視覺多輸入輸出光無線通信系統(tǒng)技術(shù)研究

王曉敏，裴志軍

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津300222）

視覺多輸入輸出光無線通信系統(tǒng)技術(shù)研究

王曉敏，裴志軍

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津300222）

傳統(tǒng)的光無線通信受信噪比的限制需要采用非常窄光束來獲得更大的發(fā)射范圍，采用視覺多輸入多輸出光無線技術(shù)，如多路復(fù)用和多樣性可以使移動光無線通信在較大傳輸范圍獲得高數(shù)據(jù)率。本文研究了視覺MIMO信道模型、視覺MIMO信道信號嵌入技術(shù)和基于低秩表示的相機校準(zhǔn)技術(shù)，所得結(jié)論和成果將為未來移動通信的發(fā)展提供一定的參考。

視覺MIMO技術(shù)；信道模型；信道信號嵌入技術(shù)

基于射頻的無線通信和網(wǎng)絡(luò)在過去的幾年中快速發(fā)展，隨著應(yīng)用需要的持續(xù)增加，典型射頻無線通信非視距、無處不在的傳播特性優(yōu)勢也面臨許多挑戰(zhàn)，如在共信道干擾、竊聽、欺騙風(fēng)險等問題上很難滿足某些應(yīng)用對可靠性或安全的苛刻要求。光無線通信可以通過窄光束和視距限制的高指向性發(fā)射來解決這些問題［1-3］。光通信高指向性發(fā)射減少了共信道干擾，改善了空間復(fù)用，并使竊聽者難于探測。近年來半導(dǎo)體技術(shù)不斷發(fā)展，具有功耗低、使用壽命長、尺寸小和綠色環(huán)保等優(yōu)點的照明用發(fā)光二極管正作為下一代固體照明光源逐步取代目前的熒光燈、白熾燈等傳統(tǒng)照明光源［4］，因此可以在發(fā)光二極管照明設(shè)備中加入調(diào)制信號形成可見光無線通信系統(tǒng)。

可見光通信具有不占用頻譜資源、發(fā)射功率高、無處不在、無電磁干擾、節(jié)約能源等優(yōu)點，具有極大的發(fā)展前景。但在實際應(yīng)用中也面臨諸多問題，特別是在移動光無線通信方面，由于信噪比的限制，光無線通信需要非常窄光束以獲得更長的范圍。因發(fā)射和接收均需要非常窄光束和視角，而獲得較大發(fā)射范圍的窄光束光無線通信，在多數(shù)情況下難以實現(xiàn)。因此，除了約10 m短范圍的紅外線發(fā)射，傳統(tǒng)光無線通信常受限于靜止的發(fā)射鏈，任何移動應(yīng)用，由于采用非常窄光束，對于發(fā)射器和接收器，需要昂貴的機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

隨著科技的進步，攝像器件和發(fā)光二極管的應(yīng)用持續(xù)增加，如移動電話、汽車、筆記本電腦、音樂播放器、監(jiān)控系統(tǒng)等，從而產(chǎn)生了令人振奮的挑戰(zhàn)性機遇，構(gòu)建視覺多輸入多輸出（multiple-input multipleoutput，MIMO）光無線通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)。本文主要討論視覺MIMO系統(tǒng)的幾大核心技術(shù)：視覺MIMO信道模型、視覺MIMO信道信號嵌入技術(shù)和視覺MIMO信道發(fā)射器目標(biāo)的探測與跟蹤；并分析了視覺MIMO的發(fā)展趨勢。

1　可見光通信工作原理

1.1可見光通信

可見光通信技術(shù)是一項新興的基于白光二極管，能夠同時實現(xiàn)綠色照明和通信雙重功能的無線光通信技術(shù)。它極大地拓展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面，滿足了某些應(yīng)用對可靠性或安全的苛刻要求，是對現(xiàn)有空間光通信技術(shù)以及射頻技術(shù)的有益補充［7-9］。

