CN106686828B - 一种可见光通信系统中的led阵列布局方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可见光通信系统中的LED阵列布局方法，该布局方法首先给出一个室内空间模型并获得该室内空间模型中的空间参数。然后通过分析单个点光源的辐射模式，得出单个点光源的辐射特点，再给出LED阵列的辐射特点。通过室内天花板上阵列辐射特点来确定LED阵列大小及构建兼顾照度均匀性及通信可靠性的数学模型，最终得到能兼顾能耗、照度及通信可靠性的室内LED阵列布局参数。该布局方案操作性简单，可扩展到任意尺寸房间，具有可实施性，可为室内可见光通信系统光源布局提供一种有效的途径。

Description

一种可见光通信系统中的LED阵列布局方法

技术领域

本发明属于可见光通信技术领域，具体涉及一种可见光通信系统中的LED阵列布局方法。

背景技术

可见光通信技术是一种将信息加载到白光LED光源上的新型的无线数据传输方式，与传统的照明设备相比，白光LED在室内可见光通信中要同时兼顾照明和通信的任务，因此在光源布局时需要同时考虑光照度分布均匀性、通信可靠性及系统功耗等问题。

从室内照明的角度出发，往往希望室内各个地方都能获得较好的照度，不存在阴影效应现象，并且在室内的各个位置光照度的变化不是很大；从室内光通信的角度出发，往往希望室内没有通信盲区的出现，即希望在室内接收平面上各个位置通信的稳定性和可靠性要有保障，要求接收平面上误码率均值越小越好。近年来已有越来越多的学者展开了室内光源布局方面的研究工作，并取得了一些研究成果，但大多只考虑照明中的光照度分布的均匀性问题，很少兼顾可见光通信中系统功耗及可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种可见光通信系统中的LED阵列布局方案，解决现有可见光通信系统的LED阵列布局方案无法同时兼顾低功耗、室内照明和通信可靠性的问题。

为了解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种可见光通信系统中的LED阵列布局方法，该布局方法包括以下具体步骤：

①、确定室内空间参数，建立所述室内空间的三维坐标系；

②、确定所述室内空间内接收平面的高度及接收机在接收平面上的坐标；

③、确定可见光通信系统的光源参数及点光源光照度辐射模型；

④、根据点光源光照度辐射模型给出LED阵列的光照度辐射模型，并根据国际照度标准及光照度补偿技术确定由5个LED阵列组成的光源布局方式，确定能够满足光照度要求的最少LED灯珠个数N，以确保系统能耗；

⑤、构建光照度均匀性数学模型f₁(L,i)，其中：L为LED阵列光源在所述室内空间的布局参数，i为单个LED阵列内部的布局参数，f₁为照度均匀性；

⑥、根据可见光通信系统的信噪比确定所述光信号在接收平面上的任一点的信号误码率BER(x,y)与f₁(L,i)之间的关系；

⑦、根据⑤与⑥构建同时兼顾照度均匀性与通信可靠性的数学模型f(L,i)；

⑧、在①②③参数条件下，求函数f(L,i)的极小值，最终与⑥同时确定出LED阵列的灯珠数N、阵列内部布局参数i及阵列在所述室内的布局参数L。

所述的室内空间为尺寸为4m*4m*3m。

本发明的有益效果：

(1)由于单个LED灯珠亮度有限，传统四个对称分布的阵列布局方式在满足照度要求的前提下所需LED灯珠数量大，系统功耗大，本发明采用光照度补偿技术，对传统LED阵列光源布局方式进行了补偿优化，设计了一种4+1的LED阵列布局方式，既满足了国际照明标准，又降低了功耗。

(2)本发明通过将室内接收平面的光照度标准差与通信中接收平面的平均误码率线性组合，构建了系统优化模型函数f(L,i)，在满足照度要求的(L,i)值中通过求解f(L,i)的最小值，从而确定阵列内部布局参数i及LED阵列在所述室内的布局参数L，为室内可见光通信系统光源布局提供一种有效的途径。

