CN102710329A

CN102710329A - 全ip可见光数据透明传输方法及系统

Info

Publication number: CN102710329A
Application number: CN2012101431941A
Authority: CN
Inventors: 于宏毅; 朱义君; 张效义; 田忠骏; 王超
Original assignee: PLA Information Engineering University
Current assignee: PLA Information Engineering University
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2032-05-09
Also published as: CN102710329B

Abstract

本发明实施例公开了全IP可见光数据透明传输方法及系统，以解决通信设备与其它电子设备之间存在电磁兼容性的问题。上述系统包括分配有IP地址的可见光通信终端和（接入电力线网）可见光通信照明设备。可见光通信照明设备又包括电力线路由猫和可见光收发装置，而可见光通信终端又包括可见光收发装置。通过上述可见光收发装置可进行可见光信号与符合TCP/IP要求的IP数据之间的互转，以实现可见光通信终端和可见光通信照明设备之间的可见光通信；通过电力线路由猫完成电力线网和VLC网络之间的互通。由于可见光频段介于400THz-800THz之间，避开了常用无线电频段，因此不存在与其它电子设备相互间的电磁干扰的问题。

Description

全IP可见光数据透明传输方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体地说，涉及全IP可见光数据透明传输方法及系统。

背景技术

传统的数据通信方式在矿井、室内等场景中应用时，由于其物理层的无线通信终端的工作频率大都集中于在常用无线电频段（数GHz到数十GHz量级），因此，在无线通信设备与其它电子设备之间存在电磁兼容性问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例目的在于提供全IP可见光数据透明传输方法及系统，以解决通信设备与其它电子设备之间存在电磁兼容性的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明实施例的一个方面，提供一种全IP可见光数据透明传输方法，基于电力线网和VLC网络；

所述VLC网络至少包括分配有IP地址的可见光通信终端，以及接入所述电力线网并且分配有IP地址的可见光通信照明设备；

所述可见光通信照明设备至少包括电力线路由猫和可见光收发装置，所述可见光通信终端至少包括所述可见光收发装置；

所述方法包括：

通过所述可见光收发装置将接收到的可见光信号转化为符合TCP/IP要求的IP数据，以及，将待发送的、符合TCP/IP要求的IP数据转化为可见光信号发射，以实现所述可见光通信终端和所述可见光通信照明设备之间的可见光通信；

通过所述电力线路由猫完成所述符合TCP/IP要求的IP数据与电力线信号之间的相互转换以及路由选择，以实现所述电力线网和所述VLC网络之间的互通。

根据本发明实施例的另一个方面，提供一种全IP可见光数据透明传输系统，至少基于电力线网；

所述全IP可见光数据透明传输系统至少包括分配有IP地址的可见光通信终端，以及接入所述电力线网并且分配有IP地址的可见光通信照明设备；

其中，所述可见光收发装置用于将接收到的可见光信号转化为符合TCP/IP要求的IP数据，以及，将待发送的、符合TCP/IP要求的IP数据转化为可见光信号发射，以实现所述可见光通信终端和所述可见光通信照明设备之间的可见光通信；

所述电力线路由猫用于完成所述符合TCP/IP要求的IP数据与电力线信号之间的相互转换以及路由选择，以实现所述电力线网和所述全IP可见光数据透明传输系统之间的互通。

由上可知，在本发明实施例所提供的技术方案中，在矿井、室内等场景，可见光通信终端可采用可见光通信的方式进行无线数据传输。由于可见光频段介于400THz-800THz之间，避开了常用无线电频段，因此不存在与其它电子设备相互间的电磁干扰的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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和2为本发明实施例提供的可见光数据传输网结构示意图；

图3为本发明实施例提供的可见光数据传输网另一结构示意图；

图4为本发明实施例提供的信息由信源至信宿的基本逻辑流程图；

图5a为本发明实施例提供的可见光收发装置的结构示意图；

图5b为本发明实施例提供的信源侧的可见光通信装置与信宿侧的可见光通信装置之间的配合示意图；

图5c为本发明实施例提供的可见光收发装置的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的井上管理控制平台通过照明灯和井下施工人员在不同时隙间进行TDD方式的数据交换示意图；

图7为本发明实施例提供的语音通信帧信号的结构示意图。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词的说明、简写或缩写总结如下：

PLC：Power Line Carrier，电力线载波；

PD：Photo-Diode，光电二极管；

CCD：Charge-coupled Device，电荷耦合元件；

QAM：正交振幅键控；

LED：Light Emitting Diode，发光二极管；

TDD：Time Division Duplexing，时分双工；

IP：Internet Protocol，网络之间互连的协议；

TCP/IP：Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通讯协议。是Internet最基本的协议，Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成；

