周程

【摘 要】LED具有高亮度、低损耗、寿命长和可靠性高等特点，可以用作照明或者交通指示当中。虽然LED已经为广泛应用于大部分中短距离的光纤通信中，但在无线通信领域中的应用还比较少。无线通信技术具有造价低和无需申请等特点，近年来，随着无线通信的发展，LED也逐渐被无线通信中有所应用。目前现有的LED室内光无线通信光源设计方面仍然存在一定的不足之处，本文根据这些问题，提出了光源改进的具体方案，并对光源设计的比较和优化进行了具体分析。

【关键词】LED；光无线通信；光源设计；比较；优化

近年来，光无线通信已经成为业界比较热议的话题，这种通信能够进行短距离的通信，并且具有传统无线通信不具备的一些特点。可见光属于未被管制的独立频带，并且具有较大的范围，光辐射不能穿透家具、墙面和不透明物体，所以具有一定的防盗能力，这种技术与红外通信技术不同，不会受到安全指标的限制而阻断功率的发送。在光无线技术中，可见光通信不仅能够为房屋提供照明服务，而且具有进行无线通信的开发潜力。

一、基于LED室内光无线通信

（一）系统概述。基于LED室内光无线通信的主要任务是使室内接入点和终端点之间形成一种无线互联的关系。这种无线通信主要是利用一定范围内的已有网络，将输入的数据由一个房间的LDE光源传送至多个房间的LED光源的接入点中，这些接入点主要是由LED室内光的光源组成。在LED的一端，将会使用强度调制作为最基本的方案来调制LED。在无线通信的接收端，光电探测器会对LED发出的信号进行直接检测，并与发送端基带调制的逆过程来释放原始信号。数据传输的基本构成可以用以下形式来简单的表示：输入数据→基带调制→可见光调制→LED；光电探测器→可见光解调→基带解调→输出数据。

（二）发端LED的基本特征。为了更加简单的对光源设计方案进行分析，可以将LED作为一个光源来看，在一般情况下，都可以将光通量作为人眼能够感知的辐射功率。

（三）室内可见光通信信道模型。当处于室内环境下时，可见光的链路能够借助多种路径，其中主要的路径包括LED光源的直接照射路径和通过其他物体进行反射的路径。当可见光通过直接路径时，如果信道频响，则证明信号出现延时的情况。

（四）信号覆盖的均匀性。为了分析不同光与设计方案中的无线通信覆盖程度，以下采用在不同位置来接受无线信号的值进行对比。通过比较可以得知，当接收面有较好的均匀性时，功率差异率的最小值为0，如果不同位置所接收到的信号功率存在较大的差异时，差异越大则功率差异率越接近1。在考虑关照度方面的问题时，应该根据照明行业中的相关标准来判断均匀光照率。均匀光照率主要是指所能接收到的最小光照度和平均光照度的比值。一般来说，均匀光照率应该控制在0.7以上，如果按照国际的标准来设计，室内的光照度应该控制在300～1500 lx之间。

二、对已有光源设计方案的进行分析

基于以上几方面的分析结果，以下对OMECA研发团队和Nakagawa研发团队在光源设计上的两种方案进行了具体的比较和分析。

（一）在Nakagawa团队的设计方案中，其对LED室内光无线通信光源设计中所选取的LED设备为4个，并且这四个设备都是由型号相同的LED阵列所组成，阵列的数量为60*60，在设计的过程中，将这4个设备呈对称的方式安置在天花板上，每个LED设备之间的距离大约为1cm，设备中的芯片的半功率角度控制在70°，LED设备中心的光照强度为0.73cd，其工作时的功率为20mW，LED设备所产生光源中光集中反射的指数为1.5。在OMECA研究团队的方案中，该团队将其使用的LED设备全部都均匀的安置在天花板上，为了便于对两种方案进行科学的对比，可以选用第一种方案中同样数目的LED14400（3600*4）来探讨OMECA的无线通信光源设计观点。

