北京邮电大学&中国移动研究院：2022年面向6G的可见光信道测量平台白皮书（23页）.pdf

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1、III北京邮电大学中国移动研究院联合创新中心简介北京邮电大学-中国移动研究院联合创新中心（以下简称“创新中心”）成立于 2020年 5 月，依托于北京邮电大学，由北京邮电大学与中国移动研究院联合组建。合作双方旨在为落实国家建立产学研深度融合的技术创新体系战略，加强应用基础研究，促进科技成果转化，在信息通信等领域，充分利用北京邮电大学的科研、技术、学科和人才优势，结合中国移动研究院的技术与产业优势，双方共同投入，在科研合作、人才培养、院士工作站、北京市新型研发机构等工作中实现全面合作；创新中心以国家移动通信发展战略需求为向导，围绕下一代移动通信 6G、5G+关键技术、网络安全、用户与市场四个研究

2、方向，开展原创基础理论和前沿技术探索研究，合作建设“产教融合培养基地”。2022 年 1 月创新中心责任领导：张平中国工程院院士张同须 中国移动研究院 教授级高级工程师王文博 北京邮电大学 教授黄宇红 中国移动研究院 教授级高级工程师创新中心主任：张建华 北京邮电大学 教授袁弋非 中国移动研究院 首席专家创新中心副主任：许晓东 北京邮电大学 教授刘宝玲 北京邮电大学 教授于江 中国移动研究院 产业与业务合作部 副总经理项目负责人：张建华 北京邮电大学 教授夏亮中国移动研究院 高级工程师联系地址：北京市海淀区西土城路 10 号北京邮电大学科研楼 127 室邮政编码：100876联系人：刘燕霞邮箱

3、：北京邮电大学-中国移动研究院联合创新中心扫码关注III目目录录第一章第一章 概述概述.1第二章第二章可见光信道测量平台可见光信道测量平台.22.1 可见光信道测量国内外研究现状可见光信道测量国内外研究现状.22.2 可见光信道测量平台搭建原理可见光信道测量平台搭建原理.42.3 可见光信道测量平台搭建方法可见光信道测量平台搭建方法.52.3.1 可见光信道测量平台总体架构可见光信道测量平台总体架构.52.3.2 电信号生成模块电信号生成模块.62.3.3 电光转换模块电光转换模块.92.3.4 光电转换模块光电转换模块.92.3.5 电信号处理模块电信号处理模块.112.4 可见光信道测量结

4、果分析可见光信道测量结果分析.12第三章第三章 总结总结.16参考文献参考文献.17附录：缩略词表附录：缩略词表.18IV图图 目目 录录图 2-1可见光信道测量平台搭建模块.2图 2-2可见光时域测量平台框架.4图 2-3可见光测量平台总体架构.6图 2-4任意波形发生器.7图 2-5SMA 型可调衰减器.7图 2-6功率放大器.8图 2-7耦合电路.8图 2-8多波长 LED.9图 2-9光电二极管.10图 2-10APD 响应度.10图 2-11光功率计.11图 2-12直流隔离器.11图 2-13信号与频谱分析仪.12图 2-14走廊场景图.13图 2-15可见光信道路径损耗测量与仿真

5、结果.13图 2-16FI 模型拟合结果.15V表表 目目 录录表 2-1任意波形发生器参数表.7表 2-2SMA 型可调衰减器技术指标.7表 2-3功率放大器技术指标.8表 2-4耦合电路技术指标.8表 2-5单波长 LED 技术指标.9表 2-6大带宽 LED 技术指标.9表 2-7光电二极管技术指标.10表 2-8光功率计技术指标.11表 2-9直流隔离器技术指标.11表 2-10信号与频谱分析仪参数表.121第一章第一章 概述概述2020 年前后，5G 商用在全球快速铺开，标志着移动通信进入万物互联的新时代。与此同时，人们追求更高性能移动通信的脚步也从未停歇。随着 5G 应用的全面渗透

