《Journal of Network and Computer Applications》2021年发表的综述论文《A Survey of Channel Modeling Techniques for Visible Light Communications》由来自阿尔及利亚布梅尔德斯大学、法国凡尔赛大学等机构的Selma Yahia领衔团队完成。该研究系统梳理了可见光通信（Visible Light Communication, VLC）信道建模技术的最新进展，填补了室内、室外、水下和地下四类环境模型综合比较的研究空白。

研究背景与目标

VLC作为光无线通信（Optical Wireless Communication, OWC）的分支，利用LED（Light Emitting Diode）实现数据传输，具有免授权频谱、高安全性和低成本等优势，是射频网络的重要替代方案。随着5G/6G对高带宽、低延迟需求的增长，VLC在智能交通、水下通信等场景的应用潜力凸显。然而，信道建模作为系统设计的核心环节，其性能受环境特性（如多径效应、湍流等）显著影响。现有研究多聚焦单一环境，缺乏跨场景的横向对比。本文首次对四类环境的建模方法进行系统归纳，并提出了未来研究方向。

核心内容框架

1. VLC系统架构与理论基础

论文首先构建了端到端VLC系统模型，包含三个核心模块：
- 发射端（TX）：涵盖源编码、信道编码、调制器和LED驱动电路，重点分析了四种LED光源（磷光转换LED、多芯片LED、有机OLED和微型μ-LED）的光学特性差异。
- 信道特性：阐明了视距（Line-of-Sight, LOS）与非视距（Non-LOS, NLOS）传播路径的衰减机制，指出反射/散射导致的信道冲激响应（Channel Impulse Response, CIR）是建模关键。
- 接收端（RX）：包括光学滤波器、聚光器、光电二极管（Photodiode, PD）及解调模块，强调了背景光噪声抑制的重要性。

理论部分推导了七项核心参数：
1. CIR：通过递归模型（Recursive Model）计算LOS与k次反射的叠加响应（式2）
2. 直流增益（DC Gain）：关联发射与接收功率（式5），Lambertian模式下的闭式解（式6）
3. 均方根时延扩展（RMS Delay Spread）：量化码间干扰（ISI）上限（式7-9）
4. 光路损耗（OPL）：环境依赖的衰减模型（式10）
5. 频率响应（H(f)）：傅里叶变换结果（式11）
6. 莱斯因子（Krf）：LOS与单次反射功率比（式13）
7. 相干带宽（B_c）：信道平坦性指标（式14）

2. 四类环境的建模技术对比

（1）室内环境

• 确定性模型：
  
  • 递归算法（Barry模型）：将反射面离散化为微元，计算高阶反射（Komine等2003年研究显示二阶反射已需考虑ISI限制）。
    
  • 迭代算法：通过站点法（Site-Based Method）降低计算复杂度（Long等2014年实现3反射模拟速度提升90倍）。
    
  • 射线追踪（Ray-Tracing）：采用非序列模式处理复杂几何（Miramirkhani等2015年验证Zemax软件对 furnished room的CIR仿真精度）。
    
• 随机模型：
  
  • 几何随机模型（GBSM）：基于散射体分布的双环-椭圆混合方法（Al-Kinani等2016年提出RS-GBMB模型支持三重反射分析）。
    
  • 蒙特卡洛（MC）：通过Lambert-Phong反射优化（Ding等2010年MMCA算法将方差降低40%）。
    

关键发现：射线追踪在 furnished room中精度最高，但MC更适合大规模反射场景（>10次）。室内CIR的RMS时延扩展普遍低于红外通信，验证了VLC的带宽优势。

（2）室外环境

• LOS模型：交通信号灯V2I链路中（Kumar等2011年），SNR需8-10dB保障可靠传输。
  
• 几何确定性模型：车对车（V2V）场景下，湿滑路面使通信距离缩短20%（Luo等2015年实验数据）。
  
• 射线追踪：商业车灯辐射模式（如奥迪A5 vs 日产）导致路径损耗差异达14dB（Eldeeb等2021年）。
  

（3）水下环境

• 衰减机制：吸收-散射-湍流联合效应（Zeng等2016年综述指出蒙特卡洛最接近实测数据）。
  
• 带宽极限：蓝光（450nm）在清澈海水中可达1.5Gbps（Zhao等2020年）。
  

（4）地下环境

• 挑战：粉尘与毒气导致OPL比室内高15dB（Wang等2017年煤矿实测）。
  
• 模型创新：时变信道需动态更新CIR（Iturralde等2017年）。
  

3. 跨环境性能对比

通过IEEE、Springer等数据库的文献计量分析（图1-3），发现2015年为VLC信道研究高峰，中国和土耳其学者贡献最多。室外模型占比最高（38%），但水下和地下场景的论文增长率达年均25%，反映新兴应用需求。

研究价值与创新点

1. 方法论创新：首次建立四类环境的统一评估框架，提出“环境-建模方法-性能指标”三维分析矩阵（表6）。
   
2. 技术指导：指出射线追踪+实测验证（Eldeeb等2020年）是当前最优方案，但机器学习辅助的GBSM可能是未来方向。
   
3. 应用推动：为智能交通（最大80m V2V距离）、水下机器人控制（低延迟链路）等场景提供建模基准。
   

亮点总结

• 全面性：覆盖9大出版社的217篇文献，提炼7类核心参数与6种建模算法。
  
• 实证性：通过OpticStudio仿真与宝马/Nissan车灯实测数据交叉验证模型。
  
• 前瞻性：指出地下VLC中湍流建模（Mansour 2020年）和OLED柔性发射器（Chaleshtori等2020年）为待突破领域。
  

该综述为VLC系统设计提供了理论工具集，其跨环境比较方法对太赫兹通信等新兴领域亦有借鉴意义。