本研究由Kaiyun Cui（加州大学河滨分校）、Gang Chen（加州大学河滨分校）、Zhengyuan Xu（清华大学）和Richard D. Roberts（英特尔实验室）合作完成，发表于2012年9月的《Applied Optics》期刊（Vol. 51, No. 27）。论文标题为”Traffic light to vehicle visible light communication channel characterization”。
本研究属于智能交通系统（Intelligent Transportation System, ITS）与可见光通信（Visible Light Communication, VLC）的交叉领域。随着LED在交通信号灯中的普及，研究者发现这些高亮度LED不仅可用于照明和信号指示，还可作为通信发射器。相比传统射频通信，VLC系统具有无需频谱许可、抗电磁干扰、高方向性等优势。然而，户外VLC系统面临强烈太阳辐射背景噪声和人工光源干扰等挑战，且缺乏对商用现货（Commercial-Off-The-Shelf, COTS）LED交通灯作为通信发射器的系统性能评估。本研究旨在建立完整的户外VLC链路模型，通过实验验证LED交通灯与车辆间的通信可行性，为实际系统设计提供理论依据。
研究团队首先系统性地分析了影响VLC系统的两类主要环境干扰源：
太阳辐射背景噪声：在加州河滨市进行了为期三天的实测，使用Thorlabs FB500-40等光学带通滤波器（中心波长分别为500nm、590nm和620nm，对应交通灯颜色）配合Newport 918D-UV-OD3光电二极管（有效接收面积1cm²，视场角15°）测量。结果显示，500nm波段垂直功率变化显著（2-8μW/cm²/nm），主要受云层运动影响；而直接太阳辐射在500nm波段可达140μW/cm²/nm。研究验证了SPCTRAL2太阳辐射模型在500nm波段的预测准确性。
人工光源干扰：研究团队在河滨市和洛杉矶市区测量了三大类人工光源的电气功率谱： - 照明用途光源（荧光灯、白炽灯等）：主要含60Hz谐波，干扰延伸至数kHz - 静态广告光源（霓虹灯等）：电子镇流器驱动，干扰延伸至数十kHz - 动态显示光源（LED屏幕等）：复杂控制电路产生，干扰可达数百kHz
测量使用Det36A光电二极管配合SR570前置放大器（带宽DC-1MHz）和HP 3589A频谱分析仪。结果显示，动态LED显示屏产生的干扰最为严重，频谱可延伸至300kHz。
研究选取了三款商用绿色LED交通灯（LEDtronics的TRF108/TRF112和Lightstogo的NB200RC3A）进行关键通信参数测量：
输入输出特性： - 电流调制下，输出光功率与注入电流呈线性关系（TRF108在0-250mA范围内线性良好） - 电压调制时，I-V特性可用三阶多项式拟合：I = b0 + b1(Vin-Vdc) + b2(Vin-Vdc)² + b3(Vin-Vdc)³ - 在10-12V工作区间存在准线性区域，适合数据调制
频率响应： 采用频率扫描法测量，使用Agilent 33250A函数发生器提供扫频信号，PDA10A光电二极管（带宽150MHz）接收。结果显示： - 单个LED带宽差异显著（TRF108约3MHz，NB200RC3A约6MHz） - LED灯整体频率响应与单个LED基本一致，说明串联结构影响较小 - 频率响应可用一阶低通模型拟合：P(ω)=P(0)/√(1+(ωτeff)²)，τeff为有效载流子寿命
理论模型： 建立了考虑非对称辐射模式的路径损耗模型： L_l = (g_s(β,γ)A_r cosα)/[d²∫∫g_s(θ,φ)sinθdθdφ] 其中g_s(θ,φ)为发射方向图，β和γ为接收位置的仰角和方位角。
实验验证： - 实验配置：交通灯安装高度3.1m，接收器高度1.1m（模拟汽车前盖），水平距离5-80m - 两种接收方案对比： - DC抑制前端：白天/夜间性能一致（放大器噪声主导） - 跨阻放大器：夜间性能优20dB（灵敏度更高） - 菲涅耳透镜覆盖虽引入额外损耗，但在30m内因光束整形反而提升信噪比
测量结果与理论预测吻合良好，验证了模型的准确性。
基于实测参数，评估了不同调制方案的性能： - 采用M阶脉冲位置调制（M-PPM），因其低频分量少（相比OOK） - 在100kbps、BER=10⁻³条件下： - 2-PPM最远通信距离：无太阳干扰时115m，最差太阳条件下30m - 高阶PPM（4/8/16）在相同数据率下性能较差，但功耗更低 - 系统性能主要受限于太阳辐射引起的散粒噪声（σ²_shot=2qI）
环境干扰特性：首次系统量化了户外VLC面临的太阳辐射和人工光源干扰特性，发现动态LED显示屏产生的干扰最严重（可达300kHz）。
LED交通灯特性：揭示了商用LED交通灯的通信潜力，其3-6MHz带宽足以支持100kbps级通信；建立了准确的I-V特性和频率响应模型。
链路模型验证：提出的非对称辐射路径损耗模型经实验验证，在5-80m范围内预测准确，为系统设计提供了可靠工具。
系统性能边界：确定了2-PPM为最优调制方案，在典型条件下可实现80m@100kbps的可靠通信，满足交通信息传输需求。
科学价值： - 建立了首个基于COTS LED交通灯的完整VLC链路特性分析框架 - 揭示了户外VLC特有的干扰特征与抑制方法 - 为非对称辐射模式的VLC系统建模提供了新思路
应用价值： - 为智能交通系统中的V2I通信提供了经济高效的解决方案 - 指导了实际LED交通灯通信系统的设计与优化 - 提出的测试方法可用于其他户外VLC场景的性能评估
创新性方法：开发了针对非对称辐射LED交通灯的专用测试方案，包括太阳辐射动态测量方法和人工光源干扰分类表征技术。
实用化导向：首次全面评估商用现货LED交通灯的通信性能，避免了理想化假设，结果更具工程指导意义。
系统性研究：从干扰分析、器件表征到链路验证和系统评估，形成了完整的研究链条，各部分结果相互支撑。
重要发现：发现菲涅耳透镜在特定距离范围内反而能提升系统性能，这一反直觉现象对交通灯设计具有重要启示。
研究还指出： 1. 天气条件（特别是云层变化）对太阳背景噪声影响显著，难以简单建模 2. LED非线性对载波类调制（如OFDM）影响较大，而基带调制（如PPM）受影响小 3. 未来工作可探索自适应调制、多灯协作等提升系统性能的方法
这项研究为可见光通信在智能交通领域的应用奠定了重要基础，其方法论和结论对后续研究和实际部署具有重要参考价值。