6、、科学技术的新突破以及通信技术与新技术的融合，已经衍生出对更高移动通信能力需求的新业务和新场景，例如全息交互、情感传递、空天地一体化等。这些场景需要太比特级的峰值速率、亚毫秒级的时延体验，仅依靠 5G 现有的网络和技术难以支持，需要推动 5G 向第六代移动通信系统（6G）方向演进。可见光通信（VLC）是一种频谱范围在 400-800THz 的高速通信技术。由于位于可见光频段，可见光通信能够使用约 400THz 的未授权频谱资源，从而能够提供更大的通信容量。因此，可见光通信可作为现有射频系统的补充，成为支撑 6G 需求的关键技术之一。但同时，由于频率的升高，可见光的绕射、透射能力变差，传播损耗更

7、大，呈现出不同于传统射频系统的信道特性。因此，应针对可见光频段的信道特性进行研究，构建可见光信道模型来准确刻画可见光信道特性，为可见光通信系统的评估、部署、优化提供理论基础模型。目前，可见光频段的信道模型分为基于实测的信道模型和基于理论的信道模型。利用可见光信道测量平台进行信道测量，采集真实信道数据，并提取信道特征参数，可以获得基于实测的信道模型。但是，受到可见光信道测量平台中器件性能的制约，通过可见光信道测量进行参数提取还面临一定的困难。因此，基于实测的可见光信道模型与理论模型的对比还较为缺乏。并且，理论模型的准确性还并未通过实测数据得到验证。如何提升可见光信道测量平台的性能，成为支持可见光

8、信道测量，完善可见光信道模型，从而指导可见光通信系统设计的关键问题。2第二章第二章可见光信道测量平台可见光信道测量平台基于对信道特性规律的认知，对信道衰落进行复现和预测，就是信道建模。信道建模是每代系统设计、研发和评估的基础和前提研究。信道测量是使用测量设备从真实无线信道中获取可靠测量数据的方法。从真实测量数据中提取信道特征参数，完成对无线信道的建模，是了解信道特征最直接的途径，可以为通信系统的仿真和评估提供依据。目前，针对可见光频段的信道模型分为基于实测的统计性信道模型和基于理论的确定性信道模型。利用可见光信道测量平台进行信道测量，可以基于实测数据建立可见光统计性信道模型。但是，受到可见光信

9、道测量平台中器件性能的制约，通过可见光信道测量进行参数提取还面临一定的困难。在进行可见光信道大尺度衰落特性测量时，偏小的发光二极管（LED）发射功率和偏低的光电探测器灵敏度会导致信道测量平台的可测距离受限；在进行小尺度衰落特性测量时，LED 的调制带宽决定了信道测量平台的时域分辨率，偏小的调制带宽会导致不能获取信道多径信息。因此，目前多为基于理论的可见光信道模型，基于实测的可见光信道模型还较为缺乏。但是，由于缺少实测数据的对比，理论模型的准确性还并未得到实验验证。并且，在理论模型中，环境中反射体的真实反射系数还需要通过测量来获得。所以，提高可见光信道测量平台的性能，在真实的可见光通信环境中采集

10、原始信道数据，是准确刻画可见光信道的前提。2.1 可见光信道测量国内外研究现状可见光信道测量国内外研究现状在可见光信道测量中，通过对已知探测信号和接收信号的分析处理获取信道冲激响应（CIR），进而提取信道特征参数。信道冲激响应可由时域响应直接获得，也可先得到信道频域响应（CFR），然后进行逆傅里叶变换后得到。根据不同的 CIR 获取方式，把可见光信道测量方法分为两大类：时域探测和频域探测。与之对应，可见光信道测量平台也分为两大类：时域测量平台和频域测量平台。目前，通常把可见光信道测量平台分为四个模块：电信号生成模块、电光转换模块、光电转换模块和电信号处理模块，如图 2-1。图 2-1可见光信道

