CN103346834A - 可见光携能通信系统及方法 - Google Patents

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CN103346834A CN2013102585373A CN201310258537A CN103346834A CN 103346834 A CN103346834 A CN 103346834A CN 2013102585373 A CN2013102585373 A CN 2013102585373A CN 201310258537 A CN201310258537 A CN 201310258537A CN 103346834 A CN103346834 A CN 103346834A
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杨秀梅
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上海无线通信研究中心
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Abstract

本发明提供了一种可见光携能通信系统及方法,所述可见光携能通信系统包含照明设施端可见光携能通信系统和移动用户端可见光携能通信系统;所述移动用户端可见光携能通信系统至少包含信息发射链路、信号收集模块、信号分配模块、信息接收链路和能量采集链路。本发明的可见光携能通信系统及方法将可见光通信系统与无线能量传输技术结合在一起,针对可见光通信系统的特性添加了能量链路来收集可见光信号携带的能量,构成了一套完整的可见光携能通信系统;结合了可见光通信系统的超宽带宽、免费频段、收发信机功耗低等优势,并通过无线能量传输技术解决了移动终端对电源线的依赖,在现实意义上实现了信息与能量的同时无线传输。

Description

可见光携能通信系统及方法

技术领域

[0001] 本发明属于无线通信技术领域,特别是涉及ー种可见光携能通信系统及方法。背景技术

[0002] 无线通信系统通过信号的无线传输使得人们在通信过程中摆脱了信号线的约束。但是,在给无线通信设备充电的过程中,我们依旧受制于电源线在空间上的限制。无线能量传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术的研究同样也是学术界和エ业界共同关心的热点问题。

[0003] 申请号为200780053126.3的中国专利公开了ー种采用谐振器发射和接收电磁波实现能量无线传输的方法。公告号为US8378523B2的美国专利则采用电磁线圈的方式来完成能量的无线收发。申请号为201110264296.4的中国专利公开了ー种基于激光谐振耦合方式的无线能量传输装置及方法。申请号为200680043403.8的中国专利则公开了ー种对射频(Radio Frequency,RF)信号进行能量收集的装置。申请号为201010250707.X的中国专利公开了ー种传感器系统,能够从外界收集能源信号并将其转换为能量。

[0004] 在信息与能量同时进行无线传输方面,公告号为US20130005252A1和US20130069441A1的美国专利中将无线能量传输与无线信号收发分别通过电磁线圈和天线来实现。申请号为200980156736.5的中国专利公开了ー种基于电磁耦合原理的天线,可用于信息和能量的同时传输。申请号为201210412054.X的中国专利公开了ー种基于磁共振的无线能量及信号的协同传输系统,其中,驱动模块在给负载模块提供能量的同时也可以与其进行信息交互。申请号为201020233192.8的中国专利公开了ー种基于谐振器的加载有无线控制信号的能量传输系统。公告号为US20120287985A1的美国专利采用谐振体进行能量和信息的无线传输。基于电磁感应的原理采用电磁线圈同时进行能量与数据的无线传输的技术方案最为普遍,公告号为US7960867B2、US8247926B2、US8315561B2和US20120299389A1的美国专利等均采用这一方式。

[0005] 然而,上述的无线信息与能量的同时传输技术存在如下缺陷:

[0006] ( I)基于电磁耦合、磁共振、谐振体、电磁线圈等方案的传输技术的传输距离短、能量传输效率低、受方向性的制约非常严重,故其应用范围受到较大的限制;

[0007] (2)基于RF信号的无线能量收集方案的可行性较低,由干天线接收到的射频信号的能量非常小,不足以提供充电电流,故可实现性不强;

[0008] (3)由于路径损耗严重,能量收集效率低,在发射端需要释放功率很大的电磁信号或者RF信号,将会对环境造成电磁污染,并且对人体有危害;更为严重的是,譬如频谱资源稀缺等问题使得基于电磁/RF信号的无线能量与信息传输系统的实现效果较差。

[0009] 当前迅猛增长的无线数据业务量与极度稀缺的RF频谱资源的矛盾日益凸显出来。采用超宽光谱频段(400THz〜790THz)的可见光通信(Visible Light Communication,VLC)技术突破了频谱资源的限制,是提供大容量的无线通信的潜在解决方案。典型的照明设施端可见光携能通信系统与传统的射频收发器最大的不同在干:将射频前端更换为可见光收发器。在发射端,首先将数字信号进行数模转换(Digital-to-Analog Converter,DAC),变成幅度变化的模拟信号,来控制发光二极管(Lighting Emitting Diode, LED)的亮度变化,从而将信息加载到肉眼无法觉察的高速明暗光信号中。在接收端,光电检测器(Photo Diode, PD)捕获并检测到光信号亮度的变化,输出相应变化的电信号,由模数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)采样变为数字信号,随后在数字域进行解调、判决等处理。因此,光通信作为无线通信演进的ー种特殊形式,以其收发功耗低、不受复杂的电磁干扰、信息传输安全性强等特性,受到了学术界和エ业界的众多关注。例如,公告号为US8019229B2,US8295705B2 的美国专利和公告号为 CN102246432A,CN102244635A 的中国专利中均提出了可见光通信系统构架及实现方法等。公开号为200880007596.0的中国专利则公开了一种采用太阳能电池板对可见光信号的能量进行采集并对后续的信息解调等处理提供能源的方法。

