可见光通信重庆邮电大学研究生毕业答辩

基于白光led的室内通信系统光源布局理论研究及设计答辩人：XXX专业X指导老师：X日期：2015年6月10日课题背景及研究现状1最佳光源布局理论2光源布局设计与分析3通信性能仿真与测试4目录5结论与展望2•尺寸小，亮度高，功耗低•寿命长，绿色环保•响应时间为纳秒级led特点：•绿色通信（能源，人）•信号发射功率高•不需要申请无频谱•无电磁干扰安全保密led室内可见光通信1.研究背景及现状32000年，日本应庆大学中川正雄(M.Nakagawa)所在的大学课题组KEJO提出了可见光通信这个基本思想，并以IM—DD的调制方式进行了进行了建模仿真，分析了LED灯用作室内照明的同时作为通信发射端的可能性，开辟了采用LED照明光进行数据传输的新时代。Komine，Tanaka和Sugiyama是杰出的代表。2003年，可见光通信协会(VLCC)在日本成立，使更多人把目光投入到可见光通信技术上来。2008年，美国提出智慧照明计划，许多研究机构参与其中，德，英，韩等国也开始研究。提出了自适应均衡技术，OFDM技术，分集接收技术等。我国对室内可见光通信技术的研究起步较晚，前期的研究者主要有西安理工大学的柯熙政，浙江大学的何赛灵，暨南大学的陈振强和陈长缨等。研究现状4我国于2013年4月，把第一个可见光通信项目纳入到国家863计划，以解放军信息工程大学为首的国内多家科研单位对可见光通信展开了深入研究。2013年，复旦大学迟楠教授课题组实现用屋内可见光对网络信号进行传输的国际前沿技术：系统平均上网速率达到150M。关键技术照明要求通信要求52004年日本的研究者ToshihikoKomine对可见光通信的布局进行了研究，提出了一种典型的光源布局，并证明了其可行性（面积平分法)。2007年，西安理工大学的丁德强提出利用求方差来确定最佳光源布局的方法。2012年，新加坡南洋理工大学提出了一种新颖的光源布局方法。•有理论，可信•没有考虑反射作用，不精确6图1正方形空间模型现状分析对长方形空间的研究较少计算光源布局时，没有考虑反射作用分析了反射作用的影响设计了对正方形和长方形空间的光源布局利用MIMO模型提出了最佳光源布局理论搭建了实验平台，进行了实验验证7最佳光源布局理论信道冲击响应分析墙壁反射作用分析MIMO信道模型构建2.最佳光源布局理论8光源辐射模型90°-90°1.00.60.80.40.260°30°-60°-30°m=1m=3m=50图2朗伯辐射模型θ发光半角中心发光强度φ接收半角水平距离垂直距离LED灯LED照明示意图0cosmII12ln2ln(cos)m0cosII9m=1m=20m=100在LED可见光通信中，为了兼顾照明，光源应有比较大的辐射角，当朗伯辐射指数为1时，即光源的半功率角为60°时，可照亮大部分区域，因此在下文的分析中，采用朗伯指数为1的白光LED光源。100123450123450.20.40.60.811.21.4x/my/m照度/lx0.20.40.60.811.21.401234501234551015x/my/m照度/lx24681012141601234501234520406080x/my/m照度/lx1020304050607080图3不同辐射指数下的光照度分布信道冲击响应分析发射光X(t)Rh(t)Y(t)噪声N(t)光电流室内可见光通信系统线性基带传输模型tYRXthtNt图4房间内（1,3,0.85）处的各阶冲击响应1105101520253035404550012345678x10-4时间/ns冲击强度直射冲击响应0510152025303540455000.20.40.60.811.2x10-4时间/ns冲击强度一次冲击响应0510152025303540455000.511.522.53x10-5时间/ns冲击强度二次冲击响应信道冲击响应分析05101520253035404550012345678x10-4时间/ns冲击强度直射+一次反射冲击响应05101520253035404550012345678x10-4时间/ns冲击强度直射+一次反射+二次反射冲击响应1.9mw一次反射对接收信号的影响远远大于二次反射，随着反射次数的增加，高阶冲击响应的幅度下降地越来越快，对信号的影响越来越小。二次反射的影响较小。2.0mw12墙壁反射作用分析012345024650100150200250300350400x/my/m照度/lx120120120120140140140140160160160160160160160160160160180180180180180180180180180180200200200200200200200200200220220220220220220220220220240240240240240240240240240260260260260260260260260260280280280280280280280280280280280280300300300300300300300300300300300300320320320320320320320320340340340340x/my/m01234500.511.522.533.544.55100150200250300（a）不考虑墙壁的反射作用0123450246100200300400500x/my/m照度/lx220220220220220240240240240260260260260260260260260260260260280280280280280280280280280280280280280280280280300300300300300300300300300300300300300300300320320320320320320320320320320320320320320340