CN108880682A - 一种基于编码的可见光通信调光控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于编码的可见光通信调光控制方法及系统，其中发送端用于编码及信号发送、接收端用于接收信号和译码，所述方法包括：发射端生成二进制传输数据流，发射端获取输入调光等级，发射端对传输数据流进行权值门限编码，发射端调制传输信号为光信号，接收端将光信号并转化为电信号，接收端对接收信号进行最大似然解调，接收端对解调信号进行权值门限译码、输出译码结果。本申请能够实现通信与调光控制的双重功能，通过对码字集进行系统化、结构化设计，在降低操作复杂度的同时，能够进一步提高传输性能。

Description

一种基于编码的可见光通信调光控制方法及系统

技术领域

本申请涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种基于编码的可见光通信调光控制方法及系统。

背景技术

可见光通信系统具有通信和照明的双重功能，在保证信息可靠传输的同时需要兼顾其光照质量。为此，将可见光通信技术与调光控制技术有机结合，实现绿色节能、环境友好、适应不同场合下对于不同照明条件需求的可见光通信系统，极具发展潜力和应用前景，这也因此被写入IEEE 802.15.7的协议中。

目前，在对可见光通信调光时，主要有码间补码方案、码内补码方案、幅值改变方案以及频率改变方案。其中，码间补码方案和码内补码方案均具有易操作、复杂度较低，可进行信道编码，不会产生色度漂移的优势，但由于补码造成数据速率下降、频谱效率低，除此之外，码内补码方案的调光精度受限于最小脉冲宽度。

幅值改变方案方法简单、易操作，但会产生色度漂移问题，且无法精确地控制LED的亮度；频率改变方案最大的优势在于其频谱效率相对其他方案要高，但其同样具有复杂度高、不易操作，不能进行信道编码，缺少快速编码/译码方案的问题。

因此，在对可见光通信调光时，如何降低操作复杂度，同时提高可见光传输性能，是一项亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种基于编码的可见光通信调光控制方法，能够实现通信与调光控制的双重功能，通过对码字集进行系统化、结构化设计，在降低操作复杂度的同时，能够进一步提高传输性能。

本申请提供了一种基于编码的可见光通信调光控制方法，所述方法包括：

发射端生成二进制传输数据流；

发射端获取输入调光等级；

发射端对所述二进制传输数据流进行权值门限编码；

发射端调制传输信号为光信号；

接收端将光信号并转化为电信号；

接收端对接收信号进行最大似然解调，输出解调信号；

接收端对所述解调信号进行权值门限译码、输出译码结果。

优选地，所述发射端对所述二进制传输数据流进行权值门限编码包括：

基于所述输入调光等级γ，通过查表得到码重门限值K和位补码位；

判断输入数据位的码重值是否满足若是，则编码器输出传输码字b＝[0,…0,0,b_2K,…,b₂,b₁]，若否，则编码器输出传输码字其中，

优选地，所述发射端调制传输信号为光信号包括：

通过发射端LED对输出数据进行电光转换，生成传输光信号。

优选地，接收端将光信号并转化为电信号包括：

传输光信号经过信道，在接收端被光电二极管检测并转化为电信号，接收信号可表示为r＝hb+n，其中n为均值为0、方差为σ²＝N₀/2的高斯白噪声，电光电信道增益可视为h＝1。

