一种可见光通信系统中信息与能量共同传输的方法技术方案

本申请实施例公开了一种可见光通信系统中信息与能量共同传输的方法。包括：建立点对点SLIPT VLC系统，点对点发射端将点对点传输信号通过一个发光二极管转换为可见光发送给点对点接收端；点对点接收端将可见光通过光电二极管进行点对点信息接收，或通过太阳能电池板进行点对点能量收集。采用前述方法，能够实现同时对SLIPT VLC系统的三个关键性能指标：照明、信息传输和能量收集进行分析。

【技术实现步骤摘要】
一种可见光通信系统中信息与能量共同传输的方法
本申请涉及可见光通信领域，尤其涉及一种可见光通信(visiblelightCommunication，VLC)系统中信息与能量共同传输(simultaneouslightwaveinformationandpowertransfer，SLIPT)的方法。
技术介绍
无线设备的爆炸式增多和对高速数据服务的需求的日益增长给传统无线通信网络带来了巨大的压力，包括但不限于射频频谱(radiofrequency，RF)危机和电池的快速损耗。为解决这一问题，可见光通信(visiblelightCommunication，VLC)系统中信息与能量共同传输(simultaneouslightwaveinformationandpowertransfer，SLIPT)的技术以其巨大的免授权频谱、无电磁干扰、固有安全性好等特点成为室内无线网络的一项有前途的技术。从应用的角度来看，采用SLIPT技术的VLC系统即SLIPTVLC系统，具有同时提供照明、信息传输和能量收集的优点。更具体地说，SLIPTVLC系统的发射端采用低成本的发光二极管(lightemittingdiodes，LEDs)，在一定的光照要求下以可见光的形式进行广播传输，SLIPTVLC系统的接收端采用光电二极管(photodiode，光电二极管)进行接收。此外，为了延长电池寿命，接收器可以从光波中收集能量。因此，SLIPTVLC系统可以在办公室、购物中心、机场、医院、飞机机舱等多种场景下与各种室内物联网(Internetofthings，IoT)协同工作。近年来，人们对SLIPTVLC系统进行了研究。第一方面，人们使用太阳能电池板进行同步信息接收和能量收集，设计了一种光无线通信系统，该系统提供了太阳能电池板的直流模型和交流模型。以及，利用直流偏置、视场(field-of-view，FOV)和能量获取时间，提出了利用一种SLIPT策略来分析收集的能量和服务质量(qualityofservice，QoS)之间的平衡。或者，研究了不同光照条件下的能量采集VLC系统。另一方面，人们使用光电二极管进行信息接收和能量收集。例如，研究混合甚低频射频网络的保密中断概率。以及在双跳(dual-hop)VLC/RF网络的速率最大化方案中，中继通过光电二极管从VLC链路获取能量，然后将数据重新传输到RF链路。尽管SLIPT在射频通信系统中的信号处理得到了广泛的分析，但由于其具有明显的特点，其结果不能直接应用于SLIPTVLC系统。其中一个主要制约因素是VLC系统的平均光功率和峰值光功率必须保证在合理的能量消耗下的实际照明。此外，通过强度调制和直接检测调制技术，VLC系统的信号是非负的实信号。在有限的点集上VLC信道的容量实现分布是离散的，而真实容量不是封闭表达式。此外，经典的具有高斯输入分布的射频香农(Shannon)容量无法准确评价VLC系统的吞吐量性能，因此，现有技术采用了仅考虑平均光功率约束的VLC信道容量的下界。总的来说，目前对SLIPTVLC系统的研究还没有得到很好的讨论，无法同时分析三个关键性能指标：照明、信息传输和能量收集。参考文献：[1]“SiliconPINphotodiodeSFH206K,”http://pdf1.alldatasheetcn.com/datasheet-pdf/view/45619/SIEMENS/SFH206K.html.[2]“Luxeontxextremeefficacyandbestperformance,”http://www.mouser.com/ds/2/602/DS133-542348.pdf.[3]Q.Gao,C.Gong,andZ.Xu,“Jointtransceiverandoffsetdesignforvisiblelightcommunicationswithinput-dependentshotnoise,”IEEETrans.WirelessCommun.,vol.16,no.5,pp.2736–2747,May2017.[4]S.Yao,X.Zhang,H.Qian,andX.Luo,“Jointdimminganddatatransmissionoptimizationformulti-uservisiblelightcommunicationsystem,”IEEEAccess,vol.5,pp.5455–5462,2017.[5]K.Ying,H.Qian,R.J.Baxley,andG.T.Zhou,“MIMOtransceiverdesignindynamic-range-limitedVLCsystems,”IEEEPhoton.Technol.Lett.,vol.28,no.22,pp.2593–2596,Nov.2016.[6]T.FathandH.Haas,“Performancecomparisonofmimotechniquesforopticalwirelesscommunicationsinindoorenvironments,”IEEETrans.Commun.,vol.61,no.2,pp.733–742,Feb.2013.[7]T.Q.Wang,Y.A.Sekercioglu,andJ.Armstrong,“Analysisofanopticalwirelessreceiverusingahemisphericallenswithapplicationinmimovisiblelightcommunications,”J.Lightw.Technol.,vol.31,no.11,pp.1744–1754,Jun.2013.[8]K.Ying,H.Qian,R.J.Baxley,andS.Yao,“JointoptimizationofprecoderandequalizerinMIMOVLCsystems,”IEEEJ.Sel.AreasCommun.,vol.33,no.9,pp.1949–1958,Sep.2015.[9]J.KahnandJ.Barry,“Wirelessinfraredcommunications,”Proc.IEEE,vol.85,no.2,pp.265–298,Feb.1997.[10]S.Ma,R.Yang,H.Li,Z.-L.Dong,H.Gu,andS.Li,“Achievableratewithclosed-formforSISOchannelandbroadcastchannelinvisiblelightcommunicationnetworks,”J.Lightw.Technol.,vol.35,no.14,pp.2778–2787,Jul.2017.[11]Z.Wang,D.Tsonev,S.Videv,andH.Haas,“Towardsself-poweredsolarpanelreceiverforopticalwirelesscommunication,”inProc.IEEEInt.Conf.Commun.(ICC),pp.3348–3353,Jun.2014本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可见光通信系统中信息与能量共同传输的方法，其特征在于，包括：步骤1：建立点对点SLIPT VLC系统，所述点对点SLIPT VLC系统包括点对点发射端和点对点接收端，所述点对点发射端将点对点传输信号通过一个发光二极管转换为可见光，并发送给所述点对点接收端；所述点对点接收端将所述可见光通过光电二极管进行点对点信息接收，或者将所述可见光通过太阳能电池板进行点对点能量收集。

