CN103023567A - 一种可见光通信方法、装置和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可见光通信方法、装置和系统，在采用可见光通信时，对不同波长光进行调制；根据要传送的信息的信号波形改变调制后的不同波长光的发射量。另外，能够对接收到的用于通信的可见光，利用强度与频率进行检波，并对从接收到的光信号中提取的调制信号进行针对不同波长光的解调，以还原出来自信源的通信内容。本发明在信道条件和噪声环境等变量发生恶化条件时能及时跳频通信，能够大大降低码间干扰与噪声干扰能力，有效地提高传输效率。

Description

一种可见光通信方法、装置和系统
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种可见光通信方法、装置和系统。
背景技术
随着LED技术的发展，可见光通信(Visible Light Communication，VLC)成为新一代无线通信技术的研究热点之一。VLC在利用LED照明的同时，将信号调制在LED光源上，利用可见光波段作为通信载体来传输数据。目前可见光通信针对固定波长光波进行调制采用的调制方式为OOK(开关键控)或VPPM(可变脉冲调制)等方式，这些传输方式信息传输载波固定、成本低廉，但是相应的传输率与无线传输方式比单位频谱传输效率低很多，并且抗码间干扰以及噪声干扰的能力弱。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种可见光通信方法、装置和系统，
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种可见光通信方法，该方法包括：
在采用可见光通信时，对不同波长光进行调制；根据要传送的信息的信号波形改变调制后的不同波长光的发射量。
所述调制的过程包括：
以预定数目的维度，对为所述不同波长光所对应的各个载波产生的N个数据流进行调制，以产生用于进行可见光通信的N个发送信号。
进行所述调制之前，还对来自信源的数据流进行编码。
在采用可见光通信时所发出的可见光，在空间传输时被空间复用。
该方法还包括：
针对所述不同波长光所对应的每个载波的通信条件进行监控。
该方法还包括：
对接收到的用于通信的可见光，利用强度与频率进行检波，并对从接收到的光信号中提取的调制信号进行解调，以还原出来自信源的通信内容。
该方法还包括：进行所述解调之后，以及还原来自信源的所述通信内容之前，还对得到的解调信号进行解码。
一种可见光通信方法，该方法包括：
对接收到的用于通信的可见光，利用强度与频率进行检波，并对从接收到的光信号中提取的调制信号进行针对不同波长光的解调，以还原出来自信源的通信内容。
该方法还包括：进行所述解调之后，以及还原来自信源的所述通信内容之前，还对得到的解调信号进行解码。
一种可见光通信装置，该装置包括调制单元、发光控制单元；其中，
所述调制单元，用于在采用可见光通信时，对不同波长光进行调制；
所述发光控制单元，用于根据要传送的信息的信号波形改变调制后的不同波长光的发射量。
所述调制单元进行调制时，用于：
以预定数目的维度，对为所述不同波长光所对应的各个载波产生的N个数据流进行调制，以产生用于进行可见光通信的N个发送信号。
所述装置还包括编码单元，用于在进行所述调制之前，对来自信源的数据流进行编码。
所述发光控制单元还用于在采用可见光通信时对所发出的可见光进行空间复用。
所述发光控制单元还用于：
针对所述不同波长光所对应的每个载波的通信条件进行监控。
一种可见光通信装置，该装置包括滤波整形电路、解调单元；其中，
所述滤波整形电路，用于对接收到的用于通信的可见光，利用强度与频率进行检波；
所述解调单元，用于对从接收到的光信号中提取的调制信号进行解调，以还原出来自信源的通信内容。
该装置还包括解码单元，用于在进行所述解调之后，以及还原来自信源的所述通信内容之前，对得到的解调信号进行解码。
一种可见光通信系统，该系统包括发送装置和接收装置；其中，
所述发送装置，用于在采用可见光通信时，对不同波长光进行调制；根据要传送的信息的信号波形改变调制后的不同波长光的发射量；
