基于無線可見光通信的室內(nèi)雙向通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湖北省武鋼三中 張熔軒

1.引言

身處在快節(jié)奏的信息時(shí)代，通信，已經(jīng)成為生活中必不可少的單元之一。然而，現(xiàn)在的通信網(wǎng)絡(luò)越來越不能滿足人們對通信服務(wù)的需求。多樣化的通信場景和層出不窮的應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸需求促使人們探索更為先進(jìn)的通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，促進(jìn)了人們在通信技術(shù)上的更新?lián)Q代。

有調(diào)研顯示，人們的通信需求很大一部分發(fā)生在室內(nèi)，因此，想辦法提升室內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的通信容量變得十分關(guān)鍵和緊迫。當(dāng)我們把視線轉(zhuǎn)移到室內(nèi)通信場景中時(shí)，我們不僅僅需要的是現(xiàn)有WIFI網(wǎng)絡(luò)的一枝獨(dú)秀，更需要去尋找更多可以利用的能夠傳遞信息的媒介和頻譜資源，以便分擔(dān)WIFI 的壓力，讓通信技術(shù)更加多樣化，做到更快捷，更簡潔。隨著可見光通信器件的不斷進(jìn)步和可見光通信理論的不斷成熟，基于LED的無線可見光通信逐漸進(jìn)入人們的視野，成為了研究熱點(diǎn)。生活中分布著無處不在的室內(nèi)可見光光源，可見光頻段具有大量的未被開發(fā)使用的無線頻譜資源，因此基于無線可見光通信實(shí)現(xiàn)室內(nèi)超高速數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)實(shí)。

2000年，日本的科研人員首次提出可見光通信概念并進(jìn)行研究，開啟了一個(gè)新的有趣的研究方向[1]。2014年，有科研人員利用多色光LED，配合使用濾光片，在一定距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)了5.6 Gbps的高速通信[2]。當(dāng)然，室內(nèi)無線可見光通信仍然存在若干需要被克服的問題，其中，上行鏈路的實(shí)現(xiàn)是最重要的問題之一。學(xué)術(shù)界有很多上行鏈路的實(shí)現(xiàn)方法，如紅外光、射頻、可見光等[2]，但這些實(shí)現(xiàn)方法傳輸距離有限，與現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用場景脫節(jié)嚴(yán)重，還是處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段。

本研究論文針對無線可見光通信在室內(nèi)應(yīng)用中缺少有效的上行鏈路這個(gè)痛點(diǎn)，結(jié)合其獨(dú)特的應(yīng)用場景，提出一種雙向無線可見光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其創(chuàng)新點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

（1）提出利用基于成像的無線可見光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)上行鏈路，實(shí)現(xiàn)LED的照明、顯示和通信等多種功能的復(fù)用，大大拓展了系統(tǒng)功能和性價(jià)比。

（2）詳細(xì)介紹了系統(tǒng)上下行鏈路的實(shí)現(xiàn)方法，也就是說，在我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，下行鏈路的實(shí)現(xiàn)利用了基于非成像的無線可見光傳輸技術(shù),采用照明LED作為發(fā)射器，采用光電二極管作為接收器，實(shí)現(xiàn)高速下行數(shù)據(jù)傳輸；上行鏈路的實(shí)現(xiàn)利用了基于成像的無線可見光傳輸技術(shù)，采用移動(dòng)終端的LED顯示器作為發(fā)射器，采用攝像頭作為接收器成幀捕捉圖像光信息，打通上行鏈路，保證了雙向通信功能。