附图说明

图1是本发明所述可见光通信系统4m*4m*3m室内空间三维坐标系示意图；

图2是在图一所示室内天花板上布置点光源的辐射模型示意图；

图3是在图二所示点光源布置方式下点光源的光照度分布示意图；

图4是根据图三点光源照度分布，布置的传统LED阵列光源布局方式；

图5是LED列阵中LED灯珠分布方式及LED阵列在天花板上的分布图；

图6是N＝9时不同布局方式下照度最小值分布；

图7是图四所示传统阵列光源布局方式，当L＝0.4，i＝0.03时接收平面光照度分布图；

图8是根据光照度补偿技术确定的满足照度要求的最小LED阵列布局方式：4+1模式的LED阵列布局方式；

图9是根据图8所述4+1光源布局模式下，当N1＝8，m1＝5时接收平面光照度最小值分布图；

图10是5个LED列阵布局模式下f(L,i)取值；

图11是根据兼顾照度均匀性和通信可靠性确定的数学模型计算出的布局参数为L＝0.35，i＝0.025时接收平面光照度分布图；

图12是根据兼顾照度均匀性和通信可靠性确定的数学模型计算出的布局参数为L＝0.35，i＝0.025时接收平面误码率分布图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地说明。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种可见光通信系统中的LED阵列布局方法，该方法兼顾节能、照度均匀、性能可靠的优点，该布局方案包括以下8个步骤：

①、确定室内空间参数，建立所述室内空间的三维坐标系；

②、确定所述室内空间内接收平面的高度及接收机在接收平面上的坐标；

③、确定可见光通信系统的光源参数及点光源光照度辐射模型；

④、根据点光源光照度辐射模型给出LED阵列的光照度辐射模型，并根据国际照度标准及光照度补偿技术确定由5个LED阵列组成的光源布局方式，确定能够满足光照度要求的最少LED灯珠个数N，以确保系统能耗；

⑤、构建光照度均匀性数学模型f₁(L,i)，其中：L为LED阵列在所述室内的布局参数，i为单个LED阵列内部的布局参数，f₁为照度均匀性；

⑥、根据可见光通信系统的信噪比确定所述光信号在接收平面上的任一点的信号误码率BER(x,y)与f₁(L,i)之间的关系；

⑦、根据⑤与⑥构建同时兼顾照度均匀性与通信可靠性的数学模型f(L,i)；

⑧、在①②③参数条件下，求函数f(L,i)的极小值，最终与⑥同时确定出LED阵列的灯珠数N、阵列内部布局参数i及阵列在所述室内的布局参数L。

上述布局方式，在保证VLC系统的可靠性的前提下，降低了系统功耗、提高光照度均匀性；

上述布局方法中同时采用室内接收平面的光照度标准差与通信中接收平面的平均误码率构建系统优化模型函数f(L,i)，当f(L,i)达到最小值时可同时保证接收平面的照度要求和通信误码率要求。

通过实验验证，当L＝0.35米，i＝0.025米时，f(L,i)取得最小值，此时系统光照度标准差为20.1，功耗为140.5W，误码率为6.39x10^-7，达到了系统的各项预定参数要求。

参见附图，本发明具体按照以下步骤实施：

步骤一：确定室内空间参数，建立所述室内空间的三维坐标系；

如附图1所示，室内空间大小为4m*4m*3m，以室内空间一角作为坐标原点建立如图1所示的三维坐标系。

步骤二：确定所述室内空间内接收平面的高度及接收机在接收平面上的坐标；

如附图1所示，本发明接收平面距离地面0.75m，接收机位于接收平面上任一点，坐标为(x,y,0.75)。

步骤三：确定可见光通信系统的光源参数及点光源光照度辐射模型；

光源的型号是草帽8mm白光LED灯珠，功率P₀为0.5W，发射功率半角φ_1/2为60deg，每颗LED的中心发光强度I(0)为21.5cd，如附图2所示为室内点光源的光辐射示意图，在光源发射角为φ的情况下，得到的光强可表示为：

I(φ)＝I(0)cos(φ) (1)

