基于LED阵列的室内照明通信系统的光源布局分析

张立龙 北方民族大学电气与信息工程学院

关键字:照明通信 光源布局 建模分析 MATLAB仿真

1 引言

随着照明技术以及光通信技术的迅猛发展，利用LED进行室内照明通信技术便应运而生。与传统的白炽灯、日光灯相比，LED不仅具有低功耗、长寿命、高亮度、绿色环保等显著的优点，更具有调制性能好、响应灵敏度高等可喜的优点。利用LED的低功耗等特点可以节约能源实现室内绿色照明，而利用LED的调制性能便可以发出人眼无法感知的高速光脉冲信号实现光信号的发送而实现室内照明通信。

2 室内照明通信系统的光源布局优化

对5m×5m×3m的室内模型下的4个LED阵列采用高度对称的布局分布,如下图1示，即取L=0.85m，m=1.7m（m为LED阵列之间的间距以及LED阵列边缘到房顶边缘的距离L），光辐射功率分布和光照度分布仿真分别如下图2和图3所示。

图1 4个LED阵列布局图

图2 4个LED阵列光功率图

图3 4个LED阵列光照度图

但4个LED阵列布局中，光照度分布图正中心位置存在光照度峰谷区，为了使室内光照度尽量均匀分布我们改进布局如下图4所示的5个LED阵列光源布局示意图，取L=0.85m，m=1.7m，且n=0.8m（其中n为中间的LED阵列到四个墙角的LED阵列距离），对应的光功率和光照度分布仿真分别如下图5和图6示。

图4 5个LED阵列布局图

图5 5个LED阵列光功率图

图6 5个LED阵列光照度图

为了同时实现照明和通信的双重功能，因此光源功率要足够大，因此我们又考虑9个LED阵列布局成的光源布局如下图7所示（其中L=0.5m，m=2.4m，n=0.8m）。这样不仅仅避免了单个大功率的LED造成的发热问题，还有益于光照度在室内空间内分布更加均匀化。对应的光辐射功率分布和光照度分布仿真分别如下图8和图9所示。图中所示光照度分布极其均衡匀称，符合照明标准，满足通信要求。

3 结论与展望

在基于LED可见光的室内照明通信系统中，LED光源既要满足照明要求又要作为光通信系统的发射源，因此对光源的功率要求和光照度空间布局要求都比较严格，本文设计了LED阵列模型即解决了单个LED光源照度不均匀问题又确保了室内空间里的光功率问题，进一步的讨论了室内可见光通信LED阵列布局问题，几种布局模型都满足室内通信条件符合光照度标准要求。但LED阵列通信系统的时延问题以及多径效应问题都有待进一步的讨论，此外出于节能方面的考虑，我们也可以设计功率补偿机制的室内灯光布局方案，以节省LED阵列的个数进而更加节省能源。