（3）深入分析了這種混合式設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合無線可見光通信的應(yīng)用場景，進(jìn)一步突出了該設(shè)計(jì)的合理性和有效性，為產(chǎn)業(yè)界選擇設(shè)計(jì)方案提供了有益的參考。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示為本文所設(shè)計(jì)的室內(nèi)無線可見光通信系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖，與現(xiàn)在的家用WiFi類似，分為接入點(diǎn)和用戶設(shè)備兩種節(jié)點(diǎn)類型。該系統(tǒng)框圖中，接入點(diǎn)與天花板上的照明光源集成在一起，用可見光信號(hào)傳遞從接入點(diǎn)到用戶設(shè)備的可見光下行數(shù)據(jù)，用簡易攝像頭捕捉從用戶設(shè)備傳遞到接入點(diǎn)的可見光上行數(shù)據(jù)；用戶設(shè)備可以是手機(jī)或者平板電腦等設(shè)備，為了實(shí)現(xiàn)雙向可見光通信的功能，用戶設(shè)備需要擴(kuò)展安裝光檢測模塊檢測從接入點(diǎn)發(fā)下來的下行可見光信號(hào)，還需要在LED屏中集成光發(fā)送模塊，用屏幕的背景光向接入點(diǎn)傳輸上行數(shù)據(jù)。下面，我們詳細(xì)介紹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

圖1

2.1 下行鏈路設(shè)計(jì)

下行鏈路的發(fā)送端采用照明用LED燈，要想讓LED燈正常發(fā)光，需要對攜帶信息的已經(jīng)經(jīng)過了編碼和調(diào)制的電信號(hào)進(jìn)一步處理，才能正常驅(qū)動(dòng)LED，將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)發(fā)射出去。首先，使用一種功率放大器，意在將微弱電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，并且希望能放大信號(hào)，驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光。再通過直流偏置器，為交變信號(hào)添加直流偏置，保證亮度，實(shí)現(xiàn)照明通信兩用。最后使用LED發(fā)光二極管傳出，完成整個(gè)下行發(fā)送過程。

下行鏈路的接收端采用PIN光電二極管進(jìn)行感光，PIN光電二極管能將接受到的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的電流信號(hào)，而且PIN光電二極管具有線性度好，接收面積大，造價(jià)低廉等優(yōu)勢。然后經(jīng)跨阻放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并放大，便于后面的數(shù)字信號(hào)處理電路收到具有一定幅度的電壓數(shù)字信號(hào)。為了消除信號(hào)在傳輸過程中產(chǎn)生的畸變，還需要通過一個(gè)高速比較器對信號(hào)進(jìn)行處理，恢復(fù)成規(guī)則的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，交給后面的數(shù)字信號(hào)處理芯片進(jìn)行解調(diào)和解碼，繼而完成下行鏈路的接收過程。

2.2 上行鏈路設(shè)計(jì)

上行鏈路的發(fā)送端復(fù)用移動(dòng)終端的LED顯示器，顯示器在傳輸一幀圖像時(shí)，LED可以很多次閃爍，即LED閃爍頻率遠(yuǎn)高于手機(jī)屏幕一般的成幀速率，將信息調(diào)制在高頻的閃爍中，從而不影響圖像的顯示。圖像顯示不能使用太強(qiáng)烈的光線，因此亮度的限制導(dǎo)致了上行鏈路不會(huì)實(shí)現(xiàn)太高的通信速率，但是對于下行為主的數(shù)據(jù)類型的通信來說，上行鏈路主要用來傳輸數(shù)據(jù)量不大的信令信息、內(nèi)容請求信息、文本交互信息等，屏幕光的亮度所實(shí)現(xiàn)的可見光通信的速率足以滿足上行鏈路的速率需求。

上行鏈路的接收端利用攝像頭捕捉屏幕的高頻閃爍，手機(jī)攝像頭在獲取一幀圖像時(shí)實(shí)際上會(huì)進(jìn)行多次快門曝光[3]，因此利用這一效應(yīng)就能夠抓取LED的高頻閃爍，當(dāng)手機(jī)快門曝光頻率高于LED閃爍頻率時(shí)，能夠無失真地得到LED的閃爍圖像，隨后用數(shù)字信號(hào)處理算法獲取出LED閃爍頻率及傳送的數(shù)據(jù)信息。

