室內可見光光源布局的研究進展

李曉鵬，鄭雨薇，祝戰科，柯熙政，

(1.陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000；2.西安理工大學，陜西 西安 710048)

引言

目前，無線頻譜資源匱乏，需要一種更高效、安全的通信方式，而光通信技術因較高的信噪比、調制速率快、良好的保密性等優點逐漸代替了傳統無線通信方式，可見光通信逐步成為熱點?？梢姽馔ㄐ偶夹g能保證照明的同時對信息進行傳輸，并解決寬帶接入和高速數據傳輸等問題[1-6]。

在室內環境下，每個LED可作一個光接入點，一個房間內的多個LED可構成一個光蜂窩無線網絡[7]。由于單個LED覆蓋范圍是有限的，不能滿足室內所有用戶的照明和通信，因此在可見光通信系統中為使光源分配均勻，LED布局變得非常重要。合理的布局可提高傳輸信號的信噪比、降低碼間干擾，對提高數據通信的速率有很大幫助[8]。

1 可見光通信系統

1.1 可見光通信系統原理

在室內可見光通信系統中，利用可見光來進行信息的傳輸，且通常將生活中普遍使用的LED作為光源[9]，圖1為室內可見光通信系統框圖。

圖1 室內可見光通信系統框圖[10]Fig.1 Block diagram of indoor visible light communication system

可見光通信(Visible Light Communication，VLC)系統包括調制、驅動電路、LED、信道、光電檢測、電路放大、均衡器、判決電路等模塊。

信號進行調制轉換成適合傳輸的信號形式給驅動電路。驅動電路的作用是對調制后的信號進行電光轉換，提供適當大小的驅動電流并將其加載到LED光源上。光信號通過室內無線通道進行無線信號的傳輸。光電檢測能夠接收光源發出的可見光信號，并在光照條件下將光信號轉換為電信號，使得信息能夠被識別和處理。

信道特性影響接收視場角和入射光線的入射角度、傳輸功率、光電二極管的接收面積等參數，為保證通信系統穩定，必須對可見光通信的信道模型進行分析。

1.2 可見光通信的信道模型

室內可見光通信系統中LED和接收器的安裝位置、角度各不相同，以下對主要的視距鏈路和非視距鏈路進行說明，圖2為室內可見光信道模型。

圖2 室內可見光通信信道模型[11]Fig.2 Indoor visible light communication channel model

在室內可見光通信系統中，信號進行發射、傳輸和接收這三個過程。但由于室內墻壁、隔板等障礙物的遮擋，發射機發出的信號傳輸到接收機時將通過兩種不同的信道。

光信號從發射機發送后，將直接被接收機接收，這過程沒有受到障礙物的遮擋，將這種信道稱為直視鏈路。直視鏈路的主要優點是有較強的抗干擾性能，其帶寬相對較高，能夠支持高速數據傳輸，但直視鏈路會限制發射機和接收機的位置。還有一些信號不能直接從發射機到達接收機，而是在傳輸過程中受到障礙物的阻礙，這種傳輸信息的信道稱為非直視鏈路。由于非直視鏈路的傳輸路徑較差，接收器必須接收到某一個LED光源所發出的直射光，才能使通信與照明的盲區減少[12]。

因此，如何優化室內可見光通信系統的光源布局，使其既滿足照明又能兼顧通信，達到照明需求的光照度分布，保證需要的接收功率分布成為一個研究熱點。

2 可見光通信光源布局國內外研究進展

研究者們對可見光通信系統中的光源布局進行優化改進，使優化后的布局方式既滿足照度標準又保證了通信的質量。大致的改進方案分為以下幾種：

(1)幾何圖形布局法。

2004年，Komine等[13]提出了一種典型的光源布局，在5 m×5 m×3 m房間內設計一種正方形布局，分析多個LED燈在不同布局方式下的光路徑差異以及室內直視和非直視鏈路的區別。簡單的位置優化不滿足穩定通信的需求，因此引入了多燈源模型。

