2.3 VLC信道建模

尽管VLC技术主要是为室内场景开发的，但该技术可用于更广泛的环境，从水下到车载通信，不同环境的信道模型也有所差异。VLC信道建模包括多个性能指标，本节将对VLC建模时的性能指标进行介绍。

2.3.1 光通量

光度参数量化光被人眼感知的特征，如亮度、颜色等。辐射参数测量光的辐射电磁能量的特性，有助于确定LED的通信相关属性。计算光通量有两种主要方法，使用光谱积分或使用空间积分。根据给定的LED发射器的可用参数，可以选择如下两种方法之一来计算光通量。

1.光谱积分

光谱积分法利用人眼的光度函数和LED的光谱功率分布来导出光通量。使用光度函数V（λ）表示人眼对不同波长可见光谱表现出的敏感度。使用光谱功率分布ST（λ）代表LED在可见光谱所有波长下的功率的函数，LED供应商通常会公布该分布，以解释在LED存在的情况下，不同的颜色将如何呈现的问题。

光通量结合光度函数和光谱功率分布来计算LED的感知功率，用V（λ）和ST（λ）函数来分别表示光度函数与光谱功率分布，发射器LED的光通量以luminous为单位进行测量，其计算公式为：

683 lumens/watt为最大的发光效率，发光效率是光通量与辐射通量的比率，它衡量了LED辐射的电磁能量和提供可见光照明所需的电能。

2.空间积分

另一种计算光通量的方法是利用LED的空间发射特性。使用发光强度gt（θ）测量LED在特定方向上的亮度。以Candela为单位进行测量，Candela是每单位立体角的光通量。发光强度中包含两个重要参数，轴向强度I0定义为0°立体角时的发光强度，单位为Candela。半光束角θmax是光强度降低到轴向强度一半的角度。光通量使用空间积分的计算方法为：

2.3.2 发射功率

VLC发射机是一个发光灯具，驱动电路输入信息信号，这些信息信号被调制，并作为LED或LD的正向调制输入电流。通过改变驱动电流可以直接调制功率或强度。发射功率定义为：

Ep是每个光子的能量，单位为eV，I是内部正向电流，单位为mA。二极管以电流的形式将输入数据调制为功率为Ptx的光脉冲。光穿过通道，单位为mW，并在聚焦到光电探测器或在像传感器之前穿过光学透镜。

2.3.3 信道损耗

光束主要通过LoS和漫反射信道两个信道从LED传输到接收器光电二极管。LoS信道可建模为：

使用光通量计算路径损耗的方法为，假设路径损耗为LL，路径损耗定义为接收器的光通量除以发射器光通量，则路径损耗公式为：

其中，D为接收器和发射器之间的距离，Ar为接收区域面积，α为接收器法线和发射器—接收器线之间的角度，β为发射器角度，m为朗伯辐射的数量级。

2.3.4 接收功率

使用路径损耗、光度函数和光谱功率计算接收功率，计算公式为：

其中，SR（λ）=LLST（λ），LL是路径损耗，ST（λ）是光谱功率分布。Rf（λ）为滤光器的光谱响应，λrL和λrH分别是滤光器的较低和较高波长截止值。

当一个灯中存在N个LED时，接收光电探测器可以同时从多个LED接收信号，总接收功率为N个LED接收功率之和，此时LoS信道接收功率表示为：

2.3.5 接收机噪声与信噪比

室内可见光链路的噪声主要有三个来源：①来自窗户、门等的太阳辐射造成的环境光噪声，其他照明源如白炽灯和荧光灯引起的噪声；②由信号和环境光在光电探测器中引起的散粒噪声；③光电探测器的电前置放大器噪声，也称为热噪声。

太阳辐射和人工照明源的环境噪声构成了噪声基底这是一种直流干扰。这种噪声的影响可以通过在接收机处使用电高通滤波器的方式来减轻。通常的研究是假设环境噪声本底在空间和时间上保持不变。当由太阳辐射和人工照明源引起的噪声被过滤掉，接收器处的信噪比可以根据散粒噪声和光电探测器电路的热噪声来计算，可表示为：

σ shot和σthermal分别是散粒噪声和热噪声的标准偏差。

2.3.6 阴影

VLC链路的接收器可能被室内环境中的不同物体或人遮挡。例如，当接收器LED位于桌子上时，附近椅子的移动可能会在接收器处产生阴影，类似地，如果一个人在发射机和接收机之间频繁经过，链路性能也会受到频繁产生阴影的影响。鉴于可见光与RF相比表现出明显不同的传播特性，因此在室内环境中对可见光阴影进行表征和建模至关重要。