CN103117802B

CN103117802B - 可见光通信系统中基于自适应速率适配的通信方法

Info

Publication number: CN103117802B
Application number: CN201310044630.4A
Authority: CN
Inventors: 岳鹏; 鞠茂光; 王宁; 易湘; 顾华玺; 刘增基; 毛伯敏
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xi'an Xiannong Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2033-02-05
Also published as: CN103117802A

Abstract

本发明公开了可见光通信系统中基于自适应速率适配的通信方法，包括以下四个过程：A1、数据传输准备过程；A2、数据速率识别过程；A3、数据同步过程；A4、数据传输过程。本发明具有如下优点：1)本发明设计的可见光通信方法，能够自适应的完成信息传输。2)本发明设计的可见光通信方法，能够完成速率可变的信息传输。3)本发明采用的CCD相机作为接收设备，其灵敏度和响应度比传统的PIN光电二极管高很多，且CCD作为光探测器还可以同时用于APT(瞄准、捕获、跟踪)系统中。4)本发明采用的LED发出的可见光(特别是白光)的谱特性是广谱光，与激光等窄谱光相比，具有潜在的抗多径衰落的性能。

Description

可见光通信系统中基于自适应速率适配的通信方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及可见光通信，特别涉及可见光通信系统中自适应速率适配、数据同步的通信方法及模型设计，用于较远距离可变速率点对点通信，同时还可作为白光LED灯照明之外的第二功能存在。

背景技术

可见光通信技术是以荧光灯或发光二极管等作为光源，以大气为信道，将基带信号调制在可见光上进行通信的无线光通信技术。近些年，基于白光LED的可见光通信技术得到快速的发展，其突出的优点是用LED作光源成本低且发射功率较大(几W至几十W)，LED发出的可见光(特别是白光)的谱特性具有潜在的抗多径衰落的性能。目前研究的主要内容集中在高速近距离传输，具体分为两个方面：一是利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统。只要在室内灯光照到的地方，就可以进行数据通信。目前实验室中已经成功实现了几米之内，基于白光LED几十兆到几百兆的高速传输系统。二是用于智能交通系统，使用LED作为光源，光电二极管作为光探测器，对LED发出的已调光进行探测，并将探测到的光信号转化为电信号传给信息处理单元进行处理，从而实现几十米以内的信息的传输。

与传统采用光电二极管作为光探测器相比，采用CCD相机作为光探测器的灵敏度更高，并且不需要复杂的对准过程，但需要CCD相机自适应的对光源发送数据进行同步接收。

发明内容

本发明的目的是提供一种远距离自适应速率适配的可见光通信方法，可用于点对点长距离可见光通信系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

可见光通信系统中基于自适应速率适配的通信方法，包括以下四个过程：A1、数据传输准备过程：相机对准光源后，光源需要告知相机即将发送信息，此时相机应做好接收数据的准备，准备过程包含两个方面的功能，一是要告知相机即将通信，使其做好接收准备，二是需要完成发送端与接收端的初步同步过程；

A2、数据速率识别过程：光源通过改变其发射频率，来发射不同的信息，在这个过程中，光源发射连续3个周期的特定频率的高电平码，相机通过拍摄到的图像信息判断之后信息传输的速率，自适应的改变拍摄速率；

A3、数据同步过程：在这个阶段，通过光源发送的前导序列，相机在由前一阶段已知的发送速率的情况下，调整拍摄时间，使光源和相机达到同步，进而正确的接收信息；

A4、数据传输过程。数据信息在这个阶段进行传输接收。

所述的通信方法，具体包括以下步骤：

1)开始阶段，光源与相机对准做好通信准备，光源有“亮”和“不亮”两种状态，相机取默认帧频F，执行步骤(2)；

2)光源保持发送持续时间为T₁的点亮状态，即“亮”状态，作为预同步消息，相机判断是否收到预同步消息，若接收到则执行步骤(3)，否则回到步骤(1)；

3)光源发送速率识别码，光源发送连续3个周期的特定频率的“1”序列，相机以默认帧频拍摄，通过拍摄到的“1”序列形成的连续“亮状态”个数A来判断光源速率识别过程中的频率f，以及确定之后数据传输速率f′，执行步骤4)；

4)进入同步过程，光源采用归零OOK调制，占空比为η，相机进行拍摄，当处在亮状态用“1”表示，灭状态用“0”表示，上升或下降沿用“x”表示。在一个周期内拍摄位置有a，b，c，d四种情况(若占空比η为100％，则只有a、b、c三种情况)，分别对应序列为x0x0x0x0x0x0x0x0，1010101010101010，x0x0x0x0x0x0x0x0，0000000000000000。当拍摄位置在b时，同步已经完成，执行步骤(8)，当拍摄位置在d时执行步骤(5)，当拍摄位置在a或c时执行步骤(6)；