其中I(0)表示LED的中心发光强度，则某一点的水平照度可表示为：

E_n＝I(0)cos^m(φ)·cos(ψ)/d_n ² (2)

m为光源的辐射模式，

假设点光源的坐标_n为(x_n,y_n,3)，在距离地面0.75米的接收面上某一点坐标为(x,y,0.75)，则d可以表示为：

如附图3所示为点光源坐标为(2,2,3)时，接收机在Z＝0.75平面上接收到的光照度分布图。

步骤四：根据点光源光照度辐射模型给出LED阵列的光照度辐射模型，并根据国际照度标准及光照度补偿技术确定由5个LED阵列组成的光源布局方式，确定能够满足光照度要求的最少LED灯珠个数N，以确保系统能耗

根据国际照明标准规定，办公室内的光照度必须保持在300lx到1500lx之间，这种情况下光线对人眼的影响不大，即不会太暗也不会太刺眼。如附图3所示，单个LED灯珠的照度只能达到5lx以内，很难满足室内照明的要求，在实际工程应用中，往往是由多个LED灯珠组成的列阵作为室内光源。如附图4所示为经典对称分布阵列光源布局方式，光源由4个LED列阵对称分布组成。如附图5，LED列阵在天花板上分布图所示，影响室内照明的主要因素除了LED列阵的大小N外，还与列阵距离房顶边缘的距离L和列阵中各LED灯珠之间的距离i有关。

随着每个LED灯珠的位置不同，到达接收面上同一点所接收到的光照度也会有所不同，由于LED光源为非相干光源，所以在接收平面上某一点接收到的光照度为各点光源到该点的光照度的叠加。所以接收平面上某点(x,y,0.75)接收到的光照度为：

其中E_n为各个点光源在到达接收面后接收到的光照度，M为总的光源个数，M＝4·N²。

如附图6所示，当N＝9时，已经存在部分(L,i)值，在这些布局方式下，能够满足室内照度的要求，但是这种方式下使用的总光源个数比较多，为M＝9×9×4＝328颗，系统功耗大。

如附图7所示，经典对称分布布局模式下光照度分布不均匀，根据光照度补偿技术设计一种如附图8所示的4+1的光源布局模式，该布局方案由4个N1×N1的LED大阵列和1个m1×m1的LED小阵列组成。根据公式4，计算出如附图9所示的采用本发明设计的4+1布局方式，当N1＝8，m1＝5时接收平面光照度最小值分布图，由图中可以看出，在4+1的光源模式下，已经能够满足室内照度要求，这种布局模式下使用的LED数量为281颗，相比较之前经典对称分布的LED阵列布局模式，LED灯珠个数减少了43颗，从而降低了系统功耗。

步骤五：构建光照度均匀性数学模型f₁(L,i)，确定照度均匀性；

在满足室内照度要求的前提下，本发明进一步考虑照度分布均匀性问题，建立一个新的函数f₁(L,i)，用其表示接收平面光照度的标准差，其表达式如下：

其中为接收平面光照度均值，可用公式表示为：

步骤六：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平面上的任一点的信号误码率BER(x,y)与(L,i)之间的关系；

室内可见光通信中光源具有照明和通信双重作用，在满足室内照明的同时，还需要考虑通信可靠性问题，对于通信可靠性来说，一般通过系统的误码率来作为衡量的标准，误码率越小，通信系统可靠性越高。

点光源时在接受平面上接收功率可表示为：

P_n＝H_n(0)·P_t (7)

其中P_t为光源功率，H_n(0)为信道的直流增益，将单个LED光源看作朗伯源，服从朗伯辐射模型，则H_n(0)为：

其中，m为光源的辐射模式，A是PD探测区域的物理面积，d_n为发送端到接收端的距离，ψ是LED的入射角，φ为发射角，ψ_c为接收端光电探测器的FOV，T_s(ψ)表示光滤波器的增益，g(ψ)代表聚光器的增益，g(ψ)可表示为：

其中n表示反射系数，光源的辐射模式m可以表示为：

φ_1/2为发射功率半角。

由式(1)可以得出，接收端探测器接收到从LED阵列传输过来的总光源功率P_rx可表示为

系统信噪比SNR可表示为：

其中R为光电探测器转换效率，σ²为接收端接收到的总系统噪声，其可表示为：

其中为系统散粒噪声，可表示为：

其中q为电子电量，P_n为周围环境背景光产生的噪声功率，B_n为噪声带宽，它可以表示为：

B_n＝I₁R_b (15)