2006年，Sivabalan等[14]分析了多個LED光源對功率分布以及信道帶寬的影響。在室內使用多個光源時，可獲得均勻的光強分布，其關鍵是光源的位置并且最佳光源位置與室內房間大小成一種對稱關系。2007年，丁德強等[15]提出了室內光通信光源布局和傳輸模型，并分析該系統的布局與接收功率分布關系，通過公式計算直流增益并得出房間內使用4個LED光源的最佳布局。

2012年，Taparugssanagorn等[16]提出了以一種均勻圓形陣列布局的發射源同時發送多個光束，最后匯聚在一起輸出的系統，釆用均勻圓形陣列布局的可調光發射機，以實現更好的信道容量和傳輸性能。

2016年，王麗等[17]在5 m×4 m×3 m室內空間尺寸下提出一種基于房間長寬比例的橢圓布局。根據房間大小合理地布置LED以防止通信系統覆蓋盲區而導致的性能下降。結果表明，橢圓形LED布局能更好地改善通信質量。陳述等[18]在此尺寸下提出一種適合矩形房間的雙紐線型光源布局。結果表明，雙紐線型布局比其他布局的照明均勻率高，確保了通信與照明的均勻性。

2017年，Zhao等[19]在傳統布局的基礎上提出了4+1布局，并對原有布局進行優化，4+1布局方式確保光照均勻性的同時還需兼顧通訊效果。Chen等[20]和Garg等[21]分別給出了四邊形和六邊形LED布局方式來改善室內可見光覆蓋率的問題，但僅考慮了特定環境下的LED位置和數量，并未給出具體位置和布局數量。王加安等[22]設計了一種新的圓形布局方案，即在正方形房間內布局。此方法可以使通信系統能耗降低，并在LED數量最少的情況下，達到最好的通信效果。

2018年，趙黎等[23]以4 m×4 m×3 m的房間為模型，利用光強補償原理，建立單LED陣列式及燈帶的環狀光源布局模型，提出一種環狀光源布局的方案，該方案能在保證光強均勻性的前提下兼顧通信的質量。

2019年，陳潤泉等[24]提出一種方陣+圓環的布局方式，該布局由4個N1×N1方陣和m1個呈圓環排布的LED構成，相比于傳統的方陣布局，在燈源數量上，優化后的布局減少了48個，使用照度均方差最小原則進行功率分配后，均勻度得到提高。

2020年，江曉明等[25]為研究光源不同排列方式下的陣列光源布局，提出了一種環形—角補償的陣列光源布局。此方法可提高接收端的光照度、接收功率和信噪比，同時增強信號質量。

2021年，王加安等[26]提出最小平均方差原則，設計一種圓形布局的方案。在此基礎上，分別采用圓形布局和矩形布局兩種方式模擬接收功率和信噪比分布，為室內可見光通信系統的光源布局提供了一種新的思路。

將上述幾何圖形布局法的研究進展總結見表1。

表1 幾何圖形布局法研究進展

(2)基于智能優化算法的燈源位置優化法。

2009年，曹秒等[27]提出一種改進的粒子群優化算法，有效避免了在粒子數量保持不變的情況下，使算法陷入局部極值且降低優化計算的精度，能有效解決存在多個光源時的布局優化問題。

2015年，傅玉青[28]采用遺傳算法對光源位置進行優化，合理設計適應度函數，優化后接收面上的照度均勻度達到97.4%，均勻度得到提高。

2016年，Krommenacker等[29]建立了一種光源最佳布局的分析模型，采用新型井下定位算法，此算法通過控制光源數量和合理的位置布局來提高位置的準確度。高明光[30]采用模擬退火和遺傳算法相結合的方法對燈源位置進行優化，實現了照明均勻性和通信的穩定。

2017年，Liu等[31]提出利用基因密度遺傳算法來對特定房間進行布局，優化光源位置布局，得到理想的功率分布，此算法可自己完成對光源分布的計算，因此有效避免了人工失誤。