11、测量平台搭建模块利用可见光时域测量平台进行时域探测时，在电信号生成模块，利用任意波形发生器3（AWG）或矢量信号源发射 PN 序列；在电信号处理模块，利用示波器或频谱仪采集接收信号的时域信息，利用扩频滑动相关法进行信号处理。在接收端，可使用示波器采集时域信号的波形，通过解相关获得 CIR；或者可以使用频谱仪采集时域信号的同向分量和正交分量，经过计算处理后可得到接收信号的频谱信息。此外，为达到收、发端时钟同步，收发两端需利用同步线缆相连。由于时钟信号为低频信号（通常采用 10 MHz），因此同步线缆损耗极低，可以适当增加连接线缆长度，从而增加测量范围。收、发两端也可采用设备内部铷钟驯服的方式进行

12、同步，此时二者不必用线缆相连，测量更加灵活。在利用可见光频域测量平台进行频域探测时，利用矢量网络分析仪（VNA）进行电信号的生成以及处理。在电信号生成模块，采用 VNA 的一个端口发送扫频信号；在电信号处理模块，利用 VNA 的第二个端口，采集频域信号，即可得到 CFR，再将 CFR 进行逆傅里叶变换得到 CIR。由于 VNA 可以连续变频，因此它的测量带宽可以达到几十 GHz，这对研究可见光信道十分具有优势。由于 VNA 是收、发一体的设备，必须将发射天线和接收天线同时连接在设备上，并不便于对收、发端距离较大场景进行的测量。并且，较长的射频连接线导致信号衰减也是十分明显的。在文献1中，W.V

13、iriyasitavat 等利用无线电处理软件生成电信号，利用频谱仪采集信号，得到了不同位置处的接收功率，最大测量距离达到了 15 米。在文献2中，H.Y.Tseng 等利用相同的信道测量平台，得到不同相对位置及不同高度处的接收功率，测量距离达到 100米。但是，由于此平台只能支持带宽较低时可见光信道的测量，文献1中发射信号的带宽为 5 KHz，文献2中信号的带宽仅有 500 Hz，所以利用此平台并不能进行信道小尺度衰落特性的测量。在文献3中，A.Uyrus 等进行了毫米波与可见光的信道特性对比。对于可见光信道测量，使用信号源生成电信号，接收信号送入示波器，得到了 25 米范围内的接收功率以及

14、信道频率响应，测量带宽达到 10 MHz，与文献1、2中的测量平台相比有了显著提升。在文献4中，H.B.Eldeeb 等利用任意波形发生器产生发射信号，并利用 8 通道数字转换器进行信号处理得到了可见光MIMO信道在不同距离下的CFR，测量带宽达到了100 MHz。在文献5中，B.Turan 等利用矢量网络分析仪测量得到夜间、日落和太阳条件下不同距离处的 CFR，并且通过 CFR 计算得到了信道的路径损耗和均方根时延扩展。其中，测量带宽达到 10 MHz。在文献6中，S.M.Mana 等在室内场景利用矢量网络分析仪进行扫频，得到了3 米距离下 200 MHz 范围内的 CFR，通过逆傅里叶变换

15、得到 CIR，并对均方根时延扩展和平均时延进行了分析。在文献7中，M.Uysal 等同样利用矢量网络分析仪获取了 3 米距离处 200 MHz 范围内可见光信道的 CFR，并通过逆傅里叶变换变换得到 CIR。在文献8中，B.Turan 等利用 VNA 得到了室外场景 NLOS 配置下 CFR，并分析了路径损耗以及不同反射材料下的信道特性。4可见，在可见光信道测量中，时域测量平台的带宽普遍较小，不利于得到多径信息，所以不适合用于小尺度衰落特性的测量，在可见光信道大尺度衰落特性的测量中较为常用。相比于时域测量平台，频域测量平台的带宽范围普遍较大，时域分辨率较高，更有利于可见光信道小尺度衰落特性的获

