馬麗云，穆林平

(山西師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，山西 臨汾 041000)

0 引言

可見光通信技術(shù)(Visible Light Communication，VLC)于2000年首次被日本杏林大學(xué)的Tanaka等人提出，它是利用光源快速閃爍傳輸數(shù)據(jù)的新型無線通信技術(shù)[1]。相較于射頻無線通信，VLC的頻譜寬且無需認證、信噪比高、無電磁輻射、安全性高?，F(xiàn)今，可見光通信設(shè)施幾乎可覆蓋礦井深處、機艙、地下室、手術(shù)室等傳統(tǒng)無線通信無法覆蓋的區(qū)域。而合理的光源布局既可滿足人們的照明需求，又能提高可見光通信系統(tǒng)的性能。

王麗等在長方形的房間內(nèi)設(shè)計橢圓形光源布局提高了通信質(zhì)量[2]。趙梓旭等針對空間狹小的特種車內(nèi)部設(shè)計中心補償?shù)木匦蝺?yōu)化布局[3]。趙黎和彭愷采用光照度補償技術(shù)使得優(yōu)化后的布局實現(xiàn)提高光照均勻度和通信可靠性的同時降低功耗[4]。張慧萍采用控制變量法尋找光照均勻度最優(yōu)時的光源布局方案并對接收面的接收功率進行仿真[5]。王加安等采用照度均方差準則對包含墻面反射情況的圓形和矩形光源布局進行了優(yōu)化[6]。為兼顧室內(nèi)照明和通信的雙重功能，以我國規(guī)定的照度標準值和照度均勻度為最低要求對傳統(tǒng)的方形光源布局方案進行優(yōu)化。首先，僅改變光源位置來尋找照度均勻度最優(yōu)的方形布局；其次，添加補償光源并調(diào)整LED數(shù)量，使優(yōu)化后的布局實現(xiàn)接收面照度均勻度增大、能耗減小。

1 朗伯模型

在VLC系統(tǒng)中，接收器收到95.16%的直射光和少量反射光[7]。為方便研究，可忽略反射光。如圖1所示，房間大小為5 m×5 m×3 m，工作面高度為0.75 m，四組50×50的LED陣列坐標分別為(-1.25,1.25,3)、(1.25,1.25,3)、(1.25,-1.25,3)、(-1.25,-1.25,3)。采用朗伯輻射模型模擬白光LED的光照度輻射分布情況。當光源發(fā)射角為φ時光強可表示為：

I(φ)=I0cosmφ.

(1)

則接收面上任一點(x(i,j),y(i,j),0.75)與光源的距離為：

(2)

該點的水平照度為：

(3)

m=-ln2/ln(cosθ1/2).

(4)

式中Ψ為接收點入射光線與接收平面法線的夾角；m為光源輻射模式系數(shù)。θ1/2表示光源輻射功率是中心功率一半時的角度。

由圖1，cosφ=cosΨ=2.15/d(i,j),則接收面上任一點的光照度為：

(5)

(6)

若有n個光源,可將所有光源的光照度分布疊加求出總光照度分布Etotal，即:

Etotal=E1+E2+E3+…+En.

(7)

圖1 室內(nèi)光源布局模型

圖2 接收面光照度分布

2 布局優(yōu)化

《建筑照明設(shè)計標準》(GB50034-2013)規(guī)定辦公室、會議室、教室等場所在距離地面0.75 m水平面的照度標準值為300lx，照度均勻度U0不應(yīng)小于0.6[8]。照度標準值指接收面上能保障人眼視覺安全舒適所需的最低平均照度值。U0是接收面上光照度最小值Emin與平均照度值Emean的比值[5]。U0的值越大表明光照度分布越均勻，人的視覺感受越舒適。

U0=Emin/Emean.

(8)

若單個LED中心光強為0.73cd，半功率角為70°,忽略LED陣列中點光源間的距離，用MATLAB仿真得到方形布局的光照度分布如圖2。易知，接收面中心的光照度強，角落和邊緣的光照度弱。接收面光照度最大值為11 88lx，最小值為159.42lx，平均值為577.57lx，U0為0.28。即U0遠遠小于0.6，光照度起伏大、通信不穩(wěn)定。

2.1 照度均勻度優(yōu)化

保持LED數(shù)量不變，僅改變光源位置。當四組LED陣列的坐標分別為(-1.90,1.90,3)、(1.90,1.90,3)、(1.90,-1.90,3)、(-1.90,-1.90,3)時，U0為0.81，光照度分布如圖3(a)。此時，光照度最大值為436.29lx，最小值為282.76lx，差值為153.69lx，平均值為350.72lx。

圖3 照度均勻度(U0)優(yōu)化布局的光照度分布

確定光源位置后，將LED陣列減少為47×47。此時，光照度分布如圖3(b)。接收面光照度最大值為385.51lx，最小值為249.84lx，差值為135.67lx，平均值為309.89lx，U0為0.81。即光照度起伏變小，平均光照度和U0都滿足標準。此外，可添加中心和邊緣補償光源、減少方形布局的LED數(shù)量進而減少能耗。

2.2 中心和邊緣補償優(yōu)化

圖4為添加補償光源后的優(yōu)化布局，中心采用20×20的LED補償陣列，邊緣采用15×15的LED補償陣列，方形布局上的LED陣列減少為41×41。

圖5為補償光源優(yōu)化布局在接收面的光照度分布圖，光照度最大值為340.53lx，最小值為242.29lx，差值為98.24lx，平均值為300.96lx，U0為0.81。相較于照度均勻度優(yōu)化布局，LED數(shù)量減少；U0不變，但接收面光照度的起伏范圍減小，使人眼視覺感受更舒適、通信穩(wěn)定性更好；照度標準值有所下降但仍滿足國家標準。

圖4 補償光源優(yōu)化布局

圖5 補償光源優(yōu)化布局的光照度分布

不同布局方案的光照度分布情況比較見表1。

表1 不同布局方案的光照度分布比較

3 總結(jié)

在VLC系統(tǒng)中，光源LED布局方案是影響接收面光照度分布的主要因素，而接收面光照度平均值和照度均勻度會影響通信穩(wěn)定性和人眼的視覺感受。首先，以方形布局為基礎(chǔ)，改變光源位置實現(xiàn)對照度均勻度的優(yōu)化。其次，添加中心和邊緣補償光源并適當減少方形陣列LED的數(shù)量。與傳統(tǒng)的方形布局方案相比，照度均勻度優(yōu)化布局降低了光照度起伏、提高了接收面照度均勻度，但能耗較大；補償優(yōu)化后的布局照度起伏最小、能耗最少。