（二）通过两者的仿真设计能够看出，在Nakagawa团队的设计方案中，处于不同位置的LED设备，所能够接收到的无线通信光源的信号的最大功率为5.09dBm，所能够接收到的最小的功率为0.45dBm，即使LED处于房间的中间位置，其所能够接收到的信号强度也没有达到最大值，而是处于较低的水平，并且功率的差异率已经达到65.7%。从照明角度进行分析，工作面所能够接收到的最大光照度为1341.93 lx，工作面所能接收到的最小的光照度为523.8 lx，光照度的平均值大约为1001.36lx，通过具体的观察和分析能够得出，光照出现最强的区域是这四组光源的正下方，房屋的中心是处于照明度较低的范围内，这就证明照明度和照明的实际区域存在一定的差异，房屋中心的照明度必须得到保障，所以应该相应的适当的扩大该区域的光源覆盖范围。

（三）在OMECA工程光源设计中，通过对其分析能够得出：当LED处于不同的接收位置时，所能够接收到的最大无线光信号的功率为4.49dBm，所能接收到的最小的功率为0.71dBm，LED设备中功率的差异率大约为58.1%。从照明方面进行分析，工作面上能够接收到的最大照明度为1175.9 lx，工作面所能接收到的最小照明度为548.8 lx，照明度的平均值为946.3 lx，整体的均匀光照率大约为0.58。

通过对两个研究团队的光源设计方案可以看出，后一种方案能够取得较好的演示效果，但均匀分布的设计方案不适合大规模的采纳和运用。如果LED的分布情况过于分散，则会导致整个驱动电路都处于比较复杂的设计环节中。而Nakagawa团队所设计的LED室内光无线通信光源设计方案中考了到下一代的照明，比较适合在今后的使用中进行大力推广。

三、本文提出的光源设计方案及其表现分析

通过以上几方面的分析可以看出，本文主要提出了两种基于LED室内光无线通信光源设计的方案。这两种方案中都有均匀分布和列阵式分组的设计思路，并分别采用了16（4*4）和9（3*3）的阵列作为主要的光源。9（3*3）中LED的具体数目为1600（40*40），16（4*4）中为900（3*30），这就使LED的数量符合方案中的规定，从而使两种方案的比较更加客观。通过对两种方案的分析可以看出，在9（3*3）的设计方案中，由于LED设备所放置的位置不同，所以设备所能够接收到的信号功率的最大值为4.7dBm，最小值为0.91dBm。从照明的角度上分析，工作面所能够接收到的最大光照度为1219.0 lx，能够接收到的最小光照度为560.0 lx，平均接收的光照度为975.0 lx。通过OMECA团队通过量化方式对光源设计比较可以看出，在9（3*3）方案中的光源设计基本满足前者在均匀光照率和因对差异率 方面的要求。这一方案中还融入了Nakagawa团队的分组设计思路，这就有利于下一代照明系统的设计和广泛应用。16（4*4）设计方案也能够同时满足复杂度和信号均匀分布等特点，通过对两组设计方案进行分析可以看出，由于接入位置的不同，其所能够接收到信号的最大信号功率为4.56dBm，能够接收到的最小信号功率为0.74dBm。在照明角度进行分析，工作面所能够能够接收到的最大光照度为1176.8 lx，能够接收到的最小光照度为558.9 lx，光照度的平均值为962.20 lx。通过对光源设计的量化结果分析可以看出，如果相应的增加LED的阵列数目，并将分组作为单位来增加光源的分布，这样就能够有效的解决4（2*2）中光源覆盖较低的设计问题，同时还能保证设计的可操作性。

四、总结

以上主要对基于LED室内光无线通信光源设计的两组方案进行了对比和分析，重点对光源设计方案中的信号覆盖和商业性进行了重要比较，并对此进行了量化分析，通过以上分析之后，归纳出了具有一定实践意义的LED室内光无线通信光源设计方案。通过对设计方案进行仿真分析能够看出，两种设计方案都能够对光源的复杂度和信号覆盖的均匀性进行兼顾。

参考文献：

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