基于LED交通灯的无线光通信系统分析与设计

摘要

作为一种新兴的短距离无线通信技术，可见光通信(Visible LightCommunication，VLC)具有节约能源、部署灵活、安全保密等优点。通过在LED(Light-emitting Diode)交通灯上增加信号发射设备和安装车载光接收机，能够实现LED交通灯和汽车间的无线可见光移动通信，为智能交通通信系统(Intelligent Transportation Communication System，ITCS)的终端通信接入提供了一种有效的解决方案，达到交通照明和通信并用，减少重复投资的目的。
　　 论文在分析当前可见光通信和红外通信技术的基础上，主要对室外LED交通灯与汽车间的可见光通信方式和接收机进行了研究：通过对光传输模式、空气衰减、调制方式和噪声进行分析，仿真说明了直接探测接收的系统通信质量不高，通信距离较短，满足不了实际应用的要求；为了增加系统可靠通信距离，主要改进了接收光学系统、采用了均衡滤波和时间分集的可见光接收方式，设计了适合室外可见光通信的抗衰落接收机，并通过MATLAB仿真说明该接收机在增加通信距离方面的良好性能；通过建立动态仿真平台，对系统工作情况进行了模拟。主要研究工作如下：
　　 (1)分析了LED交通灯和汽车间的室外可见光通信方式。通过建立空间通信模型，在具体情况下，分析了可见光在大气中传输效应，并针对典型天气下的可见光衰减情况分析，得出雾和干雪天气下信号光衰减较大。
　　 (2)仿真了直接探测接收的系统性能，说明信号光强度随通信距离快速衰落。在LED交通灯和汽车通信系统中，采用了PPM调制方式有效避免“溢出”和“埋没”问题。信息低速传输时，系统的主要噪声是背景光所产生的散粒噪声。通过对系统信号功率和噪声功率的分析，仿真分析了LED交通灯和汽车间实现可见光通信的可行性。
　　 (3)提出了对LED可见光信号的“波长选择接收”的方法。该方法根据LED发光强度与波长的关系，在实现接收较小信号光功率的同时屏蔽更多的背景光噪声。
　　 (4)设计了采用神经网络的时间分集接收方式。根据系统可见光通信的特点，初次提出采用神经网络的竞争机制，实现一种在判决之后的相似性比较分集合并方式，当采用较多重时间分集时能够提供明显的误码率改善效果。通过仿真说明，在波长选择接收之后，采用时间分集和相似性选择合并方式能够有效增加系统可靠通信距离，最终能够达到实际应用的要求。
　　 (5)采用LABVIEW设计了一个系统可见光通信的动态仿真平台。通过建立光发射、传输和接收模块构建平台，动态仿真了在交通灯前行驶时的信号接收情况。