可見光通信在物聯(lián)網(wǎng)方向的應(yīng)用與方案設(shè)計(jì)

張琪，費(fèi)光榮，朱文真

（湖南中移通信技術(shù)工程有限公司，長沙 410003）

可見光通信在物聯(lián)網(wǎng)方向的應(yīng)用與方案設(shè)計(jì)

張琪，費(fèi)光榮，朱文真

（湖南中移通信技術(shù)工程有限公司，長沙 410003）

本文對可見光通信系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，提出了一個基于MIMO VLC系統(tǒng)的數(shù)字化醫(yī)院物聯(lián)網(wǎng)傳送解決方案。該方案能夠充分利用可見光通信的優(yōu)勢，在數(shù)字化醫(yī)院內(nèi)實(shí)現(xiàn)高速、無電磁干擾以及可靠傳送。

可見光通信；物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)字化醫(yī)院；多輸入多輸出

可見光通信（VLC）是利用LED等可見光源以肉眼感覺不到的高速明暗閃爍來傳輸數(shù)字信息的一種通信方式。VLC作為一種新興的通信方式，與傳統(tǒng)的射頻通信（RF）和其它無線光通信方案相比，具有安全保密性好、發(fā)射功率高、無需無線電頻譜證等優(yōu)點(diǎn)，所以現(xiàn)在逐漸成為無線通信中一個研究熱點(diǎn)。將可見光通信理念應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)，可以充分利用可見光通信的優(yōu)勢，在物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)通信以及室外可見光范圍之內(nèi)通信發(fā)揮巨大的作用。

1 可見光通信在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，在擁有了先進(jìn)的感知技術(shù)以及智能處理技術(shù)的前提之下，物與物之間信息之間的交流還需要得到更加可靠的保證。

物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在面臨的場景主要可以分為兩大類。

（1）高速率、低時延、高可靠性的場景需求，如需要高速率的實(shí)時高清視頻監(jiān)控的醫(yī)院、安防類等設(shè)施；需要低時延的智能交通、智能信號指示等場景。需要高可靠性的智能電網(wǎng)、智能工業(yè)等場景應(yīng)用。

（2）海量連接、低速率、對時延不敏感的場景需求，需要智能家居、智能農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等場景應(yīng)用。

可見光通信相比于其它的傳輸手段，擁有其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢。

（1） 可見光對人體無傷害，發(fā)射功率再高都非常安全。

（2）可以實(shí)現(xiàn)極高的傳輸速率，目前最高速率已經(jīng)可以達(dá)到10Gbit/s。

（3）不產(chǎn)生電磁干擾，可應(yīng)用于對電磁干擾限制嚴(yán)格的機(jī)場、醫(yī)院等場合。

（4）通信安全可靠，保密性強(qiáng)。

（5）發(fā)射功率高，不受限制。無線紅外通信采用的紅外線電磁波對人眼會造成傷害，其發(fā)射功率越高傷害則越大，相比之下，VLC采用的可見光對人體來說非常安全，其發(fā)射功率不受限制。

（6）散射角很大，易實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收。

鑒于可見光通信其自身獨(dú)特的優(yōu)勢，可將其運(yùn)用于未來物聯(lián)網(wǎng)所需的高速率、低時延、高可靠性的場景，如對電磁干擾嚴(yán)格限制的機(jī)場、醫(yī)院，需要低時延、高可靠性的智能交通和水下通信等場景。

2 數(shù)字化醫(yī)院物聯(lián)網(wǎng)傳送方案的可行性分析與設(shè)計(jì)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)院場景需求分析

物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)院主要是采用視頻、音頻、溫度、光感等傳感器，將醫(yī)院中的高清語音、高清圖像、現(xiàn)場環(huán)境等實(shí)時信息進(jìn)行采集后，高速地傳送到醫(yī)院物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，并由醫(yī)院云計(jì)算處理中心進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測、分析、處理病房及手術(shù)室中的現(xiàn)場情況。

醫(yī)院， 尤其是手術(shù)室等區(qū)域儀器儀表繁多，情況復(fù)雜，對電磁波有著嚴(yán)苛的要求，而且由于需要將手術(shù)室內(nèi)的高清影像進(jìn)行實(shí)時的傳送，對數(shù)據(jù)的傳輸速率也有很高的要求（不小于6 Mbit/s）。當(dāng)前如藍(lán)牙、ZigBee、Wi-Fi等傳統(tǒng)的無線傳輸方式，已經(jīng)不能滿足手術(shù)室這種特殊環(huán)境下的嚴(yán)苛要求，而室內(nèi)可見光通信技術(shù)有著不產(chǎn)生電磁干擾、傳輸速率高、可使用MIMO技術(shù)等顯著優(yōu)勢，可以完全滿足手術(shù)室的場景需求。

