本發(fā)明屬于可見光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可見光通信系統(tǒng)中的LED陣列布局方法。

背景技術(shù)：

可見光通信技術(shù)是一種將信息加載到白光LED光源上的新型的無線數(shù)據(jù)傳輸方式，與傳統(tǒng)的照明設(shè)備相比，白光LED在室內(nèi)可見光通信中要同時(shí)兼顧照明和通信的任務(wù)，因此在光源布局時(shí)需要同時(shí)考慮光照度分布均勻性、通信可靠性及系統(tǒng)功耗等問題。

從室內(nèi)照明的角度出發(fā)，往往希望室內(nèi)各個(gè)地方都能獲得較好的照度，不存在陰影效應(yīng)現(xiàn)象，并且在室內(nèi)的各個(gè)位置光照度的變化不是很大；從室內(nèi)光通信的角度出發(fā)，往往希望室內(nèi)沒有通信盲區(qū)的出現(xiàn)，即希望在室內(nèi)接收平面上各個(gè)位置通信的穩(wěn)定性和可靠性要有保障，要求接收平面上誤碼率均值越小越好。近年來已有越來越多的學(xué)者展開了室內(nèi)光源布局方面的研究工作，并取得了一些研究成果，但大多只考慮照明中的光照度分布的均勻性問題，很少兼顧可見光通信中系統(tǒng)功耗及可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種可見光通信系統(tǒng)中的LED陣列布局方案，解決現(xiàn)有可見光通信系統(tǒng)的LED陣列布局方案無法同時(shí)兼顧低功耗、室內(nèi)照明和通信可靠性的問題。

為了解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種可見光通信系統(tǒng)中的LED陣列布局方法，該布局方法包括以下具體步驟：

①、確定室內(nèi)空間參數(shù)，建立所述室內(nèi)空間的三維坐標(biāo)系；

②、確定所述室內(nèi)空間內(nèi)接收平面的高度及接收機(jī)在接收平面上的坐標(biāo)；

③、確定可見光通信系統(tǒng)的光源參數(shù)及點(diǎn)光源光照度輻射模型；

④、根據(jù)點(diǎn)光源光照度輻射模型給出LED陣列的光照度輻射模型，并根據(jù)國際照度標(biāo)準(zhǔn)及光照度補(bǔ)償技術(shù)確定由5個(gè)LED陣列組成的光源布局方式，確定能夠滿足光照度要求的最少LED燈珠個(gè)數(shù)N，以確保系統(tǒng)能耗；

⑤、構(gòu)建光照度均勻性數(shù)學(xué)模型f₁(L,i)，其中：L為LED陣列光源在所述室內(nèi)空間的布局參數(shù)，i為單個(gè)LED陣列內(nèi)部的布局參數(shù)，f₁為照度均勻性；

⑥、根據(jù)可見光通信系統(tǒng)的信噪比確定所述光信號(hào)在接收平面上的任一點(diǎn)的信號(hào)誤碼率BER(x,y)與f₁(L,i)之間的關(guān)系；

⑦、根據(jù)⑤與⑥構(gòu)建同時(shí)兼顧照度均勻性與通信可靠性的數(shù)學(xué)模型f(L,i)；

⑧、在①②③參數(shù)條件下，求函數(shù)f(L,i)的極小值，最終與⑥同時(shí)確定出LED陣列的燈珠數(shù)N、陣列內(nèi)部布局參數(shù)i及陣列在所述室內(nèi)的布局參數(shù)L。

所述的室內(nèi)空間為尺寸為4m*4m*3m。

本發(fā)明的有益效果：

(1)由于單個(gè)LED燈珠亮度有限，傳統(tǒng)四個(gè)對(duì)稱分布的陣列布局方式在滿足照度要求的前提下所需LED燈珠數(shù)量大，系統(tǒng)功耗大，本發(fā)明采用光照度補(bǔ)償技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)LED陣列光源布局方式進(jìn)行了補(bǔ)償優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種4+1的LED陣列布局方式，既滿足了國際照明標(biāo)準(zhǔn)，又降低了功耗。

(2)本發(fā)明通過將室內(nèi)接收平面的光照度標(biāo)準(zhǔn)差與通信中接收平面的平均誤碼率線性組合，構(gòu)建了系統(tǒng)優(yōu)化模型函數(shù)f(L,i)，在滿足照度要求的(L,i)值中通過求解f(L,i)的最小值，從而確定陣列內(nèi)部布局參數(shù)i及LED陣列在所述室內(nèi)的布局參數(shù)L，為室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)光源布局提供一種有效的途徑。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述可見光通信系統(tǒng)4m*4m*3m室內(nèi)空間三維坐標(biāo)系示意圖；

