CN109302234B - 一种室内可见光通信系统复杂信道冲激响应的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内可见光通信系统复杂信道冲激响应的计算方法，包括：将LED光源的辐射区域在立体角的层面上进行均匀划分；并且在每个划分好的立体角元发射光线；通过没有被遮挡的光线的方向信息，计算出障碍物遮挡住光源辐射区域的立体角大小并估计出障碍物所在平面的平面系数，得到障碍物的点云模型；进而，运用Jarvis步进法，求解障碍物点云的凸包模型；将障碍物凸包与光子碰撞模型相结合，得到判定光线是否被障碍物遮挡的矩函数；将矩函数与信道冲激响应的递归算法相结合，得到复杂室内可见光信道的冲击响应的计算方法。该方法使得对于可见光通信信道的估计更加切合实际情况，也更加精确。

Description

一种室内可见光通信系统复杂信道冲激响应的计算方法

技术领域

本发明属于可见光通信技术领域，具体为一种考虑室内障碍物(家具，人等)的影响，结合递归算法与光线追踪法，对室内可见光通信系统的信道冲激响应计算的方法。

背景技术

可见光通信采用白光LED作为光源，利用LED灯光承载的高速明暗闪烁的信号来传输信息，实现了在照明的同时起到通信的作用。并且如今在无线通信领域，电磁波频谱资源日益紧缺，人们需要及时去拓展下一代的通信频谱，可见光就是一个很好的选择。此外可见光通信有着保密性强；无电磁辐射，且不干扰射频信号；能耗低，环保；频谱无需授权；兼具照明，通信，定位的功能等优点，使得可见光通信越发受到人们的关注。

在无线通信领域，在信息传输的过程中，对于信道的估计尤为重要。可见光通信技术发展至今，人们已经提出了很多关于信道冲击响应的计算方法。其中，递归算法与光线追踪法的提出可以有效地计算出空房间内系统的信道冲击响应，但在实际的场景中，室内信道中存在很多障碍物，会对光线的传播产生影响。

目前的问题在于：室内信道中障碍物的尺寸相对于室内空间较大，且数量较少，运用统计模型会产生较大的偏差；并且统计模型中障碍物往往被限定为特定形状，这些均会对信道的估计产生较大的误差。因此，如何对信道中任意位置、形状和大小的障碍物进行准确描述是当前急需解决的重要问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于基于LED光源本身的探测，运用凸包模型，对室内可见光通信信道中任意位置、形状和大小的障碍物进行准确描述，并将其与传统信道冲击响应结合，得到室内可见光通信系统复杂信道冲激响应的计算方法。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种室内可见光通信系统复杂信道冲激响应的计算方法，包括下述步骤：

1)将LED光源的辐射区域在立体角的层面上进行均匀划分；并且在每个划分好的立体角元发射光线；

2)通过被遮挡光线的方向信息，计算出障碍物遮挡住光源辐射区域的立体角大小，从而可以估计出障碍物所在平面的平面系数，最后得到障碍物的点云模型；进一步，为了简化模型，运用Jarvis步进法，求解障碍物点云的凸包模型；

3)将障碍物凸包与光子碰撞模型相结合，得到判定光线是否被障碍物遮挡的矩函数；将矩函数与信道冲激响应的递归算法相结合，得到室内可见光复杂信道冲击响应的计算方法。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

进一步，步骤1)中，对LED光源辐射区域在立体角上的均匀划分如下：

将LED光源的辐射区域视为一个半球，球面上相同面积的区域所对应的立体角的大小是相同的；因此在垂直于xoy面和平行于xoy面的方向上各取极小距离dR,dL，结合球面坐标系可得到一个立体角元所对应区域的两条边的长度Δθ，Δφ；从而可以将LED光源辐射区域进行划分。

