第一章 绪论
1.1 室内照明通信的概述
现代真正的意义上强大的光通信应该是光纤通信，光纤通信早已成为各种通信主干网的主要传输方式，并且在接入网方面也具有重要的地位。国家提出的“宽带中国”战略，一些地区提出的“光网城市”都是建立在强大的光纤通信基础上的，可以说光纤通信在信息化时代扮演了一个非常重要的角色。长期以来，光通信一直是一个默默无闻的巨人，移动通信的巨大发展吸引了几乎所有的关注。随着社会的发展，人们对便捷和高效的通信方式的要求日益迫切，在这种情况下，无线光通信以其巨大的优越性获得了研究人员的青睐，由于无线光通信具有信息容量大、安全性强等特点使得该技术较早开始用于军事和航天领域。随着技术的发展和研究的深入，无线光通信在商用化方面也表现出强大的潜力，目前的无线光通信主要分为：自由空间光通信FSO[1]（Free Space Optical communication）、室内红外通信、可见光通信 VLC（Visible Light Communication），其中可见光通信又可以分为室内可见光通信和室外可见光通信。随着 LED 技术的发展，白光 LED 的制造工艺更加先进，由于其自身所特有的优点，如功耗低，污染小，使用寿命长，照明效果好等，在能源问题日益尖锐的今天，这项技术有望取代传统的照明技术成为未来的主流照明技术[2]。与此同时，白光 LED 还具有高速点灭的发光特性，于是不少研究人员提出一种利用 LED 来进行数据传送的通信方式。其基本思想是，通过 LED 以人眼无法识别的速度进行亮、灭切换将信息调制到光上，使 LED 在实现照明的同时也可以进行通信，将 LED 当做室内无线接入局域网的信号发射器，这是一种新型的解决“最后一米”无线接入的光通信技术。图 1.1 表示在飞机上利用白光 LED 进行数据通信的场景。
1.2 室内照明通信的研究背景和技术优势
1.2.1 室内照明通信的研究背景及意义
现代社会中，能源问题是一个非常突出的国际性问题，我国是世界能源消耗大国，到 2011年中国的总发电量为 47000.7 亿千瓦时已经超过美国，居世界第一位。虽然发电量巨大，但是整体的供电需求仍然比较紧张，而且我国所生产的电力中多数是通过火力发电，发电过程中产生大量有害气体如二氧化硫，二氧化碳等，对大气造成了严重污染。同时，我国的能源分布非常不均匀并且相对紧缺，季节差异性和地区差异性缺电非常明显，当遇到春节和夏季等用电高峰期，供电量难以满足需求。在经济发达的东南沿海，江浙地带，缺电情况更为严重，电力已经成为制约经济发展的一个重要因素。2011 年我国用来照明的用电量己超过 4100亿千瓦时，相当于英国全国一年的用电量，因此如果可以提高照明用电效率将会对我国的能源利用产生很大的积极作用。白光 LED 相比较于传统的白炽灯和荧光灯在节约能源方面优势明显，同时，利用白光 LED 更为高速、宽带的光无线接入提供了一种新的途径，也为缓解现在无线电频谱资源严重不足的问题提供了一种新的解决方案[4]。室内可见光通信是一种新兴的光无线通信技术，它是基于 LED 发出的白光，与传统的无线射频通信相比较，室内可见光通信没有电磁干扰，也不占用无线电频谱。同时该技术使用的是可以照明的白光 LED，其发出的光对人眼无任何伤害，而室内红外通信都是使用红外技术，这对人眼是有伤害的。当前广泛使用的照明设备中，白炽灯光电转换效率低，耗电量高，容易破碎。荧光灯中使用的荧光粉对人体有害而且产生的废气对环境会造成污染，并且使用的寿命较短。城市中普遍使用的高压钠灯，耗电量太高，发光效率低而且照明效果并不十分理想，所以白光 LED 是非常合适的下一代照明替代品[5]。在信息社会，人们对信息的需求和依赖程度是越来越高，但是在一些特定的场合由于对电磁干扰非常敏感，还无法做到信息的无缝覆盖，比如在医院的一些区域，为了防止电磁干扰对病人的身体健康造成危害是禁止使用射频通信的。在飞机上，为了不使个人手机信号对飞机的通信信号造成干扰也是不可以使用传统射频通信，所以，在很多的特定环境中我们无法使用传统的无线通信手段。这也是我们发展基于白光 LED 的室内可见光通信的初衷，这种技术并不是为了代替传统的无线通信技术，只是在很多特定的场合可以实现射频通信无法实现的功能，该技术是和传统的射频通信一起为实现人们的快速、简单、实时通信提供一种手段，下面我们将具体介绍该技术的技术优势。
第二章 室内照明通信系统光源的优化布局研究
在室内可见光通信中，作为光源的白光 LED 既要作为照明光源也是进行通信的信号发射机。LED 作为一种新型的光源，其与传统的白炽灯、荧光灯等光源相比有自身独特的一些特性，主要包括热学特性、电学特性和光学特性。在室内 VLC 系统中，我们关注的是 LED 的电学特性和光学特性。电学特性有伏安特性、正向电压、正反向电流和频率响应等特性，其中伏安特性会影响通信系统发射装置的 LED 驱动，而调制特性则用于信号的调制编码。光学特性则主要包括光强的空间分布、发光强度角分布、峰值波长、显色指数和色温等。其中对于基于白光 LED 的室内照明通信而言，光强的空间分布特性显得尤其重要，其主要用于分析室内照明布局和通信系统的信道特性。在本节中，主要讨论 LED 的发光特性并研究室内 LED照明系统的优化布局方案。
2.1 白光 LED 的光源特性
