空間飛行器中可見(jiàn)光通信系統(tǒng)布局及性能分析

路國(guó)祥

摘 要：傳統(tǒng)的室內(nèi)可見(jiàn)光通信研究考慮的場(chǎng)景規(guī)則比較固定，比如選用5×5×3的房間模型。為豐富可見(jiàn)光通信的利用場(chǎng)景，更加貼合實(shí)際需要，建立空間飛行器非規(guī)則場(chǎng)景，考慮長(zhǎng)度的變化以滿足不同的需要。為節(jié)省能量，通過(guò)遺傳算法優(yōu)化燈源布局，動(dòng)態(tài)分析燈源數(shù)目、每個(gè)燈珠功率與飛行器長(zhǎng)度之間的關(guān)系，以尋求合適方案。以往研究中每個(gè)燈珠功率通常為0.02W，當(dāng)長(zhǎng)度變化時(shí)就要增加燈源數(shù)目但可能造成資源浪費(fèi)。如長(zhǎng)度為5m，每只燈珠功率為0.02W時(shí)，所需功率為360W，但信噪比有效區(qū)域只有88.32%，不能滿足需求。新方法不需要增加燈源數(shù)目，只需將燈珠功率調(diào)整為0.022W，所需功率即為316.8W，相比之下節(jié)省12%的功率，有效節(jié)省了能量，避免了能量浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：可見(jiàn)光通信;空間飛行器;通信系統(tǒng)布局;遺傳算法

DOI：10. 11907/rjdk. 202175????????????????????????????????????????????????????????????????? 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7800（2020）011-0178-06

Layout and Performance Analysis of Visible Light Communication System

in Spacecraft

LU Guo-xiang

（College of Telecommunication & Information Engineering， Nanjing University of Posts and Telecommunications，

Nanjing 210003， China）

Abstract： In the traditional indoor visible light communication research， the scenarios considered are relatively fixed， compared with the room model of 5*5*3. In order to enrich the utilization scene of visible light communication and meet the practical needs， the scene established in this paper is an irregular scene such as a space vehicle， and the change of length is considered to meet different needs. In order to save energy， the layout of lamp source is optimized by genetic algorithm， and the relationship between the number of lamp source， the power of each lamp bead and the length of aircraft is dynamically analyzed to find a suitable scheme. For previous studies， usually the power of each lamp bead is 0.02 W， when the length changes， it is possible to waste resources only by increasing the number of lamp sources. In previous studies， the power of each lamp bead is 0.02w. When the length changes， we can only increase the number of light sources， which may cause waste of resources. For example， when the length is 5 meters and the power of each lamp bead is 0.02w， if only increasing the number of light sources， the required power is 360W， but the effective area of signal-to-noise ratio is only 88.32%， which can not meet the demand. The new method does not need to increase the number of lamp sources， and only needs to adjust the lamp bead power to 0.022w， and the required power is 316.8w， which saves 12% power. Therefore， the analysis method in this paper can effectively save energy and avoid energy waste.

Key Words： VLC; spacecraft; communication system layout;genetic algorithm

0 引言

可見(jiàn)光通信（Visible Light Communication，VLC）完美地將光通信技術(shù)和越來(lái)越成熟的半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合，具有安全性可靠性高、電磁干擾小、綠色環(huán)保、可利用帶寬資源豐富、能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，是無(wú)線通信領(lǐng)域研究熱點(diǎn)[1-2]。早在21世紀(jì)初，可見(jiàn)光通信系統(tǒng)模型就由Tanaka等[3]科學(xué)家提出，正是這些模型有力驗(yàn)證了白光 LED（Light Emitting Diode）燈可作為可見(jiàn)光系統(tǒng)通信設(shè)備。

2004 年，Komine等[4]研究了室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中布局多光源情況下可見(jiàn)光通信系統(tǒng)性能。后續(xù) “四燈模型”一直是經(jīng)典的室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)布局方案。美中不足的是這種經(jīng)典的布局模型有很大局限性，它要求房間具有高度對(duì)稱性。然而現(xiàn)實(shí)生活中房間不像正方形那樣具有高度對(duì)稱性，這是研究中沒(méi)有考慮到的。因此，可在此基礎(chǔ)上更加深入地對(duì)非高度對(duì)稱房間進(jìn)行研究。

