高效室内可见光通信网络的综合照明配置

抽象的

高效室内可见光通信（VLC）系统需要仔细考虑照明和通信方面。除了接收功率和信噪比（SNR）水平之类的基本因素外，必须进行关于移动方案和链路切换过程的研究，以便在这种系统中实现良好的通信链路质量。在本文中，提出了一种用于支撑移动性和用于照明，接收功率和SNR的限制的移动性和链路切换的高效室内VLC系统的综合照明配置。使系统更加实用化需要移动方案的完整连接。然而，与其他文献不同，我们的工作突出了识别视野角度在实际室内情景中的连接性能的主要影响的重要性。展示了一种柔性链路切换启动算法，基于具有自适应滞后余量的相对接收功率的考虑。在这方面，我们研究了在链接切换性能上对接收器的点视图之间的重叠区域对两个光源之间的影响。仿真结果表明，可以使用我们的方法实现具有足够的照明水平和高通信链路质量以及全部移动性和支持链路切换的室内VLC系统。

1.介绍

由于有限的带宽和电磁干扰，射频对高数据速率无线传输和室内环境中的无处不在网络连接的需求越来越难以满足难度。最近提出了几个下一代室内无线通信[1]．在这方面，可见光通信(VLC)已经成为一个潜在的替代和补充技术，其射频对等物，以及最近的先进发展的发光二极管(LED) [2- - - - - -4]．通过使用LED进行双函数的照明和通信，VLC继承了LED的优点，例如较低的功耗，更长的寿命，更小的尺寸和冷却器操作。因此，VLC的物理层对过去几年的研究人员引起了很多关注，主要关注高数据速率的点对点通信[4，5]．但是，如何将这些高速点对点系统配置为实际方案，尤其是室内环境尤其是难度。它是由于照明标准，通信性能和移动性的严格要求。

一个典型的室内VLC系统需要多个宽半功率角的led安装在室内天花板上，以满足持续数据传输的照明要求和支持移动性。然而，关于通信性能，这种VLC系统遭受了在高数据速率下由多径传播引起的iteSymbol干扰（ISI）[6]．通常，高水平的ISI限制了可实现的数据速率，通过降低信噪比（SNR）的水平来降低接收数据的质量。可以使用少量LED设计最佳VLC系统，但在合理的位置放置，以及减少视野（FOV）角度接收器优化SNR水平，同时仍然满足照明要求和其他限制，即充分的接收功率和功耗[7，8]．然而，除了通常由SNR和接收的功率电平确定的照明水平和链路质量，在评估室内VLC系统时需要连接和链路切换性能。

连通性对于移动场景是至关重要的，因为它定义了通过接收平面的视场角观察系统的通信覆盖范围。在[的工作9]证明了系统的亮度均匀性对迁移率的影响。另一个工作在[10]建议角度分集接收器在典型的家庭内提供完全移动性，面积为5×5米²．显然，任何系统都需要全连接，因为它有助于在房间的所有地方连续数据连接。然而，LED的不正确位置以及在接收器处的FOV角度太小通常会引入盲点并限制室内VLC系统中的连接性能。此外，改变接收器平面导致改变连接，因为它改变了接收器的LED和视图区域的照明区域。因此，通过简单地设计照明布局，可以在接收器平面和FOV角度范围内调节连接。

VLC中的链路切换也是一个重要的问题，因为它被理解为蜂窝无线通信中的“切换过程”。因此，维护和改善多led VLC系统在移动性或干扰情况下的通信链路是一个不可缺少的过程[11]．在文献中，VLC热点与射频基站之间的垂直切换技术已经在许多著作中提出，如[12，13]．然而，当用户希望从一个光源接收到另一个光源的信息时的水平切换并没有引起大量关注。在[的工作14]论证了在链路上应用切换算法在带宽利用率和数据传输速率方面的好处。为了减少链路切换时延和不必要的链路切换比，提出了一种新的预扫描和接收信号强度(RSS)预测技术[15]．在设计系统时，需要论证室内VLC系统的不同参数对链路交换算法的影响。为了做到这一点，与led之间的重叠区域相关的参数被考虑进来，因为切换过程发生在这个区域。在蜂窝无线系统中，不同的算法需要不同的重叠区域条件。但是，一般情况下，这个重叠区域应该足够大，能够满足链路交换启动条件和发生交换过程时的无缝连接，这意味着这个重叠区域取决于所使用的启动算法和链路交换延迟时间。

