一种室内可见光通信系统的光源布置方法与流程

本发明涉及的是室内可见光通信、室内可见光照明、室内塑料光纤通信和室内塑料光纤照明领域，特别是涉及一种室内可见光通信系统的光源布置方法。

背景技术：

节能的led技术已成为目前室内照明设施的首选，而基于led的可见光通信作为一种附加在室内照明设施上的功能，因其节能环保、不占用紧缺的无线频谱资源、信息保密性好等优点，近年来已成为通信领域研究的热点。另一方面，塑料光纤廉价、轻便、芯径较大，柔韧性好，还具有抗电磁干扰、高带宽等许多有点，也已被应用于照明和短距离信息传输领域，随着成本的进一步下降，未来其应用前景将十分巨大。但从兼顾二者各自优点的角度出发，目前尚无led和塑料光纤相结合的室内可见光通信系统出现。

室内可见光通信系统具有通信和照明两个功能。对于通信而言，由于可见光通信接收机是移动终端，为了保证其在室内接收平面任意位置能获得可靠传输性能，需要保证各个位置的信噪比都能达到一定指标。同时，室内可见光通信系统会存在多个移动终端的情况，故从通信公平性角度出发，也要求接收平面的各个位置信噪比相互接近。所以，接收平面各个位置信噪比的均匀性在室内可见光通信系统中尤为重要。另一方面，照明标准中对于室内照明平面光照度的规定是一个范围，例如，室内工作场所照明的光照度一般要求为300～1500lx，只要满足该范围，即可认为光照度达标。故可以对室内照明平面的光照度进行重新考量和设计，使其尽可能按最低要求满足照明标准即可，以达到节能减排的目的。

虽然专利“cn201410401349”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，但存在以下不足之处：

(1)、该专利所提出的方案没有脱离在天花板平面上设置的四个旋转对称的led灯阵列的桎梏，各子光源功率相同，只是对led灯阵列的位置进行了优化计算，故局限性大，无法在接收平面真正取得均匀的信噪比。另外，该专利完全没有考虑接收平面通信质量的均匀性，这会使可见光通信移动终端的移动性和多终端的通信公平性受限。

(2)、该专利对光照度和误码率进行联合优化，但目的是为了“满足室内照度的均匀性需求”，这是互相矛盾的。因为如果为了获得光照度的均匀性需求就应该对光照度进行单独优化，否则无法获得真正均匀的光照度。另外，相比于光照度的均匀性，光照度是否满足照明标准显得更为重要，从该专利的附图可以看到，采用联合优化方法计算后，部分区域的光照度无法达到照明标准的最低值（对于办公室而言最低光照度应大于300lx），且并不均匀，这会造成室内局部区域较暗，照明效果差。

(3)、该专利进行联合优化另一出发点是“对于通信系统而言，当然是希望误比特率能够越小越好”。但需注意的是，追求越小越好的误码率付出的代价是不断增大的信噪比，这也意味着不断增大的发射信号功率，这与节能减排的初衷是相违背的。其实，在室内可见光通信系统的信噪比并不需要越大越好，只要大于一个门限值，配合前向纠错码的使用，就可以实现无差错传输，实现可靠通信，同时也达到节能环保的目的。

(4)、该专利采用四个led灯阵列进行照明，每个阵列包含成百上千个子光源以及与其他配套电子元件，故障概率大，安装、维护、更换成本高，难度大。

技术实现要素：

本发明目的是鉴于现有技术的上述缺陷，提供一种新型的室内可见光通信系统的光源布置方法，首次实现led和塑料光纤相结合的室内可见光通信与照明，以较低成本来保证通信质量的可靠性和均匀性，并确保满足照明标准规定的光照度，同时有效达到节能的目的。

为了实现上述目的，本发明一种室内可见光通信系统的光源布置方法采用如下技术方案实现：

一种室内可见光通信系统的光源布置方法，用于确定整个天花板平面各位置光源的待计算的发射光功率参数及光源种类，包括以下步骤：

（1）、根据所述室内可见光通信系统的室内空间参数建立三维模型，并将所述三维空间模型内的整个天花板平面上均匀划分为若干网格，所述每个网格的中心位置（x1,y1）都设置为光源，各光源发射光功率pt(x1,y1)待求解；

（2）、根据可见光通信接收机活动高度设置接收平面，指定在所述接收平面上所需要的平均信噪比c，将c设置为步骤（3）的初始平均信噪比；

（3）、将所述接收平面均匀划分为若干网格，建立目标函数f，所述f为所述接收平面上各网格中心位置（x2,y2）的信噪比snr（x2,y2）的方差，通过使所述f最小化来求得所述天花板平面各位置的光源发射光功率pt(x1,y1)；

