CN101953097A - 使用可见光通信发送和接收数据的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种在可见光通信系统中用于发送和接收数据的装置和方法，该装置包括：可见光通信(VLC)收发器，用于在接收操作期间通过使用光接收设备，将从对方接收的可见光信号转换为电信号并输出该电信号，以及在发送操作期间通过使用发光设备，将包含信息的电信号转换为可见光信号并将该可见光信号发送到对方；VLC控制器，包括用于产生可见帧并将可见帧输出到该VLC收发器的可见帧引擎(VFE)，其中该VFE在不传输用于在发送器和接收器处通信的各个帧的期间产生用于传输到对方的可见帧，以便向通信链路提供可见度；以及主机控制器，用于控制VLC控制器并且向该VLC控制器发送数据和从该VLC控制器接收数据。

Description

使用可见光通信发送和接收数据的装置和方法
技术领域
本发明涉及可见光通信，且更具体地，涉及一种用于使用可见光通信来发送和接收数据的装置和方法。
背景技术
在开放系统互联(OSI)模型中，数据链路层管理通信链路并且执行与之相关的功能。因此，数据链路层构造在通信中使用的帧并且定义用于该帧的有效传输的各种细节。由数据链路层执行的该功能的代表性示例是控制地址结构和帧的基本流、控制错误、以及控制对通信介质的访问。
图1说明在一般以太网系统中用于数据传输的示范帧结构。参考图1，在一般以太网系统中的用于数据传输的帧由以下部分组成：携带发送器和接收器之间的同步信息的模拟前导码、作为包含实际要发送的信息的数据的有效负荷的数据帧、指示数据帧的开始的数字前导码、通信链路控制的控制帧、以及指示对于对方的数据传输的响应的确认(ACK)帧。参考前述与图1相关的说明，现在将进行关于在一般以太网系统中在数据发送和接收期间发送和接收每个帧的操作的说明。
图2A到2C是说明在一般以太网系统中示范的数据发送和接收过程的流程图。
图2A说明在一般以太网系统的数据发送和接收过程中发送器和接收器之间的数据流。如图2A所示，发送器向接收器发送控制帧。在接收该控制帧之后，接收器向发送器发送ACK帧以便响应于接收的控制帧，由此在发送器和接收器之间建立链路。发送器通过使用建立的链路发送数据帧到接收器以发起实际的数据通信，而接收器发送ACK帧以响应于接收的数据帧，由此执行数据通信。发送的控制帧和ACK帧，以及在链路建立之后发送的数据帧和对其的响应帧(即ACK帧)中的每一个是在数字前导码之后和数字前导码一起发送的。
图2B说明在一般以太网系统的数据发送过程中发送和接收的帧的流。为了发送器和接收器之间的通信，构造数据链路，稍后将进行描述。如参考图2A所述的，一旦发送器向接收器发送了数字前导码和控制帧用于链路建立，接收器在接收控制帧之后就向发送器发送数字前导码和ACK帧以通知发送器该链路已经建立。发送器通过建立的链路发送数字前导码和数据帧，而接收器响应于接收的数据向发送器发送数字前导码和ACK帧。这样，执行链路建立和数据传输。
图2C说明在图2B中说明的数据发送过程中由虚线指示的部分210的数据流。如图2C所示，在一般以太网系统的数据发送过程中，为了维持发送器和接收器之间的同步，在不传输数据期间以及在从发送器向接收器发送数据期间或从接收器向发送器发送数据期间，发送器和接收器向它们的对方发送模拟前导码。
当如上所述的通信协议类型应用于可见光通信系统时，可见光发送器和可见光接收器由于该模拟前导码而必须将可见光信号的输出连续地维持在“ON(导通)”状态。由于发送器和接收器的输出信号所有时刻均处于“ON”状态，故无法对通信的可见度做出任何改变并且信息差别无法被可见地检查到。此外，由于这种类型的协议适合于不用考虑功率的线缆，因此发送器和接收器的输出在所有时刻均维持在“ON”状态，从而引起了不必要的功耗。
因此，需要一种能够执行在传统数据链路层中提供的功能、提供对通信信道的可见度、确保可见度以及调整通信链路中的可见度的可见光通信系统，以及用于该可见光通信系统的通信协议。
发明内容
技术问题
本发明提供一种用于发送和接收数据的可见光通信系统和方法，其中针对可见光通信执行在传统数据链路层中提供的功能，对通信信道提供可见度，以及在需要时调整可见度。
技术方案