在本文中，我们通过研究设定照明位置和设置FOOV角度在连接和链接切换性能以及照明和链路质量的效果来设计室内VLC系统。本文的结构如下：在部分2，给出了该方法所使用的系统模型及其基本性能。节3.，详细介绍了连接和链路交换条件。节4，给出了评估该构型方法性能的仿真结果并进行了讨论。最后,部分5总结了工作。

2.系统模型和基本性能

在传统的室内VLC中，通常使用有规律的排列分布的led，因为它能提供均匀的照明，均匀的重叠区域，并且设计简单。此外，这种LED配置可以实现多输入多输出(MIMO)系统[16]．因此，只用两个led对系统进行演示可以很容易地推广到使用多个led的MIMO系统。因此，我们进一步简化了VLC系统模型，只考虑在房间大小的天花板上安装两个led（长度，宽度，高度）如图所示1．两个LED之间的距离表示为．每个LED都有一个半功率角,发射功率，中心发光强度．假设VLC的接收器是一个可以在平面上移动的移动终端(MT)地板上方。墙壁的反射率因数是．为以后的数值模拟，以上参数均设置为典型值，汇总见表1．

2.1。第一次反射时的照明分布

照明要求应被视为室内VLC中的第一个优先级，因为它是系统的主要功能。在公共室内环境中，ISO（国际标准化组织）标准化了照明标准。参考这套标准，室内办公室工作空间集成VLC的灯光应在途中设计，以便在房间的所有地方实现300和1500 LX之间的照明级别[17]．为了计算VLC系统的照明，我们假设每个LED都有一个带有朗伯指数的朗伯辐射模式，取决于LED的半功率角作为．

视线（LOS）水平照明取决于朗伯指数，入射角，辐照角度，中心发光强度，LED和接收器表面之间的距离［18]．在本文中，我们假设探测器的表面始终是垂直于天花板平面的垂直方向。这意味着LOS连接入射角总是与辐照角度相同吗．因此，LOS水平照明的公式可以重写为

如果考虑墙壁的光反射，总照明，从指向的光线和一点反射，是由， 在哪里是反射产生的照明水平。为了简单起见，只考虑墙壁的第一个反射。这里是辐照度的角度和入射角不同吗和可以计算如下[19]： 在哪里是墙上小区域的反射面积，为辐照度到反射点的角度，是对接收器的辐照角度，为入射角，D₁是LED与反射点之间的距离，以及D₂是对接收器的反射点之间的距离。LOS链路和第一反射链路的示意图如图所示2．

2.2。接收功率和信噪比

在任何通信系统中需要适当的接收功率水平，但它通常随着功耗或干扰的惩罚。在VLC中，除了增加所示的发射功率和所谓的LED的数量之外，还在称为正常方式增加接收功率的方式，还有其他方式，例如以适当的方式调整LED的放置或减少接收器视野。为了计算接收的功率，需要对通道进行研究。在光链路中，指向路径上的通道直流增益为 在哪里是接收器中检测器的物理区域，其通常是光电二极管（PD），为本文以滤光片增益为单位，光学聚光器的增益，和表示移动终端的FOV角度。光学聚光器的增益给出为[18］ 在哪里是光学聚光器的折射率。通过使用类似的考虑，第一反射的通道直流增益是[20.］

接收总功率是从定向路径接收的总功率第一个反射路径可以写成 在哪里对led的指数求和th。在这项工作中，只考虑了两个led。然而，在这个方案中可以处理更多的led。