其中，I₁为噪声带宽因子，R_b为系统数据传输速率。为放大器噪声，其表达式如下：

其中I_a为放大器噪声电流，B_a为放大器带宽。

由式(12)得出系统SNR之后，系统BER可表示为：

其中函数Q(x)可表示为：

则接收平面的误码率均值为：

步骤七：根据步骤五与步骤六构建同时兼顾照度均匀性与通信可靠性的数学模型f(L,i)；

为了同时考虑室内照度分布的均匀性与通信可靠性，本发明将步骤五和步骤六综合考虑，建立了一个将照度分布均匀性与通信可靠性线性结合起来的数学模型f(L,i)：

f(L,i)＝f₁(L,i)+a·f₂(L,i) (20)

其中a＝6×10⁶。

只需要在步骤四和步骤五确定的满足照度要求的(L,i)值中找出一组(L,i)值，使得f(L,i)取值最小，即可同时得到能兼顾能耗、照度及通信可靠性的室内LED阵列布局参数(N,L,i)。附图10为在5个LED列阵布局模式下取不同(L,i)值时，函数f(L,i)的取值。

步骤八：在步骤一、二、三参数条件下，求函数f(L,i)的极小值，最终与步骤六同时确定出光源阵列大小N、阵列内部布局参数i及阵列在所述室内的布局参数L。

由附图9与附图10对比得出，当(L,i)取值为(0.35,0.025)，在满足室内照明照度要求的前提下，步骤七确定的函数f(L,i)取值最小，从而实现同时兼顾能耗、照度及通信可靠性的室内LED阵列布局。

附图11和图12分别为当L＝0.35，i＝0.025时接收平面光照度值分布和接收平面误码率分布。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (2)

1.一种可见光通信系统中的LED阵列布局方法，其特征在于，该布局方法包括以下具体步骤：

①、确定室内空间参数，以室内空间一角作为坐标原点建立三维坐标系；

②、确定所述室内空间内接收平面的高度z及接收机在接收平面上的坐标(x,y,z)；

③、确定可见光通信系统的光源参数及点光源光照度辐射模型，计算出点光源LED在接收平面某一点的水平照度E_n；

E_n＝I(0)cos^m(φ)·cos(ψ)/d_n ²

其中I(0)表示LED的中心发光强度，m为光源的辐射模式，φ为光源发射角，ψ＝φ，d_n为点光源距接收点的距离；

④、根据点光源光照度辐射模型给出LED阵列的光照度辐射模型，根据非相干光源辐射原理，计算出阵列光源在接收平面某一点(x,y,0.75)的光照度并根据国际照度标准及光照度补偿技术确定由5个LED阵列组成的光源布局方式，5个LED阵列是4个N1×N1的LED大阵列和1个m1×m1的LED小阵列，确定能够满足光照度要求的最少LED灯珠个数N，以确保系统能耗；

⑤、构建光照度均匀性数学模型f₁(L,i)，其中：L为LED阵列光源在所述室内空间的布局参数，具体为LED阵列距离房顶边缘的距离，i为单个LED阵列内部的布局参数，具体为LED阵列中各LED灯珠之间的距离，f₁为照度均匀性，其表达式如下：

其中S为接收平面面积，为接收平面光照度均值，可用公式表示为：

⑥、根据可见光通信系统的信噪比确定光信号在接收平面上的任一点的信号误码率BER(x,y)与f₁(L,i)之间的关系，接收平面的误码率均值为：

⑦、根据⑤与⑥构建同时兼顾照度均匀性与通信可靠性的数学模型f(L,i)，

f(L,i)＝f₁(L,i)+a·f₂(L,i)；

其中a＝6×10⁶；

⑧、在①②③参数条件下，求函数f(L,i)的极小值，最终与⑥同时确定出LED阵列的灯珠数N、阵列内部布局参数i及阵列在所述室内的布局参数L。

2.根据权利要求1所述的可见光通信系统中的LED阵列布局方法，其特征在于，所述的室内空间尺寸为4m*4m*3m，阵列布局采用5阵列分布形式，实现兼顾能耗、照度及可靠性的可见光通信光源布局模式。