16、取。2.2 可见光信道测量平台搭建原理可见光信道测量平台搭建原理由于可见光时域测量平台更有利于长距离下大尺度衰落特性的测量，所以在进行长距离路径损耗测量时，选择时域测量平台对可见光信道进行时域探测。可见光时域测量平台框架如图 2-2 所示。图 2-2可见光时域测量平台框架在可见光时域测量平台中，射频信号生成模块包含四个部分：任意波形发生器（AWG）、功率放大器、衰减器和耦合电路。任意波形发生器产生伪随机序列信号，利用功率放大器、衰减器和耦合电路进行信号的衰减、放大和叠加直流信号的处理，然后到达电光转换模块。在电光转换模块，目前常用 LED 进行电光转换。由电信号生成模块产生的电信号驱动 LED

17、产生光信号，利用强度调制的方式控制光信号的光功率。光信号进入信道中进行传输，到达光电转换模块。在光电转换模块中，光电探测器通过直接检测的方式获取光信号的光功率并将其以一定比例转换为电信号的电流强度。在电信号处理模块，利用直流隔离器、功率放大器和衰减器对接收到的电信号进行去掉直流、放大、衰减的处理，最后到达频谱仪，由频谱仪采集接收到的时域信号。可以把接收信号表示为：rx=t ，（2-1）其中，“”表示时域信号的卷积运算，表示伪随机序列，h 表示信道冲击响应，和5分别表示电信号生成模块和电信号处理模块中各部分的响应函数。包含功率放大器、衰减器、耦合电路的响应，包含直流隔离器、功率放大器和衰减器的响

18、应。和 分别表示 LED 和光电探测器的响应。为了得到信道冲激响应 ，需要把 、和 从接收信号中去除，这就需要用到校准的方法。在进行校准时，将 LED 与光电探测器从系统中移除，并且使用另外一个已知衰减的衰减器来替代 LED 和光电探测器，这样得到的接收信号即为校准信号。把校准信号表示为：=()，（2-2）其中，()代表已知衰减的衰减器的响应。将采集到的接收信号与校准信号通过傅里叶变换表示为频域信号，可以得到：=，（2-3）=，（2-4）其中“”表示乘法运算。将接收信号与校准信号进行频域相除，可以得到：(=。（2-5）所以，信道冲击响应的频域表达式为：(=(，（2-6）其中，LED 与光电探测

19、器的频率响应在一定带宽内为定值。对上式做逆傅里叶变换，就能得到信道冲激响应：(=1(。（2-7）2.3 可见光信道测量平台搭建方法可见光信道测量平台搭建方法2.3.1 可见光信道测量平台总体架构可见光信道测量平台总体架构可见光信道测量平台总体架构如图 2-3 所示。首先，由任意波形发生器产生基带交流信号，交流信号具有正向电压和负向电压。但是，由于 LED 具有单向导电性，所以只能使正向电压通过。为了使全部信号都可通过 LED，将交流信号与一个直流偏置电压相叠加，此时，交流信号全部抬升为正电压。因此，使用耦合电路来进行交流信号与直流偏置电压的叠加，以保证输入 LED 的信号全部为正向电压。其中，

20、还需用到直流稳压电源提供直流偏置电压。并且，由于 LED 具有线性区间，只有在线性区间内，才能以一定比例系数将电信号6转换为光信号。所以，还需要使用可调衰减器调整交流信号的幅度，以保证驱动 LED 的电信号工作在线性区间内。图 2-3可见光测量平台总体架构电光转换模块采用大功率大带宽 LED 进行电信号到光信号的转换。在进行信道的大尺度衰落特性测量时，使用大功率 LED 可增加信号的覆盖范围，从而增大测量距离。在进行小尺度衰落特性测量时，使用大带宽 LED 能够增大测量系统的时延分辨率，有利于获取信道多径信息。光电转换模块采用两种设备进行光信号的接收：光电探测器和光功率计。其中，光电探测器可感

21、知光信号的功率，并将其以线性关系转换为电路中的电流强度。目前，常用的光电探测器有三种类型：光电倍增管（PMT）、光电二极管（PD）和雪崩光电二极管（APD）。其中，PMT 具有最高的灵敏度，但是适用范围很小，只能进行单光子的测量；APD 利用雪崩过程对光电流进行放大；PD 对光电流的放大作用最小，但是不易达到饱和状态，有利于大功率光信号的测量。光功率计可直接测得光信号的功率，并且具有较大的测量范围，在小功率光信号和大功率光信号的测量中均可使用。在射频信号处理模块，由于频谱仪不能处理直流信号，所以在信号进入频谱仪之前，需要使用直流隔离器将电信号中的直流部分去除。2.3.2 电信号生成模块电信号生

