Page 31 - 网络电信2022年4月刊
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光 通 信
为尽可能避免在房间布局多个灯源情况下的误码，可通
过适当调整灯源的布局位置用更加合理的布局方案提高通信质
量。在分析室内可见光通信系统性能时，不仅要求其满足正常
的通信性能要求，还要满足基本的照明需求。为同时满足通信 （1）
和照明标准，对于不同的房间模型要选择合适的灯源布局方案 其中A PD 为每个接收机的接收表面面积；m为光源的方向性，
以及每个灯源的亮度大小。 术语上称之为郎伯辐射指数；d 0 为灯源到接收点处的直射距
在室内可见光通信研究成果基础上，本文提出一种新的应 离；α为光源的辐照角度，指灯源的发射光线与灯源所在位置
用场景，即空间飞行器。本文充分考虑了飞行器长度变化以满 法线之间的夹角；β为接收点处的入射角，指接收点处的光线
足不同需求，这是一项创新研究。以往研究将灯珠功率固定为 与接收点所在位置法线的夹角；T s 为光滤波器的增益，g为光汇
0.02W，当有效通信区域过低时会采用增加灯源数量以提升性 聚器增益，ψ表示接收机的视场角，当接收点处的入射角大于
能，但是这种方式难免造成能量浪费。本文通过增加灯珠功率 视场角时，信号无法接收。
即可，不需增加灯源数目，相比之下节省了能量，能够更加灵 光线墙面反射的影响不可忽视，任一接收点处的功率都可
活地分析不同场景需求。 看作是直射链路和反射链路的叠加 ［6］ 。接收功率表达式如下：
二、系统模型与分析 （2）
1.空间飞行器模型
图1为本文研究的空间飞行器模型，它的竖直方向截面是以 其中，N LED 为空间飞行器内灯源的总数目，P t 为每只LED灯源
半径为2.5m的半圆，该模型借鉴民航飞机形状，将其竖直截面 的发射功率，H 0 为直射链路信道增益，w是全部的反射面，dH r 表
一方面是为了便于仿真，另一方面是接近目前大多数民用飞机 示的则是反射链路的反射增益。
的实际情况。 因此，信噪比计算公式如下：
图1 空间飞行器模型 （3）
其中，γ为光电转换效率。在仿真中将其值设为0.53A/W，
P rSignal 为接收信号功率， 代表的是散粒噪声功率，
代表的是热噪声功率。仿真中为了使信噪比值低于10-6，要确
保SNR达到13.6dB，低于这个的区域视为无效区域。
灯源布局除了要满足空间飞行器的通信要求，还要满足最
基本的照明要求。在仿真过程中，照明性能以光照度这一概念
来衡量。根据我国《建筑照明设计标准：GB50034-2013》，光
以往对室内可见光通信系统进行研究时，一般房间模型都 照度值在300lx-750lx时 ［10］ ，人们工作、生活最为舒适。光照
是固定采用5×5×3的标准规则形状，后来陆续也有研究长方 度计算公式如下：
形、圆形等，但这些都只是对房间的顶部形状进行变化，出于
对空间的充分利用考虑，本文采用空间飞行器形状进行研究。 （4）
2.室内可见光通信系统无线信道模型
空间飞行器建立的模型竖直截面是半径为2.5m的半圆，长 其中，I(0)为灯源中心内照明亮度，d 0 为光源到接收点之
度从5m开始，依次以1m或2m的间隔增加。当空间飞行器长度发 间的直线距离。
生变化时，研究灯源数目与布局方式的变化与空间飞行器长度
之间的关系。每只LED灯源由3600（60×60）个灯珠构成，每个 三、遗传算法
灯珠的功率从20mW开始，在性能不佳的情况下对灯珠功率进行 1.遗传算法原理
调整，直到性能满足要求。 受到生物进化理论影响，遗传算法将生物进化过程应用到
在室内可见光通信系统中，不管灯源以什么样的方式布 寻找最优解的搜索过程中 ［12］ 。在种群初始化之后，种群中的
局，都要满足基本的通信和照明要求 ［10］ 。通信标准主要体现 数据经过选择、交叉和突变进化之后，通过使用适应度评判标
在室内接收点的接收功率，更准确地说是信噪比能否达到通信 准对种群中的个体进行评判，使得种群整体向着适应度更高的
标准，照明标准主要体现在光照度方面。每个灯源布局相互独 方向进化。经过若干次迭代之后，最终结果收敛并得到全局最
立，在仿真环境下每个接收点的接收功率和光照度可以依据公 优解 ［13］ 。遗传算法与生物学中的进化理论非常相似，主要步
式准确计算出来。 骤有编码、适应度函数、自然选择、交叉、突变。
对任一接收点其接收功率既有直射链路部分，也有反射链 2.遗传算法流程
路部分。直射链路下信道增益计算公式如下 ［11］ ： 遗传算法基本流程如图2所示。
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