优选地，接收端对所述解调信号进行权值门限译码，输出译码结果包括：

基于所述解调信号r得到传输序列的估计值

判断是否等于0，若是，则输出译码结果若否，则：输出译码结果

一种基于编码的可见光通信调光控制系统，包括：

信号源模块，用于发射端生成二进制传输数据流；

调光控制器模块，用于为所述发射端输入调光等级；

编码模块，用于所述发射端对所述二进制传输数据流进行权值门限编码；

电光转换模块，用于所述发射端将传输电信号转化为光信号；

光电转换模块，用于接收端将传输光信号转化为电信号；

解调模块，用于所述接收端对接收信号进行最大似然解调，输出解调信号；

译码模块，用于所述接收端对所述解调信号进行权值门限译码，输出译码结果。

优选地，所述编码模块具体用于：

基于所述输入调光等级γ，通过查表得到码重门限值K和位补码位；

判断输入数据位的码重值是否满足若是，则编码器输出传输码字b＝[0,…0,0,b_2K,…,b₂,b₁]，若否，则编码器输出传输码字其中，

优选地，所述电光转换模块具体用于：

通过发射端LED对输出数据进行电光转换，生成传输光信号。

优选地，所述光电转换模块具体用于：传输光信号经过信道，在接收端被光电二极管检测并转化为电信号，接收信号可表示为r＝hb+n，其中n为均值为0、方差为σ²＝N₀/2的高斯白噪声，电光电信道增益可视为h＝1。

优选地，所述译码模块具体用于：

基于所述解调信号r得到传输序列的估计值

判断是否等于0，若是，则输出译码结果若否，则：输出译码结果

综上所述，本申请公开了一种基于编码的可见光通信调光控制方法，当需要对可见光通信进行调光控制时，首先由发射端生成二进制传输数据流，同时获取调光等级，然后对传输数据流进行权值门限编码，将传输信号调制为光信号，接收端将光信号并转化为电信号，并完成最大似然解调，最后对解调信号进行权值门限译码，输出译码结果。本申请能够实现通信与调光控制的双重功能，通过对码字集进行系统化、结构化设计，在降低操作复杂度的同时，能够进一步提高传输性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请公开的一种基于编码的可见光通信调光控制方法实施例1的流程图；

图2为本申请公开的一种基于编码的可见光通信调光控制系统实施例1的结构示意图；

图3为本申请实施例公开的调光控制结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，为申请提供的一种基于编码的可见光通信调光控制方法实施例1的流程图，所述方法可以包括以下步骤：

S101、发射端生成二进制传输数据流；

当需要对可见光通信信号进行调光控制时，首先获取可见光通信的传输数据流。

S102、发射端获取输入调光等级；

用户可根据当前环境设置所需调光等级。

S103、发射端对二进制传输数据流进行权值门限编码；

然后根据输入调光等级，对获取到的传输数据流进行权值门限编码，经编码后的传输信号的码字结构主要由三个部分组成，即N_d位数据位、1位校验位和N_c位补码位(全为0或者全为1)。数据位和补码位的数量是可变的，而校验位的数量固定为1。因此，码字的整个长度为N＝N_d+1+N_c。为方便解释，在性能图上γ∈(0.5，1)与γ∈(0,0.5)是对称的，因此本申请实施例对亮度值γ∈(0,0.5)这一部分进行讨论。

S104、发射端调制传输信号为光信号；

通过发射端LED对输出数据进行电光转换，生成传输光信号。

S105、接收端将光信号并转化为电信号；

传输光信号经过信道，在接收端被光电二极管检测并转化为电信号。

S106、接收端对接收信号进行最大似然解调，输出解调信号；

通过对所述接收信号进行最大似然解调，输出解调信号。

S107、接收端对解调信号进行权值门限译码、输出译码结果。

最后，对所述解调信号进行权值门限译码，通过对校验位的判断，得到最终的译码结果。

综上所述，在上述实施例中，当需要对可见光通信进行调光控制时，首先发射端生成二进制传输数据流，同时根据用户设置亮度等级对传输数据流进行权值门限编码，调制传输信号为光信号，然后接收端将光信号并转化为电信号，对接收信号进行最大似然解调，最后对解调信号进行权值门限译码，输出译码结果。本申请能够实现通信与调光控制的双重功能，通过对码字集进行系统化、结构化设计，在降低操作复杂度的同时，能够进一步提高传输性能。

具体的，在上述实施例中，如图3所示，通常室内可见光通信调光控制系统的框架将数据信息和调光控制信息加载到LED高速明暗变化的光信号上，光信号在信道中传输后到达光接收元件光电二极管，光电二极管将接收到的光信号转换为电信号，信号经过解调后恢复出原始的信息。

