CN104166763A - 兼顾照明和通信可靠性的室内led灯阵列的布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法，包括：根据室内的空间参数建立三维空间模型，通过求解待优化的目标函数以对天花板平面上的LED灯阵列的布局位置进行优化，其中所述待优化的目标函数为所设定的接收器平面上的任一点(x,y)的照度E(x,y)和任一点(x,y)的信号误码率BER(x,y)的线性组合。在同时保证接收器平面上的照度要求和可见光通信系统的信号误码率要求的情况下，求解该目标函数使其达到最小值，最终得到LED灯阵列的最优布局优化参数结果。其实现方法较为简单，易于实现。本技术方案解决了现有可见光通信系统无法兼顾室内照度的均匀性需求和室内各个角落的通信可靠性的问题。

Description

兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法。

背景技术

室内可见光通信是一种能够兼顾室内照明与通信目的的通信方式，将成为今后室内无线通信的一种重要方式。同时，在考虑节能降耗的前提下，LED灯成为室内可见光通信系统接入方式的首选。在室内可见光通信场景下，系统必须要同时满足室内照度和通信可靠性这两方面的需求。从室内照度需求的角度出发，对于普通的室内环境(包括居室、办公室、厂房、教室等场所)，希望在室内接收平面的每一个位置都能够获得较好的照度。或者说在室内环境接收平面的任意一个位置，照度应该在允许的范围内变化不大。基于此，国际标准(ISO)体系中关于室内工作场所照明的光照度一般要求为300～1500lx(国际照明委员会照明标准——室内工作场所照明.照明工程学报，Vol.13，No.4，2002年12月：pp.55～60)。而对于通信可靠性来说，一般可以用通信接收端相对于发射端的误比特率来作为衡量的标准。对于通信系统而言，当然是希望误比特率能够越小越好。

在实际的工程与室内灯具布局中，在满足光照度要求的情况下，往往并没有过多地考虑光照度变化的均匀性。与此同时，现有的文献资料和专利、论文中均没有同时兼顾考虑照明需求与通信可靠性的室内可见光通信LED灯阵列布局优化方法。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法，在满足室内照度的均匀性需求的同时，也使得室内各个角落的通信质量得到保证。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是现有的可见光通信系统无法兼顾室内照度的均匀性需求和室内各个角落的通信可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了一种兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法，用于确定可见光通信系统中的LED灯阵列在所述室内的待优化位置参数；所述可见光通信系统还包括接收器，该布置方法包括如下步骤：

(1)基于所述可见光通信系统所处室内的空间参数建立三维空间模型，并在所述三维空间模型内的天花板平面上设置若干个LED灯阵列；

(2)根据所述接收器在所述室内的位置，在所述三维空间模型内设定一个接收器平面，所述接收器平面接收来自所述LED灯阵列的光信号；

(3)确定所述光信号在所述接收器平面上任一点(x,y)的照度E(x,y)，并确定在所述接收器平面上所述照度的平均值；

(4)根据所述可见光通信系统的信噪比确定所述光信号在所述接收器平面上的任一点(x,y)的信号误码率BER(x,y)；

(5)建立待优化的目标函数F，所述目标函数F为所述E(x,y)和所述BER(x,y)的组合函数；

(6)以所述照度的取值范围和在所述接收器平面上所述照度的标准差与所述信号误码率的平均值的比值的取值范围为约束条件求解所述目标函数F，以确定各个所述LED灯阵列的所述待优化位置参数。

可选的，在所述步骤(1)中，在所述三维空间模型的天花板平面上设置有四个旋转对称布置的LED灯阵列。

可选的，在所述步骤(1)中，所述空间参数包括房间的长度、宽度和高度。

可选的，所述步骤(3)包括如下步骤：

(31)确定各个所述LED灯阵列的规模和中心发光强度、以及所述LED灯阵列中各个LED光源的半出射角；

(32)依照公式I(φ)＝I(0)cos^m(φ)确定每个LED光源的发光强度；其中，I(0)是LED灯阵列的中心发光强度、φ是光源到接收端的出射角、m是基于LED光源的半出射角计算得出的兰伯特发射序数；

