可见光通信（VLC）信道建模与特性分析研究报告

作者及机构

本研究的核心作者包括：
1. Ahmed Al-Kinani 和 Cheng-Xiang Wang（赫瑞瓦特大学传感器、信号与系统研究所，英国爱丁堡）
2. Harald Haas（爱丁堡大学数字通信研究所，英国爱丁堡）
3. Yang Yang（上海无线通信研究中心，中国上海）。
论文发表于2016年IEEE会议，标题为《Characterization and Modeling of Visible Light Communication Channels》。

学术背景

研究领域：可见光通信（Visible Light Communication, VLC）是无线光通信的重要分支，利用LED（发光二极管）照明设备同时实现照明与数据传输。VLC因其无需频谱许可、抗射频干扰、高安全性（光信号无法穿透墙壁）和低成本等优势，被视为未来无线网络的潜在技术。

研究动机：VLC系统性能受信道失真（如路径损耗、时域色散）影响显著，而现有研究多集中于红外波段，针对可见光波段的信道建模不足。传统确定性射线追踪方法（如Zemax）无法充分反映动态室内环境中散射体移动带来的信道变化。因此，本研究提出一种基于视场角（Field of View, FOV）的几何单次反射（Geometrical-Based Single Bounce, GBSB）统计模型，以更准确地描述VLC信道特性。

研究目标：
1. 建立适用于VLC的GBSB信道模型；
2. 分析信道增益、均方根时延扩展（RMS Delay Spread）、Rician因子等统计特性；
3. 评估室内照明需求与LED配置方案。

研究流程与方法

1. 场景建模与参数定义

研究假设室内环境为5m×5m×3m的房间，LED光源位于天花板中心（坐标2.55, 2.55, 3），接收端为光电二极管（Photodiode, PD），其视场角（FOV）设为80°。关键参数包括：
- 光源特性：LED辐射模式遵循广义朗伯模型（Generalized Lambertian Radiation Pattern），模式数𝑚=1（对应半功率角60°）；
- 接收端特性：PD有效面积𝐴𝑅=1 cm²，仅接收入射角小于FOV的光线；
- 散射体分布：40个散射体均匀分布在以PD为中心、半径0.5m的圆弧上。

2. 信道模型构建

（1）视场角几何模型（FOV-GBSB）

基于经典“单环模型”（One-Ring Model）改进，提出FOV-GBSB模型（图2）：
- 直射路径（LOS）：信道冲激响应（CIR）由公式(5)计算，与距离平方成反比，且受发射角（AOD, 𝛼𝑇）和接收角（AOA, 𝛼𝑅）影响；
- 单次反射路径（SB）：光线经散射体反射后到达PD，其CIR通过公式(6)-(9)建模，其中路径长度𝐷𝑇𝑛=𝑑𝑇𝑛+𝑅（𝑑𝑇𝑛通过余弦定理计算）。

（2）仿真模型实现

将无限散射体简化为有限数量（𝑁=40），采用改进的EMEDS方法（Extended Method of Exact Doppler Spread）生成离散AOA（公式10-11），确保散射体分布均匀性。

3. 实验与数据分析

（1）照明需求评估

通过公式(12)计算室内照度（单位：lux），验证LED配置是否满足标准办公照明需求（200-800 lx）。仿真显示，需1000个LED芯片（单芯片最大光强10 cd，半功率角120°）均匀分布以实现标准照明（图3）。

（2）信道特性分析

• CIR与时延特性：对比5种不同PD位置（表II）的CIR（图4），发现LOS路径主导时延扩展接近零，而远离房间中心时SB路径贡献显著增加（图5）；
  
• 信道增益：增益随距离增大而降低，且在AOA接近PD法线方向时最高（图6）；
  
• 时延扩展与Rician因子：房间角落（如Link E）的RMS时延扩展最大（0.7136 ns），Rician因子最低（1.3003），表明多径效应显著（表II）。
  

（3）时间相关性分析

假设用户以8 m/s移动，LOS链路的时间自相关函数（ACF）显示，房间中心相关性最高，边缘区域因多径效应相关性下降（图7）。

主要结果与结论

1. 信道模型有效性：FOV-GBSB模型首次将几何统计方法应用于VLC信道，能准确反映AOA、距离与信道特性的关系；
   
2. 多径效应影响：SB路径功率虽低于LOS路径，但累积效应不可忽视，尤其在边缘区域导致时延扩展增大；
   
3. 照明-通信协同设计：通过优化LED布局（如1000芯片/灯），可同时满足照明标准与通信需求。
   

研究亮点

1. 创新模型：首次提出VLC的GBSB统计模型，弥补了传统确定性方法的不足；
   
2. 动态特性分析：量化了用户移动对信道相关性的影响；
   
3. 实用价值：为室内VLC系统设计提供了照明配置与信道优化的理论依据。
   

其他价值

研究得到欧盟H2020 5G Wireless、中国863计划等项目支持，其模型可扩展至智能家居、工业物联网等场景，为6G光无线融合网络奠定基础。

（注：术语对照：FOV=视场角，GBSB=几何单次反射，RMS Delay Spread=均方根时延扩展，AOA=到达角，AOD=发射角，CIR=信道冲激响应）