（4）、根据照明高度设置照明平面，并指定目标光照度el，判断步骤（3）中所计算出的所述天花板平面的光源布置能否使所述照明平面的所有网格的中心位置（x3,y3）处的光照度e（x3,y3）都达到所述el；

（5）、当所述照明平面中存在部分网格的中心位置处的光照度e（x3,y3）没有达到所述的el时，增大所述平均信噪比c，返回步骤（3）重新开始所述pt(x1,y1)的计算；

（6）、当所述照明平面中所有网格的中心位置处的光照度e（x3,y3）都达到所述的el时，根据步骤（4）所计算出的各光源发射光功率pt(x1,y1)，将所述天花板平面的所有光源划分为第一类光源和第二类光源两类；

（7）、在所述第一类光源的所在天花板平面的位置（x1,y1），安置相应发射光功率等于或略大于pt(x1,y1)的商用led光源作为主光进行室内通信和照明；

（8）、通过光学器件，将步骤（7）中所述商用led光源发出的一部分光耦合进所述塑料光纤并分别引导至所述第二类光源所在的天花板平面的位置，以端面发光的方式作为辅光光源进行室内通信和照明。

在本发明一个较佳实施例中，所述室内可见光通信系统包括可见光通信发射机和可见光通信接收机。所述天花板平面上的光源种类有商用led光源和端面发光的塑料光纤两种，共同组成所述可见光通信发射机，发送相同的光信号以同时实现通信和照明两个功能。所述可见光通信接收机作为移动终端，可在指定高度的接收平面内移动。

在本发明一个较佳实施例中，所述的网格，形状为矩形，大小相同，紧密排列无缝隙。

在本发明一个较佳实施例中，所述平均信噪比c能使所述室内可见光通信系统在接收平面达到可靠通信质量。

在本发明一个较佳实施例中，所述的目标函数f为：

其中，n2为所述接收平面中的网格总数。

在本发明一个较佳实施例中，所述目标函数f中的各位置的信噪比snr(x2,y2)是关于所述各光源发射光功率pt(x1,y1)的函数，其关系为：

其中，γ为光电检测器光电转换系数，m(x1,y1)为所述天花板平面位置(x1,y1)处光源的调制指数，h(x1,y1,x2,y2)为所述天花板平面位置(x1,y1)到所述接收平面位置(x2,y2)的可见光信道直流增益，q为电子电量，b为等效噪声带宽，ibg为背景电流，i2为噪声带宽系数，nt为热噪声功率。

在本发明一个较佳实施例中，所述的指定的目标光照度el越小越好，但需要满足室内照明标准，即所述el是满足室内照明标准下的光照度范围的下限。另外，不排除所述照明平面和所述接收平面为同一平面的情况。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一类光源发射光功率较大，所述第二类光源发射光功率较小，所述第一类光源的发射光功率远大于所述第二类光源的发射光功率。

在本发明一个较佳实施例中，所述商用led光源发光角度大，散光性好，优选采用朗伯光源。

在本发明一个较佳实施例中，在选择各所述第一类光源所在位置（x1,y1）安置的商用led光源时，应选择发射光功率大于等于pt(x1,y1)且最接近pt(x1,y1)的商用led光源。

在本发明一个较佳实施例中，所述光学器件不遮挡商用led光源和所述接收平面之间的直射链路，其功能是将商用led光源侧面发出的光汇聚到塑料光纤入射端，优选地，所述光学器件可以是凸透镜。

在本发明一个较佳实施例中，一个光学器件对应一根塑料光纤，一个商用led可对应多个光学器件，即每个商用led的一部分光可以作为光源同时供多根塑料光纤使用。

在本发明一个较佳实施例中，所述塑料光纤的长度和衰减系数可供调节组合，以控制光纤末端的发射光功率，使之接近于步骤（4）得到的各所述第二类光源的发射光功率。

在本发明一个较佳实施例中，所述塑料光纤末端的发光模式和商用led发光模式类似，优选地，在各所述塑料光纤末端安置一个凹透镜作为尾灯使其接近于所述商用led的发光模式。

本发明的有益效果是：

(1)、突破了传统方案中采用四个旋转对称的led灯阵列布局的桎梏，在整个天花板平面的范畴来考虑光源布置的设计，将光源发射光功率和光源种类都作为待优化参数，较之于传统方案这相当于增加了设计维度。同时，在接收平面可以取得均匀的信噪比，故有效满足了可见光通信移动终端的移动性和多终端的通信公平性。

(2)、结合前向纠错码的使用，在接收平面各位置都取得可靠传输性能的同时，无需如传统方案一样追求“越小越好”的误码率，这降低了系统所需要的信噪比门限，降低了总的所需发射光功率，达到了节能的目的。