2019年，翟長鑫等[32]提出一種利用人工魚群算法的LED布局優化方案，分別研究了長方形和橢圓形兩種不同的光源布局方式。以最小化接收面功率變化為目標函數，優化LED位置并得到最佳的布局。

2020年，劉紅等[33]提出一種基于多種群遺傳算法的光源布局模型，對LED燈源位置信息進行尋優，優化后的光照均勻度達到91.73%，照度范圍為889 ～1 009 lx，明顯優于傳統遺傳算法下的布局模型。

2021年，Li等[34]提出一種改進的人工蜂群算法來對光源的位置進行優化并對不同規格房間的照明效果進行了比較，對于不規則的房間在沒有一般光源布局的情況下，也能滿足標準照明布局的要求。

2022年，瞿樹鵬等[35]提出一種基于信噪比覆蓋率最大化LED布局的進化算法方案，在一個5 m×4 m×3 m的房間中模擬了多邊形和圓形布局的照明度和信噪比并對光源坐標進行改進從而找到了最優的布局方式。

將上述基于智能優化算法的燈源位置優化法研究進展總結見表2。

表2 燈源位置優化法研究進展

以上光源布局優化方法都是對于光源位置進行優化，雖在一定程度上提高了接收面的光照均勻度，但是通過一些智能優化算法對光源位置進行整體優化會導致找到的位置具有較強的隨機性且燈源的分布不太美觀，實用性較低。因此，通過優化燈源參數或位置與參數協同優化的方法來達到光照均勻度和提高通信質量，以下介紹基于智能優化算法的燈源參數法。

(3)基于智能優化算法的燈源參數優化法。

2012年，Ding等[36]利用定制化的算法控制單個LED照明設備的光功率，在多個場景中動態優化通信層上的信噪比，實現了全漫射室內可見光通信，光照的均勻度得到提高。

2014年，王加文等[37]采用模擬退火算法對圓形和矩形陣列進行優化，構建評價函數并分析影響均勻性的參數。結果表明，陣列最佳半徑與光源個數無關并在目標面上產生了均勻的光源分布。

2015年，陳勇等[38]利用蟻群算法找到了一組功率調節因子，實現了光照度達到照明要求以及接收面的功率均勻性，從而確保多用戶之間通信的公平性。

2018年，Kumawat等[39]通過鯨魚優化算法將房間內的接收功率波動值降至最低，從而獲得最優的LED光源布局。楊明[40]采用蝙蝠算法對各燈源的功率進行優化，同時將此應用在特殊的室內環境中，表明該方法在特殊室內環境下也能達到預期效果。

2019年，楊智群等[41]提出了一種改進蟻群算法的功率優化算法，找到一組功率因子對其進行優化，此方法提高運算效率并且保證了通信環境的穩定性。游春霞等[42]研究了基于位置和功率協同優化的光源布局，采用煙花算法實現光源位置和功率最優分布，使不同用戶能接收到同質量的信號。

2020年，Wang等[43]提出一種改進的人工魚群算法尋找最優燈源布局，此算法可以提高接收光功率的均勻性，優化后的布局有著良好的通信性能且滿足室內照明標準。Zhai等[44]提出基于多種群遺傳算法的LED光源布局，通過優化光源的位置、功率以及角度等參數來解決光照和功率分布不均勻性的問題。

2021年，周旭等[45]提出一種燈源位置和參數聯合的方法，在保持總功率不變的條件下對LED陣列重新布局，利用改進的粒子群優化算法優化每個LED陣列中的參數。該方法在照明的條件下減少了光源布局的總功率。

2022年，Xu等[46]采用遺傳算法優化LED發射器單元布局參數，最大限度地減少3D歸一化定位誤差并提供非均勻矩形結構，降低優化尺寸，與均勻布局相比，此方法可以減少定位誤差。Pei等[47]在一個5 m×4 m×3 m的房間中模擬了多邊形布局和圓形布局的照明和信噪比，通過粒子群算法優化多邊形布局的位置和功率，優化后的照度均勻度和信噪比品質因子得到提高。