通常，SNR在较高的SNR导致更好的比特错误率（BER）性能的情况下确定通信链路的质量。在VLC中，光路径产生的ISI具有对SNR的影响。基本上，要适当地治疗ISI，需要复杂的过程[21]．为了简单起见，我们将ISI的功率加到噪声功率中，将其视为噪声，并将噪声模型设为加性高斯白噪声模型。假设开-关键控(OOK)调制方案为持续时间等于位周期的矩形发射脉冲．信噪比方程可以表示为[19］ 在哪里探测器响应率,是噪声方差，还有和分别是信号和ISI的光学功率。考虑到ISI的多路径案例，所接收的电源从(6)可计算为所需信号的接收功率和ISI之和为[19］ 在哪里脉冲响应是这是LED和是透射光脉冲。

根据(7） - （8），从VLC中的墙壁和不透明物体的更多反射导致增加ISI水平。在ISI的情况下，其中脉冲在接收器展现的情况下，发送的符号更难以正确地解调。因此，在反射和ISI存在下，BER可能会迅速增加。

噪声方差来源于散粒噪声和热噪声，可以用简单形式表示为 在哪里C₁和C₂常量主要取决于接收器规范的性质。对于我们的模拟，我们适应计算的数值C₁和C₂从[19]．以上VLC系统参数列于表中2．

为了量化我们的典型场景，我们对照明轮廓、接收功率和信噪比分布进行了计算，如图所示3.．根据结果​​，很明显，这种LED分布使照明水平满足ISO标准（房间中所有地方的300和1500 Lx）。照明在每个LED下方的区域处最高，并且朝向角落变得较低。参考图3 (b)，机房大部分地方接收功率为−1 ~ 4dbm。很容易看到接收功率的突变在视野重叠区域的边缘，MT接收到来自两个led的光。显然，当MT的视场被改变时(通过简单地倾斜接收机)，这个重叠区域将会改变。根据仿真结果如图所示3（c），SNR在墙壁附近的小区域最高，包括四个角落，其中较少或甚至没有干扰。在视图重叠区域中，尽管接收器从不同光源接收更多光功率，SNR尽管如此，SNR显着降低。这是因为视图重叠区域中的总接收功率现在是所需信号功率和ISI电源的总和。此外，ISI功率的增加通过减少SNR并增加BER来导致该区域中的链路质量降低。备注，在两个LED的指向路径等于SNR水平的房间中间的中间线处于中等水平，如图所示3（c）．

3.连通性和链路交换

3.1。VLC连接

在照明功能方面，半功率角度是决定覆盖面积和均匀照度的一个重要参数。一般来说，这个角度应该保持宽，覆盖整个工作空间，通常是一个固定参数对应的LED类型。LED的覆盖区域仍然可以通过改变接收平面来改变。视场角度对于接收方来说还必须考虑其通信功能，这与连通性有关。这个角度定义为接收信号光线从LED到接收器的角度。有两种可能≤或>．它已经弄清楚了减少允许传输更高的数据传输速率，并提供更好的性能，因为光增益增加(见4)， ISI下降。因此，在本文中，我们只考虑≤．显然，在这种情况下，接收器可以接收信号的区域小于由LED制造的覆盖区域，并且该区域被称为所给出的接收器的视图区域．此外，接收器的视点上由两个相邻的视点区域所形成的重叠区域也比led所形成的重叠区域要小，这将被称为视点重叠区域，．

当pd接收功率大于接收机灵敏度(约−36 dBm)时，如以前的研究所报道的那样，建立连通性[9，10]．但是，如图所示3 (b)，所接收的功率分布在典型的室内系统中的大部分位置范围为约-1至4 dBm。因此，本文的连接被定义为光相对于由PD的FOV角度定义的视图区域的覆盖百分比。对于所有照明配置，已经示出了期望在整个房间内没有盲点的完全连接。要与均匀性结合接收完全连接，必须考虑LED之间的距离;必须增加所用的LED数量或FOV的数量以满足条件。从上述讨论中，显然，太小的FOV可以导致MT视图区域的快速收缩，由此在工作区中发生盲点。然而，有一个限制，增加FOV导致高ISI水平。在本文中，盲点在接收器的平面中定义而不是在地板上，因为接收器很少预期铺设在地板上。对于LED之间的距离，距离太远或过于距离可能导致盲点的发生。将与下一节中的数值模拟的结果讨论该距离和FOV角度相对于LED的变化位置下的完全连接之间的关系。