2011年，光通信領(lǐng)域科學(xué)家Lee等[5]通過(guò)對(duì)多次反射下的沖激響應(yīng)曲線及不同材質(zhì)構(gòu)成不同的墻面反射系數(shù)進(jìn)行分析，深入研究了室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)反射信道。最終依據(jù)前人科學(xué)家研究成果，根據(jù)反射信道公式較為準(zhǔn)確地計(jì)算出經(jīng)過(guò)多次墻面反射之后接收機(jī)所能接收到的總功率[6-7]。

2017 年，一種圓形布局方案由王加安等[8]提出，這種方案可使用較少個(gè)數(shù)的 LED 燈達(dá)到能量損耗最小的效果。同年，趙梓旭等[9]提出一種新的場(chǎng)景，即在特種車內(nèi)對(duì)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出三角形結(jié)構(gòu)等5種光源分布方案

為盡可能避免在房間布局多個(gè)燈源情況下的誤碼，可通過(guò)適當(dāng)調(diào)整燈源的布局位置用更加合理的布局方案提高通信質(zhì)量。在分析室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)性能時(shí)，不僅要求其滿足正常的通信性能要求，還要滿足基本的照明需求。為同時(shí)滿足通信和照明標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于不同的房間模型要選擇合適的燈源布局方案以及每個(gè)燈源的亮度大小。

在室內(nèi)可見(jiàn)光通信研究成果基礎(chǔ)上，本文提出一種新的應(yīng)用場(chǎng)景，即空間飛行器。本文充分考慮了飛行器長(zhǎng)度變化以滿足不同需求，這是一項(xiàng)創(chuàng)新研究。以往研究將燈珠功率固定為0.02W，當(dāng)有效通信區(qū)域過(guò)低時(shí)會(huì)采用增加燈源數(shù)量以提升性能，但是這種方式難免造成能量浪費(fèi)。本文通過(guò)增加燈珠功率即可，不需增加燈源數(shù)目，相比之下節(jié)省了能量，能夠更加靈活地分析不同場(chǎng)景需求。

1 系統(tǒng)模型與分析

1.1 空間飛行器模型

圖1為本文研究的空間飛行器模型，它的豎直方向截面是以半徑為2.5m的半圓，該模型借鑒民航飛機(jī)形狀，將其豎直截面一方面是為了便于仿真，另一方面是接近目前大多數(shù)民用飛機(jī)的實(shí)際情況。

以往對(duì)室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)進(jìn)行研究時(shí)，一般房間模型都是固定采用5×5×3的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則形狀，后來(lái)陸續(xù)也有研究長(zhǎng)方形、圓形等，但這些都只是對(duì)房間的頂部形狀進(jìn)行變化，出于對(duì)空間的充分利用考慮，本文采用空間飛行器形狀進(jìn)行研究。

1.2 室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)無(wú)線信道模型

空間飛行器建立的模型豎直截面是半徑為2.5m的半圓，長(zhǎng)度從5m開(kāi)始，依次以1m或2m的間隔增加。當(dāng)空間飛行器長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，研究燈源數(shù)目與布局方式的變化與空間飛行器長(zhǎng)度之間的關(guān)系。每只LED燈源由3 600（60×60）個(gè)燈珠構(gòu)成，每個(gè)燈珠的功率從20mW開(kāi)始，在性能不佳的情況下對(duì)燈珠功率進(jìn)行調(diào)整，直到性能滿足要求。

在室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中，不管燈源以什么樣的方式布局，都要滿足基本的通信和照明要求[10]。通信標(biāo)準(zhǔn)主要體現(xiàn)在室內(nèi)接收點(diǎn)的接收功率，更準(zhǔn)確地說(shuō)是信噪比能否達(dá)到通信標(biāo)準(zhǔn)，照明標(biāo)準(zhǔn)主要體現(xiàn)在光照度方面。每個(gè)燈源布局相互獨(dú)立，在仿真環(huán)境下每個(gè)接收點(diǎn)的接收功率和光照度可以依據(jù)公式準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)。

對(duì)任一接收點(diǎn)其接收功率既有直射鏈路部分，也有反射鏈路部分。直射鏈路下信道增益計(jì)算公式如下[11]：

H0=APD2πd02（m+1）cosm（α）Ts（β）g（β）cos（β），0≤β≤ψ0，β>ψ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，APD為每個(gè)接收機(jī)的接收表面面積;m為光源的方向性，術(shù)語(yǔ)上稱之為郎伯輻射指數(shù);d0為燈源到接收點(diǎn)處的直射距離;α為光源的輻照角度，指燈源的發(fā)射光線與燈源所在位置法線之間的夾角;β為接收點(diǎn)處的入射角，指接收點(diǎn)處的光線與接收點(diǎn)所在位置法線的夾角;Ts為光濾波器的增益，g為光匯聚器增益，ψ表示接收機(jī)的視場(chǎng)角，當(dāng)接收點(diǎn)處的入射角大于視場(chǎng)角時(shí)，信號(hào)無(wú)法接收。