2022年，張慧穎等[48]提出了一種基于并行全連接—卷積神經網絡模型的最佳布局方案，利用粒子群優化算法對光源位置、功率、角度等參數進行優化。此方法適用于任意光源個數和特定室內空間尺寸且接收到的信號更均勻，適合實際的室內場景。

將上述基于智能優化算法的燈源參數優化法研究進展總結見表3。

表3 燈源參數優化法研究進展

以上所述是室內可見光光源布局優化的三種方法，光源布局還會對可見光定位帶來一定的影響?？梢姽馐覂榷ㄎ辉跐M足定位精度的要求下，需要提供可靠的照明，以合適的布局設計LED來增加LED的覆蓋區域，可以降低平均定位誤差。

2021年，Guan等[49]提出了一種基于可見光定位(VLP)和同步定位與映射(SLAM)的松耦合多傳感器融合方法，可在LED短缺或停電的情況下提供準確的機器人定位和導航，此方法既兼顧精度、實時性和魯棒性，又彌補了單機傳感器的缺陷，實現更可靠、更魯棒的定位導航。關帥棠[50]研究了基本布局和密集布局模型對定位準確性的影響，通過合理的光源布局來提高室內定位的精度，針對密集布局模型提出一種新型定位技術，能適用于密集光源布局的最小單位。

2022年，Huang等[51]提出一種新的VWR-SLAM系統，與傳統的VLP方法相比，此方法可以節省人力來構建可用LED地圖，降低VLP系統的成本。通過緊耦合的多傳感器融合，解決了全SLAM問題，并在極端情況下提供良好的性能和可靠性。此方法無需LED光源位置信息就能提供魯棒、精確的室內定位。Yang等[52]提出利用單個方形LED對地磁傳感器獲得的地磁角進行校正的可見光定位系統，方形LED可提供位移信息和旋轉信息，有效地校正從地磁傳感器中獲得的地磁角，此方案可將最小觀測LED數目提高為1，并提高了惡劣環境下的魯棒性。

3 可見光通信光源布局分析

3.1 光源布局原則

室內可見光通信采用LED燈等發光二極管作為信號源進行通信，因此在室內可見光通信中，需要合理布局LED以滿足通信需求。室內可見光通信布局應考慮以下幾個方面：(1)光源位置：在VLC系統中，燈具本身就作為光源和通信設備，因此需要將燈具放在最佳位置以實現最好的照明和通信質量；(2)布局均勻性：VLC系統中光源布局需保持均勻性，因此在整個房間內部按照均勻的距離設置多個燈具，并調整各個燈具的亮度，以提高照度均勻性和信號覆蓋范圍；(3)通信障礙物：障礙物對于信號的影響很大，特別是視線被遮擋的地方。因此，需考慮房間內障礙物的位置和數量，尋找最佳的光源布局方案；(4)照明需求：在光源布局時，需考慮房間內照明的需求，建議在保證照明質量的前提下，結合VLC通信技術，充分發揮VLC技術的優點。

3.2 LED陣列光源布局

常見的LED陣列光源布局模型有正方形、六邊形以及圓形。江曉明等[25]對由多個LED燈珠組成不同光源陣列的光照度分布進行了研究，并對其進行改進，得到了光照均勻的LED燈珠排列方式以及最佳間距，根據LED的光照度分布，構建了單個LED與燈珠之間的光照度分布模型，并對該模型進行推導，用于多陣列LED布局的光照度分析。圖3分別為方形、六邊形和圓形陣列光源布局。

圖3 LED陣列光源布局模型[25]Fig.3 LED array light source layout model

為了獲得質量更高的信號，江曉明等基于上述三種陣列布置方法，經過不斷地試驗推導得出：可見光通信系統中的接收面與LED之間的相對位置是固定的，因此可考慮在環形陣列的四個方向上增加一種補償陣列，經過調整形成一種新的布局方式，即環形—角補償陣列光源布局。