5)相机延迟时间，进行拍摄，下个字节进行判断，若是00000000，则继续执行步骤(5)，若是10101010，则执行步骤(8)；

6)相机延迟时间，进行拍摄，判断之后接收的序列，检测之后接收的字节，若检测为10101010则此之前的拍摄位置为a，此时同步完成，执行步骤(8)，若检测为00000000(若占空比η为100％，不会检测到00000000)，则执行步骤(7)；

7)相机延迟时间，进行拍摄，同步完成，执行步骤(8)；

8)数据同步过程结束，准备进行数据传输，执行步骤(9)；

9)光源进行数据传输，传输完成之后，返回步骤(1)，等待下一次通信过程的开始。

本发明具有如下优点：

1)本发明设计的可见光通信方法，能够自适应的完成信息传输。

2)本发明设计的可见光通信方法，能够完成速率可变的信息传输。

3)本发明采用的CCD相机作为接收设备，其灵敏度和响应度比传统的PIN光电二极管高很多，且CCD作为光探测器还可以同时用于APT(瞄准、捕获、跟踪)系统中。

4)本发明采用的LED发出的可见光(特别是白光)的谱特性是广谱光，与激光等窄谱光相比，具有潜在的抗多径衰落的性能。

附图说明

图1是可见光通信中自适应速率适配通信方法的状态转移图；

图2是信息传输过程的时间轴表示图；

图3是数据传输建立过程示意图；箭头所指为持续时间为T₁的连续高电平“1”；

图4是理想条件下，已知F、f条件下，相机拍摄连续高电平的情况一(A)和情况二(B)；箭头所指为高电平“1”，向上的箭头代表相机拍摄的瞬间时刻；

图5是实际情况中，相机拍摄连续高电平的情况一(图中A，箭头所指处为归一化的3dB振幅，即最大振幅的一半)和情况二(图中B，此处为归一化的3dB振幅，即最大振幅的一半)；

图6是50％占空比RZ-OOK示意图；

图7A是50％占空比在一个时隙T内CCD相机可能的拍摄位置；

图7B是100％占空比在一个时隙T内CCD相机可能的拍摄位置；

图7C是25％占空比在一个时隙T内CCD相机可能的拍摄位置；

图8A是50％占空比数据同步阶段判断过程；

图8B是100％占空比数据同步阶段判断过程；

图8C是25％占空比数据同步阶段判断过程；

图9是本发明的可见光通信中自适应速率适配通信方法的流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

图1所示为可见光通信中自适应速率适配通信方法的状态转移图，分为四个过程，按时间顺序分别是数据传输准备过程，数据速率识别过程，数据同步过程，数据传输过程。数据传输过程结束之后再回到数据传输准备过程。

图2是信息传输的时间轴表示图。由于图1所示的过程按照时间顺序进行，所以可以用时间坐标轴方式表示。按次序依次为数据传输建立，持续时间为T₁；保护间隔T₂；速率识别码发送时间T₃；保护间隔T₄；数据同步时间；最后进行数据传输。

下面介绍每个阶段的过程以及编码的设计。

一、数据传输准备过程

图3所示为数据传输准备过程，目的是要使相机做好接收数据的准备。光源通过发送持续时间为T₁的高电平，即LED处在一直亮的状态，相机通过软件在捕捉到连续“亮”状态的信息后，做好接收数据的准备。为了避免与之后的信息冲突，可以将时间T₁设置成特定的时间长度以示区别。数据传输准备过程完成后会有持续时间为T₂的保护间隔，其作用是留有一段时间间隔，使相机为之后的数据速率识别过程做好准备。

二、数据速率识别过程

数据速率识别过程的作用是确定之后光源发射频率。由于光源通过改变其发射频率，来发射不同速率的信息，要求相机在速率识别阶段通过识别速率识别码以确定之后将要传输的数据信息的频率。在数据速率识别阶段，光源发射速率识别码(发送时间T₃，如连续3个周期的特定频率的连“1”序列)，相机通过“亮”状态的个数来判断在这之后信息传输的速率。在这里取相机的默认帧频F，比如F＝100fps，在整个速率识别阶段要求相机有相同的帧频。速率识别过程中(图2中T₃时间段)，光源的不同速率f₁、f₂、f₃、f₄……，分别对应在此之后的时间段内光源要发送的数据的频率f₁′、f₂、f₃′、f₄……。