光線墻面反射的影響不可忽視，任一接收點(diǎn)處的功率都可看作是直射鏈路和反射鏈路的疊加[6]。接收功率表達(dá)式如下：

P=NLEDPtH0+wPtdHr? ? ? ? ? ? ?（2）

其中，NLED為空間飛行器內(nèi)燈源的總數(shù)目，Pt為每只LED燈源的發(fā)射功率，H0為直射鏈路信道增益，w是全部的反射面，dHr表示的則是反射鏈路的反射增益。

因此，信噪比計(jì)算公式如下：

SNR=γ2P2rSignalσ2shot+σ2thermal? ? ? ? ? ? ? ? （3）

其中，γ為光電轉(zhuǎn)換效率。在仿真中將其值設(shè)為0.53A/W，PrSignal為接收信號(hào)功率，σ2shot代表的是散粒噪聲功率，σ2thermal代表的是熱噪聲功率。仿真中為了使信噪比值低于10-6，要確保SNR達(dá)到13.6dB，低于這個(gè)的區(qū)域視為無(wú)效區(qū)域。

燈源布局除了要滿足空間飛行器的通信要求，還要滿足最基本的照明要求。在仿真過(guò)程中，照明性能以光照度這一概念來(lái)衡量。根據(jù)我國(guó)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB50034-2013》，光照度值在300lx-750lx時(shí)[10]，人們工作、生活最為舒適。光照度計(jì)算公式如下：

E=I（0）cosm（α）cos（β）d20? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

其中，I（0）為燈源中心內(nèi)照明亮度，d0為光源到接收點(diǎn)之間的直線距離。

2 遺傳算法

2.1 遺傳算法原理

受到生物進(jìn)化理論影響，遺傳算法將生物進(jìn)化過(guò)程應(yīng)用到尋找最優(yōu)解的搜索過(guò)程中 [12]。在種群初始化之后，種群中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)選擇、交叉和突變進(jìn)化之后，通過(guò)使用適應(yīng)度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對(duì)種群中的個(gè)體進(jìn)行評(píng)判，使得種群整體向著適應(yīng)度更高的方向進(jìn)化。經(jīng)過(guò)若干次迭代之后，最終結(jié)果收斂并得到全局最優(yōu)解[13]。遺傳算法與生物學(xué)中的進(jìn)化理論非常相似，主要步驟有編碼、適應(yīng)度函數(shù)、自然選擇、交叉、突變。

2.2 遺傳算法流程

遺傳算法基本流程如圖2所示。

編碼：每一個(gè)解對(duì)應(yīng)一個(gè)個(gè)體，即對(duì)應(yīng)一種布局方案，0代表不放燈，1代表該位置放燈。

基本流程如下：

（1）初始化種群：隨機(jī)選取N個(gè)個(gè)體，即任意選擇N種布局方案。

（2）評(píng)估適應(yīng)度：使用適應(yīng)度函數(shù)對(duì)種群中的每一個(gè)體進(jìn)行評(píng)價(jià)，判斷每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度優(yōu)劣。

（3）保存精英：選出種群中適應(yīng)度函數(shù)（這里體現(xiàn)為SNR）較高的個(gè)體，數(shù)目為S。繁殖剩下的N-S個(gè)體，產(chǎn)生新一代個(gè)體，以輪盤賭方式選取父體、母體。

（4）父體、母體交叉產(chǎn)生新個(gè)體，從父體和母體中任意選取基因成員產(chǎn)生新個(gè)體。

（5）突變操作：在某個(gè)燈3×3方格中任選一個(gè)位置替換。后代競(jìng)爭(zhēng)：產(chǎn)生多個(gè)子體中最優(yōu)的一個(gè)。

（6）判斷迭代次數(shù)：對(duì)算法的迭代次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果已達(dá)到預(yù)先設(shè)定的迭代次數(shù)則停止迭代，否則返回繼續(xù)迭代。

迭代結(jié)束，選擇種群中最優(yōu)秀的個(gè)體為最優(yōu)解。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真參數(shù)數(shù)值設(shè)置如表1所示[14-15]，這些參數(shù)都是一些固定不變的值，不隨空間飛行器長(zhǎng)度的變化而變化。在仿真過(guò)程中，空間飛行器長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)要選取燈源數(shù)目以及燈珠功率，以達(dá)到滿足照明和通信需求的最小功率，因此長(zhǎng)度和每個(gè)燈珠功率是可變參數(shù)，也是從性能出發(fā)反向選擇的目標(biāo)參數(shù)。