3.3 光源布局參數關鍵算法

當在短距離照明場景的條件下進行光源布局時，采用算法設計布局方案會更加的靈活和方便。在對光源布局進行優化時，國內外學者主要運用了以下幾種算法來優化光源布局。

3.3.1 粒子群算法

粒子群算法是一種常用的進化優化算法，如圖4所示。粒子群算法將候選解看成粒子，不斷迭代地搜索最優解，每個粒子會根據自身最優解和整個粒子群最優解來調整自己的速度和位置。粒子群算法具有較好的全局搜索能力和收斂性，已被廣泛應用多目標尋優中。通過不斷的迭代和優化，粒子群算法能夠尋找到問題的最優解，直到達到最大迭代次數為止。文獻[18]中利用此算法來對長方形平面各個LED位置進行尋優，來得到更好的光源布局。

圖4 粒子群算法原理圖[18]Fig.4 Schematic diagram of particle swarm optimization

3.3.2 遺傳算法

圖5為遺傳算法的流程圖。遺傳算法通過對問題空間進行搜索，不斷迭代地搜索解空間，從而逐步尋找到最優解，是一種基于自然演化思想的優化算法。遺傳算法廣泛應用于優化問題，高明光[30]使用此算法來優化系統的光源布局，運用遺傳算法設計，通過優化目標函數得到光照分布最優時的LED芯片坐標。

圖5 遺傳算法流程圖[30]Fig.5 Flowchart of genetic algorithm

3.3.3 蟻群算法

蟻群算法是一種基于螞蟻的覓食行為而發展起來的一種智能優化算法，在解決各種優化問題時具有很高的效率和精度，其優點在于能有效地處理大規模、復雜的優化問題，同時具有很好的全局優化能力。

陳勇等[38]利用蟻群算法的全局尋優能力尋找到一組最優的功率調節因子，其關鍵步驟是對目標函數和狀態轉移概率的選取。楊智群等[41]采用蟻群算法并對此算法進行改進，是一種基于遺傳算法的優化算法。為了進一步提高此算法的收斂性，對強度值進行了動態的調整。在此基礎上，系統的光源布局得到了優化，同時也保證了接收平面光照的均勻性和通信的穩定性。

4 西安理工大學可見光通信光源布局研究

不同的光源布局會影響光源功率的分布，因此必須合理設計光源布局，使室內接收光功率均勻性覆蓋，丁德強[53]優化了光源布局的設計，分析室內某一點的接收功率，并提出一種平面陣列的室內可見光通信系統。

4.1 接收功率分析

接收功率是可見光通信系統光源布局過程中必須考慮的一個參數，決定著可見光通信系統的通信質量。室內某點接收功率如圖6所示。

圖6 室內某點接收功率示意圖[53]Fig.6 Schematic diagram of receiving power at some point in the room

如圖6所示的接收過程，某一點(x，y，z)的接收功率為：

(1)

式中，Ptj為第j個陣列光源的發射總功率；Hj(0)表示第j個陣列光源在點(x，y，z)處的信道直流增益，可以表示為[54]：

(2)

(3)

式中，Ij(x，y，z)是光源陣列發光強度分布；A為光電二極管探測器接收面積；ψ是入射角；Ts(ψ)是光濾波器增益；ψc是接收機視場角；rj為接收機與第j個陣列光源的間距光。聚能器g(ψ)可表示為：

(4)

式中，n表示反射指數。

4.2 光源布局優化設計

在室內VLC系統中，按照不同的房間對LED的布局進行合理的安排以達到最佳的通信效果。結果表明，平面陣列光源比直線陣列光源具有更好的光照均勻性，從而提出一種平面陣列的室內可見光通信系統。

如圖7所示，以一房間為例，其尺寸為L×W×ZH，共設有J只LED陣列光源，設計為球面陣列光源，分析平面z=h上接收率的分布，當接收功率變化最小時，LED光源布局最佳。設LED陣列光源的坐標分別為(X1，Y1)，(X2，Y2)，…，(XJ，YJ)，可得出室內平面z=h上接收功率的均值，即平均接收功率為：

圖7 光源布局示意圖[53]Fig.7 Schematic diagram of light source layout

(5)