傳統(tǒng)的可見光通信系統(tǒng)如圖1所示。單輸入單輸出（single-input single-output，SISO）系統(tǒng)，由單個發(fā)光二極管發(fā)射，通過無線信道，由光電二極管接收器接收。對于光無線信道，光信號頻率相對于沖擊響應(yīng)的變化率非常大，多徑衰減和多普勒頻移可忽略不計。因此接收信號的功率可表示為：

式中：Pt為單個發(fā)光二極管的輸出功率；H為信道直流增益；R為接收器響應(yīng)或光功率到電流轉(zhuǎn)換率。

圖1　SISO通信系統(tǒng)

在實際中，接收信號會受到光信道的噪聲干擾，其中主要是背景光源的閃爍噪，它可以建模為加性高斯過程，單位面積的雙邊功率譜密度為：

式中：q是電子電荷；Pn定量單位面積背景光功率。因此，若接收器采樣率為W，則噪聲功率為：

式中：A為光電二極管面積。因此，SISO通信系統(tǒng)的信噪比為：

式中：k是參數(shù)函數(shù)，與二極管的朗伯輻射模式、輻射角度、視野和接收器光集中增益有關(guān)。

1.2視覺單輸入多輸出

SIMO通信系統(tǒng)如圖2所示。視覺單輸入多輸出（single-input multiple-output，SIMO）通信系統(tǒng)由單個發(fā)光二極管的發(fā)射，通過無線信道，由光電二極管陣列接收器接收。與光電二極管接收器相比其主要差別在于探測面積。

圖2　SIMO通信系統(tǒng)

在視覺SIMO系統(tǒng)中，攝像器件接收器可以選擇光電二極管的子集，有效減少了探測器面積，從而減少噪聲。給定焦距長度f、直徑l的圓形二極管，若相機和發(fā)光二極管之間距離為d，則發(fā)光二極管將在光電二極管陣列上投影形成直徑l′=fl/d的圓。考慮量化效應(yīng)，可假設(shè)形成面積l′2的方形。然而，所獲得的噪聲減少受相機的分辨率限制。當(dāng)二極管從相機移開，投影直徑l′將最終變得比光電二極管尺寸小，相機接收器性能將變得與單個光電探測器（像素尺寸）相似。臨界距離為dc=fl/s，其中s是一個像素的邊長。因此，視覺SIMO系統(tǒng)通信的信噪比（SNRcam）為：

當(dāng)d＜dc時，視覺SIMO系統(tǒng)與視覺SISO系統(tǒng)的信噪比增益為d2；當(dāng)d＞dc時，視覺SIMO系統(tǒng)等效于視覺SISO系統(tǒng)，可通過減少像素尺寸s獲得性能增益。因此，應(yīng)用高采樣率，視覺SIMO系統(tǒng)能夠獲得比視覺SISO系統(tǒng)更高的信噪比，但受幀率限制。給定加性高斯白噪聲模型，依據(jù)香農(nóng)信道容量公式C=Wlog2（1+SNR），比較式（4）和式（5）可以看出：視覺SIMO系統(tǒng)性能優(yōu)于視覺SISO系統(tǒng)，視覺SISO系統(tǒng)的信道容量隨距離增加快速下降，而SIMO系統(tǒng)容量在距離變化時，其變化并不明顯。在移動發(fā)射-接收應(yīng)用場景中，相對于視覺SISO系統(tǒng)，視覺SIMO系統(tǒng)的信噪比增益，即信道容量增益，可以期望顯著增加。對于場景噪聲，視覺SIMO系統(tǒng)僅觀測提取圖像中強發(fā)射器的區(qū)域，從而選擇性消除場景中無關(guān)目標(biāo)的干擾。

