兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法技术

本发明专利技术公开了一种兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法，包括：根据室内的空间参数建立三维空间模型，通过求解待优化的目标函数以对天花板平面上的LED灯阵列的布局位置进行优化，其中所述待优化的目标函数为所设定的接收器平面上的任一点(x,y)的照度E(x,y)和任一点(x,y)的信号误码率BER(x,y)的线性组合。在同时保证接收器平面上的照度要求和可见光通信系统的信号误码率要求的情况下，求解该目标函数使其达到最小值，最终得到LED灯阵列的最优布局优化参数结果。其实现方法较为简单，易于实现。本技术方案解决了现有可见光通信系统无法兼顾室内照度的均匀性需求和室内各个角落的通信可靠性的问题。

【技术实现步骤摘要】
兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法
本专利技术涉及可见光通信
，尤其涉及一种兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法。
技术介绍
室内可见光通信是一种能够兼顾室内照明与通信目的的通信方式，将成为今后室内无线通信的一种重要方式。同时，在考虑节能降耗的前提下，LED灯成为室内可见光通信系统接入方式的首选。在室内可见光通信场景下，系统必须要同时满足室内照度和通信可靠性这两方面的需求。从室内照度需求的角度出发，对于普通的室内环境(包括居室、办公室、厂房、教室等场所)，希望在室内接收平面的每一个位置都能够获得较好的照度。或者说在室内环境接收平面的任意一个位置，照度应该在允许的范围内变化不大。基于此，国际标准(ISO)体系中关于室内工作场所照明的光照度一般要求为300～1500lx(国际照明委员会照明标准——室内工作场所照明.照明工程学报，Vol.13，No.4，2002年12月：pp.55～60)。而对于通信可靠性来说，一般可以用通信接收端相对于发射端的误比特率来作为衡量的标准。对于通信系统而言，当然是希望误比特率能够越小越好。在实际的工程与室内灯具布局中，在满足光照度要求的情况下，往往并没有过多地考虑光照度变化的均匀性。与此同时，现有的文献资料和专利、论文中均没有同时兼顾考虑照明需求与通信可靠性的室内可见光通信LED灯阵列布局优化方法。因此，本领域的技术人员致力于开发一种兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法，在满足室内照度的均匀性需求的同时，也使得室内各个角落的通信质量得到保证。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是现有的可见光通信系统无法兼顾室内照度的均匀性需求和室内各个角落的通信可靠性。为实现上述目的，本专利技术提供了一种兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法，用于确定可见光通信系统中的LED灯阵列在所述室内的待优化位置参数；所述可见光通信系统还包括接收器，该布置方法包括如下步骤：(1)基于所述可见光通信系统所处室内的空间参数建立三维空间模型，并在所述三维空间模型内的天花板平面上设置若干个LED灯阵列；(2)根据所述接收器在所述室内的位置，在所述三维空间模型内设定一个接收器平面，所述接收器平面接收来自所述LED灯阵列的光信号；(3)确定所述光信号在所述接收器平面上任一点(x,y)的照度E(x,y)，并确定在所述接收器平面上所述照度的平均值；(4)根据所述可见光通信系统的信噪比确定所述光信号在所述接收器平面上的任一点(x,y)的信号误码率BER(x,y)；(5)建立待优化的目标函数F，所述目标函数F为所述E(x,y)和所述BER(x,y)的组合函数；(6)以所述照度的取值范围和在所述接收器平面上所述照度的标准差与所述信号误码率的平均值的比值的取值范围为约束条件求解所述目标函数F，以确定各个所述LED灯阵列的所述待优化位置参数。可选的，在所述步骤(1)中，在所述三维空间模型的天花板平面上设置有四个旋转对称布置的LED灯阵列。可选的，在所述步骤(1)中，所述空间参数包括房间的长度、宽度和高度。可选的，所述步骤(3)包括如下步骤：(31)确定各个所述LED灯阵列的规模和中心发光强度、以及所述LED灯阵列中各个LED光源的半出射角；(32)依照公式I(φ)＝I(0)cosm(φ)确定每个LED光源的发光强度；其中，I(0)是LED灯阵列的中心发光强度、φ是光源到接收端的出射角、m是基于LED光源的半出射角计算得出的兰伯特发射序数；(33)依照公式得出所述接收器平面上任一点(x，y)上的照度；其中，d为LED光源到该任一点(x，y)上的接收器的直线距离、为接收器的入射角；(34)基于所述接收器平面上每一点(x，y)上的照度，以确定在所述接收器平面上所述照度的平均值。可选的，所述步骤(4)包括如下步骤：(41)根据接收器平面上各个点(x,y)上的接收器接收到的光信号总功率和总噪声功率确定所述可见光通信系统的信噪比；(42)依照公式BER＝Q(SNR)计算得到所述光信号在所述接收器平面上的信号误码率；其中，BER表示接收信号误码率、Q(·)函数为：可选的，所述步骤(5)中的待优化的目标函数F为：其中，(x0,y0)为设置为基准位置的LED灯阵列的待优化位置参数、S为接收器平面的总面积、a和b分别为两个预设的常系数。可选的，所述照度的取值范围为室内照度的最大值和最小值之间。可选的，所述照度的标准差与在所述信号误码率的平均值的比值的取值范围在两个预设常数之间。可选的，所述步骤(6)包括如下步骤：(61)以所述照度的取值范围和在所述信号误码率的平均值的比值的取值范围为约束条件，求解使所述目标函数达到最小值时，所对应的(x0,y0)作为所述基准位置的LED灯阵列的待优化位置参数；(62)根据所述基准位置的LED灯阵列的待优化位置参数与其他各个LED灯阵列的待优化位置参数之间的坐标关系，以确定其他各个LED灯阵列的待优化位置参数。可选的，所述基准位置的LED灯阵列是指与以所述接收器平面建立的一个二维坐标平面中设定的坐标原点距离最近的LED灯阵列。与现有技术相比，本技术方案至少具有以下技术效果：1)由于单个LED光源的亮度有限，在本专利技术实施例中，通过在建立的三维空间模型内的天花板平面上设置若干个LED灯阵列，增强了照明亮度，满足了室内照明需求。进一步地，专利技术人经研究，在该天花板平面上设置四个旋转对称布置的LED灯阵列可以更好地满足室内照明需求。2)根据室内的空间参数建立三维空间模型，通过求解待优化的目标函数以对天花板平面上的LED灯阵列的布局位置进行优化，其中所述待优化的目标函数为所设定的接收器平面上的任一点(x,y)的照度E(x,y)和任一点(x,y)的信号误码率BER(x,y)的线性组合。在同时保证接收器平面上的照度要求和可见光通信系统的信号误码率要求的情况下，求解该目标函数使其达到最小值，最终得到LED灯阵列的最优布局优化参数结果。其实现方法较为简单，易于实现。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是本专利技术的一种兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法的具体实施方式的流程示意图；图2是本专利技术的一个基于可见光通信系统所处室内的空间参数建立三维空间模型的示意图；图3是在图2所示的三维空间模型的天花板上设置单个LED光源的照度分布效果图；图4是在图2所示的三维空间模型的天花板上设置单个LED光源的可见光通信系统的误码率仿真示意图；图5是本专利技术的三维空间模型的天花板上设置四个旋转对称布置的LED灯阵列的分布示意图；图6是利用本专利技术的兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法优化后的目标函数在xoy平面上的示意图。具体实施方式如图1所示的是本专利技术实施例提供的一种兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法的具体实施方式的流程示意图。本专利技术实施例提供的布置方法用于确定LED灯阵列在所述室内的待优化位置参数。参考图1，该布置方法包括如下步骤：步骤S1：基于所述可见光通信系统所处室内的空间参数建立三维空间模型，并在所述三维空间模型内的天花板平面上设置若干个LED灯阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法，用于确定可见光通信系统中的LED灯阵列在所述室内的待优化位置参数；所述可见光通信系统还包括接收器，其特征在于，该布置方法包括如下步骤：(1)基于所述可见光通信系统所处室内的空间参数建立三维空间模型，并在所述三维空间模型内的天花板平面上设置若干个所述LED灯阵列；(2)根据所述接收器在所述室内的位置，在所述三维空间模型内设定一个接收器平面，所述接收器平面接收来自所述LED灯阵列的光信号；(3)确定所述光信号在所述接收器平面上任一点(x,y)的照度E(x,y)，并确定在所述接收器平面上所述照度的平均值；(4)根据所述可见光通信系统的信噪比确定所述光信号在所述接收器平面上的任一点(x,y)的信号误码率BER(x,y)；(5)建立待优化的目标函数F，所述目标函数F为所述E(x,y)和所述BER(x,y)的组合函数；(6)以所述照度的取值范围和在所述接收器平面上所述照度的标准差与所述信号误码率的平均值的比值的取值范围为约束条件求解所述目标函数F，以确定各个所述LED灯阵列的所述待优化位置参数。