(33)依照公式得出所述接收器平面上任一点(x，y)上的照度；其中，d为LED光源到该任一点(x，y)上的接收器的直线距离、为接收器的入射角；

(34)基于所述接收器平面上每一点(x，y)上的照度，以确定在所述接收器平面上所述照度的平均值。

可选的，所述步骤(4)包括如下步骤：

(41)根据接收器平面上各个点(x,y)上的接收器接收到的光信号总功率和总噪声功率确定所述可见光通信系统的信噪比；

(42)依照公式BER＝Q(SNR)计算得到所述光信号在所述接收器平面上的信号误码率；其中，BER表示接收信号误码率、Q(·)函数为：

$Q\left(u\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\∫}_u^{+\∞}{e}^{-\frac{v^2}{2}}\mathrm{dv}$

可选的，所述步骤(5)中的待优化的目标函数F为：

$F(x_0,y_0)=a\·\sqrt{\frac{1}{S}\underset{(x,y)}{\∫\∫}{[E(x,y)-\stackrel{\‾}{E}]}^2\mathrm{dxdy}}+b\·\sqrt{\frac{1}{S}\underset{(x,y)}{\∫\∫}\mathrm{BER}(x,y)\mathrm{dxdy}}$

其中，(x0,y0)为设置为基准位置的LED灯阵列的待优化位置参数、S为接收器平面的总面积、a和b分别为两个预设的常系数。

可选的，所述照度的取值范围为室内照度的最大值和最小值之间。

可选的，所述照度的标准差与在所述信号误码率的平均值的比值的取值范围在两个预设常数之间。

可选的，所述步骤(6)包括如下步骤：

(61)以所述照度的取值范围和在所述信号误码率的平均值的比值的取值范围为约束条件，求解使所述目标函数达到最小值时，所对应的(x0,y0)作为所述基准位置的LED灯阵列的待优化位置参数；

(62)根据所述基准位置的LED灯阵列的待优化位置参数与其他各个LED灯阵列的待优化位置参数之间的坐标关系，以确定其他各个LED灯阵列的待优化位置参数。

可选的，所述基准位置的LED灯阵列是指与以所述接收器平面建立的一个二维坐标平面中设定的坐标原点距离最近的LED灯阵列。

与现有技术相比，本技术方案至少具有以下技术效果：

1)由于单个LED光源的亮度有限，在本发明实施例中，通过在建立的三维空间模型内的天花板平面上设置若干个LED灯阵列，增强了照明亮度，满足了室内照明需求。进一步地，发明人经研究，在该天花板平面上设置四个旋转对称布置的LED灯阵列可以更好地满足室内照明需求。

2)根据室内的空间参数建立三维空间模型，通过求解待优化的目标函数以对天花板平面上的LED灯阵列的布局位置进行优化，其中所述待优化的目标函数为所设定的接收器平面上的任一点(x,y)的照度E(x,y)和任一点(x,y)的信号误码率BER(x,y)的线性组合。在同时保证接收器平面上的照度要求和可见光通信系统的信号误码率要求的情况下，求解该目标函数使其达到最小值，最终得到LED灯阵列的最优布局优化参数结果。其实现方法较为简单，易于实现。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一种兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法的具体实施方式的流程示意图；

图2是本发明的一个基于可见光通信系统所处室内的空间参数建立三维空间模型的示意图；

图3是在图2所示的三维空间模型的天花板上设置单个LED光源的照度分布效果图；

图4是在图2所示的三维空间模型的天花板上设置单个LED光源的可见光通信系统的误码率仿真示意图；

图5是本发明的三维空间模型的天花板上设置四个旋转对称布置的LED灯阵列的分布示意图；

图6是利用本发明的兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法优化后的目标函数在xoy平面上的示意图。

具体实施方式

如图1所示的是本发明实施例提供的一种兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法的具体实施方式的流程示意图。本发明实施例提供的布置方法用于确定LED灯阵列在所述室内的待优化位置参数。

