基于LED室内可见光通信系统的光源布局优化研究
本文关键词：基于LED室内可见光通信系统的光源布局优化研究，，由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】：可见光通信是一种在白光LED技术上发展起来的新兴无线光通信技术,它以光信号为载体,通过大气作为传输媒质,进行光信号传输构建无线光网络,是对现有射频技术的有效补充,具有安全性高、无需频谱认证、传输速率高等特点,已成为面对目前频谱危机及光谱资源激烈竞争的严峻形势下的光谱资源开发利用的关键技术之一。作为室内可见光通信系统的主要构成部分,光学发射天线和接收天线,其性能优劣直接影响到整个通信系统的可靠性和信号传输的稳定性。光源布局很大程度决定了发射天线的性能。因此本文主要针对室内办公条件下的宽敞照明及应用在医院、机场、台灯等短距离局部照明场景下的光源布局进行系统地研究。具体内容如下:1.对系统白光LED光源进行了较为深入的研究,同时对信道模型进行了简要介绍,分别给出两种链路下系统的光照度、脉冲响应、直流增益和接收功率的理论计算模型。并对系统的噪声、信噪比及码间干扰进行了分析和讨论。2.讨论了室内办公条件的光源布局设计,在初始布局基础上采用照度均方差最小化评价指标及基于保证室内办公照明标准的最佳节能室内光源布局优化设计方案,定量计算直射视距链路和包含非直射视距链路下室内桌面的照度分布、接收器接收功率分布。分析信噪比及码间干扰随视场角变化的关系,给出避免盲区、兼顾高信噪比及减小码间干扰的光学接收天线视场角的合理选取范围为40o—50o。并据此用MATLAB GUI设计了一款室内可见光通信光源布局对照度与功率影响仿真软件,用户通过对功能按钮的切换便可观察到相应分布,对室内LED光源布局有指导功能。3.提出基于三种算法的适用于医院、机场、室内台灯的短距离局部照明场景下的光源布局设计,分别介绍遗传(GA)算法、模拟退火(SA)算法以及模拟退火混合遗传(SAHG)算法的思想、设计原理、基本流程等。在局部照明条件下给出照度计算模型和经三种算法计算后的优化坐标点分布。并利用Trace pro软件对光源分布进行了模拟仿真,分析了三种算法下光照度面得到的照度值、光通量等参数。最后对仿真结果进行了对比分析,分析每种算法的适应性及优缺点,进而说明结合GA和SA算法优良性能的SAHG算法适用于室内VLC系统的多光源布局设计。
【关键词】：可见光通信 光源布局 光照度分布 光学天线视场角 SAHG算法
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN929.1
【目录】：
- 摘要5-6
- Abstract6-13
- 第1章 绪论13-25
- 1.1 研究背景和意义13-15
- 1.2 国内外研究现状及发展趋势15-23
- 1.2.1 室内VLC系统15-18
- 1.2.2 室内VLC系统光源18-19
- 1.2.3 室内VLC系统光学接收天线19-23
- 1.3 课题研究内容23-25
- 第2章 室内VLC系统光源及信道模型研究25-35
- 2.1 白光LED光源25-28
- 2.1.1 白光LED的发光原理25-26
- 2.1.2 LED的光谱特性26
- 2.1.3 LED的空间辐射特性及发光强度26-28
- 2.2 室内VLC系统信道模型28-32
- 2.2.1 室内VLC系统链路模型28
- 2.2.2 LOS和NLOS光照度28-29
- 2.2.3 LOS和NLOS的脉冲响应29-31
- 2.2.4 LOS和NLOS直流增益和接收功率31-32
- 2.3 室内VLC信道信噪比及码间干扰分布32-34
- 2.3.1 噪声及信噪比32-33
- 2.3.2 码间干扰33-34
- 2.4 本章小结34-35
- 第3章 基于室内VLC系统的办公照明布局设计与分析35-55
- 3.1 LED光源布局设计35-38
- 3.1.1 链路模型35-36
- 3.1.2 室内VLC系统办公照明仿真参数36-37
- 3.1.3 照度均方差与均匀照明率37-38
- 3.2 接收端照度分布38-41
- 3.2.1 LOS链路下照度分布38
- 3.2.2 优化布局设计38-41
- 3.3 接收端功率仿真分析41-45
- 3.3.1 相对峰值功率偏差41
- 3.3.2 优化布局与初始布局对比分析41-45
- 3.4 系统信噪比及码间干扰45-51
- 3.4.1 信噪比仿真分析45-49
- 3.4.2 码间干扰仿真分析49-50
- 3.4.3 光学天线视场角分析50-51
- 3.5 MATLAB GUI界面设计51-53
- 3.5.1 软件开发环境51-52
- 3.5.2 光源布局仿真软件功能介绍52-53
- 3.5.3 软件使用说明53
- 3.6 本章小结53-55
- 第4章 遗传、模拟退火及模拟退火混合遗传算法概述55-67
- 4.1 遗传算法基本原理55-61
- 4.1.1 生物进化和进化算法55-56
- 4.1.2 基本概念和运算流程56-57
- 4.1.3 构成要素57-60
- 4.1.4 算法应用60-61
- 4.2 模拟退火算法基本原理61-64
- 4.2.1 算法概述61
- 4.2.2 运算流程61-62
- 4.2.3 算法实现形式62-64
- 4.3 模拟退火混合遗传算法基本原理64-65
- 4.3.1 算法的提出思想64
- 4.3.2 运算流程64-65
- 4.4 本章小结65-67
- 第5章 基于三种算法的VLC系统局部照明优化布局研究67-81
- 5.1 TracePro软件简介67-68
- 5.2 VLC系统局部照明仿真模型68-69
- 5.2.1 光照度数学分布模型68-69
- 5.2.2 适应度函数的构造69
- 5.3 三种算法的光源布局仿真分析69-80
- 5.3.1 基于GA算法的仿真69-73
- 5.3.2 基于SA算法的仿真73-76
- 5.3.3 基于SAHG算法的仿真76-78
- 5.3.4 仿真结果对比分析78-80
- 5.4 本章小结80-81
- 第6章 总结与展望81-83
- 参考文献83-88
- 攻读学位期间发表论文与研究成果清单88-89
- 致谢89
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