22、成模块本测量平台采用 AWG 生成伪随机序列信号。AWG 可以用来实现常规函数波形产生、7可编辑任意波形发生、雷达信号模拟发生、环境信号模拟发生、I/Q 矢量基带信号产生等，内置任意波形编辑软件、公式编辑等功能，支持定时播放、外触发播放、循环播放等多种播放方式，并支持通道间同步、多台仪器间的同步等。设备参数如表 2-1 所示。图 2-4任意波形发生器表 2-1任意波形发生器参数表参数类型数值采样率5 GSa/s最高输出频率2 GHz垂直分辨率16 bits存储深度2G 点/通道采用 SMA 型按键可调衰减器进行电信号的衰减，使驱动 LED 的交流信号不超过 LED的线性区间，如图 2-5 所示

23、。步进式可调衰减器用于调节测试系统中的功率电平，可在不中断电路的情况下以 1dB 为步进调节信号电平，也可以作为仪器设备的机内衰减器，具有体积小、精度高、稳定可靠等特点。设备技术指标如下表所示。图 2-5SMA 型可调衰减器表 2-2SMA 型可调衰减器技术指标参数类型数值工作频率DC-3 GHz衰减调节范围0-60 dB衰减步进1、2、4、8、16、10、10、10（dB）驻波 1.5额定功率5 W温度范围-10+50 尺寸1662035.5 mm8重量145 g采用中型功率放大器进行电信号的放大。中型功率放大器可在 0.0025 至 500 MHz 频率范围内提供 25dB 的增益，并安装

24、在带有 SMA 连接器和可选散热器的紧凑型铝合金外壳中，可直接与射频线进行连接，并实现高效冷却。技术指标如表 2-3 所示。图 2-6功率放大器表 2-3功率放大器技术指标参数类型数值带宽0.0025-500 MHz增益25 dB最大输出功率（1 dB Compr.）+22 dBm工作电压24V最大电流0.350A采用耦合电路将任意波形发生器生成的交流信号和直流稳压电源输出的直流偏置电压耦合在一起，保证驱动 LED 的电信号全部为正向电压，从而实现在 LED 上加载交流信号。同时，在反向使用时，该器件也具有隔离直流信号的功能。器件的技术指标如表 2-4 所示。图 2-7耦合电路表 2-4耦合电

25、路技术指标参数类型数值最大射频功率30 dBm最大直流电压30 V输入电流500 mA9带宽0.1-4200 MHz低插入损耗0.6 dB typ.2.3.3 电光转换模块电光转换模块采用五种类型 LED 将电信号转换为光信号辐射出去，其中的四种类型为具有不同波长的大功率 LED，可进行可见光信道波长依赖性的测量，另外一种为具有大带宽的蓝光 LED。使用时需注意，所加电压应使 LED 工作在其线性区域内。当 LED 工作在线性区域时，LED以一定比例系数进行电光转换，光信号的功率与电信号的电流强度具有线性关系。若超过线性区域，则电信号的电流与光信号的功率不再具有线性关系。使用四种大功率 LED

26、 进行大尺度衰落特性测量时，最大可测距离达到 15 米。使用大带宽蓝光 LED 进行小尺度衰落特性测量时，测量带宽可达 90 MHz。四种大功率 LED 以及大带宽蓝光 LED 的技术指标分别如表 2-5、表 2-6 所示。图 2-8多波长 LED表 2-5单波长 LED 技术指标颜色中心波长最大发射光功率电流红色625 nm0.5 w1.5 A绿色525 nm0.25 w1 A蓝色455 nm1.5 w0.45 A紫色405 nm1.5 w0.45 A表 2-6大带宽 LED 技术指标参数类型数值中心波长451 nm-3dB 带宽90 MHz最大发射光功率20 mA电流90 mA2.3.4