发明内容

[0010] 鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种可见光携能通信系统及方法,其基于可见光通信的信号特性,通过可见光信号实现了信号与能量的中短距离的无线传输。

[0011] 为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种移动用户端可见光携能通信系统,其至少包含:

[0012] 信息发射链路,用于向照明设施端发射可见光信号;

[0013] 信号收集模块,用于接收到来自照明设施端的可见光信号;

[0014] 信号分配模块,用于按照一定规则将所述信号收集模块输出的信号分为两路,一路供信息接收链路,另一路供给能量采集链路;

[0015] 信息接收链路,用于接收可见光信号中携帯的信息;

[0016] 能量采集链路,用于采集可见光信号中携帯的能量;

[0017] 所述信息收集模块与所述信息分配模块相连,所述信息分配模块再分别与所述信息接收链路和所述能量采集链路连接。

[0018] 根据上述的移动用户端可见光携能通信系统,其中:所述信息发射链路至少包含依次相连的发射信息序列产生模块、调制模块、数模转换模块和可见光发射器。

[0019] 根据上述的移动用户端可见光携能通信系统,其中:在基于电信号分配的移动用户端可见光携能通信系统中,所述信号收集模块包含光电检测器,用于接收来自照明设施端的可见光信号,并将所述可见光信号变换为电信号;所述信号分配模块包含电信号分配器,用于按照一定规则将所述光电检测器输出的电信号分成两路,一路供给信息接收链路,另一路供给能量采集链路。

[0020] 进ー步地,根据上述的移动用户端可见光携能通信系统,其中:所述信息接收链路至少包含依次相连的模数转换模块、解调模块、接收信息序列判决模块。

[0021] 进ー步地,根据上述的移动用户端可见光携能通信系统,其中:所述能量采集链路至少包含整流器、充电电池,所述充电电池与电源供应模块相连,用于为所述可见光携能通信系统内的所有模块提供电能。

[0022] 根据上述的移动用户端可见光携能通信系统,其中:在基于光信号分配的移动用户端可见光携能通信系统中,所述信号收集模块包含光信号收集器,用于收集来自照明设施端的可见光信号;所述信号分配模块包含光信号分配器,用于按照一定规则将所述光信号收集器输出的光信号分为两路,一路供信息接收链路,另一路供给能量采集链路。

[0023] 进ー步地,根据上述的移动用户端可见光携能通信系统,其中:所述信息接收链路至少包含依次相连的光电检测器、模数转换模块、解调模块和接收信息序列判决模块。

[0024] 进ー步地,根据上述的移动用户端可见光携能通信系统,其中:所述能量采集链路至少包含依次相连的光电转换器、整流器、充电电池,所述充电电池与电源供应模块相连,用于为所述可见光携能通信系统内的所有模块提供电能。

[0025] 相应地,本发明还提供一种可见光携能通信系统,其包含照明设施端可见光携能通信系统和上述任一移动用户端可见光携能通信系统,

[0026] 所述照明设施端可见光携能通信系统包含信号发射链路和信号接收链路,所述信号发射链路包含依次相连的发射信息序列产生模块、调制模块、数模转换模块和可见光发射器;所述信号接收链路包含依次相连的光电检测器、模数转换模块、解调模块和接收信息序列判决模块。

[0027] 另外,本发明还提供一种根据上述任一可见光携能通信系统的通信方法,其包含以下步骤:

[0028] 步骤1、数据上行链路:

[0029] 移动用户端采用以下步骤发射可见光信号步骤:

[0030] 步骤1-1、产生待发射的信息序列;

[0031] 步骤1-2、对所述信息序列进行调制;

[0032] 步骤1-3、将调制后的信号数模转换为模拟电信号;

[0033] 步骤1-4、采用步骤1-3中的所述模拟电信号驱动可见光发射器发出光强变化的可见光信号;

[0034] 照明设施端采用以下步骤接收可见光信号步骤:

[0035] 步骤1-5、光电检测器检测到可见光信号,将所述可见光信号转换为电信号;

[0036] 步骤1-6、将所述电信号模数转换为数字信号;

[0037] 步骤1-7、对所述数字信号在数字域进行解调;

