民航座艙內(nèi)可見(jiàn)光無(wú)線通信系統(tǒng)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(jiàn)光通信（VLC）的機(jī)載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，本文研究了基于機(jī)艙照明燈的通信系統(tǒng)光源布局，并利用粒子群算法對(duì)光源布局優(yōu)化，使光照明功率滿足通信要求，為VLC在民航的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：可見(jiàn)光通信;粒子群算法;民航座艙內(nèi)光源布局

隨著4G以及5G的普及，手機(jī)等移動(dòng)終端的使用量呈現(xiàn)出爆炸式的增長(zhǎng)，人們對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的需求無(wú)時(shí)無(wú)刻。然而在飛機(jī)上，為了減少無(wú)線信號(hào)對(duì)機(jī)載設(shè)備的干擾保證航空安全，在飛行的過(guò)程中不允許使用各類帶有無(wú)線和射頻等功能模塊的電子設(shè)備，如手機(jī)、電腦等。雖然部分航空公司在飛機(jī)上搭建了區(qū)域無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，但無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的可使用時(shí)間和區(qū)域都有很大的限制，因而基于LED的可見(jiàn)光通信（VLC）成為民航座艙無(wú)線通信的候選方案[1]。VLC系統(tǒng)具有高帶寬、高速率、無(wú)電磁噪聲等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了民航客艙內(nèi)傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的帶寬小、高電磁噪聲等缺點(diǎn)。合理高效的VLC布局是實(shí)現(xiàn)機(jī)艙無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，本文研究基于機(jī)艙照明燈的通信系統(tǒng)光源布局，使光照明功率滿足通信要求。

1 模型建立

飛機(jī)座艙環(huán)境我們以民用航空中使用最普及的波音系列客機(jī)環(huán)境進(jìn)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(dòng)設(shè)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(biāo)函數(shù)即是優(yōu)化該區(qū)域的光照強(qiáng)度，使之滿足照明和通信需求。

在座艙可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中，LED燈作為信號(hào)發(fā)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(nèi)發(fā)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(qiáng)度[3]表示為：

式中It代表平均光輻射強(qiáng)度，即在單位時(shí)間內(nèi)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(shù)。在理想情況下，單一LED燈對(duì)某一水平面的照度貢獻(xiàn)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(huì)形成光的干涉現(xiàn)象，因此多個(gè)LED構(gòu)成陣列時(shí)遵循疊加原理，即總的光照度可表示為：

其中，Ei為每個(gè)LED的光照度，N代表LED燈的總個(gè)數(shù)。結(jié)合我們采用實(shí)際實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，本文中LED發(fā)光芯片的光功率為1W，中心發(fā)光強(qiáng)度為55cd?，F(xiàn)在每個(gè)LED芯片在天花板上的位置由水平方向上（x，y）坐標(biāo)表示，而LED燈光照射方向由（i，j，k）方向向量表示。根據(jù)以上模型，我們可以計(jì)算得出機(jī)載VLC系統(tǒng)中接收平面（小桌板）處的光照度分布，以及光照強(qiáng)度的波動(dòng)。此時(shí)我們研究的問(wèn)題可描述為一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題：優(yōu)化每個(gè)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(nèi)的光強(qiáng)波動(dòng)。

2 仿真算法和結(jié)果

為了符合座艙燈源功率要求，設(shè)定N=20。我們選擇使用粒子群算法求解優(yōu)化問(wèn)題：算法將每個(gè)潛在的LED排布作為一個(gè)種群中的粒子，粒子中包含20個(gè)LED燈的位置信息和照射方向，這些信息構(gòu)成粒子的位置信息。位置信息的每次更新步長(zhǎng)為粒子的速度。在一次迭代中，通過(guò)價(jià)值函數(shù)判斷每個(gè)粒子優(yōu)劣，并根據(jù)當(dāng)前群體最優(yōu)解和個(gè)體最優(yōu)解，確定粒子的速度并更新粒子位置。之后重復(fù)上述過(guò)程直到滿足迭代停止條件。

根據(jù)粒子群算法我們得出燈源排布結(jié)果如圖1示。我們可以看出燈源在小桌板中軸呈現(xiàn)對(duì)稱分布，并且為了降低目標(biāo)區(qū)域光照強(qiáng)度波動(dòng)，光源并沒(méi)有集中在一點(diǎn)。圖2為目標(biāo)區(qū)域的光照強(qiáng)度結(jié)果。

3 結(jié)論

本文針對(duì)基于機(jī)艙照明燈的通信系統(tǒng)光源布局，并利用粒子群算法對(duì)光源布局優(yōu)化，從而在保證桌面整體光強(qiáng)滿足照明和通信標(biāo)準(zhǔn)的條件下，減小桌面范圍內(nèi)的光強(qiáng)波動(dòng)，為民航座艙內(nèi)可見(jiàn)光無(wú)線通信系統(tǒng)提供了一種可行的布局方法。

參考文獻(xiàn)：

[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(jiàn)光通信的機(jī)艙無(wú)線網(wǎng)絡(luò)布局方案研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)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(xiàng)目：天津市級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃（201910059138）

作者簡(jiǎn)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(yáng)人，主要從事航空電子研究。