27、光电转换模块光电转换模块选择 APD 作为光电探测器，将接收到的光信号转换成电信号，如图 2-9 所示。在进行光电转换时，APD 以一定响应度，将光信号的光功率转换为电信号的电流强度，响应度随10光信号波长的关系如图 2-10 所示。当被测光信号的功率低于灵敏度时，在电路中并没有电流产生。同时，在被测光信号的功率过大时，APD 会达到饱和状态，产生削波现象。此时，电路中的电流强度会稳定在某一个值，不再随光功率的变化而改变。所以，需要注意被测光信号的功率要高于 APD 的灵敏度，同时，不能功率过大从而使 APD 达到饱和状态。图 2-9光电二极管图 2-10 APD 响应度使用时，若 LED 半

28、功率角较大导致光束发散，可使用平凸透镜进行光束收集。利用平凸透镜收集光束时，应将透镜平面对准 APD，并将 APD 放置于透镜焦距位置，以达到最好的信号接收效果。APD 的技术指标如下表所示。表 2-7光电二极管技术指标参数类型数值截止带宽1 GHz接收视场角120有效接收面积0.5 mm2在测量时，也可采用光功率计进行光信号的接收，获取光信号的功率，如图 2-11 所示。光功率计由光电二极管功率探头和 PM100D 显示器组成。探头具有很高的灵活性，可在空间和操作性受局限的区域进行光功率测量，接收视场角（FOV）很宽，能够接收各种角度的光线。并且，该探头具有较宽的光谱响应范围，可进行多波长光

29、信号功率的测量。另外，该11探头还具有很大的测量范围，具有较高的灵敏度以及较大的可测功率，能够进行较小功率光信号的测量，并且在大功率光信号的测量时不易达到饱和。技术指标如表 2-8 所示。图 2-11 光功率计表 2-8光功率计技术指标参数类型数值探头直径9.5 mm光谱响应范围400-1100 nm灵敏度500 pw接收视场角1802.3.5 电信号处理模块电信号处理模块采用直流隔离器用于隔离直流信号，同时使交流信号不受影响地传输，即用来消除传输线中直流信号对测试仪器的影响，避免仪器被直流电击坏。使用时，需注意输入直流隔离器的直流信号电压与射频信号功率需要在设备的最大直流电压与射频功率容限以

30、内。技术指标如表 2-9 所示。图 2-12 直流隔离器表 2-9直流隔离器技术指标参数类型数值频率范围DC-6 GHz插入损耗1.0 dB射频功率容限2 W最大直流电压50 V阻抗50 在电信号处理模块用到的功率放大器和衰减器与在电信号生成模块用到的放大器和衰12减器相同，此处不再赘述。采用信号与频谱分析仪进行电信号的采集以及信号的处理，如图 2-13 所示。信号与频谱分析仪可采集电路中的时域 I/Q 信号，在设定好中心频率、分析带宽等参数后，即可分析信号的频谱、矢量图等信息。并且，信号与频谱分析仪可共用任意波形发生器内部的 10 MHz时钟源进行同步，利用触发信号进行绝对时延采集。设备参数

31、如下表。图 2-13 信号与频谱分析仪表 2-10 信号与频谱分析仪参数表参数类型数值频率范围100 kHz-40 GHz最大采样率2.4G Sample/s最大时延分辨率0.42 ns最大测量带宽2 GHz输出功率范围-120-18 dBm接收平均噪声电平120 dBm2.4 可见光信道测量结果分析可见光信道测量结果分析利用搭建的可见光信道测量平台进行可见光信道大尺度衰落特性测量。由于室内场景为典型的光通信应用场景，所以选择室内走廊场景进行可见光信道路径损耗测量，并基于实测数据建立路径损耗模型。建立的路径损耗模型能够为研究 6G 中可见光通信中的覆盖问题提供模型基础，并为可见光通信系统的设计