为了实现前述目标，根据本发明的一方面，提供一种在可见光通信系统中用于发送和接收数据的装置。该装置包括：可见光通信(VLC)收发器，用于在接收操作期间通过使用光接收设备，将从对方接收的可见光信号转换为电信号并输出该电信号，以及在发送操作期间通过使用光发送设备，将包含信息的电信号转换为可见光信号并发送可见光信号到对方；VLC控制器，包括用于产生可见帧并输出可见帧到VLC收发器的可见帧引擎(VFE)，其中该VFE在不传输用于在发送器和接收器处通信的各个帧的期间产生用于传输到对方的可见帧，以便向通信链路提供可见度；以及主机控制器，用于控制该VLC控制器并且向VLC控制器发送数据并从VLC控制器接收数据。
根据本发明的另一方面，提供一种在可见光通信系统中用于发送和接收数据的方法。该方法包括：由发送器向接收器发送用于链路控制的控制帧；由接收器接收该控制帧，并且响应于该控制帧向发送器发送确认(ACK)帧；由发送器向接收器发送包含信息的数据帧；以及由接收器接收该数据帧并且响应于该数据帧向发送器发送ACK帧，其中在不传输用于在发送器和接收器处通信的各个帧的期间向对方传输可见帧，以便向通信链路提供可见度。
该可见帧包括：前导码，它是具有按照预定的比特数重复的“1”和“0”的信号；开始(STA)，包括特定比特序列以指示帧的开始；信息(Info)块，指示关于可见模式块的信息；可见模式块，定义为不在8B/10B编码方案中使用的代码；以及停止(STO)，包括特定比特序列以指示帧的结束。
有益效果
根据本发明，通过在可见光通信系统中用于发送和接收数据的方法的操作过程，不仅可以在使用可见光的通信信道中执行通信的独特功能而且可以确保和调整使用可见光的通信信道的可见度。此外，为通信链路提供可见度且收发器仅在需要通信时操作，由此实现具有低功耗的可见光通信信道。
附图说明
图1说明在一般以太网系统中用于数据传输的示范帧结构。
图2A到2C是说明在一般以太网系统中示范的数据发送和接收过程的流程图。
图3是根据本发明的实施例的在可见光通信系统中用于发送和接收数据的装置的框图。
图4是说明根据本发明的实施例的在可见光通信系统中的数据发送操作流程图。
图5是说明根据本发明的实施例的在可见光通信系统中的数据接收操作流程图。
图6说明根据本发明的实施例的在可见光通信系统中用于数据发送的示范帧结构。
图7A到7D是说明根据本发明的实施例的在可见光通信系统中的数据发送过程的流程图。
图8说明根据本发明的实施例的在可见光通信系统中的可见帧的结构。
图9说明根据本发明的实施例的在可见光通信系统中的可见帧的周期。
具体实施方式
下文中，参考附图，将参考本发明的实施例详细描述构成本发明的装置和操作方法。在以下说明中，在说明书中定义的主题(诸如详细的构造和组件)被提供来帮助本发明的完全理解，并且本领域的普通技术人员将认识到在不背离本发明的范围和精神的情况下，对于这里所述的主题能够进行各种改变和修改。在此并入的本领域技术人员公知的功能和配置的详细说明被省去以便防止不必要地混淆本发明。
可见光通信系统的通信链路使用诸如发光二极管(LED)之类的具有可见度的设备，因此使得用户能够用肉眼来检查。本发明提供用于发送和接收数据的可见光通信系统和方法，其中在此类可见光通信系统中链路的可见度能够使用可见帧引擎(VFE)来表达。
图3是根据本发明的实施例的在可见光通信系统中用于发送和接收数据的装置的框图。参考图3，根据本发明的实施例的装置包括可见光通信(VLC)收发器310、VLC控制器320和主机控制器330。
VLC收发器310使用诸如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)等的发光设备或诸如光电二极管等的光接收设备，从而在接收操作期间它通过使用光接收设备将接收的可见光转换为电信号然后将电信号输出到VLC控制器320，或者在发送操作期间它通过使用发光设备将包含信息的电信号转换为可见光信号以用于可见光信号的传输。
主机控制器330通过使用中央处理单元(CPU)接口而连接到VLC控制器320。诸如Windows或Linux的操作系统一般安装在主机控制器330中以控制系统，以及主机控制器330通过用于VLC控制器320的设备驱动器、用于可见光通信的协议和可见光应用来执行通信。
VLC控制器320包括发送/接收(TRx)缓冲器323、8B/10B编码器/解码器(En/Dec)322、串行器/解串行器(Ser/Des)321、控制寄存器324，以及可见帧引擎(VFE)325，以执行控制操作，从而在可见光通信期间以预定的间隙(或间隔)输出以下所述的可见帧。