TCP/IP层次模型：TCP/IP层次模型包括应用层、传输层、网络层和网络接口层，其中，网络接口层又包括数据链路层，物理层；

PHY：物理层；

MAC：数据链路层；

信源：信息的发布者；

信宿：信息的接收者。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例目的在于提供全IP可见光数据透明传输方法及系统。上述方法基于电力线网和可见光数据传输网（也即全IP可见光数据透明传输系统），各业务数据的传输遵循现有的TCP/IP层次模型，在网络层以上可实现透明传输。

图1-2示出了上述可见光数据传输网（简称为VLC网络）的一种结构，其至少包括分配有IP地址的可见光通信终端101，以及接入电力线（网）并且分配有IP地址的可见光通信照明设备102。具体的，可见光通信照明设备102又至少包括电力线路由猫1和可见光收发装置2，而可见光通信终端101则至少包括上述可见光收发装置（为区别以见，本发明将可见光通信终端101包括的可见光收发装置称为可见光收发装置3）。

其中，路由猫集成了路由和调制/解调两大功能，因此，上述电力线路由猫1主要可实现“符合TCP/IP要求的IP数据”与“电力线信号”之间的相互转换，以及路由选择。当然，也可由独立的电力线路由器及独立的电力线调制/解调器来分别提供路由及调制解调两大项-功能，在此不作赘述。

可见光收发装置2和3，可用于将接收到的可见光信号转化为符合TCP/IP要求的IP数据（也即网络层的IP数据包），以及，将待发送的、符合TCP/IP要求的IP数据转化为可见光信号发射。这样，即在可见光通信终端101与可见光通信照明设备102之间建立可见光通信信道，可见光通信终端101与可见光通信照明设备102可互为可见光信号的发送端及接收端，并可采用时分双工方式或其他方式进行可见光通信。

在具体实施时，可在接入电力线网的照明灯的灯座和照明灯之间，加装上述电力线路由猫1和可见光收发装置2以构成上述可见光通信照明设备102（照明灯作为发射可见光信号的光源），这样，可见光通信照明设备102在提供正常照明的同时，还兼具可见光微型基站的功能。

至于上述可见光通信终端101，在普通室内场景应用中，可通过在手机、计算机、固定电话等上加装可见光收发装置以及光源构成；而在矿井场景应用中，可通过在矿帽上加装可见光收发装置构成上述可见光通信终端101，并由矿帽上的矿灯作为发射可见光信号的光源。另外，也可在手持CCD视频装置、手持瓦斯监测仪上加装可见光收发装置和光源构成可见光通信终端101。当然，也可把CCD视频装置、瓦斯监测仪与矿帽上的可见光收发装置直接连接，或者把CCD视频装置、瓦斯监测仪安装在矿帽上。

而可见光收发装置2所驱动的照明灯、矿灯等光源具体可为荧光灯、LED灯等等。

在本发明其他实施例中，可见光通信照明设备102所使用的LED灯中的LED芯片可呈适合室内场强分布的阵列排布。

LED芯片阵列排布是提高可见光通信速率的一种有效途径，其排布需要满足室内或矿井坑道内同一水平面上分布的光功率变化最小，尽量避免出现通信盲区。

至于LED芯片具体的阵列排布设计需要结合具体实际场景建模，但一般的基本规律为：

LED芯片阵列所需要的白光LED芯片的总个数取决于LED芯片的间隔。而间隔的具体取值应平衡与中心区域光强度和所需要的LED个数。需要考虑接收面的照度要求和光强分布。具体需要考虑的是LED灯中包含的LED芯片，LED芯片中心的发光强度，接收机侧的接收视角，探测器PD的表面积，光滤波器的增益，光集中器的折射率等等。

基于上述各个网络和网络中的各种设备，全IP可见光数据透明传输方法可包括：

通过可见光收发装置实现可见光通信终端和可见光通信照明设备之间的可见光通信；

通过电力线路由猫实现电力线网和VLC网络之间的互通。

由上可见，在上述技术方案中，可见光通信终端可采用可见光通信的方式进行无线数据传输。由于可见光的频段介于400THz-800THz之间，避开了常用无线电频段，因此可见光通信终端与其它电子设备相互间不存在电磁干扰的问题，从而解决了现有技术所存在的问题。另外，可见光通信中发送端所发送的可见光信号具有定向辐射、快速衰减的特点，因此，可以将其覆盖范围控制在有限范围内，从而大大降低了无线信号泄露的概率。相比于传统通信方式，具有传输数据速率高、频带宽、无须授权（可见光频段介于400THz-800THz之间，这一频段不需要无线电管理单位的授权可以直接使用）、安全稳定性能好的优点。