进一步，步骤2)中，障碍物点云坐标计算方法如下：

2a)若在LED光源处发射的光线数量为M，在接收端接收到的光线数量为N，则可以表示出光源被障碍物遮挡区域的立体角；

2b)将障碍物建模为二维任意图形，根据被遮挡光线的方向信息，可以得到障碍物平面与被遮挡光线的交点的表达式；

2c)将所求的交点集合，每三个为一个组，不重不漏地密铺整个障碍物所在区域。以光源为顶点，以每个组的三个点所组成的区域为底面，组成一个四面体。求解四面体的顶角的三面角，最后将所有组得到的三面角求和，即可得到障碍物遮挡光源辐射区域立体角大小的表达式；

2d)建立求解障碍物平面系数的目标函数F，求解目标函数F的最小值，即可估计出障碍物的平面系数。从而得到障碍物的点云坐标。

进一步，步骤2)中，求解障碍物点云的凸包的具体步骤如下：

2e)将所求的障碍物点云投影到xoy平面；

2f)找到点云中纵坐标最小的点作为P0点；过P0点做一条水平线，然后将水平线逆时针旋转，碰到的第一个点即为P1点；

2g)过P0点与P1点做直线，逆时针旋转，碰到的第一个点为P2点；然后重复步骤1-3，直到回归P0点；

2h)将所求点集投影回障碍物所在平面，即可得到障碍物的点云凸包。

进一步，步骤3)中，判定光线是否被障碍物遮挡的矩函数，步骤如下：

3a)已知障碍物所在平面的表达式，便可计算任意一条光线和障碍物所在平面的交点；

3b)如果凸包上任意两点与交点所组成的两个向量，它们叉积的计算结果符号相同，则交点C′在凸包外，即光线没有被障碍物所遮挡，即可得到判断光线是否被障碍物遮挡的矩函数。

进一步，步骤3)中，求解室内可见光复杂信道的冲击响应如下：

将矩函数与传统可见光信道冲激响应结合，可得包含障碍物影响的室内可见光通信系统复杂信道冲激响应的表达式。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

本发明首先提出在室内可见光通信中，利用光源对障碍物进行探测，并且得到描述障碍物大小、形状和位置的点云。其次，将其简化为凸包，通过凸包推导出描述障碍物是否遮挡光线的矩函数。最后，结合传统信道冲击响应算法得到了考虑障碍物影响的室内可见光通信复杂信道冲激响应的表达式，从而使得对于可见光通信信道的估计更加切合实际情况也更加精确。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为光线被障碍物遮挡的示意图；

图2为光源立体角划分的示意图；

图3为光线与障碍物交点集合分组的示意图；

图4为点云求解凸包的示意图；

图5(a)为障碍物1的凸包模型，图5(b)为障碍物2的凸包模型，

图5(c)为障碍物3的凸包模型；

图6(a)、(b)分别为空房间的信道冲激响应；其中图6(a)为递归算法求得，图6(b)为光线追踪法求得。

图7(a)-(b)、图8(a)-(b)、图9(a)-(b)分别为房间中分别包含障碍物1-3时，信道的冲激响应。其中图7(a)、图8(a)、图9(a)为递归算法求得，图7(b)、图8(b)、图9(b)为光线追踪法求得。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明的考虑障碍物影响的室内可见光通信系统复杂信道冲激响应的计算方法，包括下述步骤：

步骤一：将LED光源的辐射区域，在立体角的层面上进行均匀划分。并且在每个划分好的立体角元发射光线。光线遇到墙面会发生散射；遇到障碍物，不能透射或衍射，因此被吸收。如果在接收端能检测到光线，证明该立体角元发射的光线没有被障碍物遮挡，记录其方向信息。对LED光源辐射区域在立体角上的均匀划分如下：

空间中立体角的定义为：以观测点为球心，构造一个球面；任意物体投影到该球面上的投影面积，即为该物体相对于该观测点的立体角。其表达式为：

其中ds为障碍物的一个微小面积，

为观测点到ds的方向向量，β为ds的法向量与

的夹角。

LED光源的辐射区域的立体角大小为2π(sr)，将其视为一个半径为r₁的半球并将球心放在球坐标系(θ，φ，r)的原点，则球面上任意一块区域s所对应的立体角大小为：