TRx缓冲器323是存储发送数据或接收数据以用于通信的存储空间。
8B/10B编码器/解码器322将发送数据的格式转换为适合于8B/10B的格式。
串行器/解串行器321转换串行信号和并行信号。
控制寄存器324从主机控制器330接收控制VLC控制器320所需的信息并且处理该信息，或提供控制VLC控制器320所需的信息。
VFE 325产生可见帧并且在通信链路上发送可见帧以确保链路的可见度。
在可见光链路中，管理可见帧，如下所述。
能够在通信链路上双向发送可见帧，因此能够不管数据帧的传输而发送可见帧。也即，即使接收器在接收数据，发送器也发送可见帧，由此确保可见度。
可见帧比数据帧具有较低的优先级，从而在来自主机控制器330的数据发送的请求下，VLC控制器320尽管正在发送可见帧，也马上停止可见帧的传输，然后发送主机控制器330请求的数据帧。现在将参考附图更详细地描述可见帧的发送和接收方案。
图4是说明根据本发明的实施例的在可见光通信系统中的发送可见帧的操作的流程图。参考图4，在步骤410中发起通信，其中设置可见帧的格式和发送周期。在步骤420，确定是否有要发送的数据帧或控制帧。如果在步骤420中确定存在要发送的数据帧或控制帧，则过程前进到步骤430以发送数据帧或控制帧然后前进到步骤450。在步骤450，确定在步骤430中发送的数据帧或控制帧的传输是否已经完成。如果在步骤450中确定数据帧或控制帧的传输已经完成，则过程前进到步骤440以根据在步骤410中设置的可见帧的格式和发送周期来发送可见帧，然后前进到步骤460。如果在步骤450中确定数据帧或控制帧的传输没有完成，则过程前进到步骤430以继续发送数据帧或控制帧。
如果在步骤420中确定没有要发送的数据帧或控制帧，则过程前进到步骤440以根据在步骤410中设置的可见帧的格式和发送周期来向对方发送可见帧，然后前进到步骤460。在步骤460，确定是否从主机控制器中产生关于可见帧的传输停止命令(停止发送VF)。如果在步骤460中确定产生了停止发送VF命令，则过程来到步骤420。如果在步骤460中确定没有产生停止发送VF命令，则过程来到步骤440。之后，如果整个通信完成，则VFE被终止。
图5是说明根据本发明的实施例的在可见光通信系统中的数据接收操作流程图。参考图5，当在步骤510接收帧时，过程前进到步骤520以确定接收的帧是否是可见帧。这里，帧的类型可以从该帧的报头信息中确定。如果在步骤520中接收的帧是可见帧，则过程前进到步骤530。由于接收的可见帧并非通信中实际要求的，故它在步骤530中被删除而不传递到接收缓冲器。如果在步骤520中接收的帧不是可见帧，则过程前进到步骤540。由于接收的帧是通信所需的元素，故在步骤540中将其发送到接收缓冲器以便被处理然后传递到协议。
参考附图，现在将进行关于根据本发明的实施例的在可见光通信系统中构造可见帧的方法和发送可见帧的方法的说明。
图6说明根据本发明的实施例的在可见光通信系统中用于数据发送的示范帧结构。如图6所示，在根据本发明的实施例的可见光通信系统中的帧包括：作为包含实际要发送的信息的数据的有效负荷的数据帧、具有为接收端的时钟数据恢复(CDR)提供信号和指示数据帧的开始的功能的数字前导码、指示对于对方的数据传输的响应的确认(ACK)帧、关于通信链路控制的控制帧、以及在可见光通信期间提供通信链路的可见度的可见帧。
利用根据本发明的实施例的在可见光通信系统中发送和接收数据的方法，可以通过使用上述可见帧实现具有可见度的数据链路而无需在发送和接收期间连续发送信号。
图7A到7D是说明根据本发明的实施例的在可见光通信系统中的数据发送过程的流程图。
图7A说明根据本发明的实施例的在可见光通信系统的数据发送和接收期间在发送器和接收器之间的数据流。如图7A所示，发送器发送控制帧到接收器以用于通信链路控制。当接收到控制帧时，接收器向发送器发送ACK帧以响应该接收的控制帧，由此在发送器和接收器之间建立链路。发送器通过使用建立的链路向接收器发送包含信息的数据帧以发起实际的数据通信，而接收器向发送器发送ACK帧以响应该接收的数据帧，由此执行数据通信。发送的控制帧和ACK帧，以及在链路建立之后发送的数据帧和对其的响应帧(即ACK帧)的每一个是在数字前导码之后和数字前导码一起发送的。
