非视距MIMO空时分复用可见光光学相机通信系统研究

作者及机构
本研究的通讯作者为Navid Bani Hassan与Zabih Ghassemlooy（英国诺森比亚大学物理、数学与电气工程系），合作团队包括Stanislav Zvanovec（捷克布拉格理工大学电磁场系）、Mauro Biagi（意大利罗马大学）、Anna Maria Vegni（罗马第三大学）、Min Zhang（北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室）以及Pengfei Luo（华为海思研究院）。研究成果发表于《Journal of Lightwave Technology》2019年5月第37卷第10期。

学术背景

本研究属于可见光通信（Visible Light Communication, VLC）领域，聚焦于非视距（Non-Line-of-Sight, NLOS）环境下的光学相机通信（Optical Camera Communication, OCC）。传统VLC系统依赖光电二极管（Photodiode, PD）实现高速通信，但存在移动性受限和阴影遮挡问题；而基于图像传感器（Image Sensor, IS）的OCC系统虽带宽较低，但具备空间分离多发射源（Multiple-Input Multiple-Output, MIMO）能力，适用于室内定位、智能交通系统（ITS）等场景。然而，现有OCC技术面临四大挑战：
1. 传输链路：多数研究假设视距（Line-of-Sight, LOS）路径，但实际应用中（如车辆交叉路口或设备间通信）常需依赖NLOS反射路径；
2. 发射源检测与追踪：现有图像处理方案耗时且数据率低（仅kbps级）；
3. 闪烁问题：低频光强变化影响通信质量；
4. 多址与复用技术：现有方案复杂度高。

本研究旨在提出一种NLOS MIMO空时分复用（Space-Time Division Multiplexing, STDM）OCC系统，通过创新信号处理与调制方法解决上述问题。

研究流程与方法

1. 系统模型设计

核心组件包括：
- 发射端：采用Luxeon Rebel LED阵列，通过矩形遮光罩（RB）在室内地面形成0.9×0.9 m²的光斑，发射功率低至12 mW。
- 接收端：使用佳能EOS 100D相机（APS-C传感器，720p@60 fps），通过帧差分、掩模匹配（Mask Matching）和等增益合并（Equal-Gain Combining, EGC）算法提取数据。

关键技术：
- 分组时分复用（TDM）：将发射源分组，确保光斑重叠面积<30%，避免串扰。
- 差分调制与帧间减法：消除背景干扰，掩模匹配定位特定发射源的光斑。
- EGC检测：对多像素信号平均化，提升信噪比（SNR）。

2. 理论建模

提出双路径NLOS信道模型（图1）：
- 路径1：LED至地面的LOS链路，衰减系数α_t-f由距离平方反比定律决定；
- 路径2：地面反射至相机的LOS链路，衰减系数α_f-c与镜头有效面积、反射率ρ（实验设为0.67）相关。
通过卷积计算像素级接收光功率（公式7），并量化串扰影响（公式15）。

3. 实验验证

测试条件：
- 链路跨度（Link Span, LS）：2 m、5 m、10 m；
- 环境光：评估有无环境光下的性能差异；
- 相机参数：焦距（18 mm/55 mm）、光圈（f/4）、曝光时间（1/100 s）、ISO（6400）。

实验步骤：
1. 数据包生成：1068比特结构（64比特前导码+2比特组ID+2比特掩模ID+1000比特载荷），采用OOK-NRZ调制；
2. 视频采集：录制3分钟RGB视频，离线MATLAB处理；
3. 信号检测：
- 帧差分：分离背景与信号（公式19）；
- 像素化：10×10像素块平均化降噪（公式22）；
- 掩模匹配：二值化提取目标光斑（公式23）；
- EGC解码：阈值判决恢复数据（公式26）。

主要结果

1. 传输性能：

   • 在10 m链路下，BER达10^-3（接近FEC限值3.8×10^-3），仅需12 mW发射功率；
     
   • MIMO系统中，当发射功率>10 dBm时，BER受限于串扰（图6）。
     

2. 环境光影响：

   • 因JPEG非线性伽马校正，环境光反而提升性能（图7a），使信号偏移至相机线性响应区。
     

3. 相机参数优化：

   • 变焦（18 mm→55 mm）对BER无显著影响；
     
   • 散焦模式下，光斑覆盖更多像素，SNR略降但仍可接受（图7b）。
     

结论与价值

本研究提出了一种低功耗、长距离NLOS MIMO-OCC系统，其创新点包括：
- 学术价值：首次将STDM与EGC结合应用于OCC，解决多发射源串扰问题；
- 应用价值：适用于智能交通（如车辆间通信）、室内定位等场景，尤其在复杂NLOS环境下表现优异；
- 技术突破：证明相机散焦和大光圈可提升接收光功率，简化硬件要求。

研究亮点

1. 方法新颖性：

   • 提出掩模匹配+EGC联合检测算法，较传统图像处理方案显著提升噪声容限；
     
   • 设计分组TDM协议，支持光斑重叠面积达30%（超越文献[18]的极限）。
     

2. 工程实用性：

   • 系统在10 m距离下仅需12 mW功率，兼容智能手机相机（如720p@60 fps）；
     
   • 利用JPEG压缩特性，意外发现环境光对通信的增益效应。
     

3. 理论贡献：

   • 建立像素级NLOS信道模型（公式7），量化串扰影响（公式15），为后续研究提供基准。
     

本研究为NLOS可见光通信提供了可扩展的解决方案，其低复杂度、高鲁棒性特点尤其适合大规模物联网（IoT）部署。