在垂直于xoy面和平行于xoy面的方向上各取极小步长dR,dL,则球面上第i个立体角元所对应区域的两条边的长度分别为Δθ,Δφ。LED光源辐射区域可划分为：

θ_i＝0+iΔθ (θ_i∈(0,0.5π)) (3)

φ_i＝0+iΔφ (φ_i∈(0,2π)) (4)

Δθ＝dR (5)

步骤二：通过被遮挡光线的方向信息，计算出障碍物遮挡住光源的辐射区域的立体角大小，从而可以估计出障碍物所在平面的平面系数，最后得到障碍物的点云模型进一步，为了简化模型，运用Jarvis步进法，求解障碍物点云的凸包模型；

2a)障碍物被建模为二维任意图形，其所在平面的表达式为：

Ax+By+Cz+D＝0 (7)

其中，A、B、C、D为障碍物所在平面的系数；

在接收端，将接收到的第j条光线的集合表示为：

{(V_xj,V_yj,V_zj)} (8)

V_xj＝cos(φ_j)sin(θ_j) (9)

V_yj＝sin(φ_j)sin(θ_j) (10)

V_zj＝-cos(θ_j) (11)

2b)若在LED光源处发射的光线数量为M，在接收端接收到的光线数量为N，则光源被障碍物遮挡区域的立体角可以表示为：

光线可以表示为：

其中，(s_x,s_y,s_z)为光源坐标。通过(7)式与(13)式求解障碍物平面与光线的交点

2c)将所求的点集，每三个为一个组，不重不漏地密铺整个障碍物所在区域。以光源为顶点，以每个组的三个点所组成的区域为底面，组成一个四面体。求解四面体的顶角的三面角，其计算公式为：

Ω＝α+β+γ-π (17)

其中α,β,γ为四面体三个侧面两两之间的二面角。假设O为光源，A′(x1,y1,z1)、B′、(x2,y2,z2)C′(x3,y3,z3)为一组中的三个点，则二面角的计算公式为：

2d)将所有组得到的三面角求和，即可得到障碍物遮挡LED光源立体角的公式：

其中n为交点组的个数，然后我们可以得到求解障碍物平面系数的目标函数：

求解目标函数F的最小值，即可估计出障碍物所在平面的系数。

2e)将障碍物点云化简为凸包，步骤如下：

Step 1:将所求的障碍物点云投影到xoy平面。

Step 2：找到点云中纵坐标最小的点作为P0点。过P0点做一条水平线，然后将水平线逆时针旋转，碰到的第一个点即为P1点。

Step 3：过P0点与P1点做直线，逆时针旋转，碰到的第一个点为P2点。然后重复以上工作，直到回归P0点。

Step 4：将所求点集投影回障碍物所在平面，即为障碍物的点云凸包。

步骤三：将障碍物凸包与碰撞算法结合，得到判定光线是否被障碍物遮挡的矩函数。并将矩函数与传统的信道冲激响应计算算法相结合，得到求解复杂室内可见光信道的冲击响应，步骤如下：

3a)已知障碍物凸包的点集{P_i}，以及障碍物所在平面的表达式：

Λ＝ax+by+cz+d (22)

利用(14)、(15)和(16)式可计算任意一条光线和障碍物所在平面的交点C″(x_c,y_c,z_c)。

3b)取凸包上任意两点T₁(x₁,y₁,z₁)T₂(x₂,y₂,z₂)，计算下式：

其中，ξ为向量

和

的叉积。

对于交点C″(x_c,y_c,z_c)，如果凸包上任意两点代入(23)式的计算结果的符号相同，则交点C″在凸包外，即光线没有被障碍物所遮挡，即可得到矩函数：

3c)将矩函数与可见光信道冲激响应结合，可得包含障碍物影响的室内可见光通信系统信道的冲激响应的表达式：

其中，n为朗伯辐射序数；

为光源发出的光线照到某一接收器时这条光线相对与光源轴的夹角；α′为接收器的入射角；FOV为接收器视场角；dΩ代表微反射面相对于光源的立体角；R是光源和接收器的距离；ρ为墙面反射系数；k为光线反射次数；c为光速；t为光线存在时长；