参考图1，该布置方法包括如下步骤：

步骤S1：基于所述可见光通信系统所处室内的空间参数建立三维空间模型，并在所述三维空间模型内的天花板平面上设置若干个LED灯阵列；

步骤S2：根据所述接收器在所述室内的位置，在所述三维空间模型内设定一个接收器平面，所述接收器平面接收来自所述LED灯阵列的光信号；

步骤S3：确定所述光信号在所述接收器平面上任一点(x,y)的照度E(x,y)，并确定在所述接收器平面上所述照度的平均值；(x,y)为该点在接收器平面上的坐标；

步骤S4：根据所述可见光通信系统的信噪比确定所述光信号在所述接收器平面上的任一点(x,y)的信号误码率BER(x,y)；

步骤S5：建立待优化的目标函数F，所述目标函数F为所述E(x,y)和所述BER(x,y)的组合函数；

步骤S6：以所述照度的取值范围和在所述接收器平面上所述照度的标准差与所述信号误码率的平均值的比值的取值范围为约束条件求解所述目标函数F，以确定各个所述LED灯阵列的所述待优化位置参数。

在本实施例中，依照可见光通信系统所处室内的空间参数建立三维空间模型。其中，所述空间参数包括房间的长度、宽度和高度。例如，如图2所示的是本发明的一个基于可见光通信系统所处室内的空间参数建立三维空间模型的示意图。参考图2，该房间的长度为5米、宽度为5米、高度为2.5米。

所述可见光通信系统包括设置在所建立的三维空间模型内的天花板平面上的若干个LED灯阵列和接收器，其中所述天花板平面对应所述可见光通信系统所处室内的天花板。然后，根据所述接收器在所述室内的位置，在所述三维空间模型内设定一个接收器平面，所述接收器平面接收来自所述LED灯阵列的光信号。例如，继续参考图2，该接收器平面距离地面高度为0.85米，以此来分析在该接收器平面上的照度情况和信号误码率情况。

具体地，先分析该接收器平面上的照度情况。对于LED灯的发光模型，采用兰伯特(Lambertian)辐射模型来表述(Komine T.，Nakagawa M.Fundamental analysis forvisible-light communication system using LED lights.IEEE Transactions on ConsumerElectronics，2004，50(1)：100～107)。即LED光源在某一方向上的发光强度和该方向的角度φ呈余弦关系，其中，φ为该方向与发光面法线的夹角。

发光强度I可用下式(1)来表示：

I(φ)＝I(0)cos^m(φ)    (1)

其中，I(0)是LED灯阵列的中心发光强度；φ是光源到接收端的出射角；m是兰伯特发射序数，它可由LED光源的半出射角φ_1/2算出，半出射角定义为在该角度方向，LED的辐射能量为中心处的一半。

其中，兰伯特发射序数m可由下式(2)计算得出：

$m=-\frac{\ln 2}{\ln \left(\cos {\mathrm{\φ}}_{1/2}\right)}---\left(2\right)$

与发光强度I不同，空间中任一点的照度E与出射角φ、接收器的入射角以及光源到接收器的直线距离d均有一定的关系，E可由下式(3)来表示：

基于式(2)和式(3)，发明人使用Matlab软件对LED光源照度的室内空间分布情况进行了计算机仿真。这里只考虑了直射路径的照度，忽略了反射路径的照度，计算机仿真时所采用的参数如表1所示。

表1室内LED照明仿真参数表

LED光源的半出射角	60°
		LED中心发光强度	0.14cd
LED灯阵列规模	3600个(60*60)

需要说明的是，该仿真是基于在天花板中心处安装了一个LED光源的情况，则在高度为0.85米的接收器平面上的照度分布效果情况如图3所示。

从图3的结果可以看出，如果只使用一个布置在天花板中心位置的LED光源，首先就无法满足室内照度的均匀性需求。例如，在房间四个角落位置与在房间中心位置的照度差别很大，照度的均匀性无法得到保证。

进一步地，分析室内可见光通信系统的信号误码率。

设接收信号探测器接收到的光信号的总功率P_rx为：

其中，为滤光器的传输系数，为聚光器的增益。

则系统的信噪比SNR可由式(5)计算得出(Zeng L, O'Brien D, Le-Minh H, et al.Improvement of date rate by using equalization in an indoor visible light communicationsystem. 4th IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications,2008. 2008: 678～682)：