3.有益效果評估

本文采用基于成像的無線可見光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶終端的上行通信，配合基于非成像的無線可見光通信下行通信，最終形成了一個(gè)全可見光無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有多種應(yīng)用優(yōu)勢，分析如下：

首先，上下行都為可見光通信，具備可見光通信的所有優(yōu)點(diǎn)：（1）綠色：通信照明兩用，不需要額外的資源，不會(huì)對環(huán)境造成污染，也不會(huì)對人體造成大量危害；（2）高速：不受電磁信號(hào)干擾，頻譜資源豐富，傳輸速度快，效率高；（3）安全：光線不會(huì)穿透墻壁等障礙物，因此對通信內(nèi)容的竊聽比較困難，具有較強(qiáng)的保密性。

其次，下行通信選擇基于非成像的無線可見光通信，可以實(shí)現(xiàn)較高的下行通信速率，保證視頻、VR、AR等數(shù)據(jù)型應(yīng)用的速率需求。移動(dòng)終端中增加光電二極管作為接收元件，功耗較低，避免了基于成像的可見光通信中，使用攝像頭作為接收器耗電過大的問題，保證了移動(dòng)終端的電池使用壽命。

再次，上行通信選擇基于成像的無線可見光通信，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)的傳輸速率有限，但足以滿足上行通信業(yè)務(wù)量的速率需求，與此同時(shí)，復(fù)用移動(dòng)終端常見的LED顯示屏，不需添加其他的發(fā)送裝置，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)照明、顯示、通信的多功能復(fù)用，具有很高的性價(jià)比。

最后，本文設(shè)計(jì)的雙向無線可見光通信系統(tǒng)為全光通信系統(tǒng)，對于一些對射頻電磁干擾比較敏感的特殊場所，比如在手術(shù)室，很多醫(yī)療檢測設(shè)備必須避免受到射頻電磁波信號(hào)的干擾，又比如在飛機(jī)上，射頻信號(hào)會(huì)干擾飛機(jī)的導(dǎo)航信號(hào)，在這些場景下利用全光通信系統(tǒng)可以避免射頻電波的干擾，滿足了這些特殊場景下的通信需求。

4.總結(jié)與討論

本文針對無線可見光通信在室內(nèi)應(yīng)用中缺少有效的上行鏈路這個(gè)痛點(diǎn)，結(jié)合其獨(dú)特的應(yīng)用場景，提出一種雙向無線可見光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用基于成像的無線可見光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)上行鏈路，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)并深入分析了該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，對產(chǎn)業(yè)開發(fā)、技術(shù)演進(jìn)和應(yīng)用具有很好的參考意義。

當(dāng)然，由于研究時(shí)間和論文篇幅的限制，有關(guān)無線可見光通信更多有意思的問題還有待研究解決，如在處于背景光較強(qiáng)或者弱光環(huán)境下時(shí)，保持無線可見光通信性能的研究，用戶終端的移動(dòng)、位置旋轉(zhuǎn)、障礙物遮擋等因素對無線可見光通信系統(tǒng)造成的影響的研究，相鄰發(fā)射器所發(fā)出的無線可見光通信信號(hào)的干擾問題以及經(jīng)過周圍物體反射形成的多徑信號(hào)干擾問題的研究。這些研究問題將作為作者后續(xù)努力的方向，繼續(xù)在這個(gè)前景廣闊的領(lǐng)域深入探索。

[1]曾慶珠.可見光通信的應(yīng)用研究[J].互聯(lián)網(wǎng)天地,2013(08):15-18.

[2]陳泉潤,張濤,鄭偉波,李茹,崔釗.基于白光LED可見光通信的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J].半導(dǎo)體光電,2016,37(04):455-460+476.

[3]鄒鑫.基于Android手機(jī)攝像頭的可見光通信技術(shù)研究[D].大連海事大學(xué),2015.