图4是理想条件下已知F、f条件下，相机拍摄连续高电平的情况一和情况二，根据相机拍摄光源图像的特点，可以唯一确定光源的发射速率。

理想条件下，当F是已知的，相机在这个阶段会拍摄到连续张“1”状态的图像信息或者是张“1”状态的图像信息这两种情况。因此可以根据连续的“1”状态的图像张数来判断f的值，从而确定相机接下来应该以多少帧频来进行信息接收。举一个简单的例子，这里取相机的帧频F＝100fps＝100Hz，光源的频率f＝25Hz。此时，相机拍摄光源会出现两种情况，一是相机连续拍摄5张亮状态的图片，二是相机拍摄4张亮状态的图片。因此当统计的连续“1”的个数为4或者5，则可以确定光源的发出的数据识别码的频率为25Hz。

在数据速率识别阶段，定义在连续3个高电平下，拍摄到的连续高电平张数为A，根据相机拍摄到的连“1”图片张数A，来推算f的值，f′代表之后数据传输的速率。根据公式：f取能够整除的值。

当F＝100fps，A值对应相应的频率。如下表：

A	61or60	31or30	21or20	13or12	7or6
						f(Hz)	5	10	15	25	50
f(Hz)	f₁′	f₂′	f₃′	f₄′	f₅′

光源实际的亮灭过程并不是理想的情况，是平滑上升与平滑下降，即平滑滚降，如图5所示。

设定3dB为门限，假定归一化的振幅为1，则3dB门限所对应的归一化振幅为0.5，认为归一化振幅大于0.5的脉冲是有效脉冲，即被判定为“1”码。设定3dB为门限后，计算出的f与A的关系。根据波形特点，且实际情况中可能出现的抖动，根据A值落在哪个区间，来推算f的值。如下表：

A	A≥60	30≤A＜60	20≤A＜30	12≤A＜20	6≤A＜12
						f(Hz)	5	10	15	25	50
f′(Hz)	f₁′	f₂′	f₃′	f₄′	f₅′

数据速率识别过程主要是确定接下来光源发射的频率，从而使相机自适应匹配光源的频率进行数据的接收。利用公式，可以得到需要的信息，从而为接下来的同步传输过程做好准备。数据速率识别过程成功之后设置持续时间为T₄的保护间隔，其作用是为之后的数据同步过程做准备。

三、数据同步过程

数据同步过程，这个阶段类似于以太网中的前导序列，光源发送前导序列，在以太网中，前导序列和帧开始符总共8个字节，考虑到相机的处理时间，这里取前导序列为64bit，即8个字节用于同步，具体序列为：10101010......10101011。相机在由前一阶段已知的发送速率的情况下，调整拍摄时间，这时光源和相机的速率是一致的。采用的是归零的OOK调制，用光信号脉冲的有无来表示数据信息，实际上是脉冲幅度调制。采用归零主要是其功率利用率提高了，假如采用50％占空比(“高电平”在一个周期内之内所占的时间比率)的归零OOK调制，峰值发射功率提高了一倍，假设S₀(t)为“0”码，S₁(t)为“1”码，码字的持续时间与峰值发射功率的关系见图6。

这里考虑在占空比分别为100％，50％，25％三种情况下的同步过程：

A、占空比为50％

根据图示，相机在一个时隙的拍摄位置可能有四种情况，需要将相机的拍摄时间正好对准在第二个脉冲的位置，如图7A。可以通过相机自带的软件来实时控制改变其拍摄时间，达到正确拍摄的要求。

令拍摄位置分别为a、b、c、d，处在亮状态用“1”表示，灭状态用“0”表示，上升或下降沿用“x”表示。可知b位置是需要的拍摄位置，其结果为1010101010101010。如果出现在a位置则结果为x0x0x0x0x0x0x0x0，c位置结果为x0x0x0x0x0x0x0x0，d位置结果为0000000000000000。这样当出现d位置的情况时只需将相机的拍摄时间延迟则可以处在b位置；当出现a位置和c位置的情况时两者结果是相同的，这时候需要在第一个字节结束时做出改变，使相机延迟拍摄，如果在下个字节拍摄结果为10101010，则证明之前的是a位置且已经正确同步上；如果结果为00000000则证明之前的是c位置，这时候只需将拍摄时间延迟就可以使光源与相机同步。这里取8个字节，能够保证数据完全同步上。具体见图8A。