在基于白光 LED 的室内照明通信系统中，光源具有照明和通信的双重作用，由于房间的大小和室内设施各不相同，难以避免会存在光照不到或者光线很弱的地方，这些地方同时也会成为通信的盲区。为了让光源发出的光尽可能地覆盖室内环境，并且使室内的光强分布尽量均匀，所以对 LED 阵列的优化布局显得尤为重要。同时，我们发展室内可见光通信的原因之一是希望利用 LED 的节能特性，所以在优化布局的时候也需要考虑 LED 的功耗节能问题，即利用最少的 LED 来满足系统的需要。另外在实现通信的时候，多个光源会引起多径干扰，减少 LED 的数量同时也有利于降低多径干扰带来的影响。
第三章 室内照明通信系统的信道模型.....29
3.1 信道的链路形式 .........29
3.1.1 研究对象的模型 ....29
3.1.2 直射视距链路和非直射视距链路.......30
3.1.3 VLC 信道的建模方式 .........31
3.2 直射视距链路 .......32
3.2.1 直射视距链路冲击响应的表示方法.........32
3.2.2 直射视距链路的仿真分析 ......33
3.3 非直射视距链路的分析及仿真 .........35
3.3.1 非直射视距链路模型 ........35
3.3.2 一次反射的链路特点和仿真研究.......36
3.3.3 二次反射的链路特点及仿真研究.......40
3.4 信道模型的整体分析 .......44
3.4.1 完整的通信信道模型 ........44
3.4.2 信道模型的矩阵表示方法及分析.......45
3.5 本章小结 .........47
第四章 室内照明通信系统性能分析 ........48
4.1 室内照明通信系统中的多径效应 .....48
4.1.1 系统多径效应产生的原因分析.....48
4.1.2 多径效应对系统性能的影响 ........50
4.1.3 减小多径效应的解决方案 ......52
4.2 系统性噪比和信道容量的分析........56
4.2.1 系统中噪声产生的原因及分析.....56
4.2.2 在强背景光条件下系统性能.......58
4.2.3 系统信道容量的分析 ........61
4.3 系统误码率的研究及仿真 .....62
4.4 本章小结 .........64
第五章 总结及展望......65
5.1 总结 .....65
5.2 展望 .....66
结论
在信息时代，通信和能源是社会生活中不可或缺的重要组成部分，传统的通信行业一直是高耗能产业，提高能源的利用效率也一直是通信人奋斗的目标。本文所研究的室内照明通信是基于照明用的白光 LED，众所周知白光 LED 具有节能环保，光电转换效率高，使用周期长等特点，其必将成为下一代主流照明技术。基于白光 LED 的室内照明通信，就是利用 LED的光学特性在它发挥照明作用的同时将信息调制到光信号上，使之成为一种信息传输的手段。在本文中，首先分析了基于白光 LED 的室内照明通信发展现状，和传统的射频通信相比有何技术优势。在对常用的光源模型优化分析的基础上提出了一种有先进性的光源布局模型并在此基础上进行仿真分析。对系统的信道进行分析的时候，本文将室内可见光通信信道分为直射视距链路和非直射视距链路分别讨论，并用矩阵的方法分析非直射视距链路中反射的各部分。文章最后分析了信道环境和系统性能，重点研究了信道中多径效应的产生和对信道的影响以及提出解决方案，并仿真分析了接收机平面上的信噪比和误码率变化情况。具体来说，本文的论文工作主要为以下几个方面：
（1）分析单个 LED 灯的辐射模型，通过仿真研究了不同朗伯系数的 LED 光源的发光特性有何不同。对一种常用的 4 个 LED 阵列模型进行仿真分析，基于节能和优化布局的考虑在此基础上提出了 4 个 LED 阵列的优化设计方案，并通过仿真进行对比论证。
（2）通过分析 LED 光源阵列在接收机平面上光照度分布特点，根据室内房间的几何特性，利用照度补偿的方式提出一种光源布局设计方案，首先从满足照明要求的方面和传统阵列模型进行对比，然后从优化节能和减小阴影效应方面进行比较，确定该模型的可行性和先进性。
（3）针我们设计的模型，分析了室内照明通信的信道环境，分别研究了直射视距链路和非直射视距链路的链路特点，以确定其对可见光通信系统性能影响的程度。重点分析了非直射视距链路，分别考虑了一次反射和二次反射的情况，通过仿真研究信道的冲击响应特性。
（4）用矩阵的方法描述我们的信道环境，在分析非直射视距链路的时候将信道分成三个部分：光源到墙壁、墙壁到墙壁、墙壁到接收机，每一个部分都用矩阵的形式表示，直观的表示了光信号在室内发生反射时受室内环境影响的情况。并且实现了信道环境的重复利用提高了计算效率。
（5）系统地分析了在室内照明通信系统中多径效应的产生，包括直射视距链路中不同光源到信号接收机的光路径不一致带来的多径效应，信号在室内元素表面发生反射时导致光信号传输路径的不一致带来的多径效应，以及由这两种因素共同作用时带来的多径效应。通过仿真分析了多径效应对系统性能的影响，并提出减小多径效应的方法。
（6）针对我们提出的模型，详细分析系统中噪声的类型和各种噪声的产生原因及对系统的影响程度。在此基础上通过仿真研究了接收机平面的信噪比分布和信道容量，最后分析了该系统的误码率情况。
参考文献
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