所述接收装置，用于对接收到的用于通信的可见光，利用强度与频率进行检波，并对从接收到的光信号中提取的调制信号进行针对不同波长光的解调，以还原出来自信源的通信内容。
所述发送装置包括调制单元、发光控制单元；其中，
所述调制单元，用于在采用可见光通信时，对不同波长光进行调制；
所述发光控制单元，用于根据要传送的信息的信号波形改变调制后的不同波长光的发射量。
所述接收装置包括滤波整形电路、解调单元；其中，
所述滤波整形电路，用于对接收到的用于通信的可见光，利用强度与频率进行检波；
所述解调单元，用于对从接收到的光信号中提取的调制信号进行解调，以还原出来自信源的通信内容。
本发明通过一个或多个发射装置将发射光波分成若干子波长传输载波，针对每个载波的信道条件、噪声环境等通信条件进行监控，上一传输时隙指定下一传输时隙在不同波长跳变的跳频通信信道，并在一个或多个接收装置进行解码还原传输信息。本发明在信道条件和噪声环境等变量发生恶化条件时能及时跳频通信，能够大大降低码间干扰与噪声干扰能力，有效地提高传输效率。
附图说明
图1为本发明实施例的可见光通信原理示意图；
图2为本发明实施例的可见光通信系统的结构示意图；
图3为本发明实施例的可见光通信系统的工作原理示意图；
图4为本发明实施例的可见光通信流程简图；
附图标记说明：
101、102、103、104：基站。
具体实施方式
在实际应用中，进行可见光通信时，可以采用发光二极管(LED)等光发射元件作为光源，并且对不同波长光进行调制，根据要传送的信息的信号波形改变不同波长光的发射量。需要说明的是，这些波长光可组合成红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色并最终形成白光，既可以用于照明，又可以用于通信。
上述操作可由如图2所示的可见光通信系统实现，所述可见光通信系统可以包括发送装置和接收装置；其中，发送装置可以包括：一个或一个以上的光发射元件，用于进行可见光照明，也可进行无线通信；发光控制单元，用于根据调制单元产生的N个发送信号控制所述发光控制单元发光；调制单元，用于以预定数目的维度对为各个载波产生的N个数据流进行调制，从而产生要发送给发光控制单元的N个发送信号；编码单元可以针对来自信源的数据流进行编码，并将完成编码的数据流发送给调制单元。需要说明的是，光发射元件发出的可见光，在空间传输时可以被空间复用。
所述可见光通信系统中的接收装置可以包括：光接收元件，用于接收来自所述发送装置的可见光，利用强度与频率进行检波；以及解调单元，用于对从接收到的光信号中提取的调制信号进行解调，将解调信号发送给解码单元；以及解码单元，用于对收到的解调信号进行解码以还原出来自信源的通信内容。
下面结合附图对本发明进行说明。
参见图1，图1中包括四个基站(101、102、103、104)，所述基站是作为光源使用的固定顶灯。其中，基站101作为主基站，基站使用可见光进行通信。图1中还包括若干终端，终端可以与任一个基站进行双向通信，基站也可以针对特定的终端进行广播通信。相邻基站可以进行直接通信。
参见图2，图2中的光发射元件可以是发光二极管、激光二极管(LD)或辐射发光二极管(LID)等；调制单元的调制方式可以是开关键控(OOK)、可变脉冲空间位置调制(VPPM)、正交频分复用(OFDM)或DSSS(直接序列扩频)等。
光接收元件可以是光电二极管、CCD(电荷耦合元件)或CMOS(互补氧化金属半导体)等。
在表1中示出了按照可见光通信标准传输信号的帧和时隙结构。在通信时，可供使用的频谱波长(380-680nm)可以被分为多个载频，如：被分为10个载频(如F0、F2到F9)，各载频具有40nm的频谱波长。
再有，每个载频的帧结构可以被分为若干时隙(如均匀时隙)；其中，可以为下行链路提供前X个时隙，也可以为上行链路提供后Y个时隙(所述X与Y的数目可以相等)。并且，还可以为进行双工通信而构造一些时隙对，在每一帧最后一个时隙指示下一帧。
780nm
740nm ACK 指示时隙
700nm ACK 指示时隙
660nm ACK 指示时隙
620nm ACK 指示时隙
580nm ACK 指示时隙
540nm ACK 指示时隙
500nm ACK 指示时隙
460nm ACK 指示时隙
