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39400字硕士毕业论文室内照明通信系统的数学模型及仿真

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:39400字
论点:通信,室内,照明
论文概述:

本论文首先分析了基于白光 LED 的室内可见光通信发展现状,在此基础上对面临的一些问题提出自己的看法和解决方案。本文分析了白光 LED 的发光特性,从优化节能的角度对常用的 4 个 LED 阵列

论文正文:

第一章导言

1.1室内照明通信概述
现代真正强大的光通信应该是光纤通信。光纤通信长期以来一直是各种通信骨干网的主要传输方式,在接入网中发挥着重要作用。国家提出的“宽带中国”战略和一些地区提出的“光网络城市”都是基于强光纤通信。可以说,光纤通信在信息时代起着非常重要的作用。长期以来,光通信一直是一个未知的巨人。移动通信的巨大发展几乎吸引了所有人的注意力。随着社会的发展,人们要求越来越方便有效的交流方式。在这种情况下,无线光通信以其巨大的优势赢得了研究者的青睐。无线光通信因其信息容量大、安全性强而较早应用于军事和航空航天领域。随着技术的发展和研究的深入,无线光通信已经显示出巨大的商业化潜力。目前,无线光通信主要分为自由空间光通信FSO [1)、室内红外通信和可见光通信VLC(可见光通信),其中可见光通信可分为室内可见光通信和室外可见光通信。随着发光二极管技术的发展,白光发光二极管的制造工艺更加先进。由于其功耗低、污染小、使用寿命长、照明效果好等独特优势,该技术有望在当今日益严峻的能源问题下取代传统照明技术成为未来的主流照明技术。同时,白光发光二极管还具有高速点火的发光特性,因此许多研究者提出了一种利用发光二极管进行数据传输的通信方法。基本思想是通过以人眼无法识别的速度打开和关闭发光二极管来将信息调制到光上,以便发光二极管可以在照明时通信,并且发光二极管被用作室内无线接入局域网的信号发射器。这是一种解决“最后一米”无线接入的新型光通信技术。图1.1显示了在飞机上使用白色发光二极管进行数据通信的场景。

1.2室内照明通信的研究背景和技术优势

1.2.1室内照明通信的研究背景和意义
在现代社会,能源问题是一个非常突出的国际问题。中国是世界上主要的能源消费国。到2011年,中国总发电量为4700.7亿千瓦小时,超过美国,居世界第一。虽然发电量巨大,但总体供电需求仍然相对紧张,我国大部分发电都是通过火力发电,产生大量的二氧化硫、二氧化碳等有害气体,对大气造成严重污染。同时,中国的能源分布非常不均衡,相对稀缺,季节和地区差异非常明显。在春节和夏季等用电高峰期,电力供应无法满足需求。在经济发达的东南沿海、江浙两省,缺电更加严重,电力已成为制约经济发展的重要因素。2011年,中国照明用电超过4100亿千瓦时,相当于英国一年的用电量。因此,如果照明效率能够提高,将对中国的能源利用产生巨大的积极影响。与传统白炽灯和荧光灯相比,白光发光二极管在节能方面具有明显优势。同时,它为高速宽带光无线接入提供了新的途径,也为缓解[4]无线频谱资源的严重短缺提供了新的解决方案。室内可见光通信是一种新的光无线通信技术。它是基于发光二极管发出的白光。与传统无线射频通信相比,室内可见光通信没有电磁干扰,不占用射频频谱。同时,该技术使用可以照明的白色发光二极管,其发出的光不会对人眼造成任何伤害,而室内红外通信则使用对人眼有害的红外技术。目前广泛使用的照明设备中,白炽灯具有光电转换效率低、功耗高和易破损的特点。荧光灯用荧光粉对人体有害,产生的废气会污染环境,使用寿命短。城市常用的高压钠灯耗电量大,发光效率低,照明效果不理想,因此白色发光二极管是非常适合替代
第二章室内照明通信系统光源优化布局研究的下一代照明。在信息社会,人们对信息的需求和依赖越来越高。然而,在某些特定的场合,由于它们对电磁干扰的敏感性,无法实现信息的无缝覆盖。例如,在医院的一些地区,禁止射频通信,以防止电磁干扰损害病人的健康。为了避免个人手机信号对飞机的通信信号造成干扰,传统的射频通信不能在飞机上使用,因此,我们不能在许多特定环境中使用传统的无线通信手段。这也是我们发展基于白光发光二极管的室内可见光通信的初衷。这种技术不是要取代传统的无线通信技术,而是要实现在许多特定场合无法通过射频通信实现的功能。这项技术是与传统的射频通信一起为人们提供一种实现快速、简单、实时通信的手段。我们将在下面具体介绍这项技术的技术优势。

[5]

在室内可见光通信中,白色发光二极管作为光源应同时用作照明光源和信号发射器进行通信。作为一种新型光源,发光二极管与传统白炽灯、荧光灯等光源相比有其独特的特性,主要包括热特性、电特性和光学特性。在室内VLC系统中,我们关注的是发光二极管的电学和光学特性。电气特性包括伏安特性、直流电压、正向和反向电流以及频率响应等。伏安特性将影响通信系统发射机的发光二极管驱动,而调制特性用于信号的调制和编码。光学特性主要包括光强分布空、光强角分布、峰值波长、显色指数和色温等。其中,对于基于白光发光二极管的室内照明通信,光强空的分布特性尤为重要,主要用于分析通信系统的室内照明布局和通道特性。本节主要讨论了发光二极管的发光特性,研究了室内发光二极管照明系统的优化布局方案。

