文摘

本文主要研究可见光通信链路的通信性能在火灾烟雾的环境中。与先前的研究相比,本研究不再只考虑单一波长和认为烟和背景光噪声的影响。首先,背景光噪声的变化引起的阳光在一天进行了分析,然后信噪比(信噪比)和比特误码率(BER)可见光通信链路的火灾烟雾环境不同的可见性计算,最后,与角接收功率的变化β光轴和通信链路之间的(从导致接收机)进行了分析。结果表明,在每天从07:00 18:30,背景光噪声先增加然后减少,同样数量的变化趋势和达到最大大约13:00,在信噪比变化相反的趋势,达到最低大约13:00。能见度100米时,信噪比7点和13:00之间的最大区别是19 dB和最大是5.3平台以及不同的误码率。7点,信噪比的最大区别是关于13分贝之间的可见性1米的能见度100米,,约为1.44的最大区别误码率E−11,接收功率随的增加而减小β。此外,信噪比增加而火灾烟雾环境的可见性,和误码率的变化趋势相反。最后,为了提高可见光的绩效沟通在火灾烟雾的环境中,本文给出了传输功率。

1。介绍

目前,可见光通信(VLC)的应用越来越广泛。新的可见光通信技术基于领导有许多优点:它可以满足高速通信,实现照明,是对人眼无害健康和不会对人体造成辐射损伤,不易受电磁干扰,具有良好的保密性。此外,VLC技术也不需要无线电频谱认证,可有效解决频谱限制问题的射频(RF)技术(1),也可以用于室内定位目标。因此,这种技术在车联网中发挥着日益重要的作用,地下矿山、和其他领域。

虽然可见光沟通有很多优势,但它很容易受大气环境影响(2,室内和室外火火烟烟是最重要的因素之一。由于短光波长和严重的光散射,可见光通信链接很容易阻塞。此外,室外雨、雾、雪、背景光噪声也是重要的因素干扰可见光通信链接。为了提高可见光通信的性能在一个特殊的环境中,有必要研究可见光通信链路的传输特性在这个环境。2013年,朱镕基et al。3]研究了烟对空间光学(无线光通信)沟通和提出衰减系数减少指数随着壳层的体积增加。2016年,陈等人。4]研究了激光在不同波长的透射比吸烟。4.8烟道,透光率为10.6μ1.06米激光的两倍μ米时,激光烟尘浓度小于1.0947 g / m³。同年,也得出结论,400烟道,透光率为10.6μ激光是1.06的104倍μ米激光(5]。同年,小王和段6)提出,在不同浓度的烟的环境中,由于吸收激光束的悬浮粒子,激光是减毒的过程中传播。2019年,江泽民和歌曲7]提出FMCW激光测距系统测量时的衰减和吸收烟雾粒子回波信号在吸烟的环境中,这导致结果很难提取有效信号。

然而,上述文献的研究主要研究与特定波长的激光,对可见光和当前研究相关通信不太可能考虑环境因素。甚至有更少的研究和报告火灾烟雾环境中可见光的通信性能。在本文中,我们重点分析了可见光火灾烟雾环境中通信链路的性能,并提供一个理论依据的应用可见光通信在未来在这个环境中。

2。背景光噪声的分析

背景光噪声P_bg在可见光下不容忽视沟通在火灾烟雾的环境中,和黑体辐射模型可以用来描述光谱辐射W(λ,T_B)[8,9]: 在哪里惠普普朗克常数,c是光速,λ是波长,k玻尔兹曼常数,T_B是太阳的表面平均温度,通常作为6000 K。

全球太阳能辐照度E_全球0.3之间有一个波长范围μm和4.0μm,它是全球光谱辐照度测量的输入。峰光谱辐照度年代_峰是由(8]

全球太阳能辐照度W_约可以导出为(8]

接收者的光谱范围E_依据是由(9] 在哪里λ₁和λ₂边界值的光学带通滤波器,然后呢P_bg可以得到如下(9]: 在哪里T₀是滤波器透射系数峰值,可以达到1,一个在接收端区域,n是内部的折射率。

基于全球太阳能辐照度测量的趋势P_bg在一天可以得到如图1。

从图可以看出1在下午一点之前,随着太阳的上升,P_bg增加从−3 dBm(7点)16 dBm (13)。下午一点后,与太阳下降,P_bg减少到3 dBm晚上6:30,从上面的分析中,发现P_bg在一天变化明显。因此,背景光噪声的影响在可见光通信性能的火烟环境不容忽视,和阳光造成的背景光噪声通常是高斯白噪声,利用去噪,可以删除。

3所示。信噪比和误码率的可见光火灾烟雾环境中交流

根据Lambert-Beer法律,当传输距离D,接收功率P_r是由衰减系数。可见性(V)是获得Koschmieder定律(10]: 在哪里T_th是视觉阈值,它通常需要2%。

衰减系数之间的关系和V可以近似为 在哪里是太阳能的最大光谱值乐队。可见波长的乐队,它是派生的

的系数问依赖于实验数据,如粒子的大小和分布(11]:

然后可以得到如下: 在哪里一个_R是接收到的范围内,θ光束发散角,D是传输距离,P_t的发射功率。衰减系数(一个_R= 10厘米,θ= 60°,D= 10米)。

信噪比可以作为测量可见光通信的性能,和信噪比之间的关系可以表示为接收功率和环境噪音,如下(12]: 在哪里R接收机的photoresponsivity光电探测器,是散射噪声方差,是热噪声方差。 在哪里问电荷,B噪声带宽,我₂是当前噪声带宽12]。 在哪里k玻耳兹曼常量,T_k绝对温度,η是单位面积上的能力,一个是在接收端,Γ是场效应晶体管信道噪声因素,G是开环电压增益,是场效应晶体管跨导,我₃是带宽噪声系数的比例升余弦。