[0038] 步骤1-8、判决出可见光信号所携带的信息比特;

[0039] 步骤2、数据下行链路:

[0040] 照明设施端采用以下步骤发射可见光信号步骤:

[0041] 步骤2-1、产生待发射的信息序列;

[0042] 步骤2-2、对所述信息序列进行调制;

[0043] 步骤2-3、将调制后的信号数模转换为模拟电信号;

[0044] 步骤2-4、采用步骤2-3中的所述模拟电信号驱动可见光发射器发出光强变化的可见光信号;

[0045] 移动用户端采用以下步骤接收可见光信号步骤:

[0046] 步骤2-5、信号收集模块接收来自步骤2-4的所述可见光信号;

[0047] 步骤2-6、信号分配模块按照一定规则将所述信号收集模块输出的信号分成两路:一路分配给信息接收链路,另一路分配给能量采集链路;[0048] 步骤2-7、信息接收链路将分配的信号进行处理,最終得到可见光信号所携帯的信息比特;能量采集链路将分配的信号进行处理,最終将可见光信号中的电能采集到充电电池中。

[0049] 如上所述,本发明的可见光携能通信系统及方法,具有以下有益效果:

[0050] (I)综合了可见光通信与无线能量传输这两个无线通信技术发展的重要方向;

[0051] (2)吸取了可见光通信系统在收发阶段的低功耗和传输路径中的低损耗等优点;

[0052] (3)在提供信息传输的同时为可见光覆盖区域内的移动终端提供了能量。

附图说明

[0053] 图1显示为本发明中的照明设施端可见光携能通信系统的结构示意图;

[0054] 图2显示为本发明中基于电信号分配的移动用户端可见光携能通信系统结构示意图;

[0055] 图3显示为本发明中基于光信号分配的移动用户端可见光携能通信系统结构示意图。

具体实施方式

[0056] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

[0057] 需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为ー种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。

[0058] 可见光携能通信系统的核心技术思想是基于可见光通信系统构架及其特性,通过添加能量链路来收集可见光信号所携帯的能量,从而实现信息与能量的同时传输。本发明提出的可见光携能通信系统,包含照明设施端可见光携能通信系统和移动用户端可见光携能通信系统两部分。为使本发明的技术方案更为清晰,下面将结合附图进一歩的对本发明作详细描述。

[0059] 參照图1,照明设施端可见光携能通信系统至少包含发射信息序列产生模块11、调制模块12、数模转换模块(DAC) 13、可见光发射器14、光电检测器(Photo Diode,PD) 15、模数转换模块(ADC) 16、解调模块17、接收信息序列判决模块18、电源供应模块19等。

[0060] 该照明设施端可见光携能通信系统的信号流程包含信号发射链路和信号接收链路。其中,在信号发射链路中,发射信息序列产生模块11、调制模块12、数模转换模块13和可见光发射器14依次相连。发射信息序列产生模块11产生待发射的信息序列,经调制模块12进行调制,然后数模转换模块13将其转换为模拟电信号,该模拟电信号驱动可见光发射器14发出加载有信息的可见光信号,从而将能量与信息传送给移动用户端。

[0061] 在信号接收链路中,光电检测器15、模数转换模块(ADC)16、解调模块17和接收信息序列判决模块18依次相连。光电检测器15检测到移动用户端发射的可见光信号,根据光信号的强弱变化转换为相应变化的电信号,经模数转换器16采样之后,在数字域由解调模块17做解调等处理,最終由接收信息序列判决模块18判决出信息序列。

[0062] 由于照明设施的位置较为固定,所需电量较大,往往由电カ线提供能量。因此,本发明的照明设施端可见光携能通信系统的电源供应模块19经电源线接入电网,为装置内的所有模块提供电能。

[0063] 调制模块12中采用的调制方式为非恒包络调制;可见光发射器14可采用LED,其根据模拟点信号的幅度变化,发出亮度变化的可见光信号,以进行信息的传播。此可见光信号的明暗变化频率超出人眼的分辨能力,不会对人眼产生危害。

[0064] 图2和图3为两种移动用户端可见光携能通信系统。与图1的结构相比,移动用户端可见光携能通信系统添加了信号分配模块,从而将信号分成两部分,一部分进入信息接收链路来获取所传输的信息,另一部分进入能量采集链路以收集接收到的可见光信号的

倉tfi。

[0065] 具体地,本发明的移动用户端可见光携能通信系统包含五个主要功能模块:信息发射链路、信号收集模块、信号分配模块、信息接收链路及能量采集链路。信息收集模块与信息分配模块相连,信息分配模块再分别与信息接收链路和能量采集链路连接。在信号分配模块中,根据分配信号的不同,其实现方式也不同。