2.1白光发光二极管的光源特性
在基于白光发光二极管的室内照明通信系统中,光源具有照明和通信双重功能。由于房间和室内设施的大小不同,很难避开没有光线或光线很弱的地方,这些地方也将成为通信的盲区。为了使光源发出的光尽可能地覆盖室内环境,并使室内光强分布尽可能均匀,优化发光二极管阵列的布局尤为重要。同时,我们发展室内可见光通信的原因之一是希望利用发光二极管的节能特性,所以在优化布局时,我们也需要考虑发光二极管的功耗和节能,即使用最少的发光二极管来满足系统的需求。此外,当实现通信时,多个光源会造成多径干扰,减少发光二极管的数量也有利于减少多径干扰的影响。

第三章室内照明通信系统的信道模型.........29
3.1渠道链接表.........29
3.1.1研究对象模型.......29
3.1.2直接视线链接和非直接视线链接.......30
3 . 1 . 3 VLC航道建模方法.........31
3.2直接视线链接.......32
3.2.1直接视线连杆冲击响应的表达方法.........32
3.2.2直接视线链接的仿真分析.......33
3.3 NLOS链路的分析与仿真.........35
3 . 3 . 1 NLOS链路型号........35
3.3.2初级反射的链路特性和模拟.......36
3.3.3二次反射的链路特性和模拟.......40
3.4渠道模型的总体分析.......44
3.4.1完整通信信道模型的矩阵表示........44
3.4.2渠道模型和分析.......45
3.5本章摘要.........47
第四章室内照明通信系统性能分析........48
4.1室内照明通信系统中的多径效应........48
4.1.1系统中多径效应的原因分析........50
4.1.2多径效应对系统性能的影响........50
4.1.3减少多径效应的解决方案......52
4.2系统噪声比和信道容量分析........56 [/BR/] 4.2.1系统噪声的原因及分析........56 [/BR/] 4.2.2强背景光下的系统性能.......58
4.2.3系统信道容量分析........61
4.3系统误码率的研究与仿真.......62
4.4本章摘要.........64
第五章概述和展望.......65
5.1概述.......65
5.2展望.......66

结论

在信息时代,交流和能源是社会生活中不可或缺的重要组成部分。传统通信行业一直是高耗能行业,提高能源利用效率一直是通信者的目标。本文研究的室内照明通信是基于照明用白光发光二极管。众所周知,白光发光二极管具有节能、环保、光电转换效率高、寿命长等特点。它肯定会成为下一代主流照明技术。基于白光发光二极管的室内照明通信是利用发光二极管的光学特性,在发挥照明作用的同时,将信息调制到光信号上,使之成为信息传输的一种手段。本文首先分析了基于白光发光二极管的室内照明通信的发展现状,以及与传统射频通信相比有哪些技术优势。在对常用光源模型优化分析的基础上,提出了一种先进的光源布局模型并进行了仿真。在分析系统信道时,室内可见光通信信道分别分为直接视线链路和非直接视线链路,非直接视线链路中反射的各个部分用矩阵法进行分析。最后,本文分析了信道环境和系统性能,重点讨论了信道中多径效应的产生及其对信道的影响,并提出了解决方案。对接收机平面上的信噪比和误码率变化进行了仿真和分析。具体而言,本文的主要工作如下:
(1)分析单个发光二极管灯的辐射模型,通过仿真研究不同朗伯系数的发光二极管光源发光特性的差异。对四个发光二极管阵列的通用模型进行了仿真和分析。基于节能和优化布局的考虑,提出了四种发光二极管阵列的优化设计方案,并进行了仿真比较。
(2)通过分析发光二极管光源阵列接收面上光照度的分布特征,根据室内房间的几何特征,提出了一种采用光照度补偿方法的光源布局设计方案。首先在满足照明要求方面与传统阵列模型进行比较,然后在优化节能和降低阴影效应方面进行比较,以确定该模型的可行性和先进性。
(3)基于我们设计的模型,分析了室内照明通信的信道环境,分别研究了直接视线链路和非直接视线链路的链路特性,以确定它们对可见光通信系统性能的影响程度。重点分析了非直接视线环节。分别考虑主反射和次反射。通过仿真研究了通道的冲击响应特性。
(4)矩阵方法用于描述我们的渠道环境。在分析非直接视线链接时,通道分为三个部分:光源到墙壁、墙壁到墙壁和墙壁到接收器。每个部分都以矩阵形式表示,直观地显示了光信号在室内反射时对室内环境的影响。此外,实现了信道环境的重用,提高了计算效率。
(5)系统分析了室内照明通信系统中多径效应的产生,包括直接视线链路中从不同光源到信号接收器的光路不一致造成的多径效应,信号在室内元件表面反射时光信号传输路径不一致造成的多径效应,以及两个因素共同作用造成的多径效应。通过仿真分析了多径效应对系统性能的影响,并提出了降低多径效应的方法。
(6)根据我们的模型,详细分析了系统中噪声的类型、各种噪声的产生原因以及对系统的影响程度。在此基础上,通过仿真研究了接收平面的信噪比分布和信道容量。最后,对系统的误码率进行了分析。

参考
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