使用书光强度调制的误码率可以获得如下:

选择了45兆瓦发射功率;当背景光噪声最大,下面P_r在不同能见度环境。

从图可以看出2,P_r增加而增加可见性。P_r增加从0.0122兆瓦(V0.01302 mW = 1米)(V= 12米),增加了6.7%,最后收敛于一个恒定值约为0.01302兆瓦。

文献[13)给了烟对不同波长的辐射衰减系数,我们把波长670纳米的计算和比较文学的测量结果。图3显示了比较的测量和理论计算值衰减系数。

从图可以看出3衰减系数的计算值与测量值基本上是一致的,和相对误差约为0.07%。这里只有烟粒子和背景光噪声的影响因素被认为是,虽然实际测量环境的复杂性不仅受到这两个因素的影响,还通过测量衰减系数通常大于理论衰减系数。为了避免这个问题,应选择晴朗的天气的实际测量。

数据4和5信噪比和误码率的变化在一天在火灾烟雾环境中有不同的可见性。

通过分析数据4和5可以看出,信噪比先增加然后减少,和数量先增加然后减少一天。在13:00之前,不断增加信噪比,降低误码率,最后,信噪比达到最小和误码率在一天达到最大值。下午一点后,增加信噪比和误码率下降。此外,它可以得出结论,增加信噪比和误码率随能见度的增加而减小。

可见光通信系统可以用来调整P_t应对火灾烟雾的环境。当V是12米,D是10米,P_r计算约为0.013 mW。为了使接收功率达到0.013兆瓦,P_t可以根据实时可见性调整。

如图6,当P_r总是0.013 mW,领导的权力调整发射机和可见性。

从图6可以看出,在火灾烟雾的环境中,当V小于0.02公里,能见度越少,越吗P_t是必需的,当V超过0.02公里,P_t往往一个常数值,几乎不再受到能见度的影响。此时,发射机可以调整的价值P_t根据不同的可见性,所以P_r总是在0.013 mW。

4所示。火灾烟雾环境中路径损耗和功率损耗

图7显示了一个简单的可见光沟通场景在火灾烟雾的环境中。可见光通信链路的性能在火灾烟雾环境不仅影响背景光噪声也被烟雾粒子的吸收。

从图可以看出7,接收端之间的距离和领导D在接收端,检测器的半径r、通信链路之间的角度和正常的接收方 ,通信链路的角度引导光束的轴 , 是固体探测器接收视场角,和接收区是什么一个。它们之间的关系满足以下方程(12]:

在LED设备手册,轴向光强通常是给定的,我们可以获得的总光通量发射机(12]: 在哪里的空间分布函数是LED灯和是立体声的角度让梁,与梁的最大半张角如下:

我们可以得到的总光通量在接收端(14]:

领导可以被视为一个传感器的来源、及其空间分布函数 。朗伯辐射系数米可以获得的 在哪里的辐射半张角是领导,让 ,的路径损耗l_l可以通过集成。

此外,功率损耗可以表示为 在哪里是光源的功率谱密度和接收方的功率谱密度。

根据方程(19),它可以派生

众所周知,当视力功能是一致的, 。

领导通常给参数表F_年代或我₀的领导, ,归一化功率谱密度 。当F_年代和我₀是可以互换的,可以找到的 ,在哪里C是转换因子,它可以从方程(16)[14]: 在哪里和的两个端点值可见波段的波长范围,分别和可以通过下面的公式:

一个滤光片的光谱响应添加到光电探测器,表示如下: 在哪里和两端的价值观是滤光片(14]。

归一化辐射功率谱密度波形和可见光滤波器波形数据所示8和9。

从图可以看出8,有两个峰值的归一化辐射功率谱密度,分布在450 nm和560 nm。领导是领导的一个白色与黄色的磷在蓝色的底物,蓝色LED本身并没有一个非常高的光通量,但在添加黄色的磷、激发能量比原来的8倍。这导致更适合可见光沟通。从图可以看出9,过滤器过滤范围380 nm - 780 nm,只允许所有波长的可见光通过,有效过滤掉看不到带的光谱。

β计算是不断变化的,当背景光噪声最大,和图吗10显示之间的关系P_r和β在火灾烟雾的环境中。

从图可以看出10,P_r的增加逐渐减少β。当领导梁轴伴随着通信链路,P_r可以达到最大值。为了提高沟通效率的可见光通信系统,它应该尽量使LED照明灯轴配合的通信链接。

5。结论

探讨影响可见光通信的性能的因素在火灾烟雾的环境中。通过分析背景光噪声的变化规律在一天,信噪比的变化关系/数量和能见度的影响在一天β获得了。认为,外界光的增强,信噪比不断减少,数量不断增加,和通信性能降低。此外,接收功率随的增加而减小β。

通过以上研究,得出火灾烟雾的影响和可见光背景光噪声通信性能不容忽视,它是至关重要的提高导致发射设备的性能和在接收端光电探测设备的性能。发射机的方面,提出了相应的根据不同的可见性、传输功率和调整方案可以应用在实际火灾烟雾的环境。接收方方面,在实际应用中,滤波器可以减少背景光噪声的影响通过增加调制频率。与此同时,β应该最小化。在未来的研究工作,上述方案将被应用在实践中,在复杂的火灾环境,自动功率调节装置是用于验证上述方案。

表1显示了本文中使用的参数。

数据可用性

数据用于支持这项研究从先前的研究获得的结果(9、10、12)。

的利益冲突

作者宣称他们没有关于这篇文章的出版的利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(61405157)、国家自然科学基金委金桥(2019 - 901),和陕西省的重点产业创新链项目(2017 zdcxl-gy-06-01)。