圖2是在圖一所示室內(nèi)天花板上布置點(diǎn)光源的輻射模型示意圖；

圖3是在圖二所示點(diǎn)光源布置方式下點(diǎn)光源的光照度分布示意圖；

圖4是根據(jù)圖三點(diǎn)光源照度分布，布置的傳統(tǒng)LED陣列光源布局方式；

圖5是LED列陣中LED燈珠分布方式及LED陣列在天花板上的分布圖；

圖6是N＝9時(shí)不同布局方式下照度最小值分布；

圖7是圖四所示傳統(tǒng)陣列光源布局方式，當(dāng)L＝0.4，i＝0.03時(shí)接收平面光照度分布圖；

圖8是根據(jù)光照度補(bǔ)償技術(shù)確定的滿足照度要求的最小LED陣列布局方式：4+1模式的LED陣列布局方式；

圖9是根據(jù)圖8所述4+1光源布局模式下，當(dāng)N1＝8，m1＝5時(shí)接收平面光照度最小值分布圖；

圖10是5個(gè)LED列陣布局模式下f(L,i)取值；

圖11是根據(jù)兼顧照度均勻性和通信可靠性確定的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出的布局參數(shù)為L＝0.35，i＝0.025時(shí)接收平面光照度分布圖；

圖12是根據(jù)兼顧照度均勻性和通信可靠性確定的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出的布局參數(shù)為L＝0.35，i＝0.025時(shí)接收平面誤碼率分布圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地說明。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供一種可見光通信系統(tǒng)中的LED陣列布局方法，該方法兼顧節(jié)能、照度均勻、性能可靠的優(yōu)點(diǎn)，該布局方案包括以下8個(gè)步驟：

①、確定室內(nèi)空間參數(shù)，建立所述室內(nèi)空間的三維坐標(biāo)系；

②、確定所述室內(nèi)空間內(nèi)接收平面的高度及接收機(jī)在接收平面上的坐標(biāo)；

③、確定可見光通信系統(tǒng)的光源參數(shù)及點(diǎn)光源光照度輻射模型；

④、根據(jù)點(diǎn)光源光照度輻射模型給出LED陣列的光照度輻射模型，并根據(jù)國際照度標(biāo)準(zhǔn)及光照度補(bǔ)償技術(shù)確定由5個(gè)LED陣列組成的光源布局方式，確定能夠滿足光照度要求的最少LED燈珠個(gè)數(shù)N，以確保系統(tǒng)能耗；

⑤、構(gòu)建光照度均勻性數(shù)學(xué)模型f₁(L,i)，其中：L為LED陣列在所述室內(nèi)的布局參數(shù)，i為單個(gè)LED陣列內(nèi)部的布局參數(shù)，f₁為照度均勻性；

⑥、根據(jù)可見光通信系統(tǒng)的信噪比確定所述光信號(hào)在接收平面上的任一點(diǎn)的信號(hào)誤碼率BER(x,y)與f₁(L,i)之間的關(guān)系；

⑦、根據(jù)⑤與⑥構(gòu)建同時(shí)兼顧照度均勻性與通信可靠性的數(shù)學(xué)模型f(L,i)；

⑧、在①②③參數(shù)條件下，求函數(shù)f(L,i)的極小值，最終與⑥同時(shí)確定出LED陣列的燈珠數(shù)N、陣列內(nèi)部布局參數(shù)i及陣列在所述室內(nèi)的布局參數(shù)L。

上述布局方式，在保證VLC系統(tǒng)的可靠性的前提下，降低了系統(tǒng)功耗、提高光照度均勻性；

上述布局方法中同時(shí)采用室內(nèi)接收平面的光照度標(biāo)準(zhǔn)差與通信中接收平面的平均誤碼率構(gòu)建系統(tǒng)優(yōu)化模型函數(shù)f(L,i)，當(dāng)f(L,i)達(dá)到最小值時(shí)可同時(shí)保證接收平面的照度要求和通信誤碼率要求。

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)L＝0.35米，i＝0.025米時(shí)，f(L,i)取得最小值，此時(shí)系統(tǒng)光照度標(biāo)準(zhǔn)差為20.1，功耗為140.5W，誤碼率為6.39x10^-7，達(dá)到了系統(tǒng)的各項(xiàng)預(yù)定參數(shù)要求。

參見附圖，本發(fā)明具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟一：確定室內(nèi)空間參數(shù)，建立所述室內(nèi)空間的三維坐標(biāo)系；