(3)、在满足接收平面通信质量均匀性的同时，保证了照明平面光照度能够达到照明标准。按照明标准的最低值来达标的设计原则也能够有效降低所需要的光源发射功率，达到节能的目的。

(4)、兼具了led光源和塑料光纤两者的优点，绿色环保。在所述天花板平面的第二类位置采用塑料光纤代替传统led光源作为辅光光源进行通信和照明，大大降低了光源的布局成本，且便于光源的后续维护和更换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本发明提出的一种室内可见光通信系统的光源布置方法的具体实施方式流程图。

图2为采用本发明所得到的一种天花板平面的光源布局。

图3为本发明将一个商用led光源的部分光耦合进塑料光纤作为辅光与该led光源发出的主光共同进行通信和照明的示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照附图1，本发明实施例：

一种室内可见光通信系统的光源布置方法，用于确定整个天花板平面各位置光源的待计算的发射光功率参数及光源种类，步骤如下：

（1）、根据所述室内可见光通信系统的室内空间参数建立三维模型，并将所述三维空间模型内的整个天花板平面上均匀划分为若干网格，所述每个网格的中心位置（x1,y1）都设置为光源，各光源发射光功率pt(x1,y1)待求解；

（2）、根据可见光通信接收机活动高度设置接收平面，指定在所述接收平面上所需要的平均信噪比c，将c设置为步骤（3）的初始平均信噪比；

（3）、将所述接收平面均匀划分为若干网格，建立目标函数f，所述f为所述接收平面上各网格中心位置（x2,y2）的信噪比snr（x2,y2）的方差，通过使所述f最小化来求得所述天花板平面各位置的光源发射光功率pt(x1,y1)；

（4）、根据照明高度设置照明平面，并指定目标光照度el，判断步骤（3）中所计算出的所述天花板平面的光源布置能否使所述照明平面的所有网格的中心位置（x3,y3）处的光照度e（x3,y3）都达到所述el；

（5）、当所述照明平面中存在部分网格的中心位置没有达到所述的el时，增大所述平均信噪比c，返回步骤（3）重新开始所述pt(x1,y1)的计算；

（6）、当所述照明平面中所有网格的中心位置都达到所述的el时，根据步骤（4）所计算出的各光源发射光功率pt(x1,y1)，将所述天花板平面的所有光源划分为第一类光源和第二类光源两类；

（7）、在所述第一类光源的所在天花板平面的位置（x1,y1），安置相应发射光功率等于或略大于pt(x1,y1)的商用led光源作为主光进行室内通信和照明；

（8）、通过光学器件，将步骤（7）中所述商用led光源发出的一部分光耦合进所述塑料光纤并分别引导至所述第二类光源所在的天花板平面的位置，以端面发光的方式作为辅光光源进行室内通信和照明。

本发明的思路是首先假设整个天花板平面各网格中心都存在光源，但是各光源发射光功率未知待求解，各光源种类也未知。接下来，以接收平面上获得均匀信噪比为目标进行优化，来计算得到一组光源功率参数，同时满足最低光照度要求。如果整个天花板平面各网格中心都按照计算结果所得到的光源发射光功率来安装商用led光源，则存在两个问题：a.所需要的led光源数目较多容易增加成本；b.在某些网格中心位置，计算得到的光源发射光功率很小，甚至小于单个led芯片的发射光功率，则在该位置安装led光源变得不可行，但如果在这些位置不安装光源，又会影响接收平面信噪比的均匀性，使信噪比的波动增大，在局部区域引起误码率性能的降低。

因此，本发明创新性地提出在计算所得到光源发射功率较小的位置，采用塑料光纤照明作为辅光光源进行通信和照明。由于辅光的功率远小于商用led光源所发出的主光功率，因此将主光的一部分光作为塑料光纤的光源是可行的。这样就免去了在小功率光源位置安装led光源所需要的成本，同时又能保证接收平面信噪比的均匀性和照明平面的光照度达标。故商用led光源和端面发光的塑料光纤两种光源将共同组成所述可见光通信发射机，发送相同的光信号以同时实现通信和照明两个功能。

在本实施例中，选用场景为一个5m*5m*3m（长*宽*高）的室内房间，故所述天花板平面为5m*5m。将天花板平面划分为8*8的网格，每个网格形状为正方形，且大小相同，紧密排列无缝隙。即存在64个网格，每个网格中心位置达到子光源的功率未知待求解，光源种类也未知。

设置接收平面高度为0.85m，其网格划分和天花板平面保持一致。以nrz-ook信号为例，其信噪比和误码率ber的关系为：

其中，erfc为高斯误差函数。在通信系统中，在采用前向纠错码的情况下，可以在10^-3数量级的误码率条件下进行有效纠错并实现无差错的可靠传输。故本实例选择平均信噪比16db作为初始值，即c=10*log16（log函数以10为底），这确保了在接收平面上可以取得可靠的传输性能。