由于可见光通信属于基带传输，通过强度调制/直接检测(IM/DD)方式，发端控制光强或光功率变化，这使得接收端忽略了频率和相位等信息，因此要求传输信号是非负的，这一点同传统的射频通信不同。

对于可见光通信的传输模型，在接收端，本申请实施例假设以实现符号同步。在通常情况下，光电二极管保持静止，室内直射光通信系统主要为直射光，因此，可认为传输路径为直射链路(line of sight，LOS)。接收信号可表示为：

r＝hb+n，其中b为传输光信号，n为均值为0、方差为σ²＝N₀/2的高斯白噪声。不失一般性，本申请实施例假设电光电(electro-optical-electro，EOE)信道增益h＝1。

通常情况下用γ表示亮度值，在这里，其变化范围在0到1之间，P表示传输信号总光功率。例如，如果LED灯处于全亮的状态，则γ＝1；如果处于50％的亮度，则γ＝0.5，相应的平均光功率为0.5P。另外，如果光强度变化超过150-200Hz，人眼采集到的是平均光功率而不是瞬时光功率。

具体的，在上述实施例中，在对传输数据流进行权值门限编码，输出传输码字时，对于任何二进制码长为N_d＝2K的数据位b_I＝[b_2K,…,b₂,b₁]，将其输入到权值门限编码器中，同时设定其码重门限值为K。增加1位校验位和位补码位(全为0)在数据位b_I的前面。因此整个编码过程可分为以下两种情况：

1)如果输入数据位的码重值编码器输出为b＝[0,…0,0,b_2K,…,b₂,b₁]。

2)如果输入数据位的码重值编码器输出为这里

例如对码字码长N＝5的构造如表I所示，其中数据位N_d＝4，码重门限值K＝2，校验位为1，补码位N_c＝0。

表I举例说明

通过以上分析，权值门限校验编码可以通过改变输入数据位和补码位的个数来控制亮度等级。在编码过程后，设计的码字具有如下的数学特征。给定长度为N＝2K+1的码字(其中2K为数据位，1为校验位，无补偿位)，可将许用码字集记为：

因此，集合B的势(cardinality)，即码字集的种类为:

显然，当码重门限值K固定时，码字集中许用码字与禁用码字数量相等。

从本质上看，码重值可看作是传输码字的平均光功率。通常经过编码的传输数据包含相等数量的1和0，这意味着1和0的传输概率相等。显然，当不添加校验位和补码位时，原始数据可实现亮度值为1/2；当添加校验位和补码位时，编码器输出传输数据b满足上述许用码字集B的性质，相应的，可以得到传输数据的总光功率为P＝2K+1，平均光功率为可化简为

因此，可得亮度值的表达式为

当补码位时，相应地，亮度值的表达式为

分析表明，随着补码位的增加，可以得到更小、更精确的亮度值。然而，过多的补码位会降低频谱效率，权值门限校验编码的调光范围如表II所示。

表II调光范围

具体的，在上述实施例中，在对接收信号进行权值门限译码，输出译码结果时，针对接收信号r的概率密度分布函数为：

对于最大似然接收器，等同于最小欧氏距离检测器，得到传输序列的估计值为：

然后对进行判决，以实现译码过程，判断是否等于0，若是，则输出译码结果若否，则：输出译码结果通过上述编译码过程，实现数据传输和亮度控制的双重功能。

如图2所示，为申请提供的一种基于编码的可见光通信调光控制系统实施例1的结构示意图，所述系统可以包括：

信号源模块201，用于发射端生成二进制传输数据流；

当需要对可见光通信信号进行调光控制时，首先获取可见光通信的传输数据流。

调光控制器模块202，用于为发射端输入调光等级；

用户可根据当前环境设置所需调光等级。

编码模块203，用于发射端对二进制传输数据流进行权值门限编码；

根据输入调光等级，对获取到的传输数据流进行权值门限编码，经编码后的传输信号的码字结构主要由三个部分组成，即N_d位数据位、1位校验位和N_c位补码位(全为0或者全为1)。数据位和补码位的数量是可变的，而校验位的数量固定为1。因此，码字的整个长度为N＝N_d+1+N_c。为方便解释，在性能图上γ∈(0.5，1)与γ∈(0,0.5)是对称的，因此本申请实施例对亮度值γ∈(0,0.5)这一部分进行讨论。