上述技术方案可用于普通室内以及地下矿井中，可见光通信终端与外部网络/系统/设备之间，以及可见光通信终端之间的通讯。

以下将主要以地下矿井为例，对可见光通信终端与外部网络/系统/设备之间如何通信进行了介绍。

由于电力照明已经遍布矿井坑道，因此，本实施例借助电力线载波通信技术令电力线网组成坑道内的骨干通信网。在施工人员的矿帽上加装可见光收发装置（组成可见光通信终端），则可以在矿灯与坑道照明灯之间建立可见光通信信道，实现“末端无线接入”和“动中通”（动中通可实现坑道施工人员在移动中进行通信，其前提条件是在矿井巷道内实现可见光的全覆盖来克服阴影效应，并且通过调节可见光通信终端信号功率控制来实现移动信号传输不间断）。

外部网络/系统/设备，例如井上管理控制平台，可直接利用坑道内的骨干通信网与井下人员进行通信（反之亦然），使得在瓦斯、氢气含量高的危险区域进行无线通信成为可能。

另外，上述电力线网还可与以太网相互通，外部网络/系统/设备也可通过以太网->电力线网->VLC网络的方式，以实现与VLC网络之间的互通（反之亦然）。

当然，上述VLC网络也可直接与以太网互通，以在电力线网未与以太网相互通时实现与以太网互通，或者，在电力线网与以太网相互通的情况下，作为与以太网互通的备用方案。

在具体实施时，可在VLC网络中设置以太网路由猫4，以太网路由猫4可单独设置于VLC网络中，也可加装于可见光通信终端101和/或可见光通信照明设备102。

以太网路由猫4加装于可见光通信照明设备102的具体方式可参见图2。并且，当以太网路由猫4加装于光通信照明设备102上，以太网路由猫4和电力线路由猫1的全部功能可集成在同一路由猫中。

另外，可见光通信终端101一般为施工人员所戴的矿帽，而施工人员在作业时会移动。因此，当以太网路由猫4加装于可见光通信终端101上时，上述以太网路由猫4具有无线路由功能，其通过无线接口与以太网进行数据交互。图3即示出了以太网路由猫4加装于可见光通信照明设备102的网络结构，在图3中，矿帽上的IP数据接口为无线接口，井上IP数据接口可为无线接口或有线接口。另外，图3中的可见光数据接口指的是可见光信息和以太网之间的信息传递和转换，其亦为无线接口，而图3中的电力线调制解调接口即为前述电力线路由猫或者前述独立的电力线调制/解调器。

相应的，上述方法还可包括：

通过以太网路由猫4完成符合TCP/IP要求的IP数据与以太网信号之间的相互转换以及路由选择，从而实现以太网和VLC网络之间的互通。这样，即可实现电力线信号、以太网信号、可见光信号三者之间的相互转换。

进一步的，VLC网络还可直接或间接通过以太网接入广域网。

当然，在本发明其他实施例中，上述方法还可包括：通过网关直接接入广域网。

网关5可单独设置于VLC网络中（请参见图2），也可加装于可见光通信终端101和/或可见光通信照明设备102上。

当网关5加装于光通信照明设备102上时，以太网路由猫4、电力线路由猫1和网关5的全部功能可集成在同一网络连接设备中。另外，如以太网路由猫4、网关5单独设置于VLC网络中，以太网路由猫4和网关5的全部功能也可集成在一个网络连接设备中。

可将上述VLC网络、电力线网和以太网称为末端网络（或局端网络），在本发明中，上述各末端网络在其内部独立执行相应的PHY，MAC层协议。各末端网络之间的互通在IP层上实现，各末端网络通过各自的网关接入广域网（VLC网络通过其网关在传输层及其以上接入广域网）。因此，各末端网络可基于TCP/IP协议在网络层实现透明传输。

本文下面将对可见光收发装置进行详细介绍。

参见图4，由可见光收发装置所实现的信息由信源至可见光信道的基本逻辑步骤包括：

S1、IP层匹配；

相较于TCP/IP网络的传输速率，可见光通信的传输速率更高。因此，需要在应用层、网络层对信源发布的信息进行IP层匹配（主要为速率匹配），以实现VLC网络与TCP/IP网络的整体融合。