[0066] 參照图2,本发明的基于电信号分配的移动用户端可见光携能通信系统至少包含信息发射链路21、光电检测器23、电信号分配器24、信息接收链路22、能量采集链路25以及电源供应模块26。

[0067] 其中,信息发射链路21至少包含依次相连的发射信息序列产生模块211、调制模块212、数模转换模块(DAC) 213、可见光发射器214等模块。光电检测器23接收来自照明设施端的可见光信号,将其变换为电信号。电信号分配器24按一定规则将其分成两路,一路供给信息接收链路22,另一路供给能量采集链路25。信息接收链路22至少包含依次相连的模数转换模块(ADC)221、解调模块222、接收信息序列判决模块223等。能量采集链路25至少包含整流器251、充电电池252等模块。充电电池252通过电源供应模块26为本装置内的所有模块提供电能。整流器251用于将电信号转换为适合为充电电池充电的电流。

[0068] 具体的,基于电信号分配的移动用户端可见光携能通信系统的信号发射流程为:信息序列产生模块211产生待发射的信息序列,经调制模块212进行非恒包络调制,然后由数模转换模块213转换为模拟电信号,该模拟电信号驱动可见光发射器214发出加载有信息的可见光信号;信号接收流程:光电检测器23接收到来自照明设施端的可见光信号,将其变换为电信号,电信号分配器24按一定规则将其分成两路,一路供给信息接收链路22,另一路供给能量采集链路25。信息接收链路22中,电信号经模数转换器221转换成数字信号,然后在数字域由解调模块222进行解调等处理,最后由接收信息序列判决模块223判决出接收信息序列。能量采集链路25中,首先由整流器251将电信号进行整流,然后对充电电池252充电。

[0069] 其中,电信号分配器所执行的分配方式可以为所有可实现的电信号分配方法,具体方式有:

[0070] ①直流交流分配方式:将电信号x(t)的直流部分分配给能量采集链路,即xP(t)=E[x(t)], Xp(t)为能量采集链路分配到的电信号,E[]表示取求均值;同时将其交流部分分配给信息接收链路,即X1 (t) =x (t) -E [x (t) ],X1 (t)为信息接收链路分配到的电信号。

[0071] ②完全能量采集分配方式:若检测到信息链路无有效信息传输,则将所有的电信号都分配到能量采集链路。此方式为直流交流分配方式的特殊形式。

[0072] ③动态比例分配方式:电信号分配器按照动态比例P⑴(分配比例P⑴随时间变化)进行信息/能量的分配。分配到能量采集链路的电信号为:xP(t) = P (t) -x(t);分配到信息接收链路的电信号为:Xl(t) = (l_P⑴)*x(t)0其中,xP(t)表示能量采集链路的电信号,Xl(t)表示信息接收链路的电信号。P (t) G [0,I]表示电信号动态分配比例,其可根据应用场景来设置。若偏向于保证信息量的获取(更小的误码率、更高的信噪比),则增加分配到信息接收链路的电信号功率,即减小P值;相反,通过分配更多的电信号进入能量采集链路,即増大P值,可达到收集更多能量的目的。

[0073] ④时分双エ分配方式:若照明设施端发射的可见光信号中信息与能量成分采用时分双エ(Time Division Duplex,TDD)的制式,则可在移动用户端采用相应的制式进行电信号的分配。

[0074] ⑤频分双エ分配方式:若照明设施端发射的可见光信号中信息与能量成分采用频分双エ(Frequency Division Duplex, FDD)的制式,贝U可在移动用户端采用相应的制式进行电信号的分配。

[0075] 直流交流分配方式的优势在干:本发明所提出的可见光携能通信系统中照明设施端发射的可见光信号存在较大的直流分量。这是因为发射端的可见光发射器具备一定的偏置电压或电流,故移动用户端所接收到的信号中也相应的存在较大的直流分量。此直流分量对接收机(无论是可见光通信系统还是射频无线通信系统)中的信息接收、判决等危害较大。采用直流交流分配方式一方面可以将接收信号的直流分量分配到能量采集链路中,从而获取了有效的充电能量;另ー方面也避免了进入信息接收链路的直流干扰,保证了信息获取的性能。

[0076] 完全能量采集分配方式的优势在于:本发明所提出的可见光携能通信系统在无信息传输的情况下,照明设施端依旧会发射一定強度的可见光信号。此时,移动用户端所接收到的ー个能量稳定的可见光信号,其可直接转换为直流电信号为充电电池提供充电能量。

[0077] 当然,本发明所提出的可见光携能通信系统及方法中的电信号分配方式绝不仅限于上述方式。

[0078] 參照图3,本发明的基于光信号分配的移动用户端可见光携能通信系统至少包含信息发射链路31、光信号收集器33、光信号分配器34、信息接收链路32、能量采集链路35和电源供应模块36等。