B、占空比为100％

根据图示，相机在一个时隙的拍摄位置可能有三种情况，需要将相机的拍摄时间正好对准在第二个脉冲的位置，如图7B。令拍摄位置分别为a、b、c，处在亮状态用“1”表示，灭状态用“0”表示，上升或下降沿用“x”表示。可知b位置是需要的拍摄位置，其结果为1010101010101010。如果出现在a位置则结果为x0x0x0x0x0x0x0x0，c位置结果为x0x0x0x0x0x0x0x0。可知b位置是需要的拍摄位置，其结果为1010101010101010；当出现a位置和c位置的情况时两者结果是相同的，相机在下个字节延迟拍摄就可以使光源与相机同步。这里取8个字节，能够保证数据完全同步上。具体见图8B。

C、占空比为25％

根据图示，相机在一个时隙的拍摄位置可能有四种情况，需要将相机的拍摄时间正好对准在第二个脉冲的位置，如图7C。令拍摄位置分别为a、b、c、d，处在亮状态用“1”表示，灭状态用“0”表示，上升或下降沿用“x”表示。可知b位置是需要的拍摄位置，其结果为1010101010101010。如果出现在a位置则结果为x0x0x0x0x0x0x0x0，c位置结果为x0x0x0x0x0x0x0x0，d位置结果为0000000000000000。当出现a位置和c位置的情况时两者结果是相同的，这时候需要在第一个字节结束时做出改变，使相机延迟拍摄，如果在下个字节拍摄结果为10101010，则证明之前的是a位置且已经正确同步上；如果结果为00000000则证明之前的是c位置，这时候只需将拍摄时间延迟就可以使光源与相机同步。当出现在d位置的时候，相机延迟拍摄，下个字节进行检测，如果是00000000，则再延迟拍摄，直到出现10101010，则表示数据同步完成。这里取8个字节，能够保证数据完全同步上。具体见图8C。

完成数据传输的同步之后，就可以进行有效信息的传输。

四、数据传输过程

这个阶段是光源有效信息的传输，以及相机对信息进行接收解调的过程。当传输完毕，相机回到等待接收的状态。

图9所示为可见光通信中自适应速率适配通信方法的流程图；具体包括如下步骤。

7)相机延迟时间，进行拍摄，同步完成，执行步骤(8)；

8)数据同步过程结束，准备进行数据传输，执行步骤(9)；

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种可见光通信系统中基于自适应速率适配的通信方法，其特征在于，包括以下四个过程：A1、数据传输准备过程：相机对准光源后，光源需要告知相机即将发送信息，此时相机应做好接收数据的准备，准备过程包含两个方面的功能，一是要告知相机即将通信，使其做好接收准备，二是需要完成发送端与接收端的初步同步过程；

A3、数据同步过程：在这个阶段，相机在由前一阶段已知的发送速率的情况下，通过光源发送的前导序列，调整拍摄时间，使光源和相机达到同步，进而正确的接收信息；

A4、数据传输过程：数据信息在这个阶段进行传输接收；

所述通信方法具体包括以下步骤：

1)开始阶段，光源与相机对准做好通信准备，光源有“亮”和“不亮”两种状态，相机取默认帧频F，执行步骤2)；

2)光源保持发送持续时间为T₁的点亮状态，即“亮”状态，作为预同步消息，相机判断是否收到预同步消息，若接收到则执行步骤3)，否则回到步骤1)；

4)进入同步过程，光源采用归零OOK调制，占空比为η，相机进行拍摄，当处在亮状态用“1”表示，灭状态用“0”表示，上升或下降沿用“x”表示；在一个周期内拍摄位置有a、b、c、d四种情况，若占空比η为100％，则只有a、b、c三种情况，四种情况分别对应序列为x0x0x0x0x0x0x0x0，1010101010101010，x0x0x0x0x0x0x0x0，0000000000000000；当拍摄位置在b时，同步已经完成，执行步骤8)，当拍摄位置在d时执行步骤5)，当拍摄位置在a或c时执行步骤6)；

5)相机延迟时间，进行拍摄，下个字节进行判断，若是00000000，则继续执行步骤5)，若是10101010，则执行步骤8)；

6)相机延迟时间，进行拍摄，判断之后接收的序列，检测之后接收的字节，若检测为10101010则此之前的拍摄位置为a，此时同步完成，执行步骤8)，若检测为00000000，则执行步骤7)；

7)相机延迟时间，进行拍摄，同步完成，执行步骤8)；

8)数据同步过程结束，准备进行数据传输，执行步骤9)；

9)光源进行数据传输，传输完成之后，返回步骤1)，等待下一次通信过程的开始。