[发明专利]一种可见光通信系统中信息与能量共同传输的方法

权利要求书

1.一种可见光通信系统中信息与能量共同传输的方法，其特征在于，包括：

步骤1：建立点对点信息与能量共同传输的可见光通信SLIPT VLC系统，所述点对点SLIPT VLC系统包括点对点发射端和点对点接收端，所述点对点发射端将点对点传输信号通过一个发光二极管转换为可见光，并发送给所述点对点接收端；

所述点对点接收端将所述可见光通过光电二极管进行点对点信息接收，或者将所述可见光通过太阳能电池板进行点对点能量收集；

所述步骤1，包括：

步骤1.1：计算所述点对点传输信号x：

令s表示连续数据符号且的随机实数；

s的峰值振幅为-A≤s≤A，s的方差为其中A＞0，ε＞0；

所述点对点传输信号x为：

其中，g为功率放大器的功率增益，I_D为直流偏置；

所述功率放大器的功率增益g应满足：

所述点对点传输信号x的平均电功率为：

所述发光二极管的光通量Φ_OT为：

Φ_OT＝354.286x+27, (4)

步骤1.2：根据所述点对点传输信号x，分析所述点对点SLIPT VLC系统的光照控制：

所述点对点SLIPT VLC的光照控制，即光照水平τ、点对点SLIPT VLC系统的平均光功率和最大光功率P_T之间的关系：

0＜τ≤1；

根据式(1)，所述点对点SLIPT VLC系统的平均光功率由所述直流偏置I_D决定，即

所述功率放大器的功率增益g满足：

其中，I_H为发光二极管最大允许电流，即

步骤1.3.1：分析所述点对点接收端的点对点信息接收模块：

所述发光二极管与所述光电二极管之间的LoS链路增益h₁为：

其中，为朗伯指数，φ_1/2为发光二极管的半功率半角，d₁为发光二极管与光电二极管之间的距离，A_PD表示光电二极管的探测器面积，φ₁为发光二极管到光电二极管的出射角，为发光二极管到光电二极管的入射角，Ψ₁表示光电二极管的半视场角；

接收信号y为：

y＝h₁x+z， (9)

其中，z表示方差为σ²的零均值高斯噪声；

可达速率R_SISO为：

其中，α和γ是由A和ε确定的参数，σ²为零均值高斯噪声的方差；

所述可达速率R_SISO的下界通过如下分布得到：

其中α，β和γ为下列方程的解：

T(A)-T(-A)＝e^1+α, (12a)

β(e^A(β-γA)-e^-A(β+γA)-e^1+α)＝0, (12b)

e^A(β-γA)((β-2γA)e^-2Aβ-β-2γA)+(β²+2γ)e^1+α＝4γ²εe^1+α, (12c)

其中，

步骤1.3.2：分析所述点对点接收端的点对点能量收集模块：

发光二极管与太阳能电池板之间的信道增益h₂：

其中，A_s表示太阳能电池板的探测器面积，d₂为发光二极管与太阳能电池板之间的距离，φ₂为发光二极管到太阳能电池板的出射角，为发光二极管到太阳能电池板的入射角，Ψ₂表示太阳能电池板的半视场角；

太阳能电池板接收到的光通量Φ_OR：

Φ_OR＝h₂Φ_OT (14)

接收到的太阳能电池板照度E为：

其中，为发光二极管的相对光谱能量密度，λ为光波波长，为标准光度函数，E_a表示环境光的照度(W/m²)；

利用部分开路电压FOCV方法和最大功率点MPP跟踪方法，输出电压U和开路电压U_oc近似为：

U＝ηU_oc, (16)

其中，η为一系数，η∈[0.71,0.78]；

根据等效电路模型，太阳能电池板的输出电流I为：

其中，I_ph为光生电流，I_s0为饱和暗电流，c₁为太阳能电池板系数，R_s为等效串联电阻，R_sh为等效并联电阻，并且太阳能电池板系数q_e为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，J_f为二极管的理想因数，T_a为环境温度；

所述太阳能电池板的输出电流I近似为：

当电路开路，即所述太阳能电池板的输出电流I＝0时，有：

所述光生电流I_ph与所述接收到的太阳能电池板照度E和所述环境温度T_a成正比：

其中，I_sc,stc为标准测试状态下的短路电流，即标准测试状态下的照度E_stc＝1000W/m²，标准测试状态下的环境温度T_a,stc＝298K时的短路电流，α_stc为短路电流温度系数；

将式(20)代入式(19b)，得到的所述开路电压U_oc为

其中，

式(17)中的所述饱和暗电流I_s0取决于所述环境温度T_a：

其中，I_s0,stc为标准测试状态下的暗饱和电流，系数E_g,stc＝1.12eV为标准测试状态下的材料的带隙；

当电路短路，即所述输出电压U＝0时，有

I_ph＝I_sc， (23)

其中，I_sc为短路电流；

根据式(18)，可得所述标准测试状态下的暗饱和电流I_s0,stc：

其中，U_oc,stc为标准测试状态下的开路电压；

得到太阳能电池板的输出功率P_solar为关于功率放大器的功率增益g的函数：

其中，

所述太阳能电池板在Δt时刻所收集的能量Q_solar(Δt)：

Q_solar(Δt)＝P_solarΔt (26)

步骤1.4：计算所述点对点SLIPT VLC系统的光照-速率-能量区域：

所述功率放大器的功率增益g和所述直流偏置I_D满足：

其中，为最大总传输功率；

结合式(2)，式(7)和式(27)，可得：

引入光照-信息-能量区域C_I-R-E，所述光照-信息-能量区域C_I-R-E由给定发射功率约束条件下的光照水平τ、可达速率R_SISO和收集的能量Q_solar组成，所述光照-信息-能量区域C_I-R-E的表达式为：

其中，