空间飞行器中可见光通信系统布局及性能分析

    路国祥

    

    

    

    摘 要：傳统的室内可见光通信研究考虑的场景规则比较固定，比如选用5×5×3的房间模型。为丰富可见光通信的利用场景，更加贴合实际需要，建立空间飞行器非规则场景，考虑长度的变化以满足不同的需要。为节省能量，通过遗传算法优化灯源布局，动态分析灯源数目、每个灯珠功率与飞行器长度之间的关系，以寻求合适方案。以往研究中每个灯珠功率通常为0.02W，当长度变化时就要增加灯源数目但可能造成资源浪费。如长度为5m，每只灯珠功率为0.02W时，所需功率为360W，但信噪比有效区域只有88.32%，不能满足需求。新方法不需要增加灯源数目，只需将灯珠功率调整为0.022W，所需功率即为316.8W，相比之下节省12%的功率，有效节省了能量，避免了能量浪费。

    关键词：可见光通信;空间飞行器;通信系统布局;遗传算法

    DOI：10. 11907/rjdk. 202175????????????????????????????????????????????????????????????????? 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

    中图分类号：TP319 ? 文献标识码：A

    文章编号：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

    可见光通信（Visible Light Communication，VLC）完美地将光通信技术和越来越成熟的半导体技术相结合，具有安全性可靠性高、电磁干扰小、绿色环保、可利用带宽资源丰富、能量转换效率高等特点，是无线通信领域研究热点[1-2]。早在21世纪初，可见光通信系统模型就由Tanaka等[3]科学家提出，正是这些模型有力验证了白光 LED（Light Emitting Diode）灯可作为可见光系统通信设备。

    2004 年，Komine等[4]研究了室内可见光通信系统中布局多光源情况下可见光通信系统性能。后续 “四灯模型”一直是经典的室内可见光通信系统布局方案。美中不足的是这种经典的布局模型有很大局限性，它要求房间具有高度对称性。然而现实生活中房间不像正方形那样具有高度对称性，这是研究中没有考慮到的。因此，可在此基础上更加深入地对非高度对称房间进行研究。

    2011年，光通信领域科学家Lee等[5]通过对多次反射下的冲激响应曲线及不同材质构成不同的墙面反射系数进行分析，深入研究了室内可见光通信系统反射信道。最终依据前人科学家研究成果，根据反射信道公式较为准确地计算出经过多次墙面反射之后接收机所能接收到的总功率[6-7]。

    2017 年，一种圆形布局方案由王加安等[8]提出，这种方案可使用较少个数的 LED 灯达到能量损耗最小的效果。同年，赵梓旭等[9]提出一种新的场景，即在特种车内对可见光通信系统进行分析，提出三角形结构等5种光源分布方案

    为尽可能避免在房间布局多个灯源情况下的误码，可通过适当调整灯源的布局位置用更加合理的布局方案提高通信质量。在分析室内可见光通信系统性能时，不仅要求其满足正常的通信性能要求，还要满足基本的照明需求。为同时满足通信和照明标准，对于不同的房间模型要选择合适的灯源布局方案以及每个灯源的亮度大小。

    在室内可见光通信研究成果基础上，本文提出一种新的应用场景，即空间飞行器。本文充分考虑了飞行器长度变化以满足不同需求，这是一项创新研究。以往研究将灯珠功率固定为0.02W，当有效通信区域过低时会采用增加灯源数量以提升性能，但是这种方式难免造成能量浪费。本文通过增加灯珠功率即可，不需增加灯源数目，相比之下节省了能量，能够更加灵活地分析不同场景需求。

    1 系统模型与分析

    1.1 空间飞行器模型

    图1为本文研究的空间飞行器模型，它的竖直方向截面是以半径为2.5m的半圆，该模型借鉴民航飞机形状，将其竖直截面一方面是为了便于仿真，另一方面是接近目前大多数民用飞机的实际情况。

    以往对室内可见光通信系统进行研究时，一般房间模型都是固定采用5×5×3的标准规则形状，后来陆续也有研究长方形、圆形等，但这些都只是对房间的顶部形状进行变化，出于对空间的充分利用考虑，本文采用空间飞行器形状进行研究。

    1.2 室内可见光通信系统无线信道模型

    空间飞行器建立的模型竖直截面是半径为2.5m的半圆，长度从5m开始，依次以1m或2m的间隔增加。当空间飞行器长度发生变化时，研究灯源数目与布局方式的变化与空间飞行器长度之间的关系。每只LED灯源由3 600（60×60）个灯珠构成，每个灯珠的功率从20mW开始，在性能不佳的情况下对灯珠功率进行调整，直到性能满足要求。

    在室内可见光通信系统中，不管灯源以什么样的方式布局，都要满足基本的通信和照明要求[10]。通信标准主要体现在室内接收点的接收功率，更准确地说是信噪比能否达到通信标准，照明标准主要体现在光照度方面。每个灯源布局相互独立，在仿真环境下每个接收点的接收功率和光照度可以依据公式准确计算出来。