2.2 MIMO VLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

本文所采用的是可見光成像式接收機(jī)的MIMO系統(tǒng)。如圖1所示，系統(tǒng)采用LED陣列作為發(fā)射端，信號經(jīng)過特定的調(diào)制后加載到LED陣列上，同時以多路光通道的形式發(fā)射出去。信號在傳輸過程中經(jīng)過特定的光學(xué)透鏡，經(jīng)過光電探測器（PIN）接收到的信號還要經(jīng)過放大電路（AMP）對信號進(jìn)行放大，放大后的信號接入DSP進(jìn)行運(yùn)算和處理，最終恢復(fù)出發(fā)射端的原始數(shù)據(jù)。

2.3 MIMO系統(tǒng)接收端恢復(fù)原理

假設(shè)發(fā)送模塊由NT個發(fā)射機(jī)組成，接收模塊由NR個接收機(jī)組成，每個發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號都能被每個接收機(jī)接收到。第i個發(fā)射機(jī)到第j個接收機(jī)之間的增益用hij表示。那么，就能形成用來表示從發(fā)射端到接收端的增益H矩陣，H矩陣如下：

假設(shè)發(fā)射端的信號矩陣為Test，接收端的信號矩陣為R，則R=Test×H，容易推出Test=R×H-1，即只要知道信道H矩陣和接收端的信號矩陣R，通過DSP的相關(guān)運(yùn)算就能求得發(fā)射端的信號矩陣Test。

2.4 MIMO VLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺介紹

圖2構(gòu)建了基于成像式接收機(jī)的4×4 MIMO可見光通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)發(fā)射端由4只Cree XLamp XP-G Q5 型白光LED（每個LED的發(fā)射功率可達(dá)100 mW）照明燈組成，4只白光LED組成一個2×2的60 cm×60 cm的正方形發(fā)光陣列，系統(tǒng)的原始信號由單片機(jī)MSP430進(jìn)行調(diào)制，將原本的串行信號調(diào)制成NRZ-OOK碼的形式從4路發(fā)射端并行發(fā)出，同時以4路光通道的形式發(fā)射出去。而接收端則由成像凸透鏡、探測器陣列、放大電路以及DSP處理器4部分構(gòu)成。成像透鏡使用凸透鏡，其焦距為2.5 cm，直徑為4 cm。探測器陣列由4個BPW34型號的PIN光電探測器組成，探測器陣列的接收面積為1 cm2，相鄰探測器間距為0.1 cm。放大電路采用運(yùn)放LF353進(jìn)行信號放大。DSP則采用Texas Intruments (TI)公司研制的TMS320F28335型浮點(diǎn)DSP。

圖1 成像式接收機(jī)的MIMO系統(tǒng)示意圖

圖2 基于MIMO可見光通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

考察在模擬醫(yī)院手術(shù)室大小的房間（L：7 m；W：7 m；H：2.5 m），處于弱自然光的條件下，系統(tǒng)傳輸速率隨傳輸距離的變化關(guān)系及系統(tǒng)誤碼率隨系統(tǒng)傳輸速率的變化關(guān)系：傳輸距離變化范圍[1，14] m，系統(tǒng)傳輸速率變化范圍[200，500] Mbit/s；實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)傳輸速率隨傳輸距離變化曲線圖

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳輸距離為1 m時，系統(tǒng)傳輸速率可達(dá)到450 Mbit/s左右，隨著傳輸距離的增加，系統(tǒng)傳輸速率會顯著下降，當(dāng)達(dá)到手術(shù)室極限距離14 m時，系統(tǒng)傳輸速率仍能達(dá)到200 Mbit/s。

系統(tǒng)傳輸速率變化范圍[1，14] m，系統(tǒng)誤碼率BER變化范圍[E-5，E-2]；實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)傳輸速率在330 Mbit/s以下時，系統(tǒng)平均誤碼率穩(wěn)定在10-5量級左右。當(dāng)傳輸速率超過350 Mbit/s時，系統(tǒng)誤碼率會顯著增加。原始誤碼率只要低于3.8×10-3就可以采用前向糾錯通過冗余編碼來糾錯，大幅度改善誤碼率。