1.3視覺MIMO

視覺MIMO采用發(fā)光二極管發(fā)射陣列，進一步增加相機接收系統(tǒng)的信道容量。應(yīng)用視覺MIMO光無線通信，通過相機接收器和發(fā)光二極管發(fā)射陣列，可以克服傳統(tǒng)無線光的發(fā)射范圍限制。相機中的圖像傳感器本質(zhì)上是光電二極管陣列，相機透鏡為每一個光電二極管提供一個不同的窄視野［6］，進而產(chǎn)生龐大數(shù)目的高指向性接收單元，即相機像素。這些接收單元能夠減少干擾和噪聲，因此可以獲得更大的發(fā)射范圍，同時還保持移動通信所需要的寬視野。但視覺MIMO系統(tǒng)受限于接收器的采樣率以及強視距要求。

為解決當(dāng)前相機有限的幀速率，視覺MIMO系統(tǒng)可采用多路并行傳輸方式，多個二極管發(fā)射，多個像素接收。這與射頻MIMO系統(tǒng)概念類似，但具有不同特性。在物理層，視覺MIMO方法需要利用發(fā)射器捕獲和跟蹤信號，這是由于在運動期間信號會被不同的光電二極管捕獲。物理層處理采用計算機視覺或圖像分析技術(shù)，不同于傳統(tǒng)基帶信號處理的方式。在物理層，視覺MIMO的多路傳輸/分集折中依賴于圖像的分辨率，而射頻MIMO系統(tǒng)中多路傳輸/分集折中依賴信道衰落。在媒體訪問控制層，視覺MIMO采用革新的自適應(yīng)信道獲取機理，當(dāng)干擾可以消除時并行發(fā)射，否則分集信道捕獲。由于視距通信運動可能導(dǎo)致斷續(xù)鏈，以及透視相關(guān)的可獲得傳輸率的產(chǎn)生，媒體訪問控制和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議需要新的視覺，以保持跟蹤。

2　視覺MIMO技術(shù)

視覺MIMO主要涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括視覺MIMO信道模型、視覺MIMO信道信號嵌入技術(shù)和基于低秩表示的相機校準(zhǔn)技術(shù)。

2.1視覺MIMO信道模型

對于高數(shù)據(jù)率系統(tǒng)，移動光無線電被限制于非常短范圍。采用視覺MIMO概念，通過相機接收器和光發(fā)射器陣列，移動光無線通信可以在較大傳輸范圍獲得高數(shù)據(jù)率。光發(fā)射陣列的多個發(fā)射單元作為發(fā)射器，相機的像素作為接收器，從而產(chǎn)生視覺MIMO信道。視覺MIMO信道模型如圖3所示，光發(fā)射器由K個發(fā)射元素構(gòu)成，與一個像素陣列的相機通信。視覺MIMO系統(tǒng)的信道模型為：

式中：Y∈RI×J是圖像電流矩陣，每一個元素y（i，j）表示圖像坐標(biāo)（i，j）像素位置的接收電流；xk∈R表示從光發(fā)射陣列的第k個單元發(fā)射的光功率；Hk∈RI×J是光發(fā)射陣列的第k個發(fā)射單元的信道矩陣；元素hk（i，j）表示第k個發(fā)射單元和像素（i，j）之間的信道；N是噪聲矩陣。

圖3　視覺MIMO信道模型

2.2視覺MIMO信道信號嵌入技術(shù)

視覺MIMO光通信系統(tǒng)中，信號嵌入使電子顯示器能夠復(fù)用，以便觀者的視覺觀看與視覺MIMO無線通信信道共存。智能手機用戶將智能電話指向電子布告牌接收進一步的信息，如網(wǎng)站網(wǎng)頁地址。在博物館應(yīng)用中，電子顯示屏可傳輸展覽信息到手機攝像器件，可獲得用戶化的博物館游覽。在高聳建筑內(nèi)，將手機顯示屏指向已存在的監(jiān)控相機接收器，可發(fā)射某人所在的精確位置，用于突發(fā)事件定位。