    对任一接收点其接收功率既有直射链路部分，也有反射链路部分。直射链路下信道增益计算公式如下[11]：

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

    其中，APD为每个接收机的接收表面面积;m为光源的方向性，术语上称之为郎伯辐射指数;d0为灯源到接收点处的直射距离;α为光源的辐照角度，指灯源的发射光线与灯源所在位置法线之间的夹角;β为接收点处的入射角，指接收点处的光线与接收点所在位置法线的夹角;Ts为光滤波器的增益，g为光汇聚器增益，ψ表示接收机的视场角，当接收点处的入射角大于视场角时，信号无法接收。

    光线墙面反射的影响不可忽视，任一接收点处的功率都可看作是直射链路和反射链路的叠加[6]。接收功率表达式如下：

    P=NLEDPtH0+wPtdHr? ? ? ? ? ? ?（2）

    其中，NLED为空间飞行器内灯源的总数目，Pt为每只LED灯源的发射功率，H0为直射链路信道增益，w是全部的反射面，dHr表示的则是反射链路的反射增益。

    因此，信噪比计算公式如下：

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

    其中，γ为光电转换效率。在仿真中将其值设为0.53A/W，PrSignal为接收信号功率，σ2shot代表的是散粒噪声功率，σ2thermal代表的是热噪声功率。仿真中为了使信噪比值低于10-6，要确保SNR达到13.6dB，低于这个的区域视为无效区域。

    灯源布局除了要满足空间飞行器的通信要求，还要满足最基本的照明要求。在仿真过程中，照明性能以光照度这一概念来衡量。根据我国《建筑照明设计标准：GB50034-2013》，光照度值在300lx-750lx时[10]，人们工作、生活最为舒适。光照度计算公式如下：

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

    其中，I（0）为灯源中心内照明亮度，d0为光源到接收点之间的直线距离。

    2 遗传算法

    2.1 遗传算法原理

    受到生物进化理论影响，遗传算法将生物进化过程应用到寻找最优解的搜索过程中 [12]。在种群初始化之后，种群中的数据经过选择、交叉和突变进化之后，通过使用适应度评判标准对种群中的个体进行评判，使得种群整体向着适应度更高的方向进化。经过若干次迭代之后，最终结果收敛并得到全局最优解[13]。遗传算法与生物学中的进化理论非常相似，主要步驟有编码、适应度函数、自然选择、交叉、突变。

    2.2 遗传算法流程

    遗传算法基本流程如图2所示。

    编码：每一个解对应一个个体，即对应一种布局方案，0代表不放灯，1代表该位置放灯。

    基本流程如下：

    （1）初始化种群：随机选取N个个体，即任意选择N种布局方案。

    （2）评估适应度：使用适应度函数对种群中的每一个体进行评价，判断每个个体的适应度优劣。

    （3）保存精英：选出种群中适应度函数（这里体现为SNR）较高的个体，数目为S。繁殖剩下的N-S个体，产生新一代个体，以轮盘赌方式选取父体、母体。

    （4）父体、母体交叉产生新个体，从父体和母体中任意选取基因成员产生新个体。

    （5）突变操作：在某个灯3×3方格中任选一个位置替换。后代竞争：产生多个子体中最优的一个。

    （6）判断迭代次数：对算法的迭代次数进行计数，如果已达到预先设定的迭代次数则停止迭代，否则返回继续迭代。

    迭代结束，选择种群中最优秀的个体为最优解。

    3 仿真结果分析

    3.1 仿真参数设置

    仿真参数数值设置如表1所示[14-15]，这些参数都是一些固定不变的值，不随空间飞行器长度的变化而变化。在仿真过程中，空间飞行器长度发生变化时要选取灯源数目以及灯珠功率，以达到满足照明和通信需求的最小功率，因此长度和每个灯珠功率是可变参数，也是从性能出发反向选择的目标参数。

    3.2 空间飞行器长度为5m情况下的仿真分析

    以往对室内可见光通信系统性能进行研究分析时建立的房间经典模型为5×5×3，因此本文空间飞行器长度也为5m。在经典的5×5×3模型中采用的是经典四灯布局模型，每个灯珠功率为0.02W，在最优布局下光照度有效区域以及信噪比有效区域均达到97%以上[16-17]。

    在空间飞行器场景下仍然选取4只灯源，每个灯珠功率为0.02W，每只灯由60×60个灯珠组成。在遗传算法选取最优解情况下得到相应的最佳布局方式如图3所示，为该布局方式下灯的位置投影到水平面5×5下的情形。

    通过仿真得到在每个灯珠功率为0.02W时长5m的空间飞行器内可见光通信系统性能，如图4、图5所示。信噪比有效区域为88.32%，光照度有效区域为92.48%。为了满足正常通信要求，对任一接收点信噪比需要达到13.6dB，当信噪比大于等于13.6dB时视为有效通信区域。同样为了满足正常照明需求，信噪比值需要达到300lx，当信噪比值大于等于300lx则视之为有效照明区域。从图中可以看出，在空间飞行器四周，尤其在竖直即长度方向的两侧容易成为通信盲区。