如附圖1所示，室內(nèi)空間大小為4m*4m*3m，以室內(nèi)空間一角作為坐標(biāo)原點(diǎn)建立如圖1所示的三維坐標(biāo)系。

步驟二：確定所述室內(nèi)空間內(nèi)接收平面的高度及接收機(jī)在接收平面上的坐標(biāo)；

如附圖1所示，本發(fā)明接收平面距離地面0.75m，接收機(jī)位于接收平面上任一點(diǎn)，坐標(biāo)為(x,y,0.75)。

步驟三：確定可見光通信系統(tǒng)的光源參數(shù)及點(diǎn)光源光照度輻射模型；

光源的型號(hào)是草帽8mm白光LED燈珠，功率P₀為0.5W，發(fā)射功率半角φ_1/2為60deg，每顆LED的中心發(fā)光強(qiáng)度I(0)為21.5cd，如附圖2所示為室內(nèi)點(diǎn)光源的光輻射示意圖，在光源發(fā)射角為φ的情況下，得到的光強(qiáng)可表示為：

I(φ)＝I(0)cos(φ) (1)

其中I(0)表示LED的中心發(fā)光強(qiáng)度，則某一點(diǎn)的水平照度可表示為：

E_n＝I(0)cos^m(φ)·cos(ψ)/d_n² (2)

m為光源的輻射模式，

假設(shè)點(diǎn)光源的坐標(biāo)_n為(x_n,y_n,3)，在距離地面0.75米的接收面上某一點(diǎn)坐標(biāo)為(x,y,0.75)，則d可以表示為：

如附圖3所示為點(diǎn)光源坐標(biāo)為(2,2,3)時(shí)，接收機(jī)在Z＝0.75平面上接收到的光照度分布圖。

步驟四：根據(jù)點(diǎn)光源光照度輻射模型給出LED陣列的光照度輻射模型，并根據(jù)國際照度標(biāo)準(zhǔn)及光照度補(bǔ)償技術(shù)確定由5個(gè)LED陣列組成的光源布局方式，確定能夠滿足光照度要求的最少LED燈珠個(gè)數(shù)N，以確保系統(tǒng)能耗

根據(jù)國際照明標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，辦公室內(nèi)的光照度必須保持在300lx到1500lx之間，這種情況下光線對(duì)人眼的影響不大，即不會(huì)太暗也不會(huì)太刺眼。如附圖3所示，單個(gè)LED燈珠的照度只能達(dá)到5lx以內(nèi)，很難滿足室內(nèi)照明的要求，在實(shí)際工程應(yīng)用中，往往是由多個(gè)LED燈珠組成的列陣作為室內(nèi)光源。如附圖4所示為經(jīng)典對(duì)稱分布陣列光源布局方式，光源由4個(gè)LED列陣對(duì)稱分布組成。如附圖5，LED列陣在天花板上分布圖所示，影響室內(nèi)照明的主要因素除了LED列陣的大小N外，還與列陣距離房頂邊緣的距離L和列陣中各LED燈珠之間的距離i有關(guān)。

隨著每個(gè)LED燈珠的位置不同，到達(dá)接收面上同一點(diǎn)所接收到的光照度也會(huì)有所不同，由于LED光源為非相干光源，所以在接收平面上某一點(diǎn)接收到的光照度為各點(diǎn)光源到該點(diǎn)的光照度的疊加。所以接收平面上某點(diǎn)(x,y,0.75)接收到的光照度為：

其中E_n為各個(gè)點(diǎn)光源在到達(dá)接收面后接收到的光照度，M為總的光源個(gè)數(shù)，M＝4·N²。

如附圖6所示，當(dāng)N＝9時(shí)，已經(jīng)存在部分(L,i)值，在這些布局方式下，能夠滿足室內(nèi)照度的要求，但是這種方式下使用的總光源個(gè)數(shù)比較多，為M＝9×9×4＝328顆，系統(tǒng)功耗大。

如附圖7所示，經(jīng)典對(duì)稱分布布局模式下光照度分布不均勻，根據(jù)光照度補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)一種如附圖8所示的4+1的光源布局模式，該布局方案由4個(gè)N1×N1的LED大陣列和1個(gè)m1×m1的LED小陣列組成。根據(jù)公式4，計(jì)算出如附圖9所示的采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的4+1布局方式，當(dāng)N1＝8，m1＝5時(shí)接收平面光照度最小值分布圖，由圖中可以看出，在4+1的光源模式下，已經(jīng)能夠滿足室內(nèi)照度要求，這種布局模式下使用的LED數(shù)量為281顆，相比較之前經(jīng)典對(duì)稱分布的LED陣列布局模式，LED燈珠個(gè)數(shù)減少了43顆，從而降低了系統(tǒng)功耗。