顯示器用作光發(fā)射陣列LEA時，通過在顯示視頻中嵌入信號，顯示器可同時用作原始顯示目的和通信信道。視覺信道包括從數(shù)字信號i［x，y］到模擬信號i（x，y）的轉(zhuǎn)換，即顯示器光發(fā)射；然后由相機的光敏感陣列轉(zhuǎn)換接收信號，產(chǎn)生數(shù)字信號i?［x，y］。由于圖像形成過程中的測定光度和幾何變換，i［x，y］不等于i?［x，y］。這使得信息隱藏或數(shù)字水印中的一些標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)不適合視覺MIMO的信號嵌入。例如，因為接收和發(fā)射信號的差別，采用LSB作信號隱藏的方法顯然無效。

通過發(fā)射2個擾動信號，強度調(diào)制可以用于隱藏和嵌入信號，

以調(diào)制矩陣M形式表示，

則可以獲得原始信號i和發(fā)射信號s，

2.3視覺MIMO信道發(fā)射器目標(biāo)的探測與跟蹤

不同于單個光電二極管接收器，相機可以靈活選擇接收光發(fā)射單元強信號的像素單元集合。在短距離甚至場景噪聲情況下，相對于單個光電二極管接收器，相機接收器獲得信噪比增益，因此數(shù)據(jù)率增加。由于視覺MIMO系統(tǒng)受限于接收器采樣率，以及強視距要求，視覺MIMO光通信系統(tǒng)可通過光發(fā)射陣列的

多單元發(fā)射，利用多路傳輸或分集獲得數(shù)據(jù)率增益。視覺MIMO信道中，為實現(xiàn)潛在的數(shù)據(jù)率增加，需要識別接收信號的集合，或圖像的哪個域包含發(fā)光二極管發(fā)射器。視覺MIMO信道中，信號接收處理基于圖像分析，發(fā)光二極管發(fā)射器的定位可以應(yīng)用計算機視覺中的識別和跟蹤算法。但這種方法在實際應(yīng)用中也會受到如相機運動、照度變化及背景干擾的影響。

在計算機視覺和模式識別領(lǐng)域，如何對目標(biāo)對象進行準(zhǔn)確有效的描述和表示，直接關(guān)系到系統(tǒng)的性能和準(zhǔn)確性。壓縮感知理論及應(yīng)用的相關(guān)研究表明，稀疏表示是一種頗具吸引力的表示方法。這種稀疏表示往往具有很好的判別特性，對數(shù)據(jù)噪聲具有一定的魯棒性，且對樣本特征缺失部分具有補全功能，而模式識別領(lǐng)域中傳統(tǒng)方法不具有這些特性。因此，基于稀疏表示的動態(tài)場景發(fā)射模式探測跟蹤方法將會成為視覺MIMO中一個有價值的研究方向。

3　視覺MIMO技術(shù)的發(fā)展趨勢

視覺MIMO將通信、網(wǎng)絡(luò)、計算機視覺技術(shù)有機結(jié)合，在物理層、媒體訪問控制層和網(wǎng)絡(luò)層研究領(lǐng)域開辟了新的研究視角，視覺MIMO光無線通信系統(tǒng)擁有廣泛的應(yīng)用前景。

（1）視覺MIMO可應(yīng)用于移動計算領(lǐng)域。在車-車網(wǎng)安全應(yīng)用中，緊急電子剎車燈和協(xié)作碰撞警告要求能夠在高共信道干擾情況下可靠通信；在潛在常密度的高速路場景中，車的位置和動態(tài)信息需要在附近車輛中共享。視覺MIMO的指向和視距發(fā)射能增加空間復(fù)用，減少干擾。

（2）視覺MIMO信道增強的安全性可應(yīng)用于軍事通信。視距要求極大減少了RF通信中固有的潛在竊聽和干擾；信號竊聽源也更容易確定，減少了潛在欺騙信號。通過由相機/監(jiān)視器中繼站構(gòu)成的視覺MIMO信道網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)更大范圍的通信。

