基于能量最优的室内可见光通信LED布局EI北大核心CSCD

LED兼具照明和数据通信功能,在室内可见光通信(VLC)中,LED的布局对维持接收面上接收功率的稳定分布有重要作用。室内LED矩形布局下的接收功率分布并不能覆盖整个接收面,存在接收功率中断区,无法实现最优的VLC系统性能。考虑室内墙面及地板的一次反射,研究LED在不同位置的布局方案,采用粒子群优化(PSO)算法分析LED布局方案,设计了能耗最小的LED圆形布局方案。仿真分析了LED矩形布局和圆形布局下的接收功率分布、信号中断率、能量损耗以及信噪比分布,仿真结果表明LED圆形布局的VLC系统性能优于矩形布局,需要的LED数量几乎为矩形布局的一半,减小了VLC系统的码间干扰。     

室内可见光通信系统的光源布局优化及性能分析

在基于白光发光二极管(LED)的室内可见光通信系统中,考虑墙面的一次反射,研究了不同LED拓扑方式下的布局方案。通过调整拓扑分布提出了方阵+圆环布局模型,该模型可以降低系统的功耗,在满足室内照明的要求下,通过功率分配实现了照度和接收面信噪比的动态范围压缩。仿真分析了基于功率分配的方阵+圆环布局模型的照度分布、接收功率分布、信噪比分布及误码率性能,仿真结果表明:方阵+圆环布局所用光源数虽然比传统方阵布局减少了48个,但性能仍得到了改善。给出了室内可见光通信链路系统带宽、误码率、距离与信噪比的关系,可为用户搭建VLC链路提供参考。     

基于白光LED照明光源的室内VLC系统

LED照明与可见光通信技术相结合,构建出基于LED可见光无线通信系统。对室内VLC(Visible Light Communication)系统的白光LED光源特性和系统信道模型分析,提出照明光源布局设计与接收光功率分布的关系;对强度调制直接检测方式的室内VLC系统中信噪比和多径效应引起的码间串扰分析,提出采用光分集接收技术克服码间串扰和提高信噪比,并给出光检测器阵列布局的模型。建立VLC系统仿真模型,给出OOK-NRZ (On-Off Keying & Non-Return Zero)和OOK-RZ(On-Off Keying & Return Zero)调制方式的误码率和均方根时延扩展之间的关系曲线。仿真结果表明,接收光功率相同时,均方根时延扩展时间大于1.0 ns时,OOK-RZ特性优于OOK-NRZ。     

基于可见光通信的LED布局与功率分配的同步优化

本文提出了一种基于融合改进策略的快速鲸鱼优化算法（FWOA），用于解决室内可见光通信（VLC）系统中光信号分布不均匀的问题。该算法通过反向学习和非线性收敛因子提升了收敛速度，采取扰动搜索机制实现全局寻优。在考虑发光二极管（LED）部署高度的光源布局和功率分配方面，采取了同步优化方案。实验结果表明，在优化16个LED布局模型后，系统照度均匀度提升了7.39%～109.03%，接收功率的品质因子由5.25提高到12.23，同步优化后进一步提高至15.12。此外，实验发现，当LED数量存在限制时，通过选择合适的LED数量，可以在系统能量和性能之间达到较好的平衡。     

基于白光发光二极管的室内可见光通信光源布局优化

传统基于照明的光源布局方式在室内难免会存在光照度不均匀现象,造成通信盲区效应,从而影响通信系统的可靠性。为了解决此问题,以4m×4m×3m房间为模型,在常用的室内光源布局模式下,采用光照度补偿技术,对其进行合理的布局优化,得出了一种由5个发光二极管阵列组成的光源布局方式,这种布局方式可同时降低系统功耗并提高光照度均匀性。为了兼顾可见光通信(VLC)系统的可靠性,采用室内接收平面的光照度标准差与通信中接收平面的平均误码率(BER)构建系统优化模型函数f(L,i),当f(L,i)达到最小值时可同时满足接收平面的照度要求和通信BER要求。仿真结果表明,当L=0.35m、i=0.025m时,f(L,i)取最小值,此时接收平面光照度的最小值为301.26lx,最大值为389.90lx,均匀度为93.24%,系统照度标准差为20.1,功耗为140.5 W,BER为6.39×10-7。所提系统可同时兼顾室内接收平面光照度分布的均匀性和通信的可靠性,为室内VLC光源布局提供了一种优化方法。     

