民航座艙無線通信系統(tǒng)布局研究

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摘要:基于LED的可見光通信(VLC)的機(jī)載無線網(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)等移動終端的使用量呈現(xiàn)出爆炸式的增長，人們對互聯(lián)網(wǎng)的需求無時(shí)無刻。然而在飛機(jī)上，為了減少無線信號對機(jī)載設(shè)備的干擾保證航空安全，在飛行的過程中不允許使用各類帶有無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)域無線網(wǎng)絡(luò)，但無線網(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的可見光通信(VLC)成為民航座艙無線通信的候選方案［1］。VLC系統(tǒng)具有高帶寬、高速率、無電磁噪聲等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了民航客艙內(nèi)傳統(tǒng)無線網(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。在座艙可見光通信系統(tǒng)中，LED燈作為信號發(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。此時(shí)我們研究的問題可描述為一個(gè)優(yōu)化問題: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。

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為粒子的速度。在一次迭代中，通過價(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)對稱分布，并且為了降低目標(biāo)區(qū)域光照強(qiáng)度波動，光源并沒有集中在一點(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，為民航座艙內(nèi)可見光無線通信系統(tǒng)提供了一種可行的布局方法。

參考文獻(xiàn):

［2］隋明錚，夏子賢，朱文龍，沈建華．基于可見光通信的機(jī)艙無線網(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．

作者：馬一鳴 段明銘 郝祥印 馬世耀 單位：中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院