圖4 系統(tǒng)平均誤碼率隨傳輸速率變化曲線圖

2.5 基于MIMO VLC系統(tǒng)的數(shù)字化手術(shù)室物聯(lián)網(wǎng)傳送方案設(shè)計(jì)

綜合前面所述，本方案擬采用VLC 系統(tǒng)構(gòu)建一個物聯(lián)網(wǎng)手術(shù)室傳送方案，將手術(shù)室內(nèi)的高清視頻信號、高清語音信號、實(shí)時監(jiān)測信號傳送到醫(yī)院云計(jì)算處理中心。

本方案在每個病房（手術(shù)室）安裝4個白光LED（每個LED的發(fā)射功率可達(dá)100 mW）手術(shù)室上照燈、4個隱藏式LED吊頂燈、1個VLC通信分站來實(shí)現(xiàn)手術(shù)室里的信息交互（VLC通信分站到室外有線部分采用6類屏蔽雙絞線，傳輸速率可達(dá)到500 Mbit/s）。

2.5.1 上行鏈路

發(fā)射端：手術(shù)室中通過各個視頻、音頻、信息等傳感器將手術(shù)室中的場景信號、監(jiān)護(hù)儀器信號、醫(yī)療影像設(shè)備信號等收集、壓縮、編碼，并存儲轉(zhuǎn)存于LED手術(shù)室上照燈，信號經(jīng)過基于成像式接收機(jī)的4×4 MIMO可見光通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)射。

接收端：4個位于手術(shù)室吊頂?shù)碾[藏式LED吊頂作為接收端，接收端接收到發(fā)射端發(fā)射的可見光信號，經(jīng)過光電探測器（PIN）接收到的信號經(jīng)過放大電路（AMP）對信號進(jìn)行放大，將信號傳輸?shù)絍LC通信分站，統(tǒng)一通過以太網(wǎng)關(guān)將信息上傳于醫(yī)院物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，進(jìn)行的實(shí)時監(jiān)控和分析，并可以在云計(jì)算智能終端進(jìn)行分析并實(shí)時反饋?zhàn)罴阎噶睢?/p>

圖5 基于MIMO VLC系統(tǒng)的數(shù)字化醫(yī)院物聯(lián)網(wǎng)傳送方案

2.5.2 下行鏈路

發(fā)射端：云計(jì)算智能終端將處理的指令整合，以太網(wǎng)關(guān)將反饋的信息指令通過以太網(wǎng)線傳送到相應(yīng)的手術(shù)室VLC通信分站，信號經(jīng)過基于成像式接收機(jī)的4×4 MIMO可見光通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過4個隱藏式LED吊頂燈進(jìn)行發(fā)射。

接收端：4個LED手術(shù)室上照燈作為接收端，接收端接收到發(fā)射端發(fā)射的可見光信號，經(jīng)過光電探測器（PIN）接收到的信號經(jīng)過放大電路（AMP）對信號進(jìn)行放大，并通過接收終端進(jìn)行計(jì)算和處理，最終通過傳感器反饋到值班的醫(yī)護(hù)人員。具體的設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

2.6 MIMO VLC系統(tǒng)的數(shù)字化手術(shù)室物聯(lián)網(wǎng)傳送系統(tǒng)性能分析

圖6是可見光通信與其它主流室內(nèi)無線通信傳輸方式在傳輸速率方面變化情況的比較（均處于弱自然光的室內(nèi)情況）。

圖6 VLC與其他室內(nèi)主流無線通信技術(shù)的比較

由上述的仿真結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)在模擬手術(shù)室內(nèi)的極限傳輸距離14 m時，仍能達(dá)到200 Mbit/s的傳輸速率，性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee等主流室內(nèi)無線通信技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)H.264 MainProfile壓縮算法的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，單路視頻要達(dá)到1080 P全實(shí)時傳送時(30 fps)，需要的網(wǎng)絡(luò)帶寬至少要在4 Mbit/s以上，而本系統(tǒng)速率達(dá)到200 Mbit/s，能滿足一個醫(yī)院至少50路高清視頻信號同時完成實(shí)時傳送。此時的誤碼率為10-5量級，原始誤碼率只要低于3.8×10-3，我們就可以采用前向糾錯通過冗余編碼來糾錯，大幅度改善誤碼率，完全能滿足數(shù)字化手術(shù)室的要求。

