[发明专利]可见光通信系统光源布局的优化方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

可见光通信系统光源布局的优化方法，按以下步骤进行：

一、建立可见光通信系统基本模型：

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；

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；

在接收端，被干扰和噪声影响的光信号首先由PD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；

二、建立可见光通信信道基本模型：

信道模型表示为：

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)为可见光信道的冲激响应，N(t)表示AWGN噪声，表示卷积运算；

三、建立LED光源模型、接收器模型和反射面模型：

三.一、LED光源模型：

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：

其中n为朗伯辐射阶数，

三.二、接收器模型：

PD接收器的参数包括接收面积和视场角FOV；PD接收器的接收面积A_eff可以表示为：

其中A_R为PD接收器的检测面积，θ为光的入射角，FOV表示视场角；

LED光源的发光强度为I(φ)，则PD接收器平均接收功率为：

P_r＝I(φ)dΩ，(4)

其中dΩ表示立体角，且D表示LED光源和PD接收器之间的距离；

三.三、反射面模型：

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ρ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＝ρdP和n＝1的理想朗伯光源；

三.四、在前三个步骤基础上，推导信道冲激响应的算法：

光源S由一个三元组决定：S＝{r_s,n_s,n}，其中r_s为LED光源位置向量，n_s为LED光源方向向量，n为朗伯辐射系数；

接收单元R可以由一个四元组决定：R＝{r_R,n_R,A_R,FOV}，其中r_R为PD接收器位置向量，n_R为PD接收器方向向量，A_R为接收面积；