3.2 空間飛行器長(zhǎng)度為5m情況下的仿真分析

以往對(duì)室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)性能進(jìn)行研究分析時(shí)建立的房間經(jīng)典模型為5×5×3，因此本文空間飛行器長(zhǎng)度也為5m。在經(jīng)典的5×5×3模型中采用的是經(jīng)典四燈布局模型，每個(gè)燈珠功率為0.02W，在最優(yōu)布局下光照度有效區(qū)域以及信噪比有效區(qū)域均達(dá)到97%以上[16-17]。

在空間飛行器場(chǎng)景下仍然選取4只燈源，每個(gè)燈珠功率為0.02W，每只燈由60×60個(gè)燈珠組成。在遺傳算法選取最優(yōu)解情況下得到相應(yīng)的最佳布局方式如圖3所示，為該布局方式下燈的位置投影到水平面5×5下的情形。

通過(guò)仿真得到在每個(gè)燈珠功率為0.02W時(shí)長(zhǎng)5m的空間飛行器內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)性能，如圖4、圖5所示。信噪比有效區(qū)域?yàn)?8.32%，光照度有效區(qū)域?yàn)?2.48%。為了滿足正常通信要求，對(duì)任一接收點(diǎn)信噪比需要達(dá)到13.6dB，當(dāng)信噪比大于等于13.6dB時(shí)視為有效通信區(qū)域。同樣為了滿足正常照明需求，信噪比值需要達(dá)到300lx，當(dāng)信噪比值大于等于300lx則視之為有效照明區(qū)域。從圖中可以看出，在空間飛行器四周，尤其在豎直即長(zhǎng)度方向的兩側(cè)容易成為通信盲區(qū)。

由于空間飛行器的特殊結(jié)構(gòu)，實(shí)際上很少會(huì)用到空間飛行器中兩側(cè)的空間，因此在兩側(cè)有一定的通信盲區(qū)可以接受，但具體在兩側(cè)有多大比例的空間暫時(shí)沒(méi)有一個(gè)特定標(biāo)準(zhǔn)。為了定性探究在滿足通信和照明要求下，如何合理選擇燈源數(shù)目以及每個(gè)燈珠功率盡可能小，暫定信噪比和光照度有效區(qū)域?yàn)?0%。即通過(guò)對(duì)燈源數(shù)目以及每個(gè)燈珠功率的調(diào)整使光照度和信噪比有效區(qū)域達(dá)到90%即可。

圖4中信噪比有效區(qū)域只有88.32%，沒(méi)有達(dá)到90%。每次以0.001W的梯度增加燈珠功率，當(dāng)每個(gè)燈珠功率為0.022W時(shí)，信噪比有效區(qū)域剛好達(dá)到90%。因此，在空間飛行器長(zhǎng)度為5m時(shí)選取4只燈源布局，每個(gè)燈珠功率為0.022W，此時(shí)相對(duì)于采取其它數(shù)目燈源以及燈珠功率，其總功率是最小的。

3.3 空間飛行器長(zhǎng)度與燈源數(shù)目以及每個(gè)燈珠功率之間的關(guān)系

以上對(duì)空間飛行器長(zhǎng)度為5m時(shí)進(jìn)行了仿真對(duì)比分析，得到相對(duì)而言較節(jié)省的發(fā)射功率所選取的燈源數(shù)目以及燈珠功率。下面探究當(dāng)空間飛行器長(zhǎng)度逐步增加時(shí)如何合理選取燈源數(shù)目以及燈珠功率。先研究長(zhǎng)度為6m的情況，隨后以每次2m的長(zhǎng)度進(jìn)行遞增，通過(guò)對(duì)燈源數(shù)目以及燈珠功率的調(diào)整進(jìn)行仿真，分析此時(shí)空間飛行器中可見(jiàn)光通信系統(tǒng)性能，即信噪比和光照度在有效區(qū)域內(nèi)。

當(dāng)長(zhǎng)度為6m時(shí)，在滿足通信和照明要求的基礎(chǔ)上盡可能節(jié)省功率，最終通過(guò)仿真對(duì)比分析選取5只燈源，每只燈源功率為0.026W。由于5m時(shí)選取的燈源數(shù)目為4，因此先對(duì)4只燈且燈珠功率為0.022W進(jìn)行布局，此時(shí)最佳布局投影到水平5×6區(qū)間內(nèi)，如圖6（a）所示。信噪比有效區(qū)域和光照度有效區(qū)域分別如圖6（b）和圖6（c）所示，為78.7%和86%，顯然不滿足要求。

