用于VLC的LED半功率角优化布局方法研究

中图分类号：TN929.1 文献标志码：A 文章编号：1009-6868 （2014） 06-0033-003

摘要：提出通过优化发光二极管（LED）半功率角的布局来提高室内可见光通信系统性能的方法。4种典型的LED布局方式的仿真结果表明，该方法对于提高可见光通信系统的信噪比、降低信噪比的波动有明显效果。对于均匀的LED布局方式，信噪比的波动从未优化时的5.2 dB大幅下降到0.3 dB。该方法不需要调节LED的功率，更适合于工程运用。

关键词： 可见光通信;发光二极管;优化布局

Abstract： This paper describes a method for optimizing the semi-angle at half power （SAHP） of a LED in order to improve indoor visible light communication. Four typical LED alignments are studied. The simulation results show that the proposed method increases SNR and reduces its fluctuation. Especially in the case of evenly distributed LED alignment， SNR fluctuation reduces significantly―from 5.2 dB to 0.3 dB. A distinguishing feature of this method is that the same power is used for each LED， which makes this method feasible for practical applications.

Keywords： visible light communication; light-emitting diodes; alignment optimization

基于照明用发光二极管（LED）的可见光通信（VLC）具有高速、低成本、低能耗和无频段限制等方面的优势，近年来引发了业界和学术界的关注[1-8]。

为满足室内照明均匀性要求，通常采用大发射角的LED。但其多径效应会影响VLC系统性能，包括信噪比和带宽。为此，提出了多种优化方案，包括对LED布局、功率和发射角度进行优化。

文献[9-10]采用遗传算法来优化LED的功率以达到均匀照明同时降低均方根时延扩展性能。

文献[11]采用一种新的LED布局来减小信噪比的波动，仿真结果表明这种布局可以把信噪比的波动从14.5 dB减小到0.9 dB。

在文献[12]中，结合使用宽、窄两种发射角的LED以提高传输速率和均匀照明。

文献[13]通过在LED前放置光波形扩束器来扩展LED的覆盖区域，以均匀VLC接收端的功率分布。

文献[14]提出一种优化LED的半功率角（SAHP）的方法来提高可见光通信的性能。但是，由于其有限的优化参数和区域，使得性能提升效果相当有限。

在本文中，我们针对提高VLC系统信噪比及其均匀性，提出一种优化LED半功率角布局的方法，并给出基于非线性规划的求解方法。仿真结果表明，对于4种典型的LED布局方式，这种优化方法能有效提高VLC系统的信噪比、降低信噪比波动。在优化过程中LED光源功率是保持不变的，因此该方法在工程应用中更容易实施（包括安装和替换）。

1 室内VLC系统模型

正如文献[11]中提到的，不同的LED光源布局会对室内VLC系统的性能产生影响。为了评价LED的半功率角（SAHP）参数对于信噪比及其均匀性的影响，本文采用了4种较为典型的LED光源布局。如图1所示。为了便于比较，此4种布局所采用的LED个数都为144个，且每个光源功率都为1 W。对于布局（a）、布局（b）和布局（c）来说，每组分别有36、16和9个LED，相邻LED间隔为0.05 m。对于布局（d）来说，LED平均分布在天花板上。其他的VLC系统参数列于表1中。

VLC系统探测器端接收到的信号的信噪比可以表示为[15]：

[SNR=SN=γ2P2rSignalσ2shot+σ2thermal+γ2P2rISI] （1）

其中[σ2shot]和[σ2thermal]分别是散弹噪声和热噪声的功率，[γ]是探测器的响应度，[PrSignal]是接收到的信号功率，[PrISI]是接收到的码间干扰功率，可分别表示为：