图7B说明根据本发明的实施例的可见光通信系统的数据发送期间发送和接收的帧。根据本发明的实施例的可见光通信系统的发送和接收操作使用可见帧来对根据本发明的特征的通信链路提供可见度。更具体地，发送器和接收器按照预定的间隙连续发送可见帧以提供可见度。
参考图7B，发送器为了链路建立而停止可见帧的传输，并且发送数字前导码和控制帧。当数字前导码和控制帧的传输完成时，发送器恢复向接收器的可见帧的传输以确保可见度。接收器也定期向发送器发送可见帧直到从发送器接收到控制帧，并且当从发送器接收控制帧时，其停止可见帧的传输并且向发送器发送数字前导码和ACK帧以响应该接收的控制帧。在发送ACK帧之后，接收器恢复可见帧的传输以确保可见度。正发送可见帧的发送器在从接收器接收到ACK帧时停止可见帧的传输，并且向接收器发送数字前导码和数据帧以用于实际数据传输。当发送器完成数据帧的传输时恢复向接收器的可见帧的传输以确保可见度。发送可见帧的接收器在接收数据帧时停止可见帧的传输，并且发送ACK帧以响应该接收的数据帧。在发送ACK帧之后，接收器恢复可见帧的传输以确保可见度。
图7C是更详细说明在图7A中所示的数据发送过程中由虚线指示的部分710的数据流的流程图，而图7D是更详细说明在图7A中所示的数据发送过程中由虚线指示的部分720的数据流的流程图。
参考图7C和7D，将描述发送器的操作。参考图7C，发送器发送控制帧到接收器，并且当完成控制帧的传输时，其为了通信链路的可见度发送可见帧到接收器。当在可见帧的传输期间响应于接收的控制帧从接收器接收ACK帧时，发送器停止可见帧的传输然后发送数据帧。
参考图7D，发送器发送数据帧到接收器，并且当完成数据帧的传输时，其恢复向接收器的可见帧的传输。当在可见帧的传输期间响应于接收的数据帧从接收器接收导ACK帧时，发送器停止可见帧的传输然后发送下一数据帧。
参考图7C和7D，将描述接收器的操作。正在向发送器发送可见帧的接收器在从发送器接收到控制帧时，停止可见帧的传输，并且发送ACK帧到发送器以响应于该接收的控制帧。在完成ACK帧的传输之后，接收器恢复向发送器的可见帧的传输。
参考图7D，正在向发送器发送可见帧的接收器在接收到数据帧时停止可见帧的传输，并且向发送器发送ACK帧以响应于接收的数据帧。在完成ACK帧的传输之后，接收器恢复向发送器的可见帧的传输。
在前面参考图7C和7D的说明中，略去了数字前导码的说明。
参考图7C和7D，在根据本发明的实施例的可见光通信系统的数据发送和接收中，在不传输数据的期间以及在从发送器向接收器发送数据期间或从接收器向发送器发送数据期间，发送器和接收器按照预定的间隙向它们的对方连续发送可见帧，由此提供通信信道的可见度。
图8说明根据本发明的实施例的在可见光通信系统中的可见帧的结构。如图8所示，根据本发明的实施例的可见光通信系统的可见帧包括前导码810、开始(STA)820、信息(Info)块830、停止(STO)850和可见模式块840。根据本发明的实施例的可见光通信系统的可见帧可以根据实现方法被构造为如图8所示的两种不同的格式，并且收发器的结构也可以依靠实现方法来改变。
前导码810是其中“1”和“0”重复的“1010101010”的信号，并且被设置为具有足够用于接收端的CDR恢复时钟和数据的时间的比特长度，并且优选是10比特的比特长度。CDR基于接收的分组从接收的信号中提取(恢复)时钟信号和数据信号。
STA 820用作指示帧的开始的开始标志，包括特定的比特序列，并且根据本发明的实施例被设置为与在VLC协议中的超快IrDa(UFIR)的比特序列相同。
STO 850用作指示帧的结束的结束标志，包括特定的比特序列，并且根据本发明的实施例被设置为与在VLC协议中的UFIR的比特序列相同。
信息块830是指示关于可见模式块840的信息的标志。信息块830包括以1字节标记可见帧的分组类型部分、以1字节定义有效负荷的模式的有效负荷模式部分、以及以2字节定义可见模式的长度的长度部分。长度部分将可见帧的最大长度设置为32K字节。
可见模式块840被定义为在8B/10B编码方案中不使用的代码。代码如下。
-11111 11111
-11110 11111
-11110 11110
-11101 11100
-11001 11100
-10001 11100
-00001 11100
-00001 11000
-00001 10000
-00001 00000
-00000 00000
图9说明根据本发明的实施例的在可见光通信系统中的可见帧的周期。可见帧的周期能够通过利用可见光通信模块的亮度的测量而使用公式1来确定。