先增加一只燈源，燈源數(shù)目調(diào)整為5繼續(xù)進(jìn)行布局，此時(shí)發(fā)現(xiàn)在最優(yōu)情況下其投影如圖7（a）所示，光照度有效區(qū)域如圖7（b）所示，達(dá)到95.9%，而信噪比有效區(qū)域?yàn)?4.2%。接下來(lái)確定燈源數(shù)目為5，繼續(xù)增加燈珠功率，直到增加到0.026W，此時(shí)信噪比有效區(qū)域剛好超過(guò)90%，如圖7（c）所示，為5只燈源下較為節(jié)省功率的方式。如果繼續(xù)嘗試增加燈源，會(huì)發(fā)現(xiàn)總功率都處于增加狀態(tài)。因此得出結(jié)論，在空間飛行器長(zhǎng)度為5m時(shí)選取的燈源數(shù)目為5，燈珠功率為0.026W。

在長(zhǎng)度6m的基礎(chǔ)上繼續(xù)每次增加2m，研究長(zhǎng)度與燈源數(shù)目和燈珠功率的關(guān)系，一直增加到20m，其關(guān)系如表1所示。

3.4 碼間串?dāng)_

當(dāng)信號(hào)速率較高時(shí) （100Mb/s）需考慮碼間串?dāng)_的影響 [18-19]。在多光源系統(tǒng)下，碼間串?dāng)_主要源于反射以及不同光源到同一接收機(jī)距離較大而產(chǎn)生的多徑效應(yīng)。此時(shí)不再以傳統(tǒng)的信噪比評(píng)價(jià)系統(tǒng)的通信性能，而是采用Q因子方式。Q因子被定義為在最佳判決點(diǎn)時(shí)刻信號(hào)與噪聲的比值[20]，在研究過(guò)程中假定“1”和“0”概率相同。其中，Q因子計(jì)算公式如下：

Q=I1-I0σ21-σ20? ? ? ? ? ?（5）

公式（5）中，I1為“1”平均電平，I0為“0”平均電平，σ21和σ20分別為“1”電平、“0”電平標(biāo)準(zhǔn)方差。

Q因子與誤碼率關(guān)系如下：

R=12erfcQ2? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

公式（6）中，R為誤碼率。通過(guò)公式計(jì)算可得出在信號(hào)速率為100Mb/s時(shí)，為使誤碼率低于10-6，Q的值至少要達(dá)到4.8[20]。

當(dāng)使用Q因子作為評(píng)價(jià)通信性能時(shí)，分析方法以及研究方式與采用傳統(tǒng)信噪比方式類似，即接收面Q因子達(dá)到4.8以上視之為有效通信區(qū)域。

4 結(jié)語(yǔ)

本文為可見(jiàn)光通信研究提出了一種新的應(yīng)用場(chǎng)景，即空間飛行器。而在空間飛行中能量有限，通過(guò)對(duì)燈源進(jìn)行合理布局，動(dòng)態(tài)分析空間飛行器長(zhǎng)度與燈源數(shù)目以及每個(gè)燈珠的關(guān)系，以達(dá)到節(jié)省總功率目的，在空間飛行器長(zhǎng)度以及燈源數(shù)目一定時(shí)通過(guò)遺傳算法尋找最優(yōu)布局方式。對(duì)空間飛行器內(nèi)光照以及通信性能進(jìn)行分析，確保在盡可能節(jié)省功率的基礎(chǔ)上達(dá)到通信與照明要求。仿真結(jié)果表明，本文方案比傳統(tǒng)方案更節(jié)省功率，如在飛行器長(zhǎng)度為5m時(shí)可節(jié)省12%的功率。通過(guò)仿真數(shù)據(jù)可以看出，空間飛行器長(zhǎng)度每增加2m，需要增加1～2個(gè)燈源。對(duì)于分析任意長(zhǎng)度的飛行器可快速準(zhǔn)確得出需要的燈源數(shù)目，只需調(diào)整燈珠功率提升性能，通過(guò)對(duì)比選取合適的節(jié)省能量方案。然而本文場(chǎng)景相對(duì)而言還是規(guī)則的，未來(lái)可通過(guò)合適的算法去分析任意不規(guī)則場(chǎng)景下的情況。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）