【技术特征摘要】
1.一种可见光通信系统中信息与能量共同传输的方法，其特征在于，包括：步骤1：建立点对点SLIPTVLC系统，所述点对点SLIPTVLC系统包括点对点发射端和点对点接收端，所述点对点发射端将点对点传输信号通过一个发光二极管转换为可见光，并发送给所述点对点接收端；所述点对点接收端将所述可见光通过光电二极管进行点对点信息接收，或者将所述可见光通过太阳能电池板进行点对点能量收集。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1，包括：步骤1.1：计算所述点对点传输信号x：令s表示连续数据符号且的随机实数；s的峰值振幅为-A≤s≤A，s的方差为其中A＞0，ε＞0；所述点对点传输信号x为：其中，g为功率放大器的功率增益，ID为直流偏置；所述功率放大器的功率增益g应满足：所述点对点传输信号x的平均电功率为：所述发光二极管的光通量ΦOT为：ΦOT＝354.286x+27,(4)。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1，包括：步骤1.2：根据所述点对点传输信号x，分析所述点对点SLIPTVLC系统的光照控制：所述点对点SLIPTVLC的光照控制，即光照水平τ、点对点SLIPTVLC系统的平均光功率和最大光功率PT之间的关系：0＜τ≤1；根据式(1)，所述点对点SLIPTVLC系统的平均光功率由所述直流偏置ID决定，即所述功率放大器的功率增益g满足：其中，IH为发光二极管最大允许电流，即4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤1，包括：步骤1.3.1：分析所述点对点接收端的点对点信息接收模块：所述发光二极管与所述光电二极管之间的LoS链路增益h1为：其中，为朗伯指数，φ1/2为发光二极管的半功率半角，d1为发光二极管与光电二极管之间的距离，APD表示光电二极管的探测器面积，φ1为发光二极管到光电二极管的出射角，为发光二极管到光电二极管的入射角，Ψ1表示光电二极管的半视场角；接收信号y为：y＝h1x+z，(9)其中，z表示方差为σ2的零均值高斯噪声；可达速率RSISO为：其中，α和γ是由A和ε确定的参数，σ2为零均值高斯噪声的方差；所述可达速率RSISO的下界通过如下分布得到：其中α，β和γ为下列方程的解：T(A)-T(-A)＝e1+α,(12a)β(eA(β-γA)-e-A(β+γA)-e1+α)＝0,(12b)eA(β-γA)((β-2γA)e-2Aβ-β-2γA)+(β2+2γ)e1+α＝4γ2εe1+α,(12c)其中，5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述步骤1，还包括：步骤1.3.2：分析所述点对点接收端的点对点能量收集模块：发光二极管与太阳能电池板之间的信道增益h2：其中，As表示太阳能电池板的探测器面积，d2为发光二极管与太阳能电池板之间的距离，φ2为发光二极管到太阳能电池板的出射角，为发光二极管到太阳能电池板的入射角，Ψ2表示太阳能电池板的半视场角；太阳能电池板接收到的光通量ΦOR：ΦOR＝h2ΦOT(14)接收到的太阳能电池板照度E为：其中，为发光二极管的相对光谱能量密度，λ为光波波长，θ＝683lm/w，为标准光度函数，Ea表示环境光的照度(W/m2)；利用FOCV方法和MPP跟踪方法，输出电压U和开路电压Uoc近似为：U＝ηUoc,(16)其中，η为一系数，η∈[0.71,0.78]；根据等效电路模型，太阳能电池板的输出电流I为：其中，Iph为光生电流，Is0为饱和暗电流，c1为太阳能电池板系数，Rs为等效串联电阻，Rsh为等效并联电阻，并且太阳能电池板系数qe为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，Jf为二极管的理想因数，Ta为环境温度；所述太阳能电池板的输出电流I近似为：当电路开路，即所述太阳能电池板的输出电流I＝0时，有：所述光生电流Iph与所述接收到的太阳能电池板照度E和所述环境温度Ta成正比：其中，Isc,stc为标准测试状态下的短路电流，即标准测试状态下的照度Estc＝1000W/m2，标准测试状态下的环境温度Ta,stc＝298K时的短路电流，αstc为短路电流温度系数；将式(20)代入式(19b)，得到的所述开路电压Uoc为其中，式(17)中的所述饱和暗电流Is0取决于所述环境温度Ta：其中，Is0,stc为标准测试状态下的暗饱和电流，系数Eg,stc＝1.12eV为标准测试状态下的材料的带隙；当电路短路，即所述输...

【专利技术属性】
技术研发人员：马帅，张凡，赵雨薇，李世银，杜淳，贺阳，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32