st h a t w h e nt h e yb e g i nt oc o m m u n i c a t e ，t h ev e h i c l em o v e sb e t w e e nt w oa d j a c e n tl e d l a m p s a tt h a tt i m e ，i tm u s tc h o o s ew h i c hs i g n a lt or e c e i v e t h es e c o n do n e i st h a tt h e s i g n a li si n t e r r u p t e dw h e nt h e r ea r en on e a r b yl e dl a m p s t h et h i r do n ei st h e i n f l u e n c eo fd o p p l e re f f e c to nt h ew h o l es y s t e mp r o d u c e db yt h em o v i n gv e h i c l e a c c o r d i n gt ot h e s ep r a c t i c a ls i t u a t i o n si nt h eo u t d o o rv i s i b l el i g h tc o m m u n i c a t i o n ， m o b i l ev e h i c l ed r i v i n gc o n d i t i o n sa n dt h ea c t u a ld e p l o y m e n to fm u l t i p l el e ds t r e e t l a m p s ，w ee s t a b l i s ht h en os i g n a lo v e r l a yc o m m u n i c a t i o nm o d e la n ds i g n a lo v e r l a y c o m m u n i c a t i o nm o d e l ，w h a t sm o r e ，w eg e tt w om o d e l s s i g n a lp o w e rd i s t r i b u t i o n t h r o u g ha n a l y s i so ft h es i m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t i o n ，w eu s er s p h a n d o v e rm e t h o dt os o l v et h es i g n a ls e l e c t i o na n ds i g n a li n t e r r u p t i o n w ea d o p tr s p s t o r a g eh a n d o v e rm e t h o dt os o l v et h ei n t e r r u p t i o no fc o m m u n i c a t i o ni nt h en os i g n a l o v e r l a ym o d e la n dr s ps e l e c t i o nh a n d o v e rm e t h o dt os o l v et h es i g n a ls e l e c t i o n p r o b l e mi nt h es i g n a lo v e r l a yc o m m u n i c a t i o nm o d e l ，t h e nt h et w oh a n d o v e rm e t h o d s a r ev e r i f i e db ys i m u l a t i o n a i m i n ga tt h ed o p p l e re f f e c tw es i m u l a t ea n df i n dt h a tt h e d o p p l e re f f e c tw i l lr e d u c et h ep e r f o r m a n c ea n dt h es i g n a lt on o i s er a t i oo fo u t d o o r v i s i b l el i g h tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，i n c r e a s et h es y s t e mb i te r r o rr a t ea tt h es a l n et i m e t h e r e f o r e ，w eu s ed o p p l e re s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e do nc y c l i cp r e f i xa n ds i g n a l r e s a m p l ec o m p e n s a t i o na l g o r i t h mt or e d u c et h ei n f l u e n c ea n dm a k eas i m u l a t i o n g o o dr e s u l t sc a nb eg o tt h r o u g hs i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o n ：w h e nt h es p e e d i l l 移动车辆与l e d 路灯间可见光无线通信研究 r a n g e sf r o m3 6 k m ht o9 0 k m h ，t h er e c e i v e rc a l lr e s e r v ee n o u g hc a c h es p a c e t os t o r e t h em i s s i n gd a t ai nt h es i g n a li n t e r r u p t i o np r o c e s sw i t ht h ea d o p t i o no fr s ps t o r a g e h a n d o v e r w h e nr s ps e l e c t i o nh a n d o v e ri su s e d ，w ec a l ls t e a d yt h er e c e i v e ds i g n a l p o w e ri nt h er e c e i v i n gt e r m i n a la n di m p r o v et h es i g n a l - t o - n o i s er a t i oi nt h es y s t e m ， a n dt h e nk e e pc o m m u n i c a t i o n ss e a m l e s sc o n n e c t i o n w ec a nr e d u c et h es y s t e mb i t e r r o rr a t ee f f e c t i v e l ya f t e ra ne s t i m a t i o na n dc o m p e n s a t i o no f t h ed o p p l e re f f e c ti nt h e s y s t e m w ea l s od e d u c et h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ee s t i m a t i o na n dc o m p e n s a t i o n a l g o r i t h mi sb e t t e ri nt h eh i g hs n r c o n d i t i o nr a t h e rt h a nt h ec o n d i t i o no fl o ws n r k e y w o r d s ：v i s i b l el i g h tc o m m u n i c a t i o n ，r e c e i v e ds i g n a lp o w e r 限s p ) h a n d o v e i v r ，d o p p l e re f f e c t ，e s t i m a t i o na n dc o m p e n s a t i o na l g o r i t h m 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景和意义1 1 2 研究现状3 1 3 研究内容4 1 4 全文结构安排5 第二章车辆与l e d 路灯通信模型分析7 2 1 室外可见光通信信道分析7 2 1 1 