$\mathrm{SNR}=\frac{{\left(R{P}_{\mathrm{rx}}\right)}^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2}---\left(5\right)$

其中，R为发射端电路的光电转换效率，P_rx为接收信号探测器接收到的光信号总功率；为接收端的总噪声功率，它可由下式给出：

${\mathrm{\σ}}_n^2={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{shot}}^2+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{amplifier}}^2---\left(6\right)$

上式中，为散粒噪声，它由下式给出：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{shot}}^2=2\mathrm{qR}(P_{\mathrm{rx}}+P_n)B_n---\left(7\right)$

其中，q为电子电量；P_n为周围环境背景光形成的噪声功率，B_n由下式给出：

B_n＝I₂R_b          (8)

上式中，I₂是噪声带宽因子，R_b是数据传输速率。

是放大器噪声，由下式给出：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{amplifier}}^2=i_{\mathrm{amplifier}}^2{B}_a---\left(9\right)$

其中，i_amplifier是放大器噪声电流，B_a是放大器带宽。

由式(5)计算得到信噪比SNR之后，可见光通信系统的信号误码率BER可由信噪比SNR通过下式计算得出：

BER＝Q(SNR)          (10)

上式中的Q(·)函数为：

$Q\left(u\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\∫}_u^{+\∞}{e}^{-\frac{v^2}{2}}\mathrm{dv}---\left(11\right)$

根据以上分析，同样使用Matlab软件对基于LED的室内可见光通信系统的误码率进行计算机仿真，仿真参数见表2。该仿真同样是基于在天花板中心处安装了一个LED光源的情况，则在高度为0.85米的接收器平面上，仿真得到了单个LED光源的信号误码率空间分布三维图，如图4所示。

表2基于LED的室内可见光通信仿真参数列表

房间尺寸	5m*5m*2.5m
		接收端放大器带宽	50MHz
发光二极管功率	0.02W
		LED半出射角	60°
LED灯阵列规模	3600个(60*60)
		数据传输率	10Mbit/s
接收探测器视角(FOV)	140°
		接收探测器表面积	0.5cm2
光电二极管光电转换效率(R)	0.4
		接收端放大器噪声电流	50mA
背景环境光噪声功率	2W
		噪声带宽因子	0.562
滤光器传输系数	1
		聚光器增益	1
LED中心发光强度	0.14cd
		电子电量	1.6*10-19c

从图4中可以看到，如果同样只使用一个布置在天花板中心位置的LED光源，在接收器平面上的信号误码率也与接收位置有很大关系。在房间四个角落位置的信号误码率要远远高于房间中心位置的信号误码率，因此通信可靠性也无法得到保证。

因此，在本发明实施例中，在天花板平面上布置若干个LED灯阵列来对室内进行照明，其中所述LED灯阵列的位置为待优化位置参数。在一个优选实施例中，在所述三维空间模型的天花板平面上设置有四个旋转对称布置的LED灯阵列。

具体地，如图5所示的本发明的三维空间模型的天花板平面上设置四个旋转对称布置的LED灯阵列的分布示意图。

参考图5，该xoy平面坐标系是基于以接收器平面建立一个二维坐标平面，其中以接收器平面上的任意一个墙角作为坐标原点(0,0)，以该墙角的两面墙分别建立二维坐标平面的x轴和y轴。

在房间天花板上建立旋转对称的四个LED灯阵列，选取距离坐标原点最近的一个LED灯阵列的位置坐标为(x0，y0)，该LED灯阵列的位置为基准位置，则其余三个LED灯阵列的位置坐标分别为(5-y0，x0)，(5-x0，5-y0)，(y0，5-x0)。

然后，根据上述式(1)至式(3)，计算得出在室内环境下接收器平面上任意一点(x,y)处的照度E(x,y)。

接着，基于所述接收器平面上每一个点(x，y)上的照度，以确定在所述接收器平面上的照度的平均值。

然后，根据式(4)～式(11)计算出在室内环境下光信号在所述接收器平面上任意一点(x,y)的信号误码率BER(x,y)。

进而，基于所述照度的标准差和所述信号误码率的线性组合函数建立待优化的目标函数F，公式如下：

$F(x_0,y_0)=a\·\sqrt{\frac{1}{S}\underset{(x,y)}{\∫\∫}{[E(x,y)-\stackrel{\‾}{E}]}^2\mathrm{dxdy}}+b\·\sqrt{\frac{1}{S}\underset{(x,y)}{\∫\∫}\mathrm{BER}(x,y)\mathrm{dxdy}},$

