复杂交通环境下LED可见光通信系统建模及实现

LED optical communication is an optical wireless communication technology which transmits signal utilizing LED lamp. Because LED lamp has many advantages and huge development potential， traffic management and service using LED traffic lights have become a hot research topic in intelligent transportation technology. However, complex channel environment, serious signal fading, difficult signal receiving, occlusion problem and edge switching problem always restrict the application of LED optical communication in intelligent transportation system. Taking complex LED traffic lights layout, strong background light, random light reflection source, atmospheric turbulence caused by road temperature variation, etc as the research object, LED optical communication channel model under complex environment is established in this project. On this basis, Communication system utilizing average aperture technology, spread spectrum technology, error correction technology and pulse modulation technology is researched, the experiment platform is built, and the theoretical channel model will be checked and corrected. The correctness of LED optical communication model under complex traffic environment is discussed. We will complete hardware implementation and combination of above-mentioned technology, provides a new receiving system in actual traffic situation. This project will lay the foundation for the theory and application of LED optical communication application in actual traffic environment.

LED光通信是利用LED灯传输信号的一种光无线通信技术，由于LED灯的众多优点和发展潜力巨大，利用LED交通灯对交通进行管理和服务已经成为智能交通技术的研究热点。然而，复杂的信道环境、严重的信号衰落、困难的信号接收以及遮挡问题和边缘切换问题，一直制约着LED光通信在智能交通中的应用。本项目中以复杂的LED交通灯布局，强背景光，随机的光反射源和路面温度变化引起的大气湍流等实际影响智能交通光通信的关键参数为研究对象，建立复杂环境下的LED光通信信道模型。在此基础上，研究平均孔径技术、扩频技术、纠错码技术和脉冲调制技术相结合的通信系统，搭建实验平台，检验和修正理论推导的信道模型，探讨复杂交通环境下的LED光通信模型的正确性，并将上述技术进行硬件实现与结合，提供一种在实际交通情况下的新型接收系统，为LED光通信应用在实际的交通环境下奠定理论与应用的基础。

实际智能交通中的光无线信道，存在公路上的大气湍流影响，光发射阵列庞大，不同方位的光发射源，反射光源随机，背景光干扰严重等问题。本项目采用随机相位屏的方式引入大气湍流，并加入强背景光干扰模型用以模拟日光影响，根据实际情况加入若干个光发射源和光反射源，建立了符合实际智能交通环境的光无线信道的信道模型。在此基础上搭建了基于扩频技术、RS码和MPPM光调制技术的实验平台，验证了建立的通用信道模型的正确性。研究发现，调制方式相同时，与晴天相比， 系统在雾天时信噪比最低；其次是干雪天，雨天和湿雪天信噪比下降的最少，且相差不多；当天气条件相同时，系统在MPPM调制下比在OOK调制下和PPM调制下的信噪比更高。在室外基本的光无线信道模型建立的基础上，不失一般性的以漫射链路为研究重点，选取常用的90个LED圆阵列交通灯为信号发射源，研究LED交通灯光功率特性，以配有半球面集中器的光电探测器为光接收器件搭建了智能交通中的LED可见光通信系统。研究结果表明，孔径平均技术能够有效的抑制湍流的影响，孔径越大抑制效果越好。信道建模时可以忽略沥青路面和积水路面漫反射对接收信号的影响，考虑冰和积雪路面漫反射的影响。另外，研究了将扩频技术和PPM调制技术相结合应用于智能交通环境下LED可见光通信系统中。在每组阵列光源上加载正交的扩频码，以使得光接收系统可以将每组光源进行分离解调，并根据相关峰值计算得到信噪比最高的信号源，使接收机与该信号源进行通信，解决了车辆通过十字路口时多个信号源接收切换问题和转向时信号丢失的问题。.本项目建立的信道模型与研究结果，为今后LED无线光通信应用在智能交通中奠定了理论与实践基础。