空气介质7 2 1 2 可见光通信性能指标分析8 2 1 _ 3 可见光通信链路分析9 2 2 移动车辆与l e d 路灯信道模型11 2 2 1 无信号覆盖模型1 2 2 2 2 信号重叠覆盖模型1 2 2 3 室外通信复用技术1 3 2 3 1 复用技术介绍1 3 2 3 2 正交频分复用1 5 2 4 室外通信调制技术1 6 2 4 1 正交振幅调制1 6 2 4 1 2 正交相移键控1 7 2 4 3 二进制相移键控1 8 2 5 本章小结一1 9 第三章车辆与l e d 路灯切换方法分析2 0 3 1 切换方法分析2 0 3 1 1r s p 存储切换2 1 3 1 2r s p 选择切换2 2 3 2 切换过程功率分布2 3 3 2 1r s p 存储切换功率分布2 3 3 2 2r s p 选择切换功率分布2 4 3 2 3 功率分布比较分析2 5 v 移动车辆与l e d 路灯间可见光无线通信研究 3 3r s p 存储切换仿真与分析2 6 3 4r s p 选择切换仿真与分析2 7 3 4 1 信号分集2 7 3 4 2 切换参数2 8 3 4 3 仿真设计2 9 3 5 本章小结3 2 第四章车辆与l e d 路灯通信中的多普勒效应3 3 4 1v l c 中多普勒效应分析3 3 4 1 1 多普勒效应频域分析3 3 4 1 2 多普勒效应时域分析3 5 4 2v l c 系统通信性能分析3 6 4 2 1 接收机信噪比分析3 6 4 2 2 系统误码率分析3 7 4 3 估计算法3 8 4 3 1 噪声模型3 9 4 3 2 基于循环前缀多普勒评估算法3 9 4 3 3 算法仿真分析4 1 4 4 重采样补偿算法4 4 4 5 本章小结4 7 第五章总结和展望4 8 5 1 总结4 8 5 2 展望4 9 参考文献5 0 攻读硕士学位期间发表的论文5 4 致谢 v l 江 苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 随着通信技术的发展，方便可靠的无线接入网络技术越来越受到人们的关注。运用 相对广泛的无线通信技术主要有：无线红外通信和激光通信。然而随着l e d 照明技术的 发展与日益成熟，人们发现将白光l e d 1 】用于无线通信有着很大的前景。虽然这种技术 还处于起步阶段，但是在某些特殊的环境下能够提供更为强大的优越性。行驶车辆与 l e d 路灯之间的通信就是在无线可见光通信方式的提出以及智能交通系统越发重要的背 景下提出的。 自光l e d 一般是指发光二级管【2 】，它能将电能转化为光能，且具有光效高、寿命 长、稳定性高、安全性好、无辐射、低功耗、抗震、可靠耐用等特点【3 】【4 1 。几乎综合了各 种传统光源的优点，被誉为2 1 世纪新固体光源时代的革命性技术。白光l e d 具备的另 外特性有：响应时问短、高速调制，为白光l e d 从照明领域扩展到了通信领域提供了 保障，即能够在提供照明的同时实现通信功能，并催生了一门新兴的无线通信技术一可 见光通信技术( v i s i b l el i g h tc o m m u n i c a t i o nv l c ) 岭j 。v l c 是一种基于白光l e d 技术发 展起来的光无线通信技术，相比于传统的射频通信方式和其他光无线通信方式，v l c 还 具备发射功率高、无电磁干扰、绿色节能等特点，因而v l c 技术具有极大的发展前景， 已引起人们的广泛关注和研究。 现如今发达国家对现代化国家道路网的建设基本已经完尉6 | ，但是随着社会经济的发 展、人民生活水平的日益提高、城市化建设的发展，国家现有的道路负载量已经不能容 纳日益日益增长的交通量需求，交通堵塞、交通事故现象随处可见，因此引起了社会的 强烈关注。日本是一个汽车大国，在面积仅为3 7 万平方公里上行驶着将近8 0 0 0 万辆各 类机动车，若一旦造成交通堵塞、交通事故，会造成很大的损失，据统计每年因为车辆 堵塞问题，对日本会造成1 2 3 兆日元的损失。基于2 0 1 1 年德克萨斯农机大学运输研究所 发布的美国各城市的交通数据，交通拥堵对每位外出公民工作上下班造成的时间损失累 计达3 8 小时，与其每周累计上班时间相比多出4 小时。同时，研究发现同年因交通拥堵 而造成的燃油浪费高达2 9 亿加仑( 1 0 9 8 亿升) ；而因交通拥堵产生的1 2 1 0 亿美元损失 中，平均每人因拥堵而遭受8 1 8 美元损失，其中包含燃油成本、误工损失和增加的车辆 维护费用1 7 j 。