CN110289908A - 一种兼顾照明的自适应可见光mimo通信方法 - Google Patents

一种兼顾照明的自适应可见光mimo通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种兼顾照明的自适应可见光MIMO通信方法，该方法兼顾室内可见光通信的照明和信道容量两方面，在10m×10m×3m的大区域室内房间中，把25个9×9的LED阵列均匀布置在房顶上，阵列距离房间边缘距离为0.6m，LED阵列灯珠之间距离为0.1m时光照度均匀性达到75.5％，光照度最小值378.5Lx，符合国际照明标准要求；然后对信道矩阵H进行奇异值分解，推导出MIMO系统的信道容量，通过光电检测器所处的位置不同建立自适应准则，对MIMO信道进行条件性的选择形成自适应MIMO信道，以获得最优通信效果。

Description

一种兼顾照明的自适应可见光MIMO通信方法
技术领域
本发明涉及的技术领域属于可见光MIMO通信技术，具体涉及一种兼顾照明的自适应可见光MIMO通信方法，该方法可以在大区域房间模型内兼顾照明同时采用自适应信道实现稳定的高速通信。
背景技术
可见光通信(visible light communications)是人们在无线频谱资源日益紧张的情况下，对通信传输速率和传输质量需求下的又一创新性发明，在满足照明需求的同时，以可见光为载波实现数据稳定传输的一种新型无线通信方式。
然而在大区域房间中需采用多组LED阵列的布局方式才能满足国际照明标准要求的光照度，在通信传输时采用多LED阵列协同传输信息的多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output,MIMO)技术，通过MIMO技术具有的空间分集和空间复用联合增益提高系统有效性和可靠性。
大区域房间中若采用所有的LED阵列进行MIMO信道传输信息，距离接收端较远的信道质量很差，引起信息传输的不稳定。
发明内容
本发明提供一种兼顾照明的自适应可见光MIMO通信方法，根据接收端的位置不同建立所需的自适应信道，形成自适应可见光MIMO通信，解决现有技术中的问题。
本发明采用的的技术方案为：
一种自适应可见光MIMO通信系统的优化布局，该布局方法包括以下具体步骤：
步骤①、以10m×10m×3m室内房间为实验仿真模型，距离地面0.75m高度作为室内接收平面；
步骤②、根据朗伯光源衰减模型确定出接收平面光照度及其均匀性表达式；
步骤③、25个9×9的LED阵列均匀的布置于室内房间天花板上，根据参数L和i的不同数值组合求解出对应情况下的光照度均匀性，其中：L为LED阵列与房间边缘的距离，i为LED阵列内部灯珠之间的距离；
步骤④、通过③求出接收平面光照度均匀性最大的情况，确定最优布局参数L和i；
步骤⑤、根据接收端光电检测器的位置在MIMO信道中选取4个增益最优的元素形成自适应信道。
步骤⑥、对自适应信道奇异值分解，推导出可见光MIMO通信系统的信道容量表达式；
步骤⑦、根据朗伯光源衰减模型和④的布局方式，构建系统误码率关系式；
步骤⑧、在④⑤⑥⑦条件下，进行传统随机信道和自适应信道下的系统误码率和信道容量的仿真对比。
本发明的有益效果：
1、由于单个LED灯珠亮度有限，且光照幅度对传输信息有限制，经多次实验确定房间模型顶部采用25个9x9的LED阵列布局方式，既满足了国际照明标准300-1500Lx，又布局简单，美观。
2、本发明通过将室内接收平面的光照度均匀性与参数L、i相结合，在满足照度要求的L和i值中通过求解接收平面光照在均匀性最大值，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。
3、在确定了最佳光照度均匀性后，进行随机信道与自适应信道的矩阵建模，通过信道矩阵H的奇异值分解推导出MIMO信道容量，通过自适应准则对信道进行条件性选择，每次只选择信道较好的4个LED阵列进行可见光通信，对室内接收平面的光照度、误码率和信道容量进行仿真，由仿真结果可得自适应信道能较好的改善通信质量，使得室内接收平面的信道容量和误码率分布较均匀，有效的避免通信盲区的存在，为实现兼顾照明和信道容量的可见光MIMO通信提供了实验论证。
附图说明
图1是本发明所述可见光通信系统10mx10mx3m室内空间仿真模型示意图；
图2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3是不同参数L和i组合值的光照度均匀性；