420nm ACK 指示时隙
380nm ACK 指示时隙
表1
在初始化阶段，基站和终端被同步到包括频段F0到F9的10个波长频率范围内的跳频序列；跳频序列中的每个时隙可以供基站和终端进行发射和接收操作，并且每个时隙可以被替换、保留或设定。
如果终端试图发送数据到基站，终端可以等待到下一个可提供的时隙/频隙A空出来以后，在该时隙/频隙期间进行数据的发送，并且在下一个时隙/频隙B等待来自基站的确认(ACK)。
如果在时隙/频隙B没有接收到确认，则终端假设基站没有正确接收到在时隙/频隙A发送的数据。
终端可以保留发射和接收的记录，其中可以包括频段F0-F9中的每个频段的发送次数R，还可以包括传输成功的次数Rn，终端可以上报干扰指数到对应基站。假如前述的可见光通信系统的信道度量值的绝对值表示信道性能低于预定的门限值，则该信道被视为噪声载波信道，不必上传。上传的频段的数目可以通过基站对终端发射性能度量值的绝对值低于预定的门限值来确定。
这样，每个终端在评估时间段T建立信道中的频段F0-F9所受到干扰的图形，这个图形被包括在所述干扰指数中。
如图3所示，基站获得其覆盖范围内每一个终端提供的干扰指数，进行配置发射。基站可以在时隙/频隙上广播询问命令，该询问命令寻址到相应的终端，指令该终端在下一个时隙发送本地的干扰指数。基站可以重复上述询问过程，直至成功地接收每个终端的本地干扰指数为止。
根据来自终端的干扰指数，基站计算信道中各个频段的系统性能，从而确定性能最坏的频段，还可以产生包含两个或若干最坏性能频率的黑名单。基站在配置时隙重复广播表示列入黑名单的频率的控制分组。所述控制分组可以被反复发送，以便被所有的终端接收。
一旦一个波长频段被列入黑名单，形成跳频库，那么被列入黑名单的频段在一段时间内不再被系统使用。例如，信道中的频段数目是10。但在实际的系统中，可以包括更多的频段形成的跳频载波。
黑名单的产生可以具有不同的频繁程度，该频繁程度可以取决于系统所运行的环境。例如，在一个终端，在初始化后，黑名单的产生只进行一次，或者可以是每小时产生一次新的黑名单。在具有许多干扰源的噪声严重的环境下，为了保证较好的频谱利用，需要定期(例如，每秒一次)重新生成黑名单，形成跳频库。
在每一个发送帧的最后一个时隙，基站可以根据系统负载以及色彩平衡指数指定对应终端在下一个发送帧所使用的波长频段。从多个跳频载波中分配另外一个载波，所有载波与任何邻近的重复使用载波在时间上相同步。在跳频库中还可能包括一些用于进行控制和联接的载波。
结合以上描述可知，本发明进行可见光通信的操作思路可以表示如图4所示的流程，该流程包括以下步骤：
步骤410：在采用可见光通信时，对不同波长光进行调制。
步骤420：根据要传送的信息的信号波形改变调制后的不同波长光的发射量。
需要说明的是，本发明的可见光通信系统中的发送装置和接收装置均建立有已知的跳频序列，并且可以在不同波长的信道之间切换载波以传送信号；可以对可见光通信系统的一些确定的信道条件、噪声环境等通信条件进行监视，尤其是监视是否出现可能的噪声载波信道，并据此来匹配所述跳频序列；能够对跳频序列中对干扰影响最敏感的频段进行跟踪，可采取措施避免对干扰最敏感的、未来最有可能受噪声影响的频段，对相应频段建立黑名单；基站可以将列入黑名单的频段的信息发送到相邻基站，相邻基站可以共享黑名单，及时从跳频库删除、修正跳频序列。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (19)

1.一种可见光通信方法，其特征在于，该方法包括：
在采用可见光通信时，对不同波长光进行调制；根据要传送的信息的信号波形改变调制后的不同波长光的发射量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调制的过程包括：
以预定数目的维度，对为所述不同波长光所对应的各个载波产生的N个数据流进行调制，以产生用于进行可见光通信的N个发送信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进行所述调制之前，还对来自信源的数据流进行编码。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在采用可见光通信时所发出的可见光，在空间传输时被空间复用。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