3.2。链接交换算法

VLC中的链路切换被理解为无线通信中的“切换过程”，被认为是多LED VLC系统中移动或干扰场景下维护和改善通信链路不可缺少的过程。在[的工作22]专注于优化LED的覆盖区域，通过考虑到切换过程的时间来实现高平均用户净净率。换句话说，旨在优化LED的半功率角度的研究。在这项工作中，考虑因素都在发射器和接收器侧;然而，假设LED的覆盖区域是固定的。尽管室内VLC系统中的单元的通信覆盖通常是小的并且可以根据LED，FOV角度和接收机平面之间的距离容易地变化，但与蜂窝无线通信相比，MT的速度通常慢。因此，VLC系统需要快速且灵活的链路切换算法[15]．由于该算法可以减少链路交换量和乒乓速率，一个较强的候选算法可以是具有迟滞的相对接收功率算法[23]．参考该算法，当MT从LED1的覆盖区域移动到LED2时，在视图重叠区域中，如果LED2的接收功率至少超过LED1的接收功率，则启动链路切换过程电平(分贝)，以 在哪里P₁和P₂分别表示来自LED1和LED2的接收功率。为了简单起见，P₁和P₂为LOS接收功率，可由(3.） 作为

的价值已被证明是链路交换性能的一个关键选择因素。影响链路切换的数量和发生链路切换过程的视图重叠区域。如果高，不必要的链接切换量减少。然而，它需要大视图重叠区域，以便具有成功的链接切换[24]．本文将分析磁滞裕度与磁滞裕度之间的关系(dB)与视图重叠区域在改变LED1和LED2之间距离的情况下，链路切换过程的成功程度。

我们假设MT沿着两条由两个led投影连接的直线移动。通过这种方式，MT可以在视图重叠区域中移动最大的距离，称为视图重叠距离，，如图所示4．假设MT可以识别并区分来自LED1和LED2的信号功率。当MT移动到视图重叠区域时，它连续计算来自两个LED的信号强度。在，一般认为(10)，表示链路交换从该点开始．从那时起，MT需要额外的距离以获得成功的链接切换。该距离取决于链路切换延迟时间和mt的速度所示 替代（11） 进入 （10),我们得到 基于(13），经过一些几何考虑（见图4），视图的状况重叠距离可作为 当且仅当时，上述条件有效 三个参数之间的关系，滞后余量（DB），查看重叠距离的视场，详见(14)和(15）。

从(14），可以从视图重叠距离转换，，以led之间的距离通过使用图中的几何关系4：

在配置方法中，这些关系用于确定最小所需的视图重叠距离和led之间的最大距离，以支持链路切换过程。对于led之间有给定距离的系统，(14)可以用来确定合适的磁滞裕度。

4.数字结果

为了展示不同的照明布局，LED1和LED2之间的距离是不同的。首先，LED1和LED2被放置在天花板的中心，然后沿房间长度均匀向墙壁移动0.2米的台阶。首先检查每个照明布局的全连通性要求;然后计算所有满足连通条件的照明布局的平均接收功率和接收平均信噪比。最后给出了照明布局与迟滞裕度的关系。上述仿真将在不同视场角度下进行有条件．仿真中使用的所有参数见表1和2结合Table3.．