图4是根据图3确定布局参数为L＝0.6m，i＝0.01m时接收平面光照度分布图；
图5是随机信道下系统误码率仿真分布图；
图6是自适应信道下系统误码率仿真分布图；
图7是随机信道下系统信道容量仿真分布图；
图8是自适应信道下系统信道容量仿真分布图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
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、光照度均匀、性能可靠的优点，该布局方案包括以下步骤：
确定室内空间参数，建立所述室内空间的三维坐标系，确定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；
根据国际照度标准确定由25个LED阵列组成的光源布局方式，确定能够实现室内光照度均匀性最高的方式，以确保系统性能；
构建光照度均匀性数学模型△(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，△为照度均匀性；
确实出实现光照度均匀性最大的光源布局模式；
在确定了光源布局之后，进行自适应信道的构建；
对自适应信道进行奇异值分解，推出MIMO系统信道容量表达式；
推导出此条件下的信噪比和误码率额表达式，最后分别仿真，对比实验结果。
上述布局方法中分别对自适应可见光MIMO信道和传统随机信道进行建模，此自适应MIMO信道模型的误码率与信道容量的数据明显优于传统随机信道。
通过实验验证，当L＝0.6m米，i＝0.01m时，系统光照度均匀性最优，此时采用自适应MIMO信道进行仿真实验，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，室内空间模型大小为10mx10mx3m，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。
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，单个LED功率P0为0.5W，发射功率半角为60deg，每颗LED的中心发光强度I0为21.5cd，在光源发射角为φ的情况下，相应的接收光强表达式为：
I(φ)＝I0cos(φ) ⑴
式中：I0为光源LED的中心发光强度。
步骤四：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。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2，25个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：
式中En为单个LED灯珠光照度，N为总LED灯个数。
步骤五：构建光照度均匀性数学模型△(L，i)，确定照度均匀性；其表达式如下：
式中表示在每个参数L和i组合情况，由接收平面的照度均值和最大值确定出找度均匀性，S为接收平面的面积；如图3所示为当L值设为0.1m到1m之间，每次增加0.05m，i值设为0.01m到0.03m之间，每次增加0.005m。数值计算出室内接收平面取不同的L和i值对应的光照度均匀性，通过仿真结果分析得出取L＝0.6m、i＝0.01m时，室内接收平面的光照度均匀性最高可达到75.4437％。此条件下室内接收平面的光照度分布如图4所示，接收平面光照度最大值1128.8Lx、最小值378.5Lx，满足国际照明标准要求。
步骤六：专利10m×10m×3m的室内空间为模型，接收端布置4个光电检测器进行可见光通信，首先，室内接收平面任意一点的可见光MIMO通信会形成一个4×25维的信道矩阵H′，
H′中每行元素代表每个光电检测器与25个LED阵列之间形成的信道增益，其值大小代表着信道质量的高低，由于室内接收平面的面积较大，若房间的25个LED阵列都进行通信传输势必会造成距离接收端较远的信道质量很差，这样也就造成通信的传输质量误码高，为此引入信道自适应准则来对信道有选择性的挑选后进行可见光通信。对H′中的每行元素信息反馈至发送端，选取4个增益最优的的元素形成新的4×4维自适应信道H。
通过这样的自适应准则对室内接收平面的误码率和信道容量进行数值计算仿真。
步骤七：计算基于奇异值分解的自适应信道的MIMO系统容量。
根据矩阵的奇异值分解理论可知任意一个Nr×Nt维的矩阵H都可以写成：
H＝UDVH (7)
