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兼顧照明和通信的任務(wù)，因此在光源布局時需要同時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)空間的三維坐標系；

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

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

④、根據(jù)點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)國際照度標準及光照度補償技術(shù)確定由5個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燈珠個數(shù)N，以確保系統(tǒng)能耗；

⑤、構(gòu)建光照度均勻性數(shù)學模型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在接收平面上的任一點的信號誤碼率BER(x,y)與f₁(L,i)之間的關(guān)系；

⑦、根據(jù)⑤與⑥構(gòu)建同時兼顧照度均勻性與通信可靠性的數(shù)學模型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LED燈珠亮度有限，傳統(tǒng)四個對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)明采用光照度補償技術(shù)，對傳統(tǒng)LED陣列光源布局方式進行了補償優(yōu)化，設(shè)計了一種4+1的LED陣列布局方式，既滿足了國際照明標準，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準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)空間三維坐標系示意圖；

圖2是在圖一所示室內(nèi)天花板上布置點光源的輻射模型示意圖；

圖3是在圖二所示點光源布置方式下點光源的光照度分布示意圖；

圖4是根據(jù)圖三點光源照度分布，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L＝0.4，i＝0.03時接收平面光照度分布圖；

圖8是根據(jù)光照度補償技術(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N1＝8，m1＝5時接收平面光照度最小值分布圖；

圖10是5個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)學模型計算出的布局參數(shù)為L＝0.35，i＝0.025時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)學模型計算出的布局參數(shù)為L＝0.35，i＝0.025時接收平面誤碼率分布圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細地說明。

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

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，該布局方案包括以下8個步驟：

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

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

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

④、根據(jù)點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)國際照度標準及光照度補償技術(shù)確定由5個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燈珠個數(shù)N，以確保系統(tǒng)能耗；

⑤、構(gòu)建光照度均勻性數(shù)學模型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在接收平面上的任一點的信號誤碼率BER(x,y)與f₁(L,i)之間的關(guān)系；

⑦、根據(jù)⑤與⑥構(gòu)建同時兼顧照度均勻性與通信可靠性的數(shù)學模型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采用室內(nèi)接收平面的光照度標準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f(L,i)達到最小值時可同時保證接收平面的照度要求和通信誤碼率要求。

通過實驗驗證，當L＝0.35米，i＝0.025米時，f(L,i)取得最小值，此時系統(tǒng)光照度標準差為20.1，功耗為140.5W，誤碼率為6.39x10^-7，達到了系統(tǒng)的各項預(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)空間一角作為坐標原點建立如圖1所示的三維坐標系。

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在接收平面上的坐標；

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

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

光源的型號是草帽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)光強度I(0)為21.5cd，如附圖2所示為室內(nèi)點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)光強度，則某一點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)點光源的坐標_n為(x_n,y_n,3)，在距離地面0.75米的接收面上某一點坐標為(x,y,0.75)，則d可以表示為：

如附圖3所示為點光源坐標為(2,2,3)時，接收機在Z＝0.75平面上接收到的光照度分布圖。

步驟四：根據(jù)點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)國際照度標準及光照度補償技術(shù)確定由5個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燈珠個數(shù)N，以確保系統(tǒng)能耗

根據(jù)國際照明標準規(guī)定，辦公室內(nèi)的光照度必須保持在300lx到1500lx之間，這種情況下光線對人眼的影響不大，即不會太暗也不會太刺眼。如附圖3所示，單個LED燈珠的照度只能達到5lx以內(nèi)，很難滿足室內(nèi)照明的要求，在實際工程應(yīng)用中，往往是由多個LED燈珠組成的列陣作為室內(nèi)光源。如附圖4所示為經(jīng)典對稱分布陣列光源布局方式，光源由4個LED列陣對稱分布組成。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LED燈珠的位置不同，到達接收面上同一點所接收到的光照度也會有所不同，由于LED光源為非相干光源，所以在接收平面上某一點接收到的光照度為各點光源到該點的光照度的疊加。所以接收平面上某點(x,y,0.75)接收到的光照度為：

其中E_n為各個點光源在到達接收面后接收到的光照度，M為總的光源個數(shù)，M＝4·N²。

如附圖6所示，當N＝9時，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)典對稱分布布局模式下光照度分布不均勻，根據(jù)光照度補償技術(shù)設(shè)計一種如附圖8所示的4+1的光源布局模式，該布局方案由4個N1×N1的LED大陣列和1個m1×m1的LED小陣列組成。根據(jù)公式4，計算出如附圖9所示的采用本發(fā)明設(shè)計的4+1布局方式，當N1＝8，m1＝5時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)典對稱分布的LED陣列布局模式，LED燈珠個數(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)明進一步考慮照度分布均勻性問題，建立一個新的函數(shù)f₁(L,i)，用其表示接收平面光照度的標準差，其表達式如下：

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在所述接收平面上的任一點的信號誤碼率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，還需要考慮通信可靠性問題，對于通信可靠性來說，一般通過系統(tǒng)的誤碼率來作為衡量的標準，誤碼率越小，通信系統(tǒng)可靠性越高。

點光源時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)建同時兼顧照度均勻性與通信可靠性的數(shù)學模型f(L,i)；

為了同時考慮室內(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LED列陣布局模式下取不同(L,i)值時，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對比得出，當(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，從而實現(xiàn)同時兼顧能耗、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L＝0.35，i＝0.025時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。