基于联合干扰的室内可见光通信安全系统

研究了典型室内办公场景下,多用户多输入单输出（MISO）可见光通信（VLC）系统的物理层安全问题。针对未知数量的窃听者有可能出现在公共区域内任意位置的场景,提出了一种基于联合干扰的人工噪声生成方案以提高系统的保密安全性能。该方案利用用户所在区域的发光二极管（LED）作为信号源的同时,联合窃听者所在区域的LED一起发送干扰信号。由于窃听者位置随机且未知,故所提方案以最小化最坏情况下窃听者的信干噪比（SINR）为目标,通过干扰形成器的协作优化与设计使得干扰信号在不影响合法用户信号正常接收的前提下,最大程度地扰乱窃听者的接收。仿真结果表明,与传统的人工噪声方案相比,所提的联合干扰策略能明显降低窃听者的信干噪比和提高系统的保密速率,从而使得VLC系统的安全性能得到显著提升。     

基于非正交多址接入的室内可见光通信系统EI北大核心CSCD

白光发光二极管(LED)的窄调制带宽限制了可见光通信(VLC)的系统容量。非正交多址接入(NOMA)技术通过功率复用可提高系统通信容量。结合直流偏置光正交频分复用(DCO-OFDM)和NOMA技术,设计了NOMA-DCO-OFDM系统。基于递归法给出了单个LED时VLC多径信道建模方法。在考虑限幅噪声影响时,推导了用户的信干噪比。采用分数阶功率分配、增益比功率分配和静态功率分配方法,研究系统平均和速率随LED半功率角、光电检测器的视场角(FOV)和功率分配因子的变化规律。仿真结果表明,系统平均和速率随着半功率角、FOV和功率分配因子的变化而变化,可以通过优化半功率角、FOV和功率分配因子达到系统平均和速率最大化。     

基于非正交多址接入的室内可见光通信系统

白光发光二极管(LED)的窄调制带宽限制了可见光通信(VLC)的系统容量。非正交多址接入(NOMA)技术通过功率复用可提高系统通信容量。结合直流偏置光正交频分复用(DCO-OFDM)和NOMA技术,设计了NOMA-DCO-OFDM系统。基于递归法给出了单个LED时VLC多径信道建模方法。在考虑限幅噪声影响时,推导了用户的信干噪比。采用分数阶功率分配、增益比功率分配和静态功率分配方法,研究系统平均和速率随LED半功率角、光电检测器的视场角(FOV)和功率分配因子的变化规律。仿真结果表明,系统平均和速率随着半功率角、FOV和功率分配因子的变化而变化,可以通过优化半功率角、FOV和功率分配因子达到系统平均和速率最大化。     

强背景光下可见光大气湍流信道建模及分集接收技术

可见光大气传输系统面临的主要问题在于由大气湍流引起的光强闪烁和来自日光及其他照明设备的强背景光干扰,为了克服大气湍流造成的信道衰落效应及强背景光带来的噪声干扰问题,对室外可见光通信(VLC)强背景光大气湍流信道进行了建模。在接收端采用分集接收技术,在相同的发射功率下提高系统误码率(BER)性能。构建了在强背景光大气湍流信道模型下基于强度检测脉冲位置调制(PPM)方式的室外长距离可见光分集接收系统模型,在几十微瓦功率背景光噪声下,实现了800 Mb/s PPM信号的仿真系统传输。基于此系统分别研究对比了最大比合并(MRC)、等增益合并(EGC)、选择性合并(SC)3种分集合并方式的误码率性能。结果表明,在相同的发射功率下,误码率性能提升最大的是MRC,其次是EGC,SC最差。以7%前向纠错码(FEC)误码门限作为参考,MRC能显著降低对LED发射功率的要求,并且随着分集支路个数的增多,分集效果越好。     

平板型聚光器作为可见光通信中光学天线的设计与性能分析

针对室内可见光通信中光学天线存在的视场小、接收面光能分布不均匀,以及低功率光源条件下接收功率低的问题,设计了作为可见光通信系统光学天线的平板型聚光器,推导出适用于平板型聚光系统的光学增益理论公式。在一个(5×5×3)m房间中对平板型聚光器作为光学天线的接收功率分布进行仿真,得到直射和非直射链路信道下视场角为50°的平板型聚光器接收房间内各位置的光功率比直接探测时分别提升了16.2411dBm和16.4956dBm。     

可见光通信多维复用技术研究

LED替代白炽灯和日光灯用于照明已经成为明显的趋势。LED可以同时用于照明与通信的特点,使得可见光通信(VLC)成为了近年来国内外研究的热点。由于其具有无辐射、抗电磁干扰、频谱使用无需授权等优势,VLC已成为下一代高速无线接入的新兴技术。目前VLC发展的主要挑战在于LED有限的调制带宽限制了VLC系统的传输速率。针对这一瓶颈,从VLC系统多维复用方式出发,详细介绍了波分复用、频分复用、偏振复用和空分复用四种复用技术,实现多路复用信号并行传输,从而有效提升系统的传输容量。通过对这四种技术原理和性能的分析与讨论,验证了多维复用技术在提升VLC系统传输容量上的可行性,表明了其在VLC系统中广泛的应用前景。     

