可见光通信系统光源布局的优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及可见光通信领域，尤其涉及可见光通信系统光源布局的优化方法。
【背景技术】
[0002] 可见光通信（VLC)是指基于白光LED发出的高速明暗闪烁信号来传输信息的无线 光通信。与其他光源相比，白光LED具有响应灵敏度高、调制性能好的优点，使得白光LED能 够作为发射器将信号调制到可见光上，因此可以被用于进行高速的数据通信。白光LED不 仅是下一代节能环保照明设备，而且具有效率高、额定电压低、寿命长、功耗低等诸多优点。 21世纪注定是LED的时代，可见光通信正是在白光LED技术上发展起来的一种新型的无线 接入技术，将向着超宽带宽，超高速，大吞吐量，大覆盖范围和高可靠性的方向发展。
[0003] 白光LED在可见光通信中同时实现照明和通信，既要满足光照度的要求，又要满 足信噪比的要求，由于房间的大小各异，不同的房间的通信质量存在很大不同，需根据不同 的房间大小设计合理的光源布局，达到光照度和接收信噪比的要求，以使通信质量达到最 优。
[0004] 针对可见光光源布局问题，目前普遍采用的方法是在房间中均匀分布LED阵列， 分布原则兼顾光照度和接收光功率。现有技术方案存在的问题和缺点：没有考虑接收信噪 比的问题，在房间各处信噪比相差过大，不利于可见光通信对通信质量的要求。
【发明内容】
[0005] 本发明为解决现有的可见光光源布局为均匀分布LED阵列，没有考虑接收信噪比 而存在房间各处信噪比相差过大的问题，而提出可见光通信系统光源布局的优化方法。
[0006] 可见光通信系统光源布局的优化方法，按以下步骤进行：
[0007] -、建立可见光通信系统基本模型：
[0008] 可见光通信系统包括发射端、光信道传输和接收端，在发射端，数据流经过预处理 后经信道编码和OOK调制，将电信号加载到驱动电路的直流源上，之后驱动LED，对LED进行 强度调制，将电信号转换为光信号发射出去，这样光信号就包含了输入信号的信息；
[0009] 被调制的光信号离开发送端进入大气光信道进行传输，在这个过程中，光信号会 受到来自背景光、其他光源的干扰，同时会受到散粒噪声、热噪声和码间干扰的影响；
[0010] 在接收端，被干扰和噪声影响的光信号首先由ro接收器将光信号转换为电信号， 然后经过放大器对光电流进行放大处理，接着经过OOK解调和信道译码恢复出原始信息；
[0011] 二、建立可见光通信信道基本模型：
[0012] 信道模型表示为：
[0013] Y(I) = RX(!)?h(i) +N(I), (I)
[0014] 上式中，Y(t)表示接收信号的幅度值，R为光电转换系数，X(t)表示发送信号的光 功率，h(t)为可见光信道的冲击响应，N⑴表示AWGN噪声，表示卷积运算；
[0015] 三、建立LED光源模型、接收器模型和反射面模型：
[0016] 三·一、LED光源模型：
[0017] LED光源的发光强度符合朗伯辐射定律，从LED光源发出的光线，当辐射角为Φ 时，其发光强度为：
[0018]
(2)
[0019] 其中η为朗伯辐射阶数，
[0020] 三·二、接收器模型：
[0021 ] ro接收器的参数包括接收面积和视场角FOV ;ro接收器的接收面积Aeff可以表示 为：
[0022]
〇>
[0023] 其中^为ro接收器的检测面积，Θ为光的入射角，FOV表示视场角；
[0024] LED光源的发光强度为I ( Φ )，则接收器平均接收功率为：
[0025] Pr= Ι(Φ)?Ω , (4)
[0026] 其中(1Ω表示立体角，且
D表示LED光源和Η)接收器之间的距 离；
[0027] 三·三、反射面模型：
[0028] 反射面为理想朗伯漫反射，辐射模式与光的入射角无关，对发生在具有面积dA和 反射率P的微反射面上的反射建模，分为两步：第一步认为这个微反射面是一个面积为dA 的接收器，计算它接收到的光功率为dP ;第二步把这个微反射面当成功率为P = P dP和η =1的理想朗伯光源；
[0029] 三.四、在前三个步骤基础上，推导信道冲击响应的算法：
[0030] 光源S由一个三元组决定：S = {rs，ns，η}，其中匕为LED光源位置向量，η 3为LED 光源方向向量，η为朗伯辐射系数；
[0031] 接收单元R可以由一个四元组决定：R = {rR, nR, Ar, F0V}，其中:^为F1D接收器位 置向量，nR为接收器方向向量，A R为接收面积；
[0032] 对于某一特定的LED光源S和接收器R，冲击响应可以表示如下：
[0033]
(5)
[0034] 式中h(k)⑴表示第k次反射的响应；
[0035] ro接收器的平均接收光功率可表示为：
[0036]
， (6)
[0037] 式中PtS LED光源的发射功率；
[0038] 信道增益可表示为：
[0039]
(7)
[0040] 直射情况下的冲击响应可以表示为：
[0041]
(8)
[0042] 式中δ为单位冲激函数，rect为矩形函数，c为光速，(1Ω代表微反射面相对于光 源的立体角，且有
D是光源和接收器的距离，且有D = I I rs-rR I I ; Θ是接 收器的入射角，且有
Φ是光源发出的光线照到某一接收器时这条光线 相对于光源轴的夹角，且有-
[0043] 矩形函数的定义为：
[0044]
(9)
[0045] 第k次反射的冲击响应可通过下式中的第（k-Ι)次反射的冲击响应来迭代：
[0046]
(10)
[0047] 其中P k是第k次反射所经反射面的反射系数，S k是从第k-Ι次反射接收端位置 到第k次反射接收端位置的距离，&为非视距信道的接收机，就是整个可见光通信的总接收 机，这个接收机接收了 k次反射的光信号，ds]为LED光源S与第j次反射的反射点之间的 距离；Λ A是接收机Rx的接收面积；
[0048] 四、可见光通信光源分布优化方程：
[0049] LED光源与房间墙壁的距离与通信质量有很大的联系，在大量仿真实验的基础上， 应用公式（2)、（4)、（6)和公式（10)得出了不同房间规格下可见光通信信噪比方差最小值 与LED光源与墙壁距离L的关系；
[0050] 根据线性回归分析，设回归方程为：
[0051]
(11)
[0052] 其中
[0053]
X1 为第 i次实验的自变量观察值，Y1为第i次实验的自变量观察值，η = 5,解得线性回归方程为： Ζ=0·25?/-0.5，即可见光通信光源分布优化方程为：/尸0,25"-0.5 . (12)
[0054] 式中a为正方形房间的边长，L为LED光源与墙壁间的理论距离，_￡为LED光源与 墙壁间的实际距离；
[0055] 五、由可见光通信光源分布优化方程得出LED光源的最优布置形式：
[0056] (1)、在正方形的房间中，将LED灯均分成四份，组成四个阵列，并确定LED阵列的 规格大小；
[0057] (2)、在房间边长的四分之一处确定四个放置点，将LED阵列按如图6所示的方式 放置，即LED阵列的一个顶点与放置点重合，对角顶点朝着墙角方向。
[0058] 本发明包括以下有益效果：
[0059] 1、采用本发明方法后，可以使得室内可见光通信接收信噪比的分布趋于均匀，能 够更好的满足可见光通信对通信质量的要求。
[0060] 2、本发明方法建立在大量仿真实验基础上，兼顾光照度、接收光功率和可见光通 信接收信噪比的均匀分布，最大地发挥LED光源的经济效益。