    由于空间飞行器的特殊结构，实际上很少会用到空间飞行器中两侧的空间，因此在两侧有一定的通信盲区可以接受，但具体在两侧有多大比例的空间暂时没有一个特定标准。为了定性探究在满足通信和照明要求下，如何合理选择灯源数目以及每个灯珠功率尽可能小，暂定信噪比和光照度有效区域为90%。即通过对灯源数目以及每个灯珠功率的调整使光照度和信噪比有效区域达到90%即可。

    图4中信噪比有效区域只有88.32%，没有达到90%。每次以0.001W的梯度增加灯珠功率，当每个灯珠功率为0.022W时，信噪比有效区域刚好达到90%。因此，在空间飞行器长度为5m时选取4只灯源布局，每个灯珠功率为0.022W，此时相对于采取其它数目灯源以及灯珠功率，其总功率是最小的。

    3.3 空间飞行器长度与灯源数目以及每个灯珠功率之间的关系

    以上对空间飞行器长度为5m时进行了仿真对比分析，得到相对而言较节省的发射功率所选取的灯源数目以及灯珠功率。下面探究当空间飞行器长度逐步增加时如何合理选取灯源数目以及灯珠功率。先研究长度为6m的情况，随后以每次2m的长度进行递增，通过对灯源数目以及灯珠功率的调整进行仿真，分析此时空间飞行器中可见光通信系统性能，即信噪比和光照度在有效区域内。

    当长度为6m时，在满足通信和照明要求的基础上尽可能节省功率，最终通过仿真对比分析选取5只灯源，每只灯源功率为0.026W。由于5m时选取的灯源数目为4，因此先对4只灯且灯珠功率为0.022W进行布局，此时最佳布局投影到水平5×6区间内，如图6（a）所示。信噪比有效区域和光照度有效区域分别如图6（b）和图6（c）所示，为78.7%和86%，显然不满足要求。

    先增加一只灯源，灯源数目调整为5继续进行布局，此时发现在最优情况下其投影如图7（a）所示，光照度有效区域如图7（b）所示，达到95.9%，而信噪比有效区域为84.2%。接下来确定灯源数目为5，继续增加灯珠功率，直到增加到0.026W，此时信噪比有效区域刚好超过90%，如图7（c）所示，为5只灯源下较为节省功率的方式。如果继续尝试增加灯源，会发现总功率都处于增加状态。因此得出结论，在空间飞行器长度为5m时选取的灯源数目为5，灯珠功率为0.026W。

    在长度6m的基础上继续每次增加2m，研究长度与灯源数目和灯珠功率的关系，一直增加到20m，其關系如表1所示。

    3.4 码间串扰

    当信号速率较高时 （100Mb/s）需考虑码间串扰的影响 [18-19]。在多光源系统下，码间串扰主要源于反射以及不同光源到同一接收机距离较大而产生的多径效应。此时不再以传统的信噪比评价系统的通信性能，而是采用Q因子方式。Q因子被定义为在最佳判决点时刻信号与噪声的比值[20]，在研究过程中假定“1”和“0”概率相同。其中，Q因子计算公式如下：

    Q=I1-I0σ21-σ20? ? ? ? ? ?（5）

    公式（5）中，I1为“1”平均电平，I0为“0”平均电平，σ21和σ20分别为“1”电平、“0”电平标准方差。

    Q因子与误码率关系如下：

    R=12erfcQ2? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

    公式（6）中，R为误码率。通过公式计算可得出在信号速率为100Mb/s时，为使误码率低于10-6，Q的值至少要达到4.8[20]。

    当使用Q因子作为评价通信性能时，分析方法以及研究方式与采用传统信噪比方式类似，即接收面Q因子达到4.8以上视之为有效通信区域。

    4 结语

    本文为可见光通信研究提出了一种新的应用场景，即空间飞行器。而在空间飞行中能量有限，通过对灯源进行合理布局，动态分析空间飞行器长度与灯源数目以及每个灯珠的关系，以达到节省总功率目的，在空间飞行器长度以及灯源数目一定时通过遗传算法寻找最优布局方式。对空间飞行器内光照以及通信性能进行分析，确保在尽可能节省功率的基础上达到通信与照明要求。仿真结果表明，本文方案比传统方案更节省功率，如在飞行器长度为5m时可节省12%的功率。通过仿真数据可以看出，空间飞行器长度每增加2m，需要增加1～2个灯源。对于分析任意长度的飞行器可快速准确得出需要的灯源数目，只需调整灯珠功率提升性能，通过对比选取合适的节省能量方案。然而本文场景相对而言还是规则的，未来可通过合适的算法去分析任意不规则场景下的情况。

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    （责任编辑：杜能钢）