因此为了更安全、更快速地解决现代交通中出现的问题，提出了智能交通系 移动车辆与l e d 路灯间可见光无线通信研究 统( i m e l l i g e mt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) ，i t s 是一种集先进的信息技术、数据通讯传 输技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等于一体的交通运输管理系 统。i t s 对于维持交通系统的可持续运行是必不可少的，在未来i t s 在社会中的地位会变 得越来越重要。在i t s 中负责通信功能的系统称之为智能交通通信系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，i t c s ) ，它作为智能交通系统中的核心之一，主要 作用是增加交通运输效率、实时传输交通服务和管理信息 8 1 。i t c s 正处于交通运输科学 技术的前沿地位，在发达国家中，大量的资金和人员被投入于研究为了能够在未来的市 场上占据有利的地位。 无线通信是i t c s 中的重要组成部分，现阶段运用于i t c s 的无线通信技术主要有： 专用短程通讯( d s r c ) 、卫星通信、蜂窝移动通信g s m 以及可见光通信等。卫星通信与 蜂窝移动通信主要用于远距离无线通信，d s r c 与可见光通信主要用于实现智能交通中高 效短距离无线通信，随着智能交通系统的发展，特别在偏远地区，远距离的无线通信并 不能满足智能交通系统中实时性的要求，因此更需要一种可靠、高效的无线短距离通信 技术来弥补这个缺点。其中可见光通信就是一种运用于i t c s 中的新兴短距离无线通信技 术，如今已有很多研究围绕可见光运用在智能交通通信系统( i t c s ) q b 来展开，将同为短距 离无线通信的可见光通信与d s r c 作比较，首先由于i t s 中存在许多l e d 设备，如l e d 交通灯、l e d 路灯、车载l e d 前照灯设备，这些设备都已经存在，不需要再次投入资金 建设，而d s r c 需要额外的资金投入用于接收与发送设备的搭建，因此v l c 运用于i t s 中能更好的解决成本效益的问题。其次，在通信速率上，d s r c 的通信速率一般从 2 5 0 k b p s 到5 0 0 k b p s ，而现有可见光通信研究中其通信速率能达到百兆并还在增) i l l 9 。1 4 1 。 第三，v l c 无电磁干扰、可靠性能高能够保障前方路况、交通等安全信息无误地从发射 端发送到接收端。因而可见光通信被用于智能交通系统6 p ( i t s ) 有其一定的优越性而且有 很大的发展前景。 在室外环境中，将v l c 运用于智能交通系统中的主要运用有：车辆前照灯与车辆后 照灯之间的可见光通信、车辆前照灯与l e d 交通灯之间的可见光通信、车辆与l e d 路 灯之间的可见光通信 1 5 - 2 1 】。车辆与用于照明的l e d 路灯作为交通系统中的很重要的组成 部分，若能将其与车辆进行通信，这样就能增加l e d 路灯原有的功能，实现照明和通信 的双重功能，并解决i t s 中最后一公里无线接入问题。 江苏大学硕士学位论文 1 2 研究现状 可见光通信( v l c ) 依据运用的环境分类，可将其分为室内可见光通信与室外可见光通 信。本文主要研究的移动车辆与l e d 路灯之间的可见光通信属于室外可见光通信的一 种，室外可见光通信主要被用于智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ，i t s ) 中。 香港大学的g p a n g 等人于1 9 9 8 年首次提出室外可见光通信【l8 1 ，其研究小组研究提 出了一种适用于小范围内的白光l e d 广播发射机，其主要原理为将音频信息通过 o o k ( o n o f fk e y i n g ) 调制后转化为l e d 中的电流信息， 并由车辆上的可见光接收机进 行接收解调信息还原音频信号，并实验验证了该应用能够用于室外直视链路中。 日本首先提出了在i t s 中运用町见光通信，并围绕该技术展开了许多研究，2 0 0 1 年，日本的科学家t a n a t a 提出了l e d 交通灯通信模型【5 1 ，并提到通过利用现有的l e d 交通信号灯来检测道路上的车流量。