可见帧间隙时间＝可见帧长度*可见门限
                                            ........(1)
其中“可见帧间隙时间”指示在可见帧之间的间隙(或间隔)，“可见帧长度”指示可见帧的长度，而“可见门限”指示可见门限值。
如图9所示，当利用具有可见门限0.3的可见光发送器构造可见光链路时，在可见帧之间的间隙被控制在可见帧长度的30％内并且以该控制的间隙发送可见帧，由此形成具有可见度的数据链路。
根据本发明的实施例的在可见光通信系统中用于发送和接收数据的方法和装置的操作和构造能够如上所述地实现，并且虽然已经参考本发明的具体实施例示出和描述本发明，但是在不背离本发明的范围的情况下，这里可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (13)

1.一种在可见光通信系统中用于发送和接收数据的装置，该装置包括：
可见光通信(VLC)收发器，用于在接收操作期间通过使用光接收设备，将从对方接收的可见光信号转换为电信号并输出该电信号，以及在发送操作期间通过使用发光设备，将包含信息的电信号转换为可见光信号并将该可见光信号发送到对方；
VLC控制器，包括用于产生可见帧并将可见帧输出到该VLC收发器的可见帧引擎(VFE)，其中该VFE在不传输用于在发送器和接收器处通信的各个帧的期间产生用于传输到对方的可见帧，以便向通信链路提供可见度；以及
主机控制器，用于控制VLC控制器并且向该VLC控制器发送数据和从该VLC控制器接收数据。
2.如权利要求1所述的装置，其中该VLC控制器包括：
发送和接收(TRx)缓冲器，用于存储发送数据和接收数据以用于通信；
8B/10B编码器/解码器，用于将发送数据的格式转换为适合于8B/10B的格式；
串行器/解串行器，用于转换串行信号和并行信号，以及
控制寄存器，用于从主机控制器接收控制该VLC控制器所需的信息，处理接收的信息，以及提供控制该VLC控制器所需的信息。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述用于通信的帧包括控制帧、确认(ACK)帧和数据帧。
4.如权利要求1所述的装置，其中该主机控制器通过使用中央处理单元(CPU)接口与该VLC控制器连接。
5.一种在可见光通信系统中用于发送和接收数据的方法，该方法包括：
由发送器向接收器发送用于链路控制的控制帧；
由接收器接收该控制帧并且响应于该控制帧向发送器发送确认(ACK)帧；
由发送器向接收器发送包含信息的数据帧；以及
由接收器接收该数据帧并且响应于该数据帧向发送器发送ACK帧，
其中在不传输用于在发送器和接收器处通信的各个帧的期间向对方传输可见帧，以便向通信链路提供可见度。
6.如权利要求5所述的方法，其中按照预定的间隙重复地发送该可见帧。
7.如权利要求6所述的方法，其中该预定的间隙通过使用如下表示的公式2来计算：
可见帧间隙时间＝可见帧长度*可见门限
                                        ........(2)
其中“可见帧间隙时间”指示在可见帧之间的间隙，“可见帧长度”指示可见帧的长度，“可见门限”指示可见门限值。
8.如权利要求5所述的方法，其中控制帧、数据帧和ACK帧的每一个在数字前导码之后与该数字前导码一起发送。
9.如权利要求5所述的方法，其中可见帧的长度被设置为最大32K字节。
10.如权利要求5所述的方法，其中可见帧包括：
前导码，其是具有按照预定的比特数重复的“1”和“0”的信号；
开始(STA)，包括特定比特序列以指示帧的开始；
信息(Info)块，指示关于可见模式块的信息；
可见模式块，定义为在8B/10B编码方案中不使用的代码；以及
停止(STO)，包括特定比特序列以指示帧的结束。
11.如权利要求10所述的方法，其中考虑接收器的时钟数据恢复(CDR)恢复时钟和数据所需的时间来设置前导码的长度。
12.如权利要求10所述的方法，其中该前导码的长度被设置为10比特。
13.如权利要求10所述的方法，其中该信息块包括关于标记可见帧的分组类型部分的信息、关于定义有效负荷的模式的有效负荷模式部分的信息、以及关于指示可见帧的长度的长度部分的信息。
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