其中，(x0,y0)为设置为基准位置的LED灯阵列的待优化位置参数、S为接收器平面的总面积、a和b分别为两个预设的常系数。

设定照度的大小要求，即E_min≤E(x,y)≤E_max，其中E_max为要求的室内照明度的最大值，E_min为要求的室内照明度的最小值。

求解以下最优化问题：

${(x_0,y_0)}_{\mathrm{opt}}=\underset{(x_0,y_0)}{\min }F(x_0,y_0)=\underset{(x_0,y_0)}{\min }\{a\·\sqrt{\frac{1}{S}\underset{(x,y)}{\∫\∫}{[E(x,y)-\stackrel{\‾}{E}]}^2\mathrm{dxdy}}+b\·\sqrt{\frac{1}{S}\underset{(x,y)}{\∫\∫}\mathrm{BER}(x,y)\mathrm{dxdy}}\}$

其中，约束条件分别为：

所述照度的取值范围(如下(1)式)以及在所述接收器平面上所述照度的标准差与所述信号误码率的平均值的比值的取值范围(如下(2)式)：

(1)、E_min≤E(x,y)≤E_max；

(2)、 $T_1\≤\frac{a\·\sqrt{\frac{1}{S}\underset{(x,y)}{\∫\∫}{[E(x,y)-\stackrel{\‾}{E}]}^2\mathrm{dxdy}}}{b\·\sqrt{\frac{1}{S}\underset{(x,y)}{\∫\∫}\mathrm{BER}(x,y)\mathrm{dxdy}}}\≤T_2.$

其中，T₁和T₂为两个常数，用于约束平均照度与平均误码率数值的相对大小。

依照上述约束条件，求解所述目标函数使其达到最小值，则对应的最优化的坐标值(x₀,y₀)_opt即为通过以上方法所得的最优室内LED灯布局位置。

需要说明的是，参考图5所示的四个旋转对称布置的LED灯阵列的分布示意图，根据所述基准位置的LED灯阵列的待优化位置参数与其他各个LED灯阵列的待优化位置参数之间的坐标关系，从而可以确定其他各个LED灯阵列的待优化位置参数。即在确定了(x0，y0)之后，则其余三个LED灯阵列的位置(5-y0，x0)，(5-x0，5-y0)，(y0，5-x0)也可以确定，从而优化布局了这四个旋转对称布置的LED灯阵列。

基于本发明实施例提供的兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法。发明人用Matlab仿真软件在设定的特定室内环境模型下建立和仿真室内LED光源阵列的照度、信号误码率与光源阵列分布之间的关系，通过优化的方法得到在满足室内光照度要求以及通信可靠性要求下的最优LED光源阵列布局的位置，并进行了相应的仿真验证。

具体实施过程如下：

首先，选定房间的大小，房间的长度和宽度各为5米，房间高度为2.5米，接收器平面距离地面的高度为0.85米。在接收器所在的水平面建立一个二维坐标，本实例中，以其中任意一个墙角位置作为二维坐标原点(0,0)，以经过该坐标原点的两堵墙面分别作为二维坐标的x轴和y轴。

在天花板上按照图5所示放置四个旋转对称的规模为60X60的LED灯阵列，其中选取距离坐标原点最近的一个LED灯阵列的位置坐标为(x0,y0)，则其余三个LED灯阵列的位置坐标分别为(5-y0,x0)，(5-x0,5-y0)，(y0,5-x0)。

仿真时所采用的LED灯阵列的参数如表2所示。在本实例中，只考虑直射路径的照度，忽略反射路径的照度。

在本实例的接收器平面上，将x轴和y轴均匀地划分为100等分，即在整个接收器平面上构成一个100X100的网格。选取每个网格中心点的光照度作为该网格点的平均光照度，相应每个网格中心点的坐标为(0.025+0.05j,0.025+0.05k)，且j＝0,1,2,…,99，k＝0,1,2,…,99。