[PrSignal=0Ti=1LEDshi（t）?X（t）dt] （2）

[PrISI=T∞i=1LEDshi（t）?X（t）dt] （3）

其中hi（t）是第i个LED的脉冲响应（只考虑可视光线），X（t）表示的是在一个码型间隔内传输的光脉冲。

我们采用文献[11]的Q参数来研究整个工作平面上不同接收位置的信噪比分布，其定义为：

[QSNR=SNR2var（SNR）] （4）

其中，[SNR]和[var（SNR）]分别为信噪比的均值和方差。QSNR表示了信噪比及其分布情况，Q值越高，表明信噪比分布越均匀。

2 优化过程和结果

2.1 优化过程

我们提出的优化方法，是针对每一个LED的SAHP参数进行优化（称为个体优化），使系统的QSNR达到最优。由于可用于优化的参数数量众多，从而可以获得良好的优化性能。作为对比，我们也采用了把所有LED取相同的SAHP，将其作为一个参数来进行整体优化（WOP）的方法，以比较不同优化方法的效果。该方法是对整个接收平面参数进行优化，与文献[14]中只针对特定区域内参数进行优化相比具有更广的优化范围，因此具有很好的优化效果。

我们的优化目标是要找到满足一定信噪比条件下（比如信噪比不小于13.6 dB[15]），使QSNR达到最大值的SAHP参数，目标函数和相应的线性、非线性边界条件可以表示为：

[max_QSNR（Φ12（i））s.tSNR>13.620°≤Φ12（i）≤80°]

其中，Φ1/2（i）表示的是待优化的第i个LED的SAHP参数。

优化过程可采用OptQuest非线性规划多点启动算法[16]进行计算，此算法能够计算出满足非线性边界条件下的全局最优化解。它由全局算法和本地算法两部分。在全局算法部分，使用分散搜索算法[17]来产生可能用于本地非线性规划求解器的起始点。在本地算法部分，对于满足得分函数、Basin标准和约束条件的起始点，运行本地非线性规划求解器。本地算法可以分为两个阶段，分别执行n1和n2次叠代。在第一个阶段，运行所有试验点的判决函数，然后选择那些具有最优化Penalty函数的起始点，来运行本地求解器。在第二个阶段，本地求解器从满足距离过滤函数和价值过滤函数的其余点的子集部分开始运行，以保证本地求解器只从占百分比很小的试验点中开始运行并且仍然有比较高的找到全局最优解的可能性[16]。

2.2 优化结果

我们计算了不同光源分布下，个体优化（IOP）、整体优化（WOP）和未优化（NOP）的信噪比及其分布。对于NOP，每个LED的SAHP设定为常用的宽角60°。下面为所计算结果。

对于图1（a）所示的4组布局，IOP与WOP的优化结果比较相近，相对于NOP来说都有较大的改善，如图2所示。因此，对于这种布局，采用何种优化方式可根据实际情况而定。由于WOP只有一个待定的参数，优化过程更为简单。

对于9组和16布局，情况与4组布局相似，信噪比的均值从NOP时的13.6 dB和WOP时的20.6 dB，提高到IOP时的21.6 dB。具体的结果列于表2中。

对于平均布局，IOP明显优于WOP，如图3所示。IOP优化下的信噪比波动对于所有接收位置来说只有0.3 dB，相应的QSNR高达148，约为NOP和WOP的10倍。IOP情况下SAHP参数的位置分布如图4所示，其中同一SHAP参数用相同的颜色来表示。可以看出，只有少量SAHP值为60°，大多数SHAP参数取值为在20°至35°范围内。因为比较小的SAHP值可以让LED的光线汇聚在一个比较小的范围内，这样就可以减小码间干扰所带来的影响，进而提高信噪比。

表2列出了有关信噪比的优化值。这些结果显示，用最大化QSNR参数来优化LED布局的方法是有效的。优化使得信噪比及其均匀性都得到了提高。通信分析最优化结果，可以发现小SAHP的LED可以提供更均匀的通信性能。采用何种优化方式取决于LED的布局。对于均匀布局，应采用IOP优化方法。对于其他布局（尤其是组数较少时），IOP与WOP均可采用，后者的优化过程相对简单。本文提出的优化方法，每个LED功率是保持不变的，这一特点很适合于工程应用。无论是在安装还是以后替换时，只需要替换具有相同SAHP参数的LED即可，与那些需要改变光源功率的方法相比较更容易操作。

3 结束语

本文提出了一种优化LED半功率角布局的方法，此方法能有效提高室内vlc系统的信噪比并且降低信噪比的波动。对于4种典型led布局方式，采用此优化方法后，信噪比与其分布特性均得到提高。另外，此方法不需要调节LED的功率，因此更适合于工程应用。

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