电光转换模块204，用于发射端将传输电信号转化为光信号；

通过发射端LED对输出数据进行电光转换，生成传输光信号。

光电转换模块205，用于接收端将传输光信号转化为电信号；

传输光信号经过信道，在接收端被光电二极管检测并转化为电信号。

解调模块206，用于接收端对接收信号进行最大似然解调，输出解调信号；

通过对所述接收信号进行最大似然解调，输出解调信号。

译码模块207，用于接收端对解调信号进行权值门限译码，输出译码结果；

对所述解调信号进行权值门限译码，通过对校验位的判断，得到最终的译码结果。

综上所述，在上述实施例中，当需要对可见光通信进行调光控制时，首先发射端生成二进制传输数据流，同时根据用户设置亮度等级对传输数据流进行权值门限编码，调制传输信号为光信号，然后接收端将光信号并转化为电信号，对接收信号进行最大似然解调，最后对解调信号进行权值门限译码，输出译码结果。本申请能够实现通信与调光控制的双重功能，通过对码字集进行系统化、结构化设计，在降低操作复杂度的同时，能够进一步提高传输性能。

具体的，在上述实施例中，如图3所示，通常室内可见光通信调光控制系统的框架将数据信息和调光控制信息加载到LED高速明暗变化的光信号上，光信号在信道中传输后到达光接收元件光电二极管，光电二极管将接收到的光信号转换为电信号，信号经过解调后恢复出原始的信息。

由于可见光通信属于基带传输，通过强度调制/直接检测(IM/DD)方式，发端控制光强或光功率变化，这使得接收端忽略了频率和相位等信息，因此要求传输信号是非负的，这一点同传统的射频通信不同。

对于可见光通信的传输模型，在接收端，本申请实施例假设以实现符号同步。在通常情况下，光电二极管保持静止，室内直射光通信系统主要为直射光，因此，可认为传输路径为直射链路(line of sight，LOS)。接收信号可表示为：

r＝hb+n，其中b为传输光信号，n为均值为0、方差为σ²＝N₀/2的高斯白噪声。不失一般性，本申请实施例假设电光电(electro-optical-electro，EOE)信道增益h＝1。

通常情况下用γ表示亮度值，在这里，其变化范围在0到1之间，P表示传输信号总光功率。例如，如果LED灯处于全亮的状态，则γ＝1；如果处于50％的亮度，则γ＝0.5，相应的平均光功率为0.5P。另外，如果光强度变化超过150-200Hz，人眼采集到的是平均光功率而不是瞬时光功率。

具体的，在上述实施例中，编码模块在对传输数据流进行权值门限编码，输出传输码字时，对于任何二进制码长为N_d＝2K的数据位b_I＝[b_2K,…,b₂,b₁]，将其输入到权值门限编码器中，同时设定其码重门限值为K。增加1位校验位和位补码位(全为0)在数据位b_I的前面。因此整个编码过程可分为以下两种情况：

1)如果输入数据位的码重值编码器输出为b＝[0,…0,0,b_2K,…,b₂,b₁]。

2)如果输入数据位的码重值编码器输出为这里

例如对码字码长N＝5的构造如表I所示，其中数据位N_d＝4，码重门限值K＝2，校验位为1，补码位N_c＝0。

表I举例说明

通过以上分析，权值门限校验编码可以通过改变输入数据位和补码位的个数来控制亮度等级。在编码过程后，设计的码字具有如下的数学特征。给定长度为N＝2K+1的码字(其中2K为数据位，1为校验位，无补偿位)，可将许用码字集记为：