针对所述不同波长光所对应的每个载波的通信条件进行监控。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
对接收到的用于通信的可见光，利用强度与频率进行检波，并对从接收到的光信号中提取的调制信号进行解调，以还原出来自信源的通信内容。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法还包括：进行所述解调之后，以及还原来自信源的所述通信内容之前，还对得到的解调信号进行解码。
8.一种可见光通信方法，其特征在于，该方法包括：
对接收到的用于通信的可见光，利用强度与频率进行检波，并对从接收到的光信号中提取的调制信号进行针对不同波长光的解调，以还原出来自信源的通信内容。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法还包括：进行所述解调之后，以及还原来自信源的所述通信内容之前，还对得到的解调信号进行解码。
10.一种可见光通信装置，其特征在于，该装置包括调制单元、发光控制单元；其中，
所述调制单元，用于在采用可见光通信时，对不同波长光进行调制；
所述发光控制单元，用于根据要传送的信息的信号波形改变调制后的不同波长光的发射量。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述调制单元进行调制时，用于：
以预定数目的维度，对为所述不同波长光所对应的各个载波产生的N个数据流进行调制，以产生用于进行可见光通信的N个发送信号。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述装置还包括编码单元，用于在进行所述调制之前，对来自信源的数据流进行编码。
13.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述发光控制单元还用于在采用可见光通信时对所发出的可见光进行空间复用。
14.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述发光控制单元还用于：
针对所述不同波长光所对应的每个载波的通信条件进行监控。
15.一种可见光通信装置，其特征在于，该装置包括滤波整形电路、解调单元；其中，
所述滤波整形电路，用于对接收到的用于通信的可见光，利用强度与频率进行检波；
所述解调单元，用于对从接收到的光信号中提取的调制信号进行解调，以还原出来自信源的通信内容。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，该装置还包括解码单元，用于在进行所述解调之后，以及还原来自信源的所述通信内容之前，对得到的解调信号进行解码。
17.一种可见光通信系统，其特征在于，该系统包括发送装置和接收装置；其中，
所述发送装置，用于在采用可见光通信时，对不同波长光进行调制；根据要传送的信息的信号波形改变调制后的不同波长光的发射量；
所述接收装置，用于对接收到的用于通信的可见光，利用强度与频率进行检波，并对从接收到的光信号中提取的调制信号进行针对不同波长光的解调，以还原出来自信源的通信内容。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述发送装置包括调制单元、发光控制单元；其中，
所述调制单元，用于在采用可见光通信时，对不同波长光进行调制；
所述发光控制单元，用于根据要传送的信息的信号波形改变调制后的不同波长光的发射量。
19.根据权利要求17或18所述的装置，其特征在于，所述接收装置包括滤波整形电路、解调单元；其中，
所述滤波整形电路，用于对接收到的用于通信的可见光，利用强度与频率进行检波；
所述解调单元，用于对从接收到的光信号中提取的调制信号进行解调，以还原出来自信源的通信内容。
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