【技术特征摘要】
1.一种兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法，用于确定可见光通信系统中的LED灯阵列在所述室内的待优化位置参数；所述可见光通信系统还包括接收器，其特征在于，该布置方法包括如下步骤：(1)基于所述可见光通信系统所处室内的空间参数建立三维空间模型，并在所述三维空间模型内的天花板平面上设置若干个所述LED灯阵列；(2)根据所述接收器在所述室内的位置，在所述三维空间模型内设定一个接收器平面，所述接收器平面接收来自所述LED灯阵列的光信号；(3)确定所述光信号在所述接收器平面上任一点(x,y)的照度E(x,y)，并确定在所述接收器平面上所述照度的平均值具体包括如下步骤：(31)确定各个所述LED灯阵列的规模和中心发光强度、以及所述LED灯阵列中各个LED光源的半出射角；(32)依照公式I(φ)＝I(0)cosm(φ)确定每个LED光源的发光强度；其中，I(0)是LED灯阵列的中心发光强度、φ是光源到接收端的出射角、m是基于LED光源的半出射角计算得出的兰伯特发射序数；(33)依照公式得出所述接收器平面上任一点(x，y)上的照度；其中，d为LED光源到所述接收器平面上的任一点(x，y)的直线距离、为接收器的入射角；(34)基于所述接收器平面上每一点(x，y)上的照度，以确定在所述接收器平面上所述照度的平均值(4)根据所述可见光通信系统的信噪比确定所述光信号在所述接收器平面上的任一点(x,y)的信号误码率BER(x,y)；具体包括如下步骤：(41)根据接收器平面上各个点(x,y)上的接收器接收到的光信号总功率和总噪声功率确定所述可见光通信系统的信噪比；(42)依照公式BER＝Q(SNR)计算得到所述光信号在所述接收器平面上的信号其中，(x0,y0)为设...

【专利技术属性】
技术研发人员：何迪，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31