为接收端法向量，ΔA为接收端面积。

本发明的正确性和优点可通过以下理论结果对比进一步说明：

本发明方法中，通过MATLAB进行仿真，并且运用递归与蒙特卡洛(光子追踪法)两种方法进行对比，得到结论一致。

以一组无障碍空房间内的信道冲激响应为对照，运用所提出的算法，先将不同位置，大小与形状的几组障碍物进行点云与凸包的计算。然后运用所推导的公式，计算了其复杂信道的冲激响应；最后将含有障碍物的信道与对照信道的信道冲激响应进行比对。分析了障碍物对信道冲激响应的影响。并且进一步分析了系统接收端接收的能量，平均时延与RMS时延，分别见表1，表2.

表1

表2

理论和仿真结果

图1为光线被障碍物遮挡的示意图，图2为光源立体角划分的示意图；图3为光线与障碍物交点集合分组的示意图；图4为点云求解凸包的示意图；图5(a)为障碍物1(x+y+z-2＝0 x∈(0,2),y∈(0,2),z∈(0,2))的凸包模型；图5(b)为障碍物2

的凸包模型；图5(c)为障碍物3

的凸包模型；

图6(a)、(b)为空房间的信道冲激响应，其中图6(a)为递归算法求得，图6(b)为光线追踪法求得；图7(a)-图7(b)、图8(a)-图8(b)、图9(a)-图9(b)，为房间中分别包含障碍物1-3时，信道的冲激响应，其中图7(a)、图8(a)、图9(a)为递归算法求得，图7(b)、图8(b)、图9(b)为光线追踪法求得；通过对比可以看出迭代法与蒙特卡洛模拟法得出的冲激响应基本一致，从而表明了本发明中提出模型的准确性。另外，系统接收能量与平均时延与RMS时延见表1-2。可以看出，障碍物的存在减少了接收端接收的能量。但如果障碍物遮挡光链路的时延是均匀的，所对应的平均时延与RMS时延基本不会变化，冲激响应的波形也不会有大的变换。障碍物2所处的位置，所遮挡的2次反射光链路时延较为集中，因此导致了较大的RMS时延与冲激响应波形的变化。说明了不同位置、不同形状的障碍物对系统冲激响应的影响不同，本发明中所提出的模型可以对其进行准确的分析。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征做出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种室内可见光通信系统复杂信道冲激响应的计算方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)将LED光源的辐射区域在立体角的层面上进行均匀划分；并且在每个划分好的立体角元发射光线；

2)通过被遮挡光线的方向信息，计算出障碍物遮挡住光源辐射区域的立体角大小，从而可以估计出障碍物所在平面的平面系数，最后得到障碍物的点云模型；运用Jarvis步进法简化模型，求解障碍物点云的凸包模型；

3)将障碍物凸包与光子碰撞模型相结合，得到判定光线是否被障碍物遮挡的矩函数；将矩函数与信道冲激响应的递归算法相结合，得到复杂室内可见光信道冲击响应的计算方法。

2.根据权利要求1所述的一种室内可见光通信系统复杂信道冲激响应的计算方法，其特征在于，所述步骤1)中，对LED光源辐射区域在立体角上的均匀划分如下：

LED光源的辐射区域的立体角大小为2π，将其视为一个半径为r₁的半球并将球心放在球坐标系(θ，φ，r)的原点，则球面上任意一块区域S所对应的立体角大小为：

在垂直于xoy面和平行于xoy面的方向上各取极小步长dR,dL,则球面上第i个立体角元所对应区域两条边的长度分别为Δθ,Δφ；LED光源辐射区域可划分为：

θ_i＝0+iΔθ (2)

φ_i＝0+iΔφ (3)

Δθ＝dR (4)

