基于LED陣列的室內照明通信系統的光源布局分析

張立龍 北方民族大學電氣與信息工程學院

關鍵字:照明通信 光源布局 建模分析 MATLAB仿真

1 引言

隨著照明技術以及光通信技術的迅猛發展，利用LED進行室內照明通信技術便應運而生。與傳統的白熾燈、日光燈相比，LED不僅具有低功耗、長壽命、高亮度、綠色環保等顯著的優點，更具有調制性能好、響應靈敏度高等可喜的優點。利用LED的低功耗等特點可以節約能源實現室內綠色照明，而利用LED的調制性能便可以發出人眼無法感知的高速光脈沖信號實現光信號的發送而實現室內照明通信。

2 室內照明通信系統的光源布局優化

對5m×5m×3m的室內模型下的4個LED陣列采用高度對稱的布局分布,如下圖1示，即取L=0.85m，m=1.7m（m為LED陣列之間的間距以及LED陣列邊緣到房頂邊緣的距離L），光輻射功率分布和光照度分布仿真分別如下圖2和圖3所示。

圖1 4個LED陣列布局圖

圖2 4個LED陣列光功率圖

圖3 4個LED陣列光照度圖

但4個LED陣列布局中，光照度分布圖正中心位置存在光照度峰谷區，為了使室內光照度盡量均勻分布我們改進布局如下圖4所示的5個LED陣列光源布局示意圖，取L=0.85m，m=1.7m，且n=0.8m（其中n為中間的LED陣列到四個墻角的LED陣列距離），對應的光功率和光照度分布仿真分別如下圖5和圖6示。

圖4 5個LED陣列布局圖

圖5 5個LED陣列光功率圖

圖6 5個LED陣列光照度圖

為了同時實現照明和通信的雙重功能，因此光源功率要足夠大，因此我們又考慮9個LED陣列布局成的光源布局如下圖7所示（其中L=0.5m，m=2.4m，n=0.8m）。這樣不僅僅避免了單個大功率的LED造成的發熱問題，還有益于光照度在室內空間內分布更加均勻化。對應的光輻射功率分布和光照度分布仿真分別如下圖8和圖9所示。圖中所示光照度分布極其均衡勻稱，符合照明標準，滿足通信要求。

3 結論與展望

在基于LED可見光的室內照明通信系統中，LED光源既要滿足照明要求又要作為光通信系統的發射源，因此對光源的功率要求和光照度空間布局要求都比較嚴格，本文設計了LED陣列模型即解決了單個LED光源照度不均勻問題又確保了室內空間里的光功率問題，進一步的討論了室內可見光通信LED陣列布局問題，幾種布局模型都滿足室內通信條件符合光照度標準要求。但LED陣列通信系統的時延問題以及多徑效應問題都有待進一步的討論，此外出于節能方面的考慮，我們也可以設計功率補償機制的室內燈光布局方案，以節省LED陣列的個數進而更加節省能源。