民航座艙內可見光無線通信系統的布局研究

馬一鳴 段明銘 郝祥印 馬世耀

摘?要：基于LED的可見光通信（VLC）的機載無線網絡是當前研究的熱點，本文研究了基于機艙照明燈的通信系統光源布局，并利用粒子群算法對光源布局優化，使光照明功率滿足通信要求，為VLC在民航的應用提供參考。

關鍵詞：可見光通信;粒子群算法;民航座艙內光源布局

隨著4G以及5G的普及，手機等移動終端的使用量呈現出爆炸式的增長，人們對互聯網的需求無時無刻。然而在飛機上，為了減少無線信號對機載設備的干擾保證航空安全，在飛行的過程中不允許使用各類帶有無線和射頻等功能模塊的電子設備，如手機、電腦等。雖然部分航空公司在飛機上搭建了區域無線網絡，但無線網絡的可使用時間和區域都有很大的限制，因而基于LED的可見光通信（VLC）成為民航座艙無線通信的候選方案[1]。VLC系統具有高帶寬、高速率、無電磁噪聲等優點，彌補了民航客艙內傳統無線網絡的帶寬小、高電磁噪聲等缺點。合理高效的VLC布局是實現機艙無線通信網絡的基礎，本文研究基于機艙照明燈的通信系統光源布局，使光照明功率滿足通信要求。

1 模型建立

飛機座艙環境我們以民用航空中使用最普及的波音系列客機環境進行建模[2]，兩椅之間距離為75cm，椅背傾角為15°至38°，前排座椅背面放下的小桌板為乘客手持移動設備的工作平面，天花板距小桌板距離為85cm，而小桌板的尺寸為40×24cm2。因此，模型的目標函數即是優化該區域的光照強度，使之滿足照明和通信需求。

在座艙可見光通信系統中，LED燈作為信號發射源，LED光源輻射滿足朗伯模式，即理想漫反射源單位表面積向指定方向立體角內發射的輻射通量和該指向方向與表面法線夾角的余弦成正比，輻射強度[3]表示為：

式中It代表平均光輻射強度，即在單位時間內輻射出的光功率，φ表示輻射光線與LED燈珠方向的夾角，m代表輻射階數。在理想情況下，單一LED燈對某一水平面的照度貢獻可表示為：

式中，D代表照射距離。由于白光LED是一種非相干光源，不會形成光的干涉現象，因此多個LED構成陣列時遵循疊加原理，即總的光照度可表示為：

其中，Ei為每個LED的光照度，N代表LED燈的總個數。結合我們采用實際實驗系統，本文中LED發光芯片的光功率為1W，中心發光強度為55cd。現在每個LED芯片在天花板上的位置由水平方向上（x，y）坐標表示，而LED燈光照射方向由（i，j，k）方向向量表示。根據以上模型，我們可以計算得出機載VLC系統中接收平面（小桌板）處的光照度分布，以及光照強度的波動。此時我們研究的問題可描述為一個優化問題：優化每個LED燈位置和照射方向，以最大化接收平面處的光照度和最小化接收平面范圍內的光強波動。

2 仿真算法和結果

為了符合座艙燈源功率要求，設定N=20。我們選擇使用粒子群算法求解優化問題：算法將每個潛在的LED排布作為一個種群中的粒子，粒子中包含20個LED燈的位置信息和照射方向，這些信息構成粒子的位置信息。位置信息的每次更新步長為粒子的速度。在一次迭代中，通過價值函數判斷每個粒子優劣，并根據當前群體最優解和個體最優解，確定粒子的速度并更新粒子位置。之后重復上述過程直到滿足迭代停止條件。

根據粒子群算法我們得出燈源排布結果如圖1示。我們可以看出燈源在小桌板中軸呈現對稱分布，并且為了降低目標區域光照強度波動，光源并沒有集中在一點。圖2為目標區域的光照強度結果。

3 結論

本文針對基于機艙照明燈的通信系統光源布局，并利用粒子群算法對光源布局優化，從而在保證桌面整體光強滿足照明和通信標準的條件下，減小桌面范圍內的光強波動，為民航座艙內可見光無線通信系統提供了一種可行的布局方法。

參考文獻：

[1]K.Werfli et al.，"Experimental Demonstration of High-Speed 4×4 Imaging Multi-CAP MIMO Visible Light Communications，" in Journal of Lightwave Technology，vol.36，no.10，pp.1944-1951，2018.

[2]隋明錚，夏子賢，朱文龍，沈建華.基于可見光通信的機艙無線網絡布局方案研究[J].計算機技術與發展，2015，25（03）：228-233.

[3]Ding，Z.Huang et al.The Analysis of Optical Wireless Communications Using Infrared and Visible Light，in International Conference on Green Communications and Networks（ICTON2009），2009.

項目：天津市級大學生創新創業計劃（201910059138）

作者簡介：馬一鳴，男，漢族，河北石家莊人，主要從事航空電子研究;段明銘，男，漢族，山東聊城人，主要從事航空電子研究;郝祥印，男，漢族，河北辛集人，主要從事航空電子研究;馬世耀，男，漢族，河南洛陽人，主要從事航空電子研究。