根据表达式计算出本实施例在接收器平面任意一点(x,y)位置的光照度E(x,y)，其中φ为光源的出射角、为接收器的入射角、d为LED光源到接收器的直线距离。

计算出本实施例中整个接收器平面的接收光照度平均值，具体的计算式为：

$\stackrel{\‾}{E}=\frac{1}{100\×100}\underset{j=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}E(0.025+0.05j,0.025+0.05k)$

根据表达式计算出在接收器平面任意一点(x,y)位置的误码率BER(x,y)，其中Q(·)函数的具体表达式如式(11)所示。

其中，R为发射端电路的光电转换效率，P_rx(x,y)为接收器平面(x,y)位置处接收信号探测器接收到的光信号总功率；(x,y)为接收器平面(x,y)位置处接收端的总噪声功率。在计算过程中，同样选取每个网格中心点的误码率作为该网格点的平均误码率值，相应每个网格中心点的坐标为(0.025+0.05j,0.025+0.05k)，且j＝0,1,2,…,99，k＝0,1,2,…,99。在以上基于网格点离散取值的情况下，选定本实施例待优化的目标函数表达式为：

$\begin{array}{c}F(x_0,y_0)=a\·\sqrt{\frac{1}{100\×100}\underset{j=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}{[E(0.025+0.05j,0.025+0.05k)-\stackrel{\‾}{E}]}^2}\\ +b\·\sqrt{\frac{1}{100\×100}\underset{j=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{BER}(0.025+0.05j,0.025+0.05k)}\end{array}$

根据国际标准(ISO)体系中关于办公照明的光照度要求，设定本实施例房间光照度的大小要求，即E_min＝300，E_max＝1500。选定常数T₁＝0.1，T₂＝10。求解以下最优化问题：

$\begin{array}{c}{(x_0,y_0)}_{\mathrm{opt}}=\underset{(x_0,y_0)}{\min }F(x_0,y_0)=\underset{(x_0,y_0)}{\min }\{a\·\sqrt{\frac{1}{100\×100}\underset{j=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}{[E(0.025+0.05j,0.025+0.05k)-\stackrel{\‾}{E}]}^2}\\ +b\·\sqrt{\frac{1}{100\×100}\underset{j=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{BER}(0.025+0.05j,0.025+0.05k)}\}\end{array}$

约束条件：

(1)E(x,y)≥300；

(2)E(x,y)≤1500；

(3) $\frac{a\·\sqrt{\frac{1}{100\×100}\underset{j=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}{[E(0.025+0.05j,0.025+0.05k)-\stackrel{\‾}{E}]}^2}}{b\·\sqrt{\frac{1}{100\×100}\underset{j=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{BER}(0.025+0.05j,0.025+0.05k)}}>0.1;$

(4) $\frac{a\&CenterDot;\sqrt{\frac{1}{100\&times;100}\underset{j=0}{\overset{99}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=0}{\overset{99}{\mathrm{\&Sigma;}}}{[E(0.025+0.05j,0.025+0.05k)-\stackrel{\&OverBar;}{E}]}^2}}{b\&CenterDot;\sqrt{\frac{1}{100\&times;100}\underset{j=0}{\overset{99}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=0}{\overset{99}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{BER}(0.025+0.05j,0.025+0.05k)}}<10.$

在本实例中，采用经典的最速下降法来求解上述的最优化问题。

通过上一步骤求解可得(x₀,y₀)的最优值为(x₀,y₀)_opt＝(1.912,0.775)，即通过上述方法所得到的四个最优室内LED灯阵列布置的位置为：

(1.912,0.775)，(4.225,1.912)，(3.088,4.225)，(0.775,3.088)。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法，用于确定可见光通信系统中的LED灯阵列在所述室内的待优化位置参数；所述可见光通信系统还包括接收器，其特征在于，该布置方法包括如下步骤：