研究的主要方面是交通灯的数量与位置，并设计了 最佳服务不干扰面积模型，分析了模型中的信噪比和接收信息量。 2 0 0 6 年，w o o k 、h a r u y a m a 在基于l e d 交通灯的可见光通信中【2 3 j ，提出了一种将二 维图像传感器代替传统的单个光电二极管的方法。并分析了两个信道模型下的信噪比， 给出了实现可靠通信的像素最佳数量为5 0 5 0 。 2 0 0 8 年，t o m o h i r o 2 4 1 提出了通过采用广角相机与窄角相机共同处理图像来实现跟踪 定位，通过实验还得出了通过在光电检测器前加光滤波器，能够去除信号传输过程中大 量的噪声干扰。 2 0 0 9 年1 月，i e e e s 0 2 1 5 7 委员会发布了可见光通信技术协议标准慢e e8 0 2 1 5 7 2 5 - 2 7 ，标准在定义了v l c 技术的物理层口h y ) 的同时，也对介质访问层( m a c ) 的集成协 议栈规范做了规定，同时规定了可见光通信的首要任务是：照明第一、通信第二。 欧洲的一些高校和科研机构在日本公布v l c 技术标准后，纷纷对如何进一步提升可 见光通信系统性能展开了深入研究，并在可见光通信编码方式和提高传输速率等方面取 得了一定进展。a f g a n i 就单l e d 光强度调制的o f d m 技术做出了研列2 3 1 ，得到当通信距离 在l m 范围内时，o f d m 技术可以有效抑制多径效应，提高系统系能；h a a s 在基于 c o f d m ( c o d e do f d m ，编码正交频分复用) 技术的可见光通信中对子载波进行正交相移键 控( q p s k ) 调制，并进行研究仿真【2 9 1 ，得出当通信距离在9 0 c m 范围内，误码率可达至l j 2 x 1 0 。 ：牛津大学的d o m i n i co b r i e n 等人针对l e d 光源窄带宽的特性，重点研究多谐振均衡 技术，将光源的可用带宽提高到2 5 m h z ，传输速率达銎 7 5 m b p s ；2 0 0 9 年，v u c i cj 等人通 过对白光l e d 进行离散多音频调制，将可见光的传输速率提高至u 2 0 0 m b p s 1 1 1 ，同年又通过 1 移动车辆与l e d 路灯问可见光无线通信研究 对白光l e d 进行0 0 k 调制将可见光的传输速率提高至u 2 3 0 m b p s l l 2 】。2 0 1 0 年，德国西门子 公司成功实现 5 0 0 m b p s 的可见光通信传输速率。 2 0 1 2 年，l o u r e n 9 0n ，t e r r ad 等人提出一种v l c 系统在室外环境中的应用【3 0 1 ，文中 提到l e d 交通灯与公共照明系统将会使v l c 与用于智能交通系统成为可能，并提出了 一种直接序列扩展的方法来降低系统中的噪声与干扰，并通过仿真验证了在一个较低通 信速率下，应用该方法的室外可见光通信的通信距离可以达到4 0 m 。 2 0 1 2 年，k i mdr ，y a n gsh i i s ! 提出了室外环境中车辆与车辆之间通过可见光进行通 信，通过将车辆的前车灯、后车灯当信号发射端，并在车辆的前端后端分别加上信号接 收器来实现可见光通信，并验证出当接收器离地面2 0 c m 处时，通信的距离可达到2 0 m 左右。 国内对室外可见光通信的研究起步较晚，但仍有许多高校建立了研究机构与科学院 对v l c 展开研究，其以暨南大学、西安理工大学、西北工业大学、浙江大学为主。2 0 11 年，西北工业大学的白波提出了基于l e d 交通灯及光电二级管技术的可见光定位系统， 主要通过接收到光信号的时差来判定车辆位置，并研究了车辆与交通灯距离、车辆速度 与判定准确度的关系【3 1 】。 以上都是近期v l c 的应用，从这些文章中能看出，v l c 系统在1 1 1 s 中的运用己经取 得了一定的成果。但是关于解决移动车辆与l e d 路灯之间的可见光无线通信的关键技术 问题这方面研究较少。特别是车辆与多个l e d 路灯之间可见光通信过程中，有多个作为 信源的l e d 路灯，车辆行驶过程中需要保证在通信的无缝连接，需要引入切换技术。文 献 3 2 】对可见光通信切换技术进行了研究，研究主要针对的环境为室内环境，提出一种切 换机制来管理室内可见光通信系统中的切换问题。但是室内环境与室外环境截然不同， 并且车辆较高的移动速度也远大于室内终端的移动速度，在考虑车辆在多个l e d 路灯之 间切换时，首先考虑到白光l e d 的通信特点，l e d 路灯作为信号发射端，它的信号覆盖 范围很有限。