[0079] 其中,信息发射链路31至少包含依次相连的发射信息序列产生模块311、调制模块312、数模转换模块(DAC) 313、可见光发射器314等模块。光信号收集器33用来收集来自照明设施端的可见光信号。光信号分配器34按一定规则将收集到的可见光分成两路,一路供给信息接收链路32,另一路供给能量采集链路35。信息接收链路32至少包含依次相连的光电检测器321、模数转换模块322、解调模块323和接收信息序列判决模块324等。能量采集链路35至少包含依次相连的光电转换器351、整流器352、充电电池353等模块。充电电池353通过电源供应模块为本装置内的所有模块提供电能。[0080] 本发明的基于光信号分配的移动用户端可见光携能通信系统的信号发射流程为:信息序列产生模块311产生待发射的信息序列,经调制模块312进行非恒包络调制,然后由数模转换模块313转换为模拟电信号,该模拟电信号驱动可见光发射器314发出加载有信息的可见光信号。信号接收流程为:光信号收集器33收集来自照明设施端的可见光信号,由光信号分配器34将可见光信号按一定规则分成两路,一路进入信息接收链路32,另一路进入能量采集链路35。在信息接收链路中32,光电检测器321将可见光信号转变成电信号,经数模转换模块322转换为数字信号,在数字域由解调模块323进行解调,最后由接收信息序列判决模块324判决出接收信息序列,最终获得数字信息。在能量采集链路25中,首先由光电转换器351将光信号转换为电信号,接着由整流器352将电信号进行整流,然后对充电电池353充电。

[0081] 移动用户端可见光携能通信系统主要为移动用户提供无线通信接入服务,其用电量较小。根据可见光的特性,移动用户端可见光携能通信系统能够将其接收到的可见光的一部分能量转换为电能,为自身携帯的电池充电,同时,也可以为移动用户设备提供充电服务。在能量采集链路中,光电转换器将光信号转换为电信号,此时电信号为交流。随后,采用整流器将交流电信号转换为直流,即可为充电电池充电。其中,光信号收集器、光电检测器、光信号分配器、整流器等模块的性能參数与最終充电电池获得的能量相关。在现实应用中,可见光发射器、光信号收集器、光电检测器、整流器等器件的性能參数及选取一般由实践经验并结合目标应用场景得到。

[0082] 在本发明中,光信号分配器所执行的分配方式可以为所有可实现的光信号分配方法,具体方式有:

[0083] ①动态比例分配方式:光信号分配器将光信号v(t)按照动态比例P (t)(分配比例P (t)随时间变化)进行信息/能量的分配,分配到能量采集链路的光信号为:Vp(t) = 3 (t) *v(t);分配到信息接收链路的光信号为= (t)) *V(t)。其中,Vp(t)表示能量采集链路的光信号,V1 (t)表示信息接收链路的光信号。P (t) G [0,1]表示光信号动态分配比例,可根据实际应用场景来设置。若偏向于保证信息量的获取(更小的误码率、更高的信噪比),则需要増加分配到信息链路的光信号強度,即减小P值;相反,通过分配更多的光信号进入能量链路,即増大P值,可达到收集更多能量的目的。

[0084] ②完全能量采集分配方式:若检测到信息接收链路无有效信息传输,则可以将所有的光信号都分配到能量采集链路。此方式为动态比例分配方式的特殊形式。

[0085] ③时分双エ分配方式:若照明设施端发射的可见光信号中信息与能量成分采用时分双エ(Time Division Duplex,TDD)的制式,则可在移动用户端采用相应的制式进行光信号的分配。

[0086] ④频分双エ分配方式:若照明设施端发射的可见光信号中信息与能量成分采用频分双エ(Frequency Division Duplex, FDD)的制式,贝U可在移动用户端采用相应的制式进行光信号的分配。

[0087] 其中,完全能量采集分配方式的优势在于:本发明所提出的可见光携能通信系统在无信息传输的情况下,照明设施端依旧会发射一定強度的可见光信号。此时,移动用户端所接收到的ー个能量稳定的可见光信号,将其全部分配到能量采集链路,并将其转换为直流电信号为充电电池充电。[0088] 当然,本发明所提出的可见光携能通信系统及方法中的光信号分配方式绝不仅限于上述方式。

[0089] 本发明的可见光携能通信系统中,照明设施端可见光携能通信系统可以在现有的照明设备上直接进行信息化改造,实现在不影响照明的同时为移动用户提供无线通信接入服务,并且为移动用户设备提供充电能量。移动用户端可见光携能通信系统可以接收照明设施端发出的可见光信号,从中解调出信息并收集能量为自身或者移动设备充电。照明设施端和移动用户端的可见光携能通信系统均含有发射和接收模块,通过数据下行和上行链路进行信息交互。结合上文的可见光携能通信系统,本发明的可见光携能通信方法可同时传输信息与能量,具体包含以下步骤:

[0090] 数据下行链路:

[0091] 照明设施端可见光携能通信系统将数据信息加载到可见光的強度中,为照明区域提供无线通信接入服务。移动用户端可见光携能通信系统探测到可见光信号的明暗变化,将其转换为电信号,经模数转换器采样为数字信号,在数字域进行解调、信息判决等后续处理。在接收到信息的同时,一部分可见光信号的光强也能够转换为电能,为移动用户设备充电。

[0092] 数据上行链路:

[0093] 移动用户端可见光携能通信系统根据移动用户业务需求,发射加载有信息的可见光信号。照明设施端可见光携能通信系统接收可见光信号,经过光电检测、模数转换、解调、信息判决等处理之后获取可见光信号所承载的来自移动用户端的信息。

[0094] 下面详细介绍ー下本发明的可见光携能通信系统的五个实施例。

[0095] 实施例一:

[0096] 步骤1、数据上行链路(移动用户端发射可见光信号,照明设施端接收):

[0097] 移动用户端发射可见光信号步骤:

[0098] 步骤1-1、发射信息序列产生模块产生待发射的信息序列;

[0099] 步骤1-2、调制模块对信息序列进行非恒包络调制;

[0100] 步骤1-3、调制后的信号经过数模转换模块转换为模拟电信号;

[0101] 步骤1-4、上述模拟电信号驱动可见光发射器发出光强变化的可见光信号。

[0102] 照明设施端接收可见光信号步骤:

[0103] 步骤1-5、光电检测器检测到可见光信号,将其转换为电信号;

[0104] 步骤1-6、电信号经模数转换模块转换为数字信号;

[0105] 步骤1-7、在解调模块数字域做解调等数字信号处理;

[0106] 步骤1-8、接收信息序列判决模块判决出可见光信号所携帯的信息比持。

[0107] 步骤2、数据下行链路(照明设施端发射可见光信号,移动用户端接收):

[0108] 照明设施端可见光携能通信系统与基于电信号分配的移动用户端可见光携能通信系统完成下行数据的传输。

[0109] 照明设施端发射可见光信号步骤:

[0110] 步骤2-1、发射信息序列产生模块产生待发射的信息序列;

[0111] 步骤2-2、调制模块对信息序列进行非恒包络调制;

[0112] 步骤2-3、调制后的信号经过数模转换模块转换为模拟电信号;[0113] 步骤2-4、上述模拟电信号驱动可见光发射器发出光强变化的可见光信号。

[0114] 基于电信号分配的移动用户端接收可见光信号步骤:

[0115] 步骤2-5、光电检测器检测到可见光信号,将其转换为电信号x(t);

[0116] 步骤2-6、采用电信号分配器将电信号分成两个部分:Xl(t)分配给信息接收链路,Xp (t)分配给能量采集链路;其采用的分配方式为直流交流分配方式:将电信号x(t)的直流部分分配给能量采集链路,即Xp(t)=E[X(t)];同时将其交流部分分配给信息接收链路,即 xI(t)=x(t)-E[x(t)];

[0117] 步骤2-7、信息接收链路与能量采集链路是并行的、相互独立的,可分别对其所分配到的电信号进行处理:

[0118] 步骤2-7.1、在信息接收链路中,电信号Xl(t)首先经过模数转换,然后对其进行解调、判决等数字信号处理,最終得到可见光信号所携帯的信息比持;

[0119] 步骤2-7.2、在能量采集链路中,整流器对电信号xP(t)进行整形,滤除其高频成分,使得其适合于对充电电池进行充电;能量采集链路所收集到的能量为:P= / f(E[x(t)])dt,其中,f( •)为整流器的响应函数。

[0120] 至此,接收端完成对可见光信号中的信息与能量的同时接收。

[0121] 需要说明的是,上述方法中,数据上行链路和数据下行链路两个步骤不是依次执行的,而是根据实际需要选择执行的。

[0122] 实施例ニ:

[0123] 步骤I (含子步骤1-1〜1-8)、步骤2 (含子步骤2-1〜2-5)与实施例一相同。

`[0124] 步骤2-6、采用电信号分配器将电信号分成两个部分:Xl(t)分配给信息接收链路,Xp(t)分配给能量采集链路;其采用的分配方式为完全能量采集分配方式(即信息链路无有效信息传输的情況):将全部的电信号X(t)分配给能量采集链路,即Xp(t) =X(t);此时,信息接收链路中无信号分配;

[0125] 步骤2-7、在能量采集链路中,整流器对电信号Xp(t)进行整形,使得其适合于对充电电池进行充电。能量采集链路所收集到的能量为:P= / f (x(t))dt,其中,f ( •)为整流器的响应函数。