（3）在現(xiàn)實環(huán)境中，廣泛存在的液晶顯示器和監(jiān)控攝像器件，為視覺MIMO信道的應(yīng)用提供了大量機會。電子標(biāo)牌液晶顯示器可以具有雙重功能，通過發(fā)射強度調(diào)制的嵌入信號，使觀察者的視覺觀看與視覺MIMO無線通信信道共存；也可采用基于角度的調(diào)制，通過極化方法或數(shù)字微鏡陣列，實現(xiàn)在不同視角獲得不同視覺觀測的目的。

（4）視覺MIMO也可應(yīng)用于計算機視覺領(lǐng)域。采用相機網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生三維場景，需要精確的相機校準(zhǔn)和點對應(yīng)性。相機網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用視覺MIMO協(xié)議傳輸/接收時間模板、識別特征點，獲得非歧義的點對應(yīng)性，實現(xiàn)魯棒的相機校準(zhǔn)。將計算機視覺識別算法和通信協(xié)議相融合，還可以識別已知時間序列通信目標(biāo)。

4　結(jié)束語

應(yīng)用視覺MIMO光無線通信，通過攝像器件接收器和發(fā)光二極管發(fā)射陣列，可以克服傳統(tǒng)無線光的發(fā)射范圍限制。視覺MIMO光無線通信為無線通信系統(tǒng)的研究提供了新的視角。目前，視覺MIMO在通信理論方面還有待進一步研究和完善，隨著人們對光無線通信的進一步研究，視覺MIMO光無線系統(tǒng)將擁有更加廣闊的發(fā)展前景。

［1］張海霞.基于MIMO的未來寬帶無線通信關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．濟南：山東大學(xué)，2008.

［2］姜珊.基于陣列顯示和光學(xué)成像系統(tǒng)的視覺MIMO通信技術(shù)研究［D］．長春：吉林大學(xué)，2015.

［3］眭程樂，肖石林，王強民，等.一種基于可見光通信的高精確度定位系統(tǒng)及其性能分析［J］.光通信技術(shù)，2013（4）：35-38.

［4］AZEVEDO I L，MORGAN M G，MORGAN F.The transition to solid-state lighting［J］.Proceedings of the IEEE，2009，97（3）：481-510.

［5］RAHMAN M S，AZIZAN L A，JUMARI K.Experimental works on short range communication systems using photovoltaic based receiver［J］.Journal of Engineering Appliecl Science，2011（5）：268-276.

［6］HEARLEY D J T，WISEL D R，NEILD I，et al.Optical wireless：The story so far［J］.IEEE Communications，2003（6）：72-82.

［7］KOMINE T，NAKAGAWA M.Integrated system of white LED visible-light communication and power-line communication［J］.IEEE Transaction on Consumer Electronics，2003，49：71-79.

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Mobile optical networks through visual MIMO

WANG Xiao-min，PEI Zhi-jun
（School of Electronic Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

A very narrow beam is used to gain greater scope in traditional optical wireless communication as it is limited by SNR.Using visual multi-input multi-output（MIMO）optical wireless techniques such as multiplexing and diversity can further enhance the data rate in larger transmission range for mobile optical wireless communication.This paper covers a wide range of material from visual MIMO channel model，visual MIMO channel signal embedded technology and camera calibration technique based on low rank representation.The results and conclusions obtained in this thesis can be partial bases for the future wireless communication systems.

visual MIMO technology；channel model；channel signal embedded technology

TN919.72

A

2095－0926（2015）04－0032－04

2015-07-20

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項目（YC14-06）；天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)科研發(fā)展基金項目（KJY1312）.

王曉敏（1988—），女，碩士研究生；裴志軍（1967—），男，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向為信號與信息處理、機器視覺和ASCI設(shè)計.