另外在车辆的行驶过程中，会产生多普勒效应，而多普勒效应会对整个室 外v l c 系统造成较大的影响，导致接收端误码率急剧上升，因此需要对多普勒效应进行 研究，并通过估计补偿算法减小它带来的影响。 1 3 研究内容 本论文主要研究的是行驶车辆与多个l e d 路灯之间的可见光通信。研究过程中主要 存在的难点： 4 江 苏大学硕士学位论文 1 信道环境干扰。在多个l e d 路灯的公路上，信号是通过路灯发送可见光来传输， 而信道为空气。而在室外公路上，周围背景光、当天的天气状况都会对系统造成影响。 2 移动中信源切换。车辆与l e d 路灯通信过程是一个动态的过程，车辆是不断运动 的，而单个路灯的信号覆盖范围有限，所以车辆必须要在不同l e d 路灯之间进行切换。 切换难点主要体现在两方面：第一，现如今的研究很少有研究室外环境中信源的切换问 题，而室内v l c 切换的信道环境与室外环境相差较大，因此考虑室内外信道的差距是研 究切换的一个难题。第二，室外l e d 路灯部署已经确定，必须提出适用于不同部署环境 的切换方法与判决条件。因此切换方法与判决条件的研究也是车辆与l e d 路灯通信切换 的难题。 3 移动中多普勒效应。车辆移动还会带来一个问题就是多普勒效应，主要影响多普勒 效应的因素有两个：载波频率与收发端的相对运动速度。而在车辆与l e d 路灯可见光通 信过程中，由于车辆运动速度快，且v l c 中其载波频率高，因此多普勒效应是研究车辆 与l e d 路灯通信之间的难题之一。 针对上述提出的三个难点展开研究，主要内容可以分为以下几个方面： ( 1 ) 建立移动车辆与多个l e d 路灯模型 根据单个路灯的信道模型及实际情况中的路灯部署情况，建立两种不同的l e d 路灯 模型：无信号覆盖模型、信号重叠覆盖模型，并对多个路灯的信号功率覆盖情况作仿真 分析。 ( 2 ) 切换方法研究 通过分析找出适用于无信号覆盖模型与信号重叠覆盖模型下的切换方式，在无信号 模型覆盖模型中采用r s p 存储切换方法，在信号重叠覆盖模型中采用r s p 选择切换方 法，并通过仿真对两种切换方法的性能做出具体分析。 ( 3 ) 分析多普勒效应对系统影响 论证车辆与l e d 路灯可见光通信过程中存在多普勒效应，分析多普勒效应对系统产 生的具体影响。若存在影响不能忽略，研究采取何种多普勒估计补偿算法来消除多普勒 效应对系统产生的影响，并通过仿真对采取的估计补偿算法进行验证测试。 1 4 全文结构安排 本论文各章结构安排如下： 第一章：绪论。主要介绍了本课题的研究背景及意义、研究现状、室外可见光无线 5 移动车辆与l e d 路灯间可见光无线通信研究 通信应用范围介绍以及本文研究的主要内容。 第二章：车辆与l e d 路灯通信模型分析。分析了室外可见光通信信道，具体包括可 见光通信的通信介质、可见光通信的主要性能指标及可见光通信的链路分析。分析了车 辆与路灯可见光无线通信，并建立了车辆与路灯可见光无线通信中无信号覆盖模型与信 号重叠覆盖模型。分析介绍了室外通信的常用复用技术，并具体介绍了正交频分复用技 术。最后分析介绍了室外通信的调制技术。 第三章：车辆与l e d 路灯切换方法分析。针对建立的两种模型分别采用两种不同的 切换方法：r s p 存储切换与r s p 选择切换。仿真分析这两种切换方法运用模型的功率分 布情况，并进行比较。仿真分析r s p 存储切换的可行性及具体性能。最后仿真分析r s p 选择切换的可行性及具体性能。 第四章：车辆与l e d 路灯通信中的多普勒效应。本章首先从时域与频域这两个方面 分别分析了可见光系统中的多普勒效应。其次对多普勒效应带来的影响做了进一步分 析，主要从系统的信噪比与误码率两方面展开。最后运用了一种基于循环前缀的多普勒 频移估计与重采样补偿方法来解决多普勒效应带来的影响，并通过仿真，验证估计补偿 算法的性能，在估计算法中，主要比较估计算法中多普勒频移估计值与真实值差距，在 补偿算法中，主要考虑补偿之后系统误码率的情况。 第五章：总结和展望。对全文进行了总结，论述了本课题中所做的研究工作和仿真 结论，并对室外可见光通信系统在i t s 中未来的发展趋势进行展望。 江 苏大学硕 士学位论文 第二章车辆与l e d 路灯通信模型分析 室外可见光通信相较于室内可将光通信有一定的区别。首先，室外环境较为复杂， 大气环境、自然光等都会影响可见光通信的通信质量。