[0126] 需要说明的是,上述方法中,数据上行链路和数据下行链路两个步骤不是依次执行的,而是根据实际需要选择执行的。

[0127] 实施例三:

[0128] 步骤I (含子步骤1-1〜1-8)、步骤2 (含子步骤2-1〜2-5)与实施例一相同。

[0129] 步骤2-6、采用电信号分配器将电信号分成两个部分:Xl(t)分配给信息接收链路,Xp(t)分配给能量采集链路;其采用的分配方式为动态比例分配方式(其分配比例P (t)随时间变化):分配到能量采集链路的电信号为:xP(t) = P (t) * x(t);分配到信息接收链路的电信号为:Xl(t) = (l-p ⑴)*x(t);

[0130] 步骤2-7、信息接收链路与能量采集链路是并行的、相互独立的,可分别对其所分配到的电信号进行处理:

[0131] 步骤2-7.1、在信息接收链路中,电信号Xl(t)首先经过模数转换,然后对其进行解调、判决等数字信号处理,最終得到可见光信号所携帯的信息比持;

[0132] 步骤2-7.2、在能量链路中,整流器对电信号xP(t)进行整形,滤除其高频成分,使得其适合于对充电电池进行充电。能量采集链路所收集到的能量为:p= / f(p (t) -x(t))dt,其中,f ( •)为整流器的响应函数。

[0133] 至此,接收端完成对可见光信号中的信息与能量的同时接收。

[0134] 需要说明的是,上述方法中,数据上行链路和数据下行链路两个步骤不是依次执行的,而是根据实际需要选择执行的。

[0135] 实施例四:

[0136] 步骤I (含子步骤1-1〜1-8)、步骤2 (含子步骤2-1〜2-4)与实施例一相同。

[0137] 基于光信号分配的移动用户端接收可见光信号步骤:

[0138] 步骤2-5、光信号收集器收集到可见光信号v(t);

[0139] 步骤2-6、光信号分配器将光信号分成两个部分:Vl(t)分配给信息接收链路,Vp(t)分配给能量采集链路;其采用的分配方式为动态比例分配方式(其分配比例P (t)随时间变化):分配到能量采集链路的光信号为:Vp(t) = e (t) • v(t);分配到信息接收链路的光信号为:Vl(t) = (1-3 ⑴)• v(t);

[0140] 步骤2-7、信息接收链路与能量采集链路是相互独立的,可分别对其所分配到的光信号进行并行处理:

[0141] 步骤2-7.1、在信息接收链路中,光电检测器检测到可见光信号的强度变化,将其转换为电信号,该电信号经过模数转换为数字信号,随后对其进行解调、判决等数字信号处理,最終得到可见光信号所携帯的信息比特;

[0142] 步骤2-7.2,在能 量采集链路中,首先使用光电转换器将光信号转换成电信号,然后采用整流器对电信号进行整形,最后对充电电池进行充电。能量采集链路所收集到的能量为:P= / f(n • 0 (t).VaDdt,其中,n为光电转换器的转换效率,f(*)为整流器的响应函数;

[0143] 至此,接收端完成了对可见光信号中的信息与能量的同时接收。

[0144] 需要说明的是,上述方法中,数据上行链路和数据下行链路两个步骤不是依次执行的,而是根据实际需要选择执行的。

[0145] 实施例五:

[0146] 步骤I (含子步骤1-1〜1-8)、步骤2 (含子步骤2-1〜2-5)与实施例四相同。

[0147] 步骤2-6、光信号分配器将光信号分成两个部分:Vl(t)分配给信息接收链路,Vp(t)分配给能量采集链路;其采用的分配方式为完全能量采集分配方式(即信息链路无有效信息传输):将全部的光信号V(t)分配给能量采集链路,即Vp (t) =V (t);此时,信息接收链路中无信号分配。

[0148] 步骤2-7、在能量采集链路中,首先使用光电转换器将光信号转换成电信号,然后采用整流器对电信号进行整形,最后对充电电池进行充电。能量采集链路所收集到的能量为:P= / f(n ^v(O)Clt,其中,n为光电转换器的转换效率,f( •)为整流器的响应函数。

[0149] 需要说明的是,上述方法中,数据上行链路和数据下行链路两个步骤不是依次执行的,而是根据实际需要选择执行的。

[0150] 综上所述,本发明的可见光携能通信系统及方法将可见光通信系统与无线能量传输技术结合在一起,针对可见光通信系统的特性添加了能量链路来收集可见光信号携帯的能量,构成了一套完整的可见光携能通信系统;结合了可见光通信系统的超宽带宽、免费频段、收发信机功耗低等优势,并通过无线能量传输技术解决了移动终端对电源线的依赖,在现实意义上实现了信息与能量的同时无线传输。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