S2、基带处理；

其中，基带处理主要包括在网络接口层进行信源编码和信道编码，具体的，信源编码可采用曼彻斯特编码，而信道编码可采用循环码编码。

S3、调制；

本发明采用高阶QAM调制方式可令可见光通信的速率快速提升，达到几十兆每秒。

S4、电-光信号转换。

而由可见光信道至信宿的基本逻辑步骤是步骤S3-S1的逆过程，在此不作赘述。

基于上述基本逻辑步骤，现对可见光收发装置的具体结构进行详细介绍。

图5a示出了可见光收发装置的一种结构，其可包括IP核501、编解码器502、调制解调器503、可见光驱动电路504、光学感应器件506和模数转换器507，其中：

IP核501，主要用于执行TCP/IP层次模型中各层间的协议转换，以及速率匹配。对应前述的IP层匹配过程。

IP核501可将基带信号转换成符合TCP/IP要求的IP数据提供给前述电力线路由猫1、以太网路由猫4和网关5，或者将接收到的符合TCP/IP要求的IP数据转换为基带信号。

编解码器502，主要用于进行信源编解码以及信道编解码，对应前述的基带处理和反基带处理过程。编解码器502还可细化包括编码器和解码器。

调制解调器503，主要用于高阶QAM调制/解调，将经信源编码和信道编码的基带信号调制成高阶QAM信号，以及，对模数转换器507提供的采样数据进行高阶QAM解调，调制解调器503还可细化包括调制器和解调器。

可见光驱动电路504，主要用于驱动光源506发光，以将调制解调器503输出的已调制信号（高阶QAM信号）转换为可见光信号。可见光驱动电路504和光源505对应前述电-光信号转换过程。上述可见光信号可包括语音通信帧信号以及非语音可见光信号，本文下述将作详细介绍。

光学感应器件506（PD或CCD），主要用于接收可见光信号，并将其转换为电信号，与前述光-电信号转换过程相对应。光学感应器件一般与聚光镜和滤光镜一同使用。可选择最优聚光镜（使坑道内照明灯所发射的光聚集于PD表面的光强最大）和最优滤光镜（滤除蓝光以外的光），使接收抗干扰能力最强。

模数转换器507，主要用于对光学感应器件506转换的电信号进行采样，向调制解调器503提供采样数据。

信源侧的可见光通信装置与信宿侧的可见光通信装置之间的配合可参见图5b。

需要说明的是，由于可见光通信照明设备102可作为可见光微型基站，在一些要求较低的场景应用中，可见光通信终端101所安装的可见光收发装置的IP核可不具备前述IP层匹配的功能，也无须安装前述的各种路由猫、网关。也即，可见光通信终端101的可见光收发装置对信号的处理可只限于网络接口层。此时，可见光通信终端101如须与以太网、广域网互通数据，则必须经由可见光通信照明设备102的中转。而各个可见光通信终端101之间的通讯则可以通过交互物理层比特流加以实现。在本发明其他实施例中，上述编解码器502、调制解调器503、模数转换器507的部分或全部功能可由IP核501来实现。

另外，在本发明其他实施例中，参见图5c，上述可见光通信装置还可包括预均衡单元508和信号放大滤波电路509中的至少一种，以利用预均衡和光滤波等技术优化光信道传输特性。同理，预均衡单元508和信号放大滤波电路509的部分或全部功能也可由IP核501来实现。

需要说明的是，基于图5a-c，图3中的可见光数据接口可具体包括：调制解调器503、可见光驱动电路504、（预均衡单元508）、光源505、光学感应器件506、（放大滤波电路509）和模数转换器507。

或者，也可把上述可见光数据接口划分为可见光数据接收接口和可见光数据发射接口。其中，可见光数据发射接口包括调制解调器503（调制部分）、可见光驱动电路504、（预均衡单元508）和光源505，而可见光数据接收接口则包括光学感应器件506、（放大滤波电路509）、模数转换器507和调制解调器503（解调）。

基于上述VLC网络，本发明的技术方案至少可实现以下三种功能：

一），通信：借助于电力线载波通信和可见光通信，井上管理控制平台可以与矿井中的施工人员之间进行一对多（广播、组播）或一对一（点播）的双工数据传输和语音通信。

在上下行链路上，井上管理控制平台和井下施工人员可使用同一频段交替发送可见光业务信号，但在不同的时间段上，具有上下行链路之间的互惠性。如图6，井上管理控制平台通过照明灯和井下施工人员在不同时隙间进行TDD方式的数据交换。