32、与优化提供指导。走廊长宽高分别为 55 m*2.2 m*2.52 m，场景中无人体移动遮挡带来的影响。四面墙壁材料及天花板材料均为石膏，地板材料为石板。由于背景光会对接收信号造成很大影响，所以，路径损耗测量需要在环境中无其他光源干扰的情况下进行。测量场景如图 2-14 所示。13图 2-14 走廊场景图采用大功率蓝光 LED 作为电光转换模块，利用光功率计作为光电转换模块。在测量时，使蓝光LED发射功率为其最大发射光功率1.5 W，设置光功率计中心波长为蓝光波长455 nm。为了减少移动带来的测量误差，在发射端，将 LED 固定在长宽高分别为 1.8m*0.74m*0.74m的折叠桌中心处的光

33、学平台上，LED 距离地面 0.9 m。在接收端，将光功率计放置在相同材质和高度的折叠桌上，使光功率计和 LED 高度保持一致，中心点对齐。保持发射端固定，移动接收端进行测量。图 2-15 中实线代表测量所得的路径损耗结果。可以看到，随着距离的增大，可见光的路径损耗也随之变大。当收发端距离为 1 m 时，路径损耗为 43.41 dB，在收发端距离为 6 m时，路径损耗增加到 56.88 dB。这是因为信道直流增益与传播距离的平方具有非线性负相关的关系。所以，随着接收端与发射端的距离逐渐增大，路径损耗随之增大。图 2-15 可见光信道路径损耗测量与仿真结果此外，在不同的收发端距离处，距离对路径损

34、耗有着不同的影响。距离对路径损耗的影响可以通过路径损耗因子来描述：14=PLlog10d2d1，（2-8）其中，d1与d2分别表示两个不同的收发端距离，PL 表示两个收发端距离处路径损耗的差值。当收发端距离在 0.5 m 和 1 m 时，路径损耗差值为 5.4 dB，路径损耗因子为 17.9；而当收发端距离在 9.5 m 和 10 m 时，路径损耗差值为 0.33 dB，路径损耗因子仅为 14.8。随着收发端距离的增大，路径损耗因子显著减小，表明距离对路径损耗的影响逐渐变弱。这是因为当收发端距离较小时，接收信号中直射径信号起主导作用，而直射径信号功率主要随距离变化而改变，所以较小的距离可以带来

35、较大的路损变化；然而，随着收发端距离的增大，光功率计可以接收到更大范围的来自墙壁及天花板、地板的反射径信号，直射径信号所占比例逐渐减小，反射径信号所占比例增大，所以距离变化对路损的影响减弱。同时，为了验证走廊场景中测量所得路径损耗结果的正确性，构建和实测场景相同的仿真场景，利用基于理论的可见光信道模型和实测得到的路损模型进行对比验证。使用射线追踪技术进行仿真，利用软件 Zemax 得到仿真结果，如图 2-15 中虚线所示。可以看到，仿真和实测得到的路径损耗结果表现出相似的变化趋势，即：随着收发端距离的增大，可见光信道中的路径损耗随之变大，但距离对路径损耗的影响逐渐减弱。另一方面，可以看到，仿真

36、和实测结果有 0-3 dB 的差值，并且随着收发端距离增大，仿真和实测结果之间的差异随之变大。分析认为，存在差值的原因主要是实际场景中反射体的反射系数与软件中设置的反射体反射系数存在差异，导致实测反射径信号功率与仿真反射径信号功率之间存在差异。当收发端距离增大时，反射径信号所占比例增大，仿真和实测结果之间的差异随之变大。所以，通过实测的方法进行反射材料的反射系数测量，对基于理论的可见光信道模型进行修正，可提高仿真结果的精确度。浮动截距（FI）模型是常用的路径损耗模型。FI 模型可以表示为：=10log10+，（2-9）其中，为收发端距离，、为常数，代表信道的阴影衰落，是一个服从均值为零，方差为

