烁达光源LED煖光泡灯【基于LED室内光无线通信光源设计的比较及优化】

　　摘 要:针对现有室内光无线通信系统中光源设计方案在提供无线信号覆盖均匀性及商用实现上的不足,提出了分布式的光源设计改进方案。通过增加LED阵列的分组数目，以分组为单位增加光源的均匀分布程度，给出了两种具体的分布式设计方案。仿真结果表明,在使用LED芯片数量保持相等的基础上,分布式方案比传统方案具有更高的无线信号覆盖均匀性、更低的商用实现复杂度,同时能够彻底避免覆盖低谷。
　　关键词:光无线通信;可见光通信;无线接入网;绿色照明;建模
　　中图分类号: TP393 文献标志码:A
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　　Comparison and optimization of light source design schemes for �
　　indoor optical wireless communication based on light emitting diode
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　　XU Chun���*�
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　　College of Computer Science and Engineering, Xinjiang University of Finance and Economics, Urumqi Xinjiang 830012, China
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　　Abstract:
　　The existing indoor optical wireless communication systems can not provide good wireless coverage uniformity and are not suitable for commercial applications. Two distributed light design schemes were proposed to solve the above problems, which increased the group number of LED array, and then increased the uniformity of light distribution of every group. The simulation results indicate that with the same number of LED chips, the distributed light design scheme is superior to the traditional one in uniformity of wireless signal coverage and complexity of commercial implementation, and can avoid the coverage valley.
　　
　　In order to overcome the drawbacks of the existing indoor light wireless communication system on sources design schemes and commercial realization, this paper proposed a distributed sources design scheme. Two specific distributed sources designs were given out by increase the group number of the LED array, then increase the uniform distribution of the light source on diffirent groupsand a comparative analysis with traditional sources design realization was made.. While keeping the same number LED chip in use, the simulation results prove that the distributed sources design scheme can realize the improvement of wireless coverage uniformity, the reduction in commercial realization complexity and avoid the coverage valley at the same time that is superior to a traditional. sources design scheme.
　　
　　�Key words:
　　optical wireless communication;visible light communication;wireless access network;green lighting;modeling
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　　0 引言�
　　近来,光无线通信越来越为业界所关注��[1-9]�。作为一种短距离无线通信媒介,光无线通信在多个方面具有明显优于传统无线通信的表现:首先,可见光使用的是一个极大的、未被管制的频带;其次,光辐射不会穿过墙面、家具及其他不透明的障碍物,因此该技术能够天然避免信号被邻近房间所窃取;第三,不同于红外通信技术,该技术不会因严格的安全标准而使得发送功率严格受限。作为一种具体的光无线技术,可见光通信具有同时提供照明和无线数据通信的潜能。�
　　截至目前,众多组织已经展开基于LED的室内光无线通信系统的研究,并将其作为下一代室内无线接入网的重要候选技术。OMEGA工程作为欧盟第7研发纲要的一部分旨在实现移动宽带终端同有线网络之间的灵活桥接��[10-11]�,该工程借助红外和可见光链路来实现无线链路。此外,日本庆应大学的Nakagawa研究团队也在推进此项技术的前沿研究与标准化工作。目前,包括IEEE 802.15组在内的众多组织已经着手展开此项技术的标准化工作��[9]�。�
　　由于单一的商用LED的功率十分有限(一般为mW级),所以要借助LED为整个室内范围提供高质量的无线信号覆盖及普通照明,必须使用数量较多的LED。虽然前面提及的Nakagawa研究团队以及OMEGA工程研究团队都给出了各自孤立的光源设计方案,但是并没有进行横向的对比分析,也没有给出具体的量化比较指标。针对这一问题,本文对这两大团队的光源设计所能提供的无线信号覆盖及照明的均匀性进行了定量分析并给出了具体的比较指标。同时集合两种方案各自的优势,本文提出了两种兼顾信号覆盖一致性及适于商用性的改进方案,量化给出了两者新方案在信号覆盖一致性及适于商用性的具体表现。�
　　1 基于LED室内光无线通信�
　　1.1 系统基本介绍�
　　基于LED室内光无线通信具体承担的是从室内接入点到室内终端之间的无线互联,如图1所示。�
　　
　　1.4 信号覆盖均匀性�
　　为便于考察在基于�LED�的室内光无线系统中不同光与设计方案所能提供的无线覆盖的均匀性水平,本文提出用接收面上不同位置接收到信号功率的最大差异同接收到无线信号功率最大值的比值称为功率差异率d作为比较参量:�
　　d=(�max�(P�r)-�min�(P�r))/�max�(P�r)(13)�
　　不难发现,当接收面上的均匀性最好时,也就是不同接收位置接收到的光无线信号功率相等时,d取得最小值0;当不同位置间接收到的光无线信号功率差异越大时d越接近1。��
　　在光照度方面,我们参考照明行业已有的参照指标――均匀光照率。均匀光照率被定义为接收到的光照度的最小值同平均值的比率。照明工程师建议均匀光照率应保持在0.7以上。一般情况下,根据国际标准化组织ISO的建议,室内环境下所需的光照度水平应该保持在300~1�500�lx��[16]�。�
　　2 已有光源设计方案描述及表现分析�
　　基于以上模型和量化分析指标,下面对Nakagawa研究团队以及OMEGA工程研究团队在文献[5-6]给出的光源设计方案进行比较分析。�
　　在Nakagawa研究团队的光源设计方案中,LED照明设备的数目是4,每个设备都由矩形的同型号LED阵列构成,其中构成阵列的LED数目为60×60。4组光源按照对称关系分布于天花板上。LED间的间距是1�cm,每个LED芯片的半功率角是70°,每个LED的中心光照强度是0.73�cd。每个LED的发射功率是20�mW,而光滤波器的增益是1.0,相应的光集中器的反射指数是1.5。表1为与系统相关的主要关键参数。在OMEGA工程研究团队的设计方案中将全部的LED均匀分布于整个天花板区域,为便于对比分析,我们采用于前一方案相同数目的LED,即14�400�(3�600×4)�来完成OMEGA工程研究团队的设计观点。其他系统参数也均与表1保持一致。这两种光源设计方案见图4(a)~(b)。�
　　仿真分析显示,在Nakagawa研究团队光源设计条件下,不同接收位置接收到无线光信号功率的最大值为5.09�dBm,最小值为0.45�dBm,如图5(a)所示,不难看出即便在房间中心区域附近信号也不是最强的,相反属于一个相对的低谷。对应差异率�d�为65.7%。在照明方面,工作面上接收到的光照度的最大值为1�341.93�lx,平均值为1�001.36�lx,最小值为523.8�lx,如图6(a)所示,最强光照出现在4组光源的下方区域,而在房间的中心区域出现很明显的照明低谷,必须与实际的照明区域是不相匹配的,因为中心区域的照明是应该首先得到保障的,并在此基础尽可能扩大该区域覆盖的范围。可以算得,相应的均匀光照率为0.52。�
　　此外,在OMEGA工程研究团队的光源设计条件下,对同量的参量进行分析不难得到:不同接收位置接收到无线光信号功率的最大值为4.49�dBm,最小值为0.71�dBm,如图 5(b)所示。对应差异率�d�为58.1%。在照明方面,工作面上接收到的光照度的最大值为1�175.9�lx,平均值为946.3�lx,最小值为548.8�lx,如图6(b)所示。而相应的均匀光照率为0.58。�
　　
　　
　　
　　不难看出在无线信号覆盖均匀性及均匀光照率上,后一种方案都有更好的演示表现,但是必须看到,这种均匀分布的设计方案,不利于产品的大规模实现。过于分散的LED分布,也使得对每个LED的驱动电路的设计的复杂度提高。而Nakagawa研究团队的采用分组的LED阵列的设计思路则充分考虑了同下一代照明设计的结合,便于产品的大规模推广。�

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