式中：(.)H表示矩阵的共轭转置，D是Nr×Nt维非负对角矩阵，对角元素就是矩阵HHH特征值的非负平方根，也即H的奇异值；U和V分别是Nr×Nr维和Nt×Nt维的酉矩阵，根据酉矩阵的性质可得和其中和分别是Nr×Nr维和Nt×Nt维的单位阵。把公式(5)代入公式(7)并引入变换y'＝UHy,x'＝VHx,n'＝UHn可得：
y'＝Dx'+n' (8)
由于U和V是可逆的，公式(8)与公式(5)相比只是在公式两边同时与矩阵UH相乘，仅有一个缩放比例的效果，因此两者所描述的信道是等价的。D是信道矩阵H的奇异值组成的对角矩阵，奇异值的个数等于矩阵H的秩，对于Nr×Nt维矩阵H，秩的最大值为L＝min(Nr,Nt)，即最多有r个奇异值是非零的，用代表H的奇异值代入公式(8)可得：
由公式(9)可以看出当矩阵H的奇异值个数小于接收天线个数时，接收信号并不依赖于发射信号，此时的信道增益为0，因此通过公式(9)得到的MIMO信道是由L个去耦平行子信道组成的，信道矩阵H的奇异值相当于信道功率增益于是分析出MIMO信道中子信道是去耦的，因此其容量可以直接相加得到，假设系统的功率为P，噪声为σ2，由香农容量公式可推导出信道总容量为：
式中ρ为接收信道的信噪比，Nt为发送端LED阵列个数，经过对信道矩阵H的奇异值分解和拉普拉斯最小项乘积等变换后，可求的MIMO信道的容量为：
式中：(.)H为矩阵共轭转置。
步骤八：室内接收平面的信噪比。根据步骤七的分析可知MIMO信道的容量跟接收平面的信噪比有关，本专利采用的LED光源为郎伯光源，则其光功率的衰减服从郎伯模型，点光源发光时接收平面上的接收功率可表示为：
Pr＝H(0)×Pt (12)
式中Pt是单个LED灯珠的功率，H(0)是在光通信链路中的直流增益，通过步骤六在自适应信道中的直流增益，表达式为：
式中：Ts(ψ)表示光滤波器的增益，g(ψ)代表聚光器的增益，d为LED到达接收平面的距离，m为浪伯光源辐射阶数，
m＝-ln2/ln cosφ1/2 (14)
φ1/2表示LED的光强度为最大光强1/2的光线与中心发光强度轴的夹角称为半功率角，m的值取决于半功率角的大小，当半功率角为60deg时，m＝1。
则系统的信噪比可表示为：
式中：R为光电探测器转换效率，为系统散粒噪声，其中q为电子电量，Pn为周围环境背景光产生的噪声功率，Bn为噪声带宽，Bn＝I1Rb，I1为噪声带宽因子，Rb为系统数据传输速率。为放大器噪声，其中Ia为放大器噪声电流，Ba为放大器带宽。
由此可得出系统的误码率为：
图5和图6分别为传统随机信道和自适应信道条件下的系统误码率仿真图，由图可看出只有在四个拐角处的误码率较高，传统随机信道下的系统误码率均值为4.0323×10-5，自适应信道下的误码率均值为6.6614×10-8，较传统随机信道可降低3个数量级；图7和图8分别为传统随机信道和自适应信道条件下的系统信道容量仿真图，传统随机信道下的系统信道容量均值为42.2143bit/s/Hz，自适应信道下信道容量为59.2929bit/s/Hz，较传统随机信道平均提高17bit/s/Hz；因此本专利设计的兼顾照明的自适应可见光MIMO通信较传统随机通信相比，不仅可提高系统的信道容量，还能有效提高系统传输的误码性能，能够满足照明需求的同时达到高速信息传输。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (1)

1.一种兼顾照明的自适应可见光MIMO通信方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
步骤①、以10m×10m×3m室内房间为实验仿真模型，距离地面0.75m高度作为室内接收平面；以室内一角为坐标系原点，建立以大区域室内空间为模型的坐标系；
步骤②、根据朗伯光源衰减模型确定出接收平面光照度及其均匀性表达式；
步骤③、25个9×9的LED阵列均匀的布置于室内房间天花板上，根据参数L和i的不同数值组合求解出对应情况下的光照度均匀性，其中：L为LED阵列与房间边缘的距离，i为LED阵列内部灯珠之间的距离；
步骤④、通过③求出接收平面光照度均匀性最大的情况，确定最优布局参数L和i；
步骤⑤、根据接收端光电检测器的位置在MIMO信道中通过反馈信息选取4个增益最优的元素形成自适应信道；
步骤⑥、对自适应信道奇异值分解，推导出可见光MIMO通信系统的信道容量表达式；
步骤⑦、根据朗伯光源衰减模型和④的布局方式，构建系统误码率关系式；步骤⑧、在④⑤⑥⑦条件下，进行随机信道和自适应信道下的系统误码率和信道容量的仿真对比。
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