37、2的正态分布的随机变量。利用 FI 模型对路径损耗实测结果进行拟合，得到蓝光条件下可见光信道的路径损耗模型：=101.823log10+42.9+，（2-10）其中，表示均值为 0，方差为2的高斯随机变量，的数值为 0.20，拟合结果如图 2-16所示。15图 2-16 FI 模型拟合结果由拟合结果可以看出，路径损耗与收发端距离呈现正相关的关系。并且，的数值较小，说明通过 FI 模型拟合得到的路径损耗模型与实测得到的路径损耗结果有着非常好的吻合度。16第三章第三章 总结总结利用可见光信道测量平台，可以实现真实可见光通信环境中原始信道数据的采集，基于实测数据提取信道特性参数，从而实现对可见光信道

38、特性的建模。目前，可以利用可见光时域探测平台或频域探测平台在室内、车对车等场景进行可见光信道特性测量。但是，为了探索未来 6G 中各种新应用场景的可见光信道特性，可见光测量平台的性能还需要进一步优化提升。在大尺度衰落特性测量方面，由于电光转换模块的最大发射光功率会直接影响可见光信号的覆盖范围，所以，如何提升电光转换模块的最大发射光功率是提升测量范围的关键问题。目前常用 LED 作为电光转换模块，测量范围可达 15 米。但是，在未来更大尺寸场景的测量，如工业互联网场景、停车场等场景中，测量距离需要达到百米级别，所以仍需研制更大功率的电光转换器件以支持更大的测量范围。在小尺度衰落特性测量方面，电光

39、转换模块和光电转换模块的带宽成为限制测量平台性能的主要因素。如果电光转换模块和光电转换模块的带宽较小，测量平台的时延分辨率则会较低，导致不能分辨出信道多径信息。目前，LED 的带宽能够达到 200 MHz，但这对于一些尺寸较小场景的测量来说还远远不够，只能通过一些补偿的手段，如预均衡、补零方法等，来提升测量系统整体的性能。所以，研制大带宽的电光转换器件和光电转换器件，也是提升可见光测量平台性能的关键之一。17参考文献参考文献1W.Viriyasitavat,S.Yu and H.Tsai,“Short Paper:Channel Model for Visible LightCommunica

40、tions Using Off-the-shelf Scooter Taillight,”2013 IEEE Vehicular NetworkingConference,2013,pp.170-173.2H.Y.Tseng,Y.L.Wei,A.L.Chen,et al,“Characterizing Link Asymmetry inVehicle-to-vehicle Visible Light Communications,”2015 IEEE Vehicular NetworkingConference(VNC),2015,pp.88-95.3A.Uyrus,B.Turan,E.Bas

41、ar,et al,“Visible Light and mmWave Propagation ChannelComparison for Vehicular Communications,”2019 IEEE Vehicular Networking Conference(VNC),2019,pp.1-7.4H.B.Eldeeb,S.M.Mana,V.Jungnickel,et al,“Distributed MIMO for Li-Fi:ChannelMeasurements,Ray Tracing and Throughput Analysis,”IEEE Photonics Techno

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43、ongress(GLC).IEEE,2019,pp.1-6.7H.B.Eldeeb,M.Uysal,S.M.Mana,et al,“Channel Modelling for Light Communications:Validation of Ray Tracing by Measurements,”2020 12th International Symposium onCommunication Systems,Networks and Digital Signal Processing(CSNDSP),2020,pp.1-6.8B.Turan,et al,“Measurement Bas

44、ed Non-Line-Of-Sight Vehicular Visible LightCommunication Channel Characterization,”2021.18附录：缩略词表附录：缩略词表缩略词英文全称中文全称6G6th generation mobile networks第六代移动通信技术VLCvisible light communication可见光通信MIMOmultiple-input multiple-output多输入多输出CIRchannel impulse response信道冲激响应CFRchannel frequency response信道频率响应AWGarbitrary waveform generator任意波形发生器LEDlight-emitting diode发光二极管LOSline-of-sight视距NLOSnon line-of-sight非视距PMTphotomultiplier tube光电倍增管PDphotodiode光电二极管APDavalanche photo-diode雪崩光电二极管