步驟五：構(gòu)建光照度均勻性數(shù)學(xué)模型f₁(L,i)，確定照度均勻性；

在滿足室內(nèi)照度要求的前提下，本發(fā)明進(jìn)一步考慮照度分布均勻性問題，建立一個(gè)新的函數(shù)f₁(L,i)，用其表示接收平面光照度的標(biāo)準(zhǔn)差，其表達(dá)式如下：

其中為接收平面光照度均值，可用公式表示為：

步驟六：根據(jù)所述可見光通信系統(tǒng)的信噪比確定所述光信號(hào)在所述接收平面上的任一點(diǎn)的信號(hào)誤碼率BER(x,y)與(L,i)之間的關(guān)系；

室內(nèi)可見光通信中光源具有照明和通信雙重作用，在滿足室內(nèi)照明的同時(shí)，還需要考慮通信可靠性問題，對(duì)于通信可靠性來說，一般通過系統(tǒng)的誤碼率來作為衡量的標(biāo)準(zhǔn)，誤碼率越小，通信系統(tǒng)可靠性越高。

點(diǎn)光源時(shí)在接受平面上接收功率可表示為：

P_n＝H_n(0)·P_t (7)

其中P_t為光源功率，H_n(0)為信道的直流增益，將單個(gè)LED光源看作朗伯源，服從朗伯輻射模型，則H_n(0)為：

其中，m為光源的輻射模式，A是PD探測區(qū)域的物理面積，d_n為發(fā)送端到接收端的距離，ψ是LED的入射角，φ為發(fā)射角，ψ_c為接收端光電探測器的FOV，T_s(ψ)表示光濾波器的增益，g(ψ)代表聚光器的增益，g(ψ)可表示為：

其中n表示反射系數(shù)，光源的輻射模式m可以表示為：

φ_1/2為發(fā)射功率半角。

由式(1)可以得出，接收端探測器接收到從LED陣列傳輸過來的總光源功率P_rx可表示為

系統(tǒng)信噪比SNR可表示為：

其中R為光電探測器轉(zhuǎn)換效率，σ²為接收端接收到的總系統(tǒng)噪聲，其可表示為：

其中為系統(tǒng)散粒噪聲，可表示為：

其中q為電子電量，P_n為周圍環(huán)境背景光產(chǎn)生的噪聲功率，B_n為噪聲帶寬，它可以表示為：

B_n＝I₁R_b (15)

其中，I₁為噪聲帶寬因子，R_b為系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率。為放大器噪聲，其表達(dá)式如下：

其中I_a為放大器噪聲電流，B_a為放大器帶寬。

由式(12)得出系統(tǒng)SNR之后，系統(tǒng)BER可表示為：

其中函數(shù)Q(x)可表示為：

則接收平面的誤碼率均值為：

步驟七：根據(jù)步驟五與步驟六構(gòu)建同時(shí)兼顧照度均勻性與通信可靠性的數(shù)學(xué)模型f(L,i)；

為了同時(shí)考慮室內(nèi)照度分布的均勻性與通信可靠性，本發(fā)明將步驟五和步驟六綜合考慮，建立了一個(gè)將照度分布均勻性與通信可靠性線性結(jié)合起來的數(shù)學(xué)模型f(L,i)：

f(L,i)＝f₁(L,i)+a·f₂(L,i) (20)

其中a＝6×10⁶。

只需要在步驟四和步驟五確定的滿足照度要求的(L,i)值中找出一組(L,i)值，使得f(L,i)取值最小，即可同時(shí)得到能兼顧能耗、照度及通信可靠性的室內(nèi)LED陣列布局參數(shù)(N,L,i)。附圖10為在5個(gè)LED列陣布局模式下取不同(L,i)值時(shí)，函數(shù)f(L,i)的取值。

步驟八：在步驟一、二、三參數(shù)條件下，求函數(shù)f(L,i)的極小值，最終與步驟六同時(shí)確定出光源陣列大小N、陣列內(nèi)部布局參數(shù)i及陣列在所述室內(nèi)的布局參數(shù)L。

由附圖9與附圖10對(duì)比得出，當(dāng)(L,i)取值為(0.35,0.025)，在滿足室內(nèi)照明照度要求的前提下，步驟七確定的函數(shù)f(L,i)取值最小，從而實(shí)現(xiàn)同時(shí)兼顧能耗、照度及通信可靠性的室內(nèi)LED陣列布局。

附圖11和圖12分別為當(dāng)L＝0.35，i＝0.025時(shí)接收平面光照度值分布和接收平面誤碼率分布。

本發(fā)明的內(nèi)容不限于實(shí)施例所列舉，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。