(1)基于所述可见光通信系统所处室内的空间参数建立三维空间模型，并在所述三维空间模型内的天花板平面上设置若干个所述LED灯阵列；

(2)根据所述接收器在所述室内的位置，在所述三维空间模型内设定一个接收器平面，所述接收器平面接收来自所述LED灯阵列的光信号；

(3)确定所述光信号在所述接收器平面上任一点(x,y)的照度E(x,y)，并确定在所述接收器平面上所述照度的平均值；

(4)根据所述可见光通信系统的信噪比确定所述光信号在所述接收器平面上的任一点(x,y)的信号误码率BER(x,y)；

(5)建立待优化的目标函数F，所述目标函数F为所述E(x,y)和所述BER(x,y)的组合函数；

(6)以所述照度的取值范围和在所述接收器平面上所述照度的标准差与所述信号误码率的平均值的比值的取值范围为约束条件求解所述目标函数F，以确定各个所述LED灯阵列的所述待优化位置参数。

2.如权利要求1所述的兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，在所述三维空间模型的天花板平面上设置有四个旋转对称布置的LED灯阵列。

3.如权利要求1所述的兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述空间参数包括房间的长度、宽度和高度。

4.如权利要求1所述的兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法，其特征在于，所述步骤(3)包括如下步骤：

(31)确定各个所述LED灯阵列的规模和中心发光强度、以及所述LED灯阵列中各个LED光源的半出射角；

(32)依照公式I(φ)＝I(0)cos^m(φ)确定每个LED光源的发光强度；其中，I(0)是LED灯阵列的中心发光强度、φ是光源到接收端的出射角、m是基于LED光源的半出射角计算得出的兰伯特发射序数；

(33)依照公式得出所述接收器平面上任一点(x，y)上的照度；其中，d为LED光源到该任一点(x，y)上的接收器的直线距离、为接收器的入射角；

(34)基于所述接收器平面上每一点(x，y)上的照度，以确定在所述接收器平面上所述照度的平均值。

5.如权利要求4所述的兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法，其特征在于，所述步骤(4)包括如下步骤：

(41)根据接收器平面上各个点(x,y)上的接收器接收到的光信号总功率和总噪声功率确定所述可见光通信系统的信噪比；

(42)依照公式BER＝Q(SNR)计算得到所述光信号在所述接收器平面上的信号误码率；其中，BER表示接收信号误码率、Q函数为：

$Q\left(u\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{\&Integral;}_u^{+\&infin;}{e}^{-\frac{v^2}{2}}\mathrm{dv}$

6.如权利要求5所述的兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法，其特征在于，所述步骤(5)中的待优化的目标函数F为：

$F(x_0,y_0)=a\&CenterDot;\sqrt{\frac{1}{S}\underset{(x,y)}{\&Integral;\&Integral;}{[E(x,y)-\stackrel{\&OverBar;}{E}]}^2\mathrm{dxdy}}+b\&CenterDot;\sqrt{\frac{1}{S}\underset{(x,y)}{\&Integral;\&Integral;}\mathrm{BER}(x,y)\mathrm{dxdy}}$

其中，(x0,y0)为设置为基准位置的LED灯阵列的待优化位置参数、S为接收器平面的总面积、a和b分别为两个预设的常系数。

7.如权利要求6所述的兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法，其特征在于，所述照度的取值范围为室内照明度的最大值和最小值之间。

8.如权利要求6所述的兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法，其特征在于，所述照度的标准差与在所述信号误码率的平均值的比值的取值范围在两个预设常数之间。

9.如权利要求6所述的兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法，其特征在于，所述步骤(6)包括如下步骤：

(61)以所述照度的取值范围和在所述信号误码率的平均值的比值的取值范围为约束条件，求解使所述目标函数达到最小值时，所对应的(x0,y0)作为所述基准位置的LED灯阵列的待优化位置参数；

(62)根据所述基准位置的LED灯阵列的待优化位置参数与其他各个LED灯阵列的待优化位置参数之间的坐标关系，以确定其他各个LED灯阵列的待优化位置参数。

10.如权利要求6所述的兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法，其特征在于，所述基准位置的LED灯阵列是指与以所述接收器平面建立的一个二维坐标平面中设定的坐标原点距离最近的LED灯阵列。