3.根据权利要求2所述的一种室内可见光通信系统复杂信道冲激响应的计算方法，其特征在于，所述步骤2)中，障碍物遮挡住光源辐射区域的立体角计算方法如下：

2a)障碍物被建模为二维任意图形，其所在平面的表达式为：

Ax+By+Cz+D＝0 (6)

其中，A、B、C、D为障碍物所在平面的系数；

在接收端，未接收到的第j条光线的集合表示为：

{(V_xj,V_yj,V_zj)}(7)

V_xj＝cos(φ_j)sin(θ_j) (8)

V_yj＝sin(φ_j)sin(θ_j) (9)

V_zj＝-cos(θ_j) (10)

2b)若在LED光源处发射的光线数量为M，在接收端接收到的光线数量为N，则光源被障碍物遮挡区域的立体角可以表示为：

4.根据权利要求3所述的一种室内可见光通信系统复杂信道冲激响应的计算方法，其特征在于，所述步骤2)中，障碍物点云坐标计算方法如下：

2c)第j条光线可以表示为：

其中，(s_x,s_y,s_z)为光源坐标；

通过(6)式与(12)式求解障碍物平面与光线的交点：

2d)将所求的点集，每三个为一个组密铺整个障碍物所在区域；以光源为顶点，以每个组的三个点所组成的区域为底面，组成一个四面体；求解四面体的顶角的三面角，其计算公式为：

Ω＝α+β+γ-π (16)

其中α,β,γ为四面体三个侧面两两之间的二面角；

假设O点为光源所在位置，A′(x1,y1,z1)、B′(x2,y2,z2)、C′(x3,y3,z3)为一组中的三个点，则二面角的计算公式为：

2e)将所有组得到的三面角求和，即可得到障碍物遮挡LED光源立体角的公式：

其中n为交点组的个数，然后可以得到求解障碍物平面系数的目标函数为：

求解目标函数F的最小值，即可估计出障碍物所在平面的系数。

5.根据权利要求1所述的一种室内可见光通信系统复杂信道冲激响应的计算方法，其特征在于，所述步骤2)中，求解障碍物点云的凸包具体步骤如下：

2f)将所求的障碍物点云投影到xoy平面；

2g)找到点云中纵坐标最小的点作为P0点；过P0点做一条水平线，然后将水平线逆时针旋转，碰到的第一个点即为P1点；

2h)过P0点与P1点做直线，逆时针旋转，碰到的第一个点为P2点；然后重复以上步骤，直到回归P0点；

2i)将所求点集投影回障碍物所在平面，即可得到障碍物的点云凸包。

6.根据权利要求3所述的一种室内可见光通信系统复杂信道冲激响应的计算方法，其特征在于，所述步骤3)中，求解判定光线是否被障碍物遮挡的矩函数，步骤如下：

3a)由障碍物所在平面的系数a、b、c、d，已知障碍物所在平面表达式：

Λ＝ax+by+cz+d (21)

利用(13)、(14)和(15)式计算任意一条光线和障碍物所在平面的交点C″(x_c,y_c,z_c)；

3b)取凸包上任意两点T₁(x₁,y₁,z₁)、T₂(x₂,y₂,z₂)，计算下式：

其中，ξ为向量

和

的叉积；

对于交点C″(x_c,y_c,z_c)，如果凸包上任意两点代入(22)式计算结果的符号相同，则交点C″在凸包外，即光线没有被障碍物所遮挡，即可得到矩函数：

7.根据权利要求6所述的一种室内可见光通信系统复杂信道冲激响应的计算方法，其特征在于，所述步骤3)中，求解复杂室内可见光信道的冲击响应如下：

将矩函数与可见光信道冲激响应结合，可得包含障碍物影响的室内可见光通信系统信道的冲激响应的表达式：

其中，n为朗伯辐射序数；

为光源发出的光线照到某一接收器时这条光线相对与光源轴的夹角；α′为接收器的入射角；FOV为接收器视场角；dΩ代表微反射面相对于光源的立体角；R是光源和接收器的距离；ρ为墙面反射系数；k为光线反射次数；c为光速；t为光线存在时长；

为接收端法向量，ΔA为接收端面积。

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