3 結(jié)論

本文通過對可見光通信系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)的分析，對可見光通信在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)探討。同時設(shè)計(jì)了一個基于MIMO VLC系統(tǒng)的數(shù)字化醫(yī)院手術(shù)室物聯(lián)網(wǎng)傳送方案，此方案利用了可見光通信無電磁干擾、傳輸速度快、可使用MIMO等技術(shù)優(yōu)勢，并充分考慮醫(yī)院這一特定場景進(jìn)行個性化設(shè)計(jì)，可以滿足數(shù)字化手術(shù)室對電磁輻射、傳輸速率的要求。后續(xù)將在醫(yī)院進(jìn)行試搭建并進(jìn)一步優(yōu)化，同時為其它應(yīng)用場景提出具體的解決方案。

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看Qorvo如何應(yīng)對下一代物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的發(fā)展

5月10日，Wi-Fi之父、Qorvo低功耗無線事業(yè)部總經(jīng)理Cees Links以“Internet of Things——The Next Wave of Connectivity”為主題，與媒體分析了下一代物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢，并就Qorvo如何向物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域進(jìn)軍做了詳細(xì)介紹。

從早期的開關(guān)控制燈、遙控器控制電視，到利用溫控器控制空調(diào)、空調(diào)接到溫控器的信號后自動調(diào)整溫度，并將調(diào)整的結(jié)果反饋給溫控器，物聯(lián)網(wǎng)正從以往的“單向反饋”一步步走向“雙向反饋”。這個由控制器、執(zhí)行器、傳感器、外部數(shù)據(jù)庫等組成的全套管理控制系統(tǒng)，構(gòu)成了真正的物聯(lián)網(wǎng)。Cees Links認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)并非簡單的將物體相連，而是一種智能化的管理系統(tǒng)，而智能化管家式的服務(wù)是物聯(lián)網(wǎng)的真正定義和發(fā)展前景。有了完整的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，才能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制和管理，即使人不在家里，也無須擔(dān)心門沒關(guān)、水管漏水等問題的發(fā)生。

在新一代的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)中，Qorvo的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品解決了數(shù)據(jù)覆蓋范圍及大數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}，同時提供系統(tǒng)化的智能管家服務(wù)，支持Wi-Fi、ZigBee&Thread、Bluetooth、NB-IoT等通用型開放式的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在保證產(chǎn)品性能的前提下，通過減小器件尺寸、將產(chǎn)品做到“小而美”，進(jìn)而解決物物互連時可能需要用到繁瑣和龐大的器件帶來的麻煩與不便。

在本次溝通會上，Cees Links分享了Qorvo物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的成功案例，包括在美國與 COMCAST的遙控器、機(jī)頂盒以及Wi-Fi產(chǎn)品，在歐洲與博世合作各種各樣的傳感器產(chǎn)品，以及在中國與ZTE、TCL推出關(guān)于老人看護(hù)和智能家居的解決方案等。對于智能家居的愿景，他認(rèn)為智能家居將把所有終端連接到網(wǎng)絡(luò)中，并為消費(fèi)者提供管家式的服務(wù)。

最后，Cees Links表示，經(jīng)濟(jì)的增長和物聯(lián)網(wǎng)的增長密切相關(guān)，物聯(lián)網(wǎng)可以幫助我們實(shí)現(xiàn)更多更大的價(jià)值，起到越來越多的作用。雖然，目前物聯(lián)網(wǎng)還處于概念階段，但我們相信，物聯(lián)網(wǎng)將帶來下一波浪潮，在我們的家庭、生活、工作當(dāng)中起到至關(guān)重要的作用。

（漆惠)

Discussion and application of IoT in visible light communication

ZHANG Qi , FEI Guang-rong, ZHU Wen-zhen
(Hu'nan Zhong Yi Communication Technology Engineering Co., Ltd., Changsha 410003, China)

Based on analysis on visible light communication system, the internet of things and the application of VLC in IoT, this treatise proposes a solution method of digital hospital transmission based on MIMO VLC system. This well designed scheme achieves high-speed, non-electromagnetic interference and reliable transmission in the digital hospital via visible light transmission.

VLC; IoT; digital hospital; MIMO

TP393

A

1008-5599（2017）06-0081-05

2017-02-14