所述的目标函数f为：

其中，n2为所述接收平面中的网格总数，取为64。所述目标函数f中的各位置的信噪比snr(x2,y2)是关于所述各光源发射光功率pt(x1,y1)的函数，其关系为：

其中，γ为光电检测器光电转换系数，m(x1,y1)为所述天花板平面位置(x1,y1)处光源的调制指数，h(x1,y1,x2,y2)为所述天花板平面位置(x1,y1)到所述接收平面位置(x2,y2)的可见光信道直流增益，q为电子电量，b为等效噪声带宽，ibg为背景电流，i2为噪声带宽系数，nt为热噪声功率。在约束条件下求解令目标函数f达到最小化的pt(x1,y1)，其中，对于目标函数f的约束条件为：所有pt(x1,y1)大于等于0。

接下来，指定照明平面以及目标光照度,照明平面的网格划分和天花板平面保持一致。在本实施例中，假设照明平面和所述接收平面为同一平面。根据节能的原则，指定的目标光照度el应该越小越好，但需要满足室内照明标准，即所述el是满足室内照明标准下的光照度范围的下限。根据国际标准化组织（iso）规定的“室内工作场所的照明”标准（iso8995:2002/cies008/e:2001）以及中华人民共和国标准化管理委员会颁布的“室内工作场所的照明”标准（gbt26189-2010），以办公室文件归档、复印的场景为例，选取300lx作为所述的目标光照度el。

根据上一步所计算出的pt(x1,y1)，判断在所述照明平面的所有网格的中心位置（x3,y3）处是否都达到所述的指定最低光照度el。所述照明平面各网格中心的光照度e（x3,y3）的计算方法如下：

其中，h(x1,y1,x3,y3)为所述天花板平面位置(x1,y1)到所述照明平面位置(x3,y3)的可见光信道直流增益，a为光电检测器面积，α为光通量和光功率之间的转换系数。当所述照明平面中存在部分网格的中心位置没有达到所述的el时，增大所述平均信噪比c，以1db作为c每次循环所增大的间隔，将新的c代入目标函数f重新开始所述pt(x1,y1)的计算，直到所述照明平面中所有网格的中心位置的光照度都达到所述的el。

根据计算出的各光源发射光功率pt(x1,y1)，将所述天花板平面的所有光源划分为第一类光源和第二类光源两类，所述第一类光源发射光功率较大，所述第二类光源发射光功率较小。在本实施例中，鉴于单个led光源的芯片的发射光功率为数十mw数量级，故将100mw作为划分第一类和第二类光源的分界线。若pt(x1,y1)大于100mw，则将在天花板平面位置(x1,y1)处的光源归类为第一类，将剩余位置的光源归类为第二类光源。在所述第一类光源的所在天花板平面的位置（x1,y1），安置相应发射光功率等于或略大于pt(x1,y1)的商用led光源作为主光进行室内通信和照明，所述商用led光源应具有发光角度大，散光性好的优点，优选采用朗伯光源。通过光学器件，将商用led光源发出的一部分光耦合进塑料光纤并分别引导至所述第二类光源所在的天花板平面的位置，以端面发光的方式作为辅光光源进行室内通信和照明。

附图2描述了一种采用本发明所得到的天花板平面的光源布局，在所述天花板平面各网格中心位置安置所述商用led光源或所述塑料光纤的尾灯。请注意，选用的所述各商用led光源的发射光功率已在图中对应位置标出。采用该光源布局后，在接收平面所获得的信噪比范围为34.7db到35.2db，信噪比波动范围仅为0.5db，满足通信性能的均匀性和可靠性。且最低光照度为315lx，刚好达到室内办公的最低照明标准300lx，并有效实现了节能环保的目的。另外可以看出，图2中的光源布局总共采用了32个商用led，较之于传统方案大大降低了光源数量，这潜在地降低了光源的布局成本和后续维护、更换的难度。

附图3描述了该可见光通信系统中将其中一个led光源的部分光耦合进塑料光纤作为辅光与该商用led光源出的主光共同进行通信和照明的示意图。为实现塑料光纤照明，采用一个凸透镜将所述商用led光源的光耦合进各所述塑料光纤，各所述凸透镜不遮挡各所述商用led光源和所述接收平面之间的直射链路。各所述塑料光纤按照就近原则来选择商用led作为其光源来汲取光能。在每根所述塑料光纤的末端安置一个凹透镜作为尾灯使其接近于所述商用led的发光模式。

综上所述，本发明指出的一种室内可见光通信系统的光源布置方法，能够将商用led光源发出的主光和塑料光纤从led光源中汲取的辅光两者相结合来进行室内可见光通信与照明，以较低成本保证了通信质量的可靠性和均匀性，并有效达到节能的目的。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。