[发明专利]可见光通信系统光源布局的优化方法

摘要

可见光通信系统光源布局的优化方法，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。本发明是要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。本发明方法通过以下步骤进行一、建立可见光通信系统基本模型；二、建立可见光通信信道基本模型；三、建立LED光源模型、接收器模型和反射面模型；四、可见光通信光源分布优化方程；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。本发明使接收信噪比的分布更趋均匀，满足可见光通信对通信质量的要求。本发明可应用于可见光通信领域。

主权项

可见光通信系统光源布局的优化方法，其特征在于它是通过以下步骤实现的：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，光信号就包含了输入信号的信息；被调制的光信号离开发射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Aeff表示为：其中AR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：Pr＝I(φ)dΩ，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＝{rs,ns,n}，其中rs为LED光源位置向量，ns为LED光源方向向量，n为朗伯辐射系数；接收单元R由一个四元组决定：R＝{rR,nR,AR,FOV}，其中rR为PD接收器位置向量，nR为PD接收器方向向量，AR为PD接收器接收面积；对于某一特定的LED光源S和PD接收器R，冲激响应表示如下：式中h(k)(t)表示第k次反射的响应；PD接收器的平均接收光功率可表示为：式中Pt为LED光源的发射功率，n为朗伯辐射阶数；信道增益表示为：直射情况下的冲激响应表示为：式中δ为单位冲激函数，rect为矩形函数，n为朗伯辐射阶数，c为光速，dΩ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＝||rS‑rR||；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，且有矩形函数的定义为：第k次反射的冲激响应可通过下式中的第(k‑1)次反射的冲激响应来迭代：其中ρk是第k次反射所经反射面的反射系数，Sk是从第k‑1次反射接收端位置到第k次反射接收端位置的距离，Rx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，dsj为LED光源S与第j次反射的反射点之间的距离；△A是接收机Rx的接收面积；四、可见光通信光源分布优化方程：基于LED光源与房间墙壁的距离与通信质量的关联性，在仿真实验的基础上得出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；根据线性回归分析，设回归方程为：其中xi为第i次实验的自变量观察值，yi为第i次实验的自变量观察值，n＝5，解得线性回归方程为：即可见光通信光源分布优化方程为：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；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：(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；(2)、在房间边长的四分之一处确定四个放置点，将LED阵列的一个顶点与放置点重合，对角顶点朝着墙角方向。