民航座舱内可见光无线通信系统的布局研究
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摘 要：基于LED的可见光通信（VLC）的机载无线网络是当前研究的热点，本文研究了基于机舱照明灯的通信系统光源布局，并利用粒子群算法对光源布局优化，使光照明功率满足通信要求，为VLC在民航的应用提供参考。
关键词：可见光通信;粒子群算法;民航座舱内光源布局
随着4G以及5G的普及，手机等移动终端的使用量呈现出爆炸式的增长，人们对互联网的需求无时无刻。然而在飞机上，为了减少无线信号对机载设备的干扰保证航空安全，在飞行的过程中不允许使用各类带有无线和射频等功能模块的电子设备，如手机、电脑等。虽然部分航空公司在飞机上搭建了区域无线网络，但无线网络的可使用时间和区域都有很大的限制，因而基于LED的可见光通信（VLC）成为民航座舱无线通信的候选方案[1]。VLC系统具有高带宽、高速率、无电磁噪声等优点，弥补了民航客舱内传统无线网络的带宽小、高电磁噪声等缺点。合理高效的VLC布局是实现机舱无线通信网络的基础，本文研究基于机舱照明灯的通信系统光源布局，使光照明功率满足通信要求。
1 模型建立
飞机座舱环境我们以民用航空中使用最普及的波音系列客机环境进行建模[2]，两椅之间距离为75cm，椅背倾角为15°至38°，前排座椅背面放下的小桌板为乘客手持移动设备的工作平面，天花板距小桌板距离为85cm，而小桌板的尺寸为40×24cm2。因此，模型的目标函数即是优化该区域的光照强度，使之满足照明和通信需求。
在座舱可见光通信系统中，LED灯作为信号发射源，LED光源辐射满足朗伯模式，即理想漫反射源单位表面积向指定方向立体角内发射的辐射通量和该指向方向与表面法线夹角的余弦成正比，辐射强度[3]表示为：
式中It代表平均光辐射强度，即在单位时间内辐射出的光功率，φ表示辐射光线与LED灯珠方向的夹角，m代表辐射阶数。在理想情况下，单一LED灯对某一水平面的照度贡献可表示为：
式中，D代表照射距离。由于白光LED是一种非相干光源，不会形成光的干涉现象，因此多个LED构成阵列时遵循叠加原理，即總的光照度可表示为：
其中，Ei为每个LED的光照度，N代表LED灯的总个数。结合我们采用实际实验系统，本文中LED发光芯片的光功率为1W，中心发光强度为55cd。现在每个LED芯片在天花板上的位置由水平方向上（x，y）坐标表示，而LED灯光照射方向由（i，j，k）方向向量表示。根据以上模型，我们可以计算得出机载VLC系统中接收平面（小桌板）处的光照度分布，以及光照强度的波动。此时我们研究的问题可描述为一个优化问题：优化每个LED灯位置和照射方向，以最大化接收平面处的光照度和最小化接收平面范围内的光强波动。
2 仿真算法和结果
为了符合座舱灯源功率要求，设定N=20。我们选择使用粒子群算法求解优化问题：算法将每个潜在的LED排布作为一个种群中的粒子，粒子中包含20个LED灯的位置信息和照射方向，这些信息构成粒子的位置信息。位置信息的每次更新步长为粒子的速度。在一次迭代中，通过价值函数判断每个粒子优劣，并根据当前群体最优解和个体最优解，确定粒子的速度并更新粒子位置。之后重复上述过程直到满足迭代停止条件。
根据粒子群算法我们得出灯源排布结果如图1示。我们可以看出灯源在小桌板中轴呈现对称分布，并且为了降低目标区域光照强度波动，光源并没有集中在一点。图2为目标区域的光照强度结果。
3 结论
本文针对基于机舱照明灯的通信系统光源布局，并利用粒子群算法对光源布局优化，从而在保证桌面整体光强满足照明和通信标准的条件下，减小桌面范围内的光强波动，为民航座舱内可见光无线通信系统提供了一种可行的布局方法。
参考文献：
[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]隋明铮，夏子贤，朱文龙，沈建华.基于可见光通信的机舱无线网络布局方案研究[J].计算机技术与发展，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.
项目：天津市级大学生创新创业计划（201910059138）
作者简介：马一鸣，男，汉族，河北石家庄人，主要从事航空电子研究;段明铭，男，汉族，山东聊城人，主要从事航空电子研究;郝祥印，男，汉族，河北辛集人，主要从事航空电子研究;马世耀，男，汉族，河南洛阳人，主要从事航空电子研究。
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