4.1。链路质量和连通性

在设计VLC系统时，接收功率和信噪比都需要高电平和小波动。然而，当演示一个有两个led的系统时，我们希望只考虑这两个性能的水平，而把波动问题留给使用我们的方法来配置系统的VLC设计师。因此，我们对平均接收功率和信噪比进行了仿真。LED1和LED2之间的距离从0.2米到4.8米不等，步长为0.2米，因为两个led不应该在房间中心或右边边缘的同一位置倾斜。对于每一步，在设定视场角度下计算连通性和链路质量。数字5显示了在设定视场角度下提供全连通性的照明布局所对应的平均接收功率和平均信噪比水平。参考图中所示的模拟5，当fov角度小于48°，没有照明布局，提供完全的连接;即视场角度小于48°时，在任何照明布局下都存在盲区。在= 48°时，led之间的距离应仅在2.4 ~ 2.6 m之间，以实现完全连接。随着，选择满足全连通性的照明布局的可能性也增加了;也就是说，在视场50°时，距离可以在2到3米之间，在视场55°时，距离1.5到4米是可以接受的。当FOV达到58°时，几乎在LED1和LED2之间的距离提供了全连通性。

参考图5，对于提供全连接的所有布局，FOV 48°的平均接收功率和平均SNR是最高和下降的，因为FOV增加。在FOV 48°，平均接收功率约为2.8 dBm，平均SNR约为31 dB。这是因为，当FOV增加检测器处的​​光学聚光器的增益时，它之后降低了接收的电力。这种接收功率的降低以及增加的ISI导致SNR水平降低。当两个LED彼此安装远离房间的边缘时，平均接收器电源非常小为0.15 dBm。此外，通过数字也容易观察到平均接收功率和平均SNR之间的权衡5．当信噪比增大时，接收功率减小，反之亦然。这是真的，特别是当led之间的距离大和视场小。在大视场，将有一些地方的2 led提供高平均接收功率和平均信噪比。视场角大于60°在我们的模拟中显示了相同的趋势(没有显示)。对于任何通信系统，高接收功率和高信噪比都是理想的。因此，在链路质量和连通性方面，建议视场为48°，led之间的距离为2.5 m左右，因为这种布局可以提供最大的接收功率和信噪比。

4.2。具有不同迟滞裕度的链路切换

在本节中，我们模拟前面讨论的两个led之间支持链路切换的视图重叠距离的要求，以演示两个led之间距离的要求。这些关系如(14) - (16)，但它们是不平等公式。我们在这里模拟这些关系的相等性。数字6显示最小视图重叠距离，两个LED之间的最大距离，以及用于支持链路切换的不同滞后余量的FOV。参考图6(一)，对上述理论有很好的满足感;也就是说，滞后边距增加，所需的视图重叠距离也增加。此外，最小视场角随着视场的增大而增大．在滞后保证金= 3 dB foV应大于38°，因为较小的FoV角导致没有布局可以满足链接切换条件（参见（15）））。同样，当等于6,9或12dB，所需的最小FOV角分别为50°，56°和63°。对于任何滞后余量，最小重叠距离保持非常稳定，因为FOV增加。什么时候等于3 dB，所有FOV都大于38°和大约1.6米，2.4米，3.1米的最小重叠距离为1.2米= 6、9、12 dB。

数字6 (b)显示两个led之间的最大距离，可以很好地满足不同迟滞裕度下的链路切换条件。从图中可以看出，在所有滞后裕度值处，视场角的增大导致led之间的最大距离增大。在同一视场，高迟滞裕度往往要求较小的最大距离两个led。视场为48°，两个led之间的距离r= 2.5 m时，可应用链路交换过程，滞回量为3db。

结论

我们根据照明和通信方面讨论了全面的照明配置，以在室内环境中完全集成VLC系统。重要的是考虑室内VLC系统的连接和链接切换性能，以确保高质量的通信连接。考虑了VLC系统中各种参数的关系，即LED之间的距离，接收器的FOV角度，视图区域，视图重叠区域以及在链路质量，连接和链路切换过程方面的重叠距离。基于我们的仿真方法，为了实现最高的链路质量，最佳连接和完全支持链路切换处理，可以获得特定FOV角度的两个LED之间的合适距离。这项工作提高了任何实用VLC系统的开发，可用于设计有效的MIMO VLC系统。

利益争夺

提交人声明没有关于本文的出版物的利益冲突。

致谢

本研究由Naresuan大学和VNU工程技术大学(UET)资助。

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