需要注意的是，如进行语音通信，矿帽上还需要安装有播放器、麦克风、音频信号/电信号转换器等。

图7为本发明提供的矿下语音通信帧信号的帧结构（语音通信帧信号为物理层传输的比特流），其至少包括信息序列和附加信息序列，而附加信息序列又包括验证序列、控制序列、以及结束标志序列。

具体的，验证序列包括同步序列信息和训练序列信息，总共100个比特位来确定接收信息；其中，同步序列信息和训练序列信息可用于信道估计。

控制序列可包括10个比特位，用于确定语音通信的广播和单播业务；

信息序列（有效载荷）包括需要传输的语音数据，最多可传输104比特的语音数据；

结束标志序列为本次通信结束标志位，共10个比特位。如通话时间较长，可采用多帧连续发包形式进行语音通信。

其它非语音可见光信号的帧结构与上述语音通信帧相同，在训练序列里可设置不同标志（不同的比特）来区分语音或者其它业务，在此不作赘述。

二），精确定位：由于照明灯和矿帽都具有IP地址，根据矿帽在通信时所接入的照明灯（可见光微型基站），就可以对施工人员的活动位置进行精确定位。井上管理控制平台从而可以根据定位情况，分析井下施工人员的施工状态，在发生紧急事故时可以进行快速定位救援。另外，在发生紧急事故时，只要保证电力线路畅通，井下施工人员就可以和井上管理控制平台进行实时通信，从而极大得提升了救援效率。

在具体实现时，可对位于矿下有施工人员作业的范围内的照明灯分配IP地址，并为每个矿帽分配IP地址，在无人作业的区域内，则可辅助以其他监控措施。当然也可为矿井中的所有照明灯分配IP地址。更具体的，在分配IP地址时，既可为照明灯和矿帽分配静态IP地址，也可采用网关为其分配动态IP地址。

三），实时监控：当矿帽上安装有CCD视频装置、瓦斯监测仪等监测设备时，可以利用可见光通信随时随地将视频监控数据和瓦斯监测数据传送至外部网络，实现实时监控。

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发明。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发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明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

1.一种全IP可见光数据透明传输方法，其特征在于，基于电力线网和VLC网络；

所述方法包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述VLC网络、可见光通信终端和所述可见光通信照明设备中的至少一个还包括以太网路由猫；所述方法还包括：

通过所述以太网路由猫完成所述符合TCP/IP要求的IP数据与以太网信号之间的相互转换以及路由选择，以实现以太网和所述VLC网络之间的互通。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

所述可见光通信终端和所述可见光通信照明设备采用时分双工方式进行可见光通信。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述可见光信号包括语音通信帧信号，所述语音通信帧包括验证序列、控制序列、信息序列以及结束标志序列。

5.一种全IP可见光数据透明传输系统，其特征在于，至少基于电力线网；

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述全IP可见光数据透明传输系统、可见光通信终端和所述可见光通信照明设备中的至少一个还包括接入装置，所述接入装置包括以太网路由猫和广域网网关中的至少一个。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述可见光收发装置至少包括IP核、编解码器、调制解调器、可见光驱动电路、光学感应器件以及模数转换器，其中：

所述IP核，用于执行TCP/IP层次模型中各层间的协议转换以及IP层匹配，从而将基带信号转换成符合TCP/IP要求的IP数据，或将接收到的符合TCP/IP要求的IP数据转换为基带信号；

所述编解码器，用于对基带信号进行信源编码和信道编码，以及对已解调信号进行信道解码和信源解码；

所述调制解调器，用于对经信源编码和信道编码的基带信号进行高阶QAM调制，以及，对所述模数转换器提供的采样数据进行高阶QAM解调；

所述可见光驱动电路，用于驱动光源发光，以将所述调制解调器输出的已调制信号转换为可见光信号；

所述光学感应器件，用于将接收到的可见光信号转换为电信号；

所述模数转换器，用于对所述光学感应器件输出的电信号进行采样，向所述调制解调器提供采样数据。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述可见光收发装置还包括预均衡单元和信号放大滤波电路中的至少一种。

9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述可见光收发装置还包括聚光镜和滤光镜。

10.如权利要求5-9任一项所述的系统，其特征在于，所述可见光通信终端还包括与所述可见光收发装置相连接的监测设备，所述监测设备包括CCD视频装置和瓦斯监测仪中的至少一个。