室内可见光通信多径信道建模及MIMO-ACO-OFDM系统性能分析

当通信速率较高时,室内光信号的多径效应不可忽视,当发送端存在时间弥散性时,提出一种室内可见光通信-多输入多输出(VLC-MIMO)多径衰落信道建模方法.由于光正交频分复用(OFDM)技术能有效抵抗码间干扰,故将非对称限幅光OFDM(ACO-OFDM)和MIMO相结合,建立MIMO-ACO-OFDM系统.用迭代法计算每对LED和光电探测器(PD)之间的冲激响应,连接LED和PD阵列的几何中心作为等效视线传输(LOS)信道,建立了多径信道模型.分析表明,当PD在房间中间时多径信道路径增益大,多径干扰弱;当PD在墙角时信号衰减大,多径干扰强.采用迫零(ZF)和最小均方误差(MMSE)检测,理论推导了系统误码率性能,建立了蒙特卡罗仿真模型.仿真表明,低阶调制时系统有更好的性能.当调制阶数小于64时,MMSE比ZF更有优势,随着信噪比增大两中检测方法得到的系统性能趋于相同;当LED半功率角变小时光束会聚强,PD在房间中心时性能最好,越往墙边性能越差;当PD视场角变小时,虽然在房间中心时接收功率不变,但多径干扰变弱性能变好.     

室内多输入多输出可见光通信系统接入点与功率分配优化

针对室内用户在非均匀分布时选择最高信号强度接入点（AP）导致系统总速率和用户服务质量较低的问题,提出联合AP和功率分配的方法。考虑多个LED作为AP的可见光通信（VLC）网络,根据用户分布设计了一个基于用户信道增益权重回溯（BM）的AP分配算法,使权重较低的用户接入到其他AP,降低资源竞争严重的LED上的用户负载;为了使所有用户均能满足通信需求,提出改进逐维动态正余弦算法（IDDSCA）的转换参数,并引入基于最优解方向的自适应搜索策略。利用IDDSCA动态调整每个AP下行链路的功率分配,同步优化系统总速率和用户服务质量。仿真结果表明,所提BM-IDDSCA方案相较于BM-DDSCA、SLCG-IDDSCA、BM-αPA、MT-PA与SLCG-QTPA方案在总速率方面分别提升2.94%、4.20%、2.03%、62.90%、4.89%。     

不同半光强角对医用LED阵列灯珠间距影响的仿真研究

 讨论LED光源的半光强角对LED之间的最大间距的影响,采用Matlab软件对LED单元照度数据进行计算及仿真,给出相应的仿真图形。仿真结果表明:LED光源之间的最大间距与其功率无关,由于仿真的结果与理论计算值相吻合,说明在计算中所建立的LED的光学模型具有较高的可信度,所得结果为LED多阵列（如圆形,矩形,椭圆等）的仿真及应用设计奠定了理论基础。     

基于多目标人工鱼群算法的光疗LED照度优化研究

提高发光二极管（light emitting diode,LED）组成的光疗光源在照射平面上的照度均匀分布水平,对于光疗设备发展具有重要的价值。提出了一种基于多目标人工鱼群算法的光疗LED光源的照度优化方法。设计了2种不同组合模式的光疗LED光源阵列。结合多目标人工鱼群算法对光疗LED光源阵列组合数据进行优化,使光疗LED光源阵列的照度分布更加均匀。将优化设计后的光疗LED 光源芯片组合数据,导入光学仿真软件TracePro实现仿真验证,得到经优化的圆形光源排列的照度均匀程度较未优化圆形光源排列提升0.104,矩形光源排列的照度均匀程度较未优化矩形光源排列提升0.148。对比分析最终数据,验证了该优化方法是可行的,可以提高光疗LED光源的照度分布水平。     

Gamma-Gamma大气湍流下相干光通信分集接收技术研究

大气湍流引起的光强闪烁使得自由空间光通信(FSO)系统性能恶化,而分集接收技术可有效改善这一影响。为进一步分析分集接收技术对相干接收系统性能的影响,基于二进制相移键控(BPSK)调制和外差相干接收技术,建立了Gamma-Gamma大气湍流信道模型下自由空间光通信分集接收系统模型。在不同大气湍流强度和接收天线数情况下,分别采取最大比合并(MRC)、选择合并(SC)和等增益合并(EGC),分析了对应的系统误码率(BER)和通信中断概率(OP),并与相同接收口径下的传统单天线接收系统的性能进行了比较。结果表明:MRC、EGC分集接收对大气湍流下的相干通信系统性能有明显改善,而SC分集接收仅当平均信噪比低于某一阈值时对相干通信系统的性能有所优化。     