式中，pr(x，y)為接收功率值，它在z=h平面上是等概率分布的。S為房間內平面z=h的面積，Ω代表這個區域。

4.3 布局模型仿真分析

為了選擇最優的LED燈的布局，對LED燈的布局與接收功率的關系進行了仿真，仿真參數見表4。

表4 仿真參數[53]

4.3.1 不同白光LED陣列光源個數下的最優布局設計

圖8 接收光功率分布圖[53]Fig.8 Received optical power distribution

由圖8可知，X1和Y1從0 m增大到2 m，接收功率的范圍由小變大，當X1=Y1=1 m時，接收面光功率的分布最均勻，此時的最大值為3.4 dBm，最小值為-1.3 dBm，從而驗證了理論模型的準確性。

4.3.2 白光LED陣列光源設計參數對光強度分布的影響

多陣元光源的陣元分布、陣元光軸極角、陣元個數等關鍵參數的選取，能有效調控光功率的分布，改善光強度的波動。

圖9為球面面陣列光源的室內接收功率分布圖?？梢钥闯?，LED光軸極角對光功率的分布有很大影響，極角越小，光功率的波動以及光功率值就越大。因此在保證光最小功率的前提下，應盡可能選取較大的光軸極角。與2-D陣列光源相比，3-D陣列光源層數與光功率分布波動呈正比[53]。

圖10是在不同的LED陣列單元層間隔和陣元數量下，相對室內的光照強度分布圖。假設多個白光LED陣元發射總功率相等，為單位1，3-D球面面陣列光源設計中每個陣元的發光強度設定為等間距。層間距越大，光強度分布波動越小。但層間距是不能無限大的，因此需合理選擇間距[53]。

圖10 LED陣元層間距與陣元個數對室內光強度分布的影響[53]Fig.10 The effects of layer spacing and number of LED elements on indoor light intensity distribution

5 總結與發展

本文介紹了室內可見光通信系統，對國內外可見光光源布局的研究現狀進行分類、對現有的光源布局和LED燈珠的布局模型進行對比，以及分析布局設計過程中的算法，最后對未來可見光通信和光源布局的發展進行展望。

目前，可見光通信的主要光源是LED燈，其亮度和照射發射角等參數會影響室內照明，同時頻閃特性還會影響光通信的質量以及人眼健康、精神狀態等。因此，未來需進一步改進光源材料、生產工藝以及發光方式等問題；接收端的光學設計、抗干擾算法、多輸入多輸出技術以及更靈敏的接收器等會提高可見光通信系統的通信質量，現階段可見光通信的應用主要集中在室內、車內以及礦井等場景內，這些場景的光源分布對信道特性的影響不可忽視。以下是室內可見光通信系統中光源布局發展趨勢的幾個方面：

(1)多點接入技術。未來室內可見光通信系統將采用多點接入技術，以支持多個用戶同時進行通信。使用多個光源提供覆蓋范圍更廣，可靠性更高的服務，進一步提高通信系統的速率。這需要在室內設置更多的光源，并根據需要分配合適的光源給相應的用戶進行通信。

(2)智能化光源布局。隨著人工智能技術的發展，通過采用機器學習等技術，系統能夠自動優化光源的位置和數量，進行智能化管理和控制，從而實現更高效數據傳輸和通信服務。

(3)可調節光源布局。在室內可見光通信中，光源的亮度和顏色可根據環境變化進行自適應調節，進而實現更高效穩定的通信。未來的光源布局將會考慮這些因素，設計出更加智能化的可調節光源布局。

(4)多功能集成技術?；贚ED光源的室內可見光通信系統將采用更多的創新設計和智能功能。例如，將音頻、視頻和數據處理等功能集成到光源中，通過光譜分析和解調算法在同一光帶內進行多媒體及數據通信。這將為用戶提供更方便的通信服務。

總的來說，未來室內可見光通信中的光源布局將變得更加智能、個性化和靈活，以更好地滿足人們對高速、可靠、安全的通信需求。