340340340340340340340340340340340360360360360360360360360360360360360380380380380380380380380400400400400400400400400x/my/m01234500.511.522.533.544.55220240260280300320340360380400420(b)把墙壁的反射作用考虑在内最小光照度：88lx最大光照度：353lx均匀度：0.35最小光照度：210lx最大光照度：422lx均匀度：0.6413012345024650100150200x/my/m照度/lx7070707070707070707070100100100100100100100100100100100100130130130130130130130130130130130130x/my/m01234500.511.522.533.544.55708090100110120130140150160墙壁反射设置为0墙壁反射设置为0.8最小光照度/lx88210最大光照度/lx353422平均光照度/lx247326均匀度0.350.64结论：这说明一次反射对接收信号的影响远远大于二次反射，随着反射次数的增加，高阶冲击响应的幅度下降地越来越快，对接收光的影响越来越小。直射和一次反射贡献最大，反射作用的影响从房间四周向中心逐级递减。因此在计算最佳光源布局时，只考虑直射和一阶反射的作用。墙壁反射作用分析(c)只考虑墙壁的反射作用14MIMO信道模型123ttttnhhhh反射元素与反射元素之间的交互传输th发射端矩阵发射端矩阵n123rrrnrhhhhrh环境矩阵环境矩阵接收端矩阵接收端矩阵视距信道矩阵接收端trh发射端图5MIMO信道模型0nnLOSreflectioniEEEEreflectionTnREHH15最佳光源布局理论TRTREEEE2211riiEEr在同一室内场景中，在其它条件不变的情况下，当光源的位置发生改变时，总是存在一个最优位置使得光照度矩阵的方差最小，在这个最优位置下的布局就是最佳光源布局。1,,LEDNriiExyhE163.光源布局设计与分析光源布局的设计•正方形空间模型照明功能仿真分析与比较•不同光源布局方式下接收平面上的光照度17•长方形空间模型正方形空间模型房间大小5.0×5.0m×2.5m3桌子高度0.85mLED半功率角60°天花板，墙壁，地面的反射系数0.7，0.8，0.2反射单元面积0.2×0.2m2光探测器的物理面积10-4m2光滤波器增益1接收器接收视角90°LED光源的型号PAK310612LED光源的尺寸0.625×0.121mLED光源光功率36W发光效率100lm/W正方形房间模型参数（1.25,1.25）1.251.25x(m)55y(m)（3.75,1.25）（1.25,3.75）（3.75,125）图6根据面积平分法得到的光源布局1800.20.40.60.811.21.41.61.8200.010.020.030.040.050.060.07变化量（x0）方差y(m)（1,1）11x(m)55（4,4）（1,4）（4,1）正方形空间模型（x0,x0）x0x0x(m)55y(m)（5-x0,5-x0）(x0,5-x0)（5-x0,x0）最佳光源布局设计：X0的取值范围设置为0-219（a）图7（b）图8方差随X0的变化曲线正方形空间模型光源布局比较与分析：0123450246100200300400500x/my/m照度/lx0123450246100200300400500x/my/m照度/lx最小光照度：276lx最大光照度：502lx均匀度:0.64最小光照度：285lx最大光照度：94lx均匀度：0.7520图9面积平分法光源布局下的光照度分布图10最佳光源布局下的光照度分布(1.95,1.5)(1.95,4.5)(3.9,4.5)(5.85,4.5)(3.9,1.5)(5.85,1.5)7.802.11.86y(m)x(m)3.9(2.1,1.8)(2.1,4.2)(3.9,4.2)(5.7,4.2)(3.9,1.8)(5.7,1.8)7.802.11.86y(m)x(m)3.9长方形房间模型房间大小7.8×6×3m3接收器的高度0.8m光源的半功率角60°天花板，墙壁，地板的反射系数0.7，0.8，0.2反射单元的面积0.2×0.2m2探测器的物理面积10-4m2接收器的视场角（FOV）90°LED光源型号PAK310612LED光源的尺寸0.625m×0.121mLED光源光功率36WLED光源的发光效率100lm/W办公室场景参数：实际光源布局面积平分法光源布局21长方形房间模型参数：d0=0.2mt=6N=4184r=26×20=520X0:0-2.5Y0:0-3(0.7,1.2)(0.7,4.8)(3.9,4.8)(7.1,4.8)(3.9,1.2)(7.1,1.2)7.802.11.86y(m)x(m)3.9(x0,y0)(x0,6-y0)(3.9,6-y0)(7.8-x0,6-y0)(3.9,y0)(7.8-x0,y0)7.80x0y06y(m)x(m)3.9仿真结果：x0=0.7y0=1.2最佳光源布局设计：22（a）（b）长方形房间模型光源布局方式分析与比较：024680246150200250300350400450500x/my/m照度/lx实际光源布局下024680246150200250300350400450500x/my/m照度/lx图12办公室0.8m高的平面上接收到的光照度情况分布图(2.1,1.8)(2.1,4.2)(3.9,4.2)(5.7,4.2)(3.9,1.8)(5.7,1.8)7.802.11.86y(m)x(m)3.9(1.95,1.5)(1.95,4.5)(3.9,4.5