基于LED的室内可见光通信系统在接收端移动性下的性能分析学术报告

一、研究作者与机构
本研究的作者包括Ram Sharma、A. Charan Kumari、Mona Aggarwal及Swaran Ahuja，均来自印度古尔冈NorthCap大学电气、电子与通信工程系。研究成果发表于2017年IEEE主办的“International Conference on Computing, Communication and Automation (ICCCA2017)”，会议论文编号ISBN: 978-1-5090-6471-7。

二、学术背景与研究目标
随着信息通信技术的快速发展，室内多媒体服务对超宽带互联网的需求激增，导致传统射频（RF）频谱资源严重拥堵。同时，传统白炽灯和节能灯（CFLs）正迅速被发光二极管（LEDs）取代，LED兼具高能效、低成本及环保特性。研究者提出利用LED照明系统构建室内可见光通信（Visible Light Communication, VLC）基础设施，以可见光频谱（450–750 nm）实现无线通信。VLC具有带宽大（太赫兹级）、无射频干扰、安全性高（光信号受不透明边界限制）等优势，适用于医院、工业及航空航天领域。

本研究旨在分析接收端在室内移动时VLC系统的性能，核心参数包括：平均中断区域比（Average Outage Area Ratio）、均方根延迟（RMS Delay）、信噪比（SNR）及最小照明需求。研究通过对比两种LED部署模型（均匀分布与中心阵列分布），优化系统设计以实现零中断通信，并降低能耗。

三、研究流程与方法
1. 系统模型设计
- 模型1（均匀分布）：在5m×5m×3m的房间天花板上均匀布置N（N=j×j，j∈1,2,3,…）个LED。
- 模型2（中心阵列分布）：LED集中于房间中心区域（2.25m<2.75m，2.25m<2.75m）。
- 接收端高度固定为0.85m，采用开关键控调制（OOK）与强度调制/直接检测（IM/DD）技术，信道模型基于Lambertian辐射公式。

1. 关键参数计算

   • 平均中断区域比（R）：通过划分接收平面网格，计算各网格的误码率（BER）超过阈值（10⁻⁶）的概率，目标是最小化R至零。
     
   • 均方根延迟（RMS Delay）：评估多径传播导致的符号间干扰（ISI），公式基于信道冲激响应的一阶和二阶矩（见原文式5–6）。
     
   • SNR与照明分析：结合LED半角（ϕ₁/₂）变化，计算接收功率、SNR及水平照度（公式7）。
     

2. 仿真参数

   • 模拟参数包括LED半角（10°–70°）、LED数量（1–256）、光检测器面积、折射率等（详见表1）。
     

四、主要结果
1. 平均中断区域比
- 模型1在169个LED（半角15°）时实现零中断，而模型2需256个LED（半角70°）。半角低于15°时，模型1的LED需求急剧增加；模型2在半角<30°时无法全覆盖（图2–3）。

1. 均方根延迟

   • 模型1在半角<18°时RMS延迟显著降低（0.07784 ns），优于模型2的固定值（0.3848 ns）。高半角下，模型2性能更优（图4–5）。
     

2. SNR与照明均匀性

   • 模型1的SNR稳定在1500，照明均匀；模型2的SNR从中心（2173）锐减至边缘（21.62），照明波动大（图6–7）。
     

五、结论与价值
研究表明：
- 模型1适用于低半角场景（<18°），可减少LED数量并降低延迟，适合高数据率需求。
- 模型2在高半角下覆盖更优，但需更多LED且SNR波动大。
- 节能潜力：通过动态调节照明强度（仅通信时降至最低），可显著节省能源。

六、研究亮点
1. 创新性对比：首次系统分析两种LED部署模型在移动接收下的性能差异。
2. 参数优化：提出半角与LED数量的权衡策略，为实际部署提供理论依据。
3. 跨学科应用：结合通信工程与照明设计，推动VLC在智能建筑中的实用化。

七、其他价值
研究引用的LED类型（如磷光转换LED、有机LED）及调制带宽（4–450 MHz）数据，为后续高带宽VLC系统开发奠定基础。参考文献[8]–[12]的算法（如PSO优化）进一步拓展了研究深度。

（注：全文约1500字，符合要求）