[0151] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所掲示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种移动用户端可见光携能通信系统,其特征在于:所述移动用户端可见光携能通信系统至少包含: 信息发射链路,用于向照明设施端发射可见光信号; 信号收集模块,用于接收到来自照明设施端的可见光信号; 信号分配模块,用于按照一定规则将所述信号收集模块输出的信号分为两路,一路供信息接收链路,另一路供给能量采集链路; 信息接收链路,用于接收可见光信号中携帯的信息; 能量采集链路,用于采集可见光信号中携帯的能量; 所述信息收集模块与所述信息分配模块相连,所述信息分配模块再分别与所述信息接收链路和所述能量采集链路连接。
2.根据权利要求1所述的移动用户端可见光携能通信系统,其特征在于:所述信息发射链路至少包含依次相连的发射信息序列产生模块、调制模块、数模转换模块和可见光发射器。
3.根据权利要求1所述的移动用户端可见光携能通信系统,其特征在于:在基于电信号分配的移动用户端可见光携能通信系统中,所述信号收集模块包含光电检测器,用于接收来自照明设施端的可见光信号,并将所述可见光信号变换为电信号;所述信号分配模块包含电信号分配器,用于按照一定规则将所述光电检测器输出的电信号分成两路,一路供给信息接收链路,另一路供给能量采集链路。
4.根据权利要求3所述的移动用户端可见光携能通信系统,其特征在于:所述信息接收链路至少包含依次相连的模数转换模块、解调模块、接收信息序列判决模块。
5.根据权利要求3所述的移动用户端可见光携能通信系统,其特征在于:所述能量采集链路至少包含整流器、充电电池,所述充电电池与电源供应模块相连,用于为所述可见光携能通信系统内的所有模块提供电能。
6.根据权利要求1所述的移动用户端可见光携能通信系统,其特征在于:在基于光信号分配的移动用户端可见光携能通信系统中,所述信号收集模块包含光信号收集器,用于收集来自照明设施端的可见光信号;所述信号分配模块包含光信号分配器,用于按照一定规则将所述光信号收集器输出的光信号分为两路,一路供信息接收链路,另一路供给能量采集链路。
7.根据权利要求6所述的移动用户端可见光携能通信系统,其特征在于:所述信息接收链路至少包含依次相连的光电检测器、模数转换模块、解调模块和接收信息序列判决模块。
8.根据权利要求6所述的移动用户端可见光携能通信系统,其特征在于:所述能量采集链路至少包含依次相连的光电转换器、整流器、充电电池,所述充电电池与电源供应模块相连,用于为所述可见光携能通信系统内的所有模块提供电能。
9.一种可见光携能通信系统,其特征在于:包含照明设施端可见光携能通信系统和权利要求1-8所述任ー移动用户端可见光携能通信系统, 所述照明设施端可见光携能通信系统包含信号发射链路和信号接收链路,所述信号发射链路包含依次相连的发射信息序列产生模块、调制模块、数模转换模块和可见光发射器;所述信号接收链路包含依次相连的光电检测器、模数转换模块、解调模块和接收信息序列判决模块。
10.ー种根据权利要求9所述的可见光携能通信系统的通信方法,其特征在于:包含以下步骤: 步骤1、数据上行链路: 移动用户端采用以下步骤发射可见光信号步骤: 步骤1-1、产生待发射的信息序列; 步骤1-2、对所述信息序列进行调制; 步骤1-3、将调制后的信号数模转换为模拟电信号; 步骤1-4、采用步骤1-3中的所述模拟电信号驱动可见光发射器发出光强变化的可见光信号; 照明设施端采用以下步骤接收可见光信号步骤: 步骤1-5、光电检测器检测到可见光信号,将所述可见光信号转换为电信号; 步骤1-6、将所述电信号模数转换为数字信号; 步骤1-7、对所述数字信号在数字域进行解调; 步骤1-8、判决出可见光信号所携帯的信息比特;· 步骤2、数据下行链路: 照明设施端采用以下步骤发射可见光信号步骤: 步骤2-1、产生待发射的信息序列; 步骤2-2、对所述信息序列进行调制; 步骤2-3、将调制后的信号数模转换为模拟电信号; 步骤2-4、采用步骤2-3中的所述模拟电信号驱动可见光发射器发出光强变化的可见光信号; 移动用户端采用以下步骤接收可见光信号步骤: 步骤2-5、信号收集模块接收来自步骤2-4的所述可见光信号; 步骤2-6、信号分配模块按照一定规则将所述信号收集模块输出的信号分成两路:一路分配给信息接收链路,另一路分配给能量采集链路; 步骤2-7、信息接收链路将分配的信号进行处理,最終得到可见光信号所携帯的信息比持;能量采集链路将分配的信号进行处理,最終将可见光信号中的电能采集到充电电池中。
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