因此，集合B的势(cardinality)，即码字集的种类为:

显然，当码重门限值K固定时，码字集中许用码字与禁用码字数量相等。

从本质上看，码重值可看作是传输码字的平均光功率。通常经过编码的传输数据包含相等数量的1和0，这意味着1和0的传输概率相等。显然，当不添加校验位和补码位时，原始数据可实现亮度值为1/2；当添加校验位和补码位时，编码器输出传输数据b满足上述许用码字集B的性质，相应的，可以得到传输数据的总光功率为P＝2K+1，平均光功率为可化简为

因此，可得亮度值的表达式为

当补码位时，相应地，亮度值的表达式为

分析表明，随着补码位的增加，可以得到更小、更精确的亮度值。然而，过多的补码位会降低频谱效率，权值门限校验编码的调光范围如表II所示。

表II调光范围

具体的，在上述实施例中，译码模块在对接收信号进行权值门限译码，输出译码结果时，针对接收信号r的概率密度分布函数为：

对于最大似然接收器，等同于最小欧氏距离检测器，得到传输序列的估计值为：

然后对进行判决，以实现译码过程，判断是否等于0，若是，则输出译码结果若否，则：输出译码结果通过上述编译码过程，实现数据传输和亮度控制的双重功能。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于编码的可见光通信调光控制方法，其特征在于，所述方法包括：

发射端生成二进制传输数据流；

发射端获取输入调光等级；

发射端对所述二进制传输数据流进行权值门限编码；

发射端调制传输信号为光信号；

接收端将光信号并转化为电信号；

接收端对接收信号进行最大似然解调，输出解调信号；

接收端对所述解调信号进行权值门限译码、输出译码结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射端对所述二进制传输数据流进行权值门限编码包括：

基于所述输入调光等级γ，通过查表得到码重门限值K和位补码位；

判断输入数据位的码重值是否满足若是，则编码器输出传输码字b＝[0,…0,0,b_2K,…,b₂,b₁]，若否，则编码器输出传输码字其中，

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射端调制传输信号为光信号包括：

通过发射端LED对输出数据进行电光转换，生成传输光信号。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，接收端将光信号并转化为电信号包括：

传输光信号经过信道，在接收端被光电二极管检测并转化为电信号，接收信号可表示为r＝hb+n，其中n为均值为0、方差为σ²＝N₀/2的高斯白噪声，电光电信道增益可视为h＝1。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，接收端对所述解调信号进行权值门限译码，输出译码结果包括：

基于所述解调信号r得到传输序列的估计值

判断是否等于0，若是，则输出译码结果若否，则：输出译码结果

6.一种基于编码的可见光通信调光控制系统，其特征在于，包括：

信号源模块，用于发射端生成二进制传输数据流；

调光控制器模块，用于为所述发射端输入调光等级；

编码模块，用于所述发射端对所述二进制传输数据流进行权值门限编码；

电光转换模块，用于所述发射端将传输电信号转化为光信号；

光电转换模块，用于接收端将传输光信号转化为电信号；

解调模块，用于所述接收端对接收信号进行最大似然解调，输出解调信号；

译码模块，用于所述接收端对所述解调信号进行权值门限译码，输出译码结果。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述编码模块具体用于：

基于所述输入调光等级γ，通过查表得到码重门限值K和位补码位；

判断输入数据位的码重值是否满足若是，则编码器输出传输码字b＝[0,…0,0,b_2K,…,b₂,b₁]，若否，则编码器输出传输码字其中，

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电光转换模块具体用于：

通过发射端LED对输出数据进行电光转换，生成传输光信号。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述光电转换模块具体用于：传输光信号经过信道，在接收端被光电二极管检测并转化为电信号，接收信号可表示为r＝hb+n，其中n为均值为0、方差为σ²＝N₀/2的高斯白噪声，电光电信道增益可视为h＝1。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述译码模块具体用于：

基于所述解调信号r得到传输序列的估计值

判断是否等于0，若是，则输出译码结果若否，则：输出译码结果