室内可见光多维CAP空间调制

针对室内可见光通信（VLC）光链路发射源（LED器件）有限的调制带宽问题,基于多维无载波幅度相位调制（CAP）技术,提出一种频带利用率高效的光空间调制方案（OSM-CAP）。OSM-CAP系统将输入信息序列分成两部分,一部分进行空域映射即空间调制,其结果用来选择激活的LED;另一部分进行信号域映射,即CAP调制。其中,CAP调制采用序列二次规划算法求取的时域正交多维CAP滤波器组实现。对于采用强度调制/直接检测（IM/DD）的VLC系统,该CAP信号还将进行单极化处理,文中提出两种相应的解决方案,即采用添加直流偏置（OSM-DCO/CAP方案）和零值位置极性编码（OSM-U/CAP方案）。基于朗伯体辐射模型,且可见光背景噪声建模为加性高斯白噪声,推导了OSM-DCO/CAP、OSM-U/CAP调制方案的误码率理论解,仿真验证了其准确性。在5 m×5 m×3 m的室内场景下,探讨了无载波幅度相位调制维度以及接收机个数、发射机间距、收发平面距离以及链路遮挡情况等信道参数对系统性能的影响。结果表明,星座调制阶数相同时,CAP调制维度越高,误码性能越好;接收机个数增多、发射机间距加大以及收发平面距离减小与系统可靠性存在正相关关系;链路存在遮挡情况时,会提高信道间的差异性,改善系统性能。     

基于UVC LED的小型化紫外无线通信技术

紫外光通信技术具有低窃听、低位辨、全方位、全天候、抗干扰等优点,而基于紫外光灯的通信系统存在光源体积大、易碎、调制困难、通信速率低、功耗大等问题。设计了一种基于紫外C波段(UVC)LED的小型化无线通信系统方案,并对系统性能进行了理论分析。系统光源采用UVC LED,探测器采用日盲光电倍增管(PMT)和窄带紫外滤光片,通信系统采用开关键控(OOK)和脉冲位置调制(PPM)调制方案。仿真结果表明所设计的紫外无线通信系统可在200mW发射光功率情况下实现直径200m范围内的非视距语音通信和100mW发射光功率情况下实现250m的64Kbps准视距通信。     

L形光源大面积矩形探测光幕灵敏度空域分布分析

镜头式探测器配接L形LED光源构成大面积矩形探测光幕,常用来布置在封闭的室内靶道测量外弹道参数,其探测区域的灵敏度大小直接影响测量精度,文章研究和分析了配接L形LED光源的10m×10m大面积矩形探测光幕灵敏度空域分布规律,考虑镜头边缘效应和光传播路径损失,将飞行弹丸遮挡的光投射到镜头处计算光电器件接收的光通量变化,推导出探测光幕灵敏度的数学表达式,将探测区域分割成小块,采用数字仿真方式计算同一口径弹丸穿过不同区域块引起的光通量变化,得到矩形探测光幕区域灵敏度空域分布。结果显示矩形探测区域灵敏度呈现对称分布,靠近镜头主光轴和镜头附近处时,会得到探测区域内的较大探测灵敏度。其研究结果为后续进行大靶面外弹道测试相关技术提供了理论依据。     

基于LWT的可见光DCO-OFDM系统

为了解决传统正交频分复用技术峰均比过高、复值型信号结构无法直接应用于强度调制直接检测系统等问题,将提升小波变换(LWT)应用于正交频分复用(OFDM)中,选择正交小波基作为子载波,通过对信号的预测与更新,将信号的高低频分离,并结合可见光通信(VLC)多次反射信道模型,建立了DCO-LWT-OFDM系统模型,推导了LWT-OFDM信号迭代分解与更新重构公式,对其性能分别进行了仿真分析与实验验证。模拟仿真实验表明,在4 m×4 m×3 m室内空间中,当系统误码率为10~(-4)时,DCO-LWT-OFDM系统较DCO-FFT-OFDM系统的性能大约提高了5 dB,综合效率提高了70%,当系统峰均比为10dB时,DCO-FFT-OFDM系统的互补累积分布函数值接近10~(-1),DCO-LWTOFDM系统的互补累积分布函数值为0。实验验证中,选择1 W LED灯珠在光学导轨上搭建点到点DCO-LWT-OFDM VLC系统,传输距离为20 cm,系统调制误差率为11.4 dB,可靠性可达10~(-4)。本文研究为提高可见光通信的传输速率,降低系统误码率,抑制系统峰均比提供了一种有效途径。