其次，由于本文主要研究移动车 辆与l e d 路灯之间的可见光通信，每个l e d 路灯的覆盖面积都是固定的，所以信号的 覆盖范围也是固定的，因此会产生光源的覆盖问题。最后，有别于低速移动的可见光通 信，路灯与车辆之间的通信过程中，车辆的移动速度较快 3 3 - 3 7 。因此本章重点对车辆与 l e d 路灯可见光通信模型展开分析，并讨论室外可见光无线通信中的复用技术与调制技 术。 2 1 室外可见光通信信道分析 可见光通信室外信道按狭义信道分类属于无线信道的一种，它以空气为传输介质， 以可见光信号为信号源。因此空气的成分、可见光特有的传播特性都将对整个通信系统 有很大影响，下面将针对这几点进行详细分析。 2 1 1 空气介质 1 分子吸收 在可见光通信过程中，空气中的各种分子气体和悬浮颗粒都会对可见光信号产生影 响。分析室外信道环境，对研究可见光通信性能非常必要。分子气体对光线的散射作用 很小，但对光辐射的吸收作用较为明显。根据朗伯定律可知光吸收表达形式 i = 厶p 嘞2( 2 1 ) 上式中，i o 和1 分别是可见光的初始光强和在距离l 处的光强度，a o 为吸收的衰减系 数，l 为光线透过吸收层的厚度。 2 粒子散射 散射是指信号在传播的过程中遇到小微粒从而改变原来的传播方向，并散向各个方 向。大气散射主要分为瑞利散射、m i e 氏散射、无选择性散射三种。当颗粒直径远大于传 播信号波长时，主要为无选择性散射，当颗粒直径约等于信号波长时，主要为m i e 氏散 射，而当颗粒直径远小于信号波长时，主要为瑞利散射。室外可见光通信的通信信道为 近地面大气层，近地面大气层中存在各种粒子，其中不仅有空气分子，还存在大量直径 7 移动车辆与l e d 路灯间可见光无线通信研究 较大的颗粒，从o 0 3 微米到2 0 0 0 微米之间，较大的颗粒分为液态和固态两种，固态的包 括尘埃、烟灰以及有机微生物，而液态的主要有微水滴、气溶胶。不管是固态还是液态 微粒都会使信号产生散射现象，而固态粒子对信号的散射为纯散射，往往只改变传播方 向而不吸收信号能量，气溶胶不仅能改变光信号的传播方向，还会吸收部分光信号能 量，因此气溶胶对信号的散射为主要考虑对象。 由于气溶胶粒子的直径一般在几十微米左右，而可见光的典型波长为 3 8 0 n m - 7 8 0 n m ，由此得出，该粒子产生的散射为m i e 氏散射。因此可以由m i e 氏散射理 论来近似气溶胶粒子产生的散射。米氏散射主要依赖于散射粒子的尺寸、密度分布以及 折射率等特性，其散射衰减系数为： 2 ( r ) y 2 q ( x ，m )( 2 2 ) 上式中，q 为散射效率，r 为空气中粒子的半径，而n ( r ) 为每立方厘米空气中粒子 的数量。 2 1 2 可见光通信性能指标分析 在可见光通信中由于可以采用不同的复用技术、运用不同的编码技术、存在不同的 通信信道，而体现这些不同点的性能指标有：光接收机灵敏度、信噪比、误码率 3 4 1 1 3 5 。 光接收机的灵敏度是指在保证接收信号质量( 误码率) 的前提下可接收的最小光信号功 率。光发射机的光功率与光接收机的灵敏度在v l c 应用中的主要影响包括：空间光强 分布以及有效的传输距离等重要性能。 信噪i 七( s i g n a lt on o i s er a t i o ， s n r ) 是指信道中传输信号功率与噪声信号功率之比， 常用分贝数( d b ) 表示，通常表征了通信系统中信道的传输质量。在室外v l c 系统中，噪 声主要由光发射机驱动电路产生的噪声、光接收机中光电二极管产生的颗粒噪声、电阻 产生的热噪声以及信道中的高斯白噪声等噪声源引入。 误码率( b i te r r o rr a t i o ，b e r ) 表征了规定时问内数据传输的精确性。在数字通信系 统中，由于种种原因数字信号在传输过程中不可避免地会发生差错，而在接收端不能还 原出正确的信息。在室外可见光通信中，发射端光强起伏、大气环境对光线造成的衰减 以及背景光干扰等因素都会对增加误码率。另外对信号采用不同的调制方式往往计算误 码率的方法也会不同，一般误码率可以通过信噪比大小来推算。 江苏大学硕士学位论文 2 1 3 可见光通信链路分析 可见光通信是以白光l e d 为信号源的一种通信方式 3 6 1 1 37 1 ，白光的光谱宽度为 2 5 n m - 1 0 0 n m 、典型波长为3 8 0 n m - 7 8 0 n m 。则其频率范围厂可表示为： j r = c _ c 旯 (