CN103368645A - 室内无线光高速双向通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线光通信领域，具体涉及室内无线光高速双向通信系统，包括可见光下行链路和1550nm波段激光上行链路。在下行链路中，LED在照明的同时，实现数据的传输；本发明提出采用1550nm波段激光上行链路，与可见光下行链路结合，实现高速、全双工通信，具有如下优点：1550nm波段激光通信系统易于实现Gbps量级的传输速度，可以和高速下行可见光通信搭配，满足未来高速数据传输的需求；1550nm波段的光电探测器采用InGaAs材料，和可见光接收探测器的Si材料光谱响应范围不同，从物理机制上解决了上下行链路的串扰问题等。上行链路的激光通信方案，可以和目前的光纤通信系统实现无缝连接，有较高的实用价值。

Description

室内无线光高速双向通信系统

技术领域

本发明属于无线光通信领域，具体涉及室内无线光高速双向通信系统。

背景技术

近年来，被誉为“绿色照明”的半导体发光二极管（Light Emitting Diode，LED）照明技术发展迅猛。与传统照明光源相比，LED具有功耗低、寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，被认为终将取代荧光灯、白炽灯等传统照明光源，成为下一代固体照明光源。同时，LED又具有响应时间短、响应灵敏度高、高调制带宽等特性，因此，可以把信号调制到LED的光束上进行传输，实现照明和通信的双重作用。可见光通信（Visible Light Communication，VLC）是随着LED照明技术的发展应运而生的，它以LED作为光源，以光电变换器件或者光学成像器件作为光电探测器，以大气为信道，将发送信号调制到LED发出的可见光上进行通信的一种无线光通信技术。在室内环境中，VLC作为一种高速下行通信的方法，逐渐得到人们的重视。

但是，一个实用的通信系统，仅仅有下行链路是不够的。对于室内无线光通信系统，除了可见光下行链路外，还必须具备上行链路，才能组成一个实际可用的、完备的通信系统。当前，几乎所有的研究都集中于可见光下行链路上，很少关注上行链路的实现。接下来，我们对现有的、可行的上行链路技术方案进行详细的分析与比较：

1)可见光通信技术：上、下行链路使用同种技术方案，系统实现简单、复杂度低。但是，实际中，下行链路中的LED灯是需要进行照明的，通常情况下一直点亮着。从而，下行链路一直占据着无线信道，导致上行链路的终端无法正常发送数据，只能在下行链路灭灯时进行数据的上行传输，为半双工方式；可见光收、发器占用相同的频带，通信设备需要具有较高的隔离度，才能防止收、发之间的串扰；上行链路无需照明，而可见光对用户可见，容易引起用户的不适。

2)蓝牙通信技术：蓝牙是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本、短距离的无线连接为基础，可为固定的或移动的终端设备提供廉价的接入服务。其使用全球公用的2.4GHz ISM频段，不需频带申请，可以在10m的传输距离内提供1Mbps的传输速率；上行链路通过红外线传输数据，能够避免上下行链路之间的冲突。但是，蓝牙通信的传输速度慢、设备成本高，而且采用了全向天线，保密性不强；同时，上下行链路采用不同的通信技术，也会增加系统的成本以及复杂性。

3)WiFi技术：WiFi（Wireless Fidelity，无线高保真）是一种无线通信协议，正式名称是IEEE802.11b，其信号覆盖范围达到100m左右。它是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于接入点四周的一定区域内，就能以最高约11Mb/s的速度接入Web，而且信号不受墙壁阻隔，应用非常广泛。但是，由于WiFi技术使用无线电波传输数据信号，所以非常容易受到攻击，黑客可以比较轻易地在电波的覆盖范围内盗取数据甚至进入未受保护的公司内部局域网，因此，存在较严重的安全隐患；同时，WiFi技术的速度有限，现有系统最高只能达到11Mb/s。

4)Zigbee技术：Zigbee是一种新兴的近程(10米～100米)、低速率(250Kbps标称速率)、低功耗的无线网络技术，主要用于近距离无线连接。具有低复杂度、低功耗、低速率、自组网、高可靠、超视距等特点。主要适合应用于自动控制和远程控制等领域，可以嵌入各种设备。但是，目前Zigbee主要工作在2.14GHz（全球流行)、868MHz（欧洲流行)和915MHz（美国流行)3个频段上，分别只有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，传输速率低；Zigbee无线网络是通过特定的无线电波传送的，所以在这个发射频率的有效范围内，任何具有合适接收设备的人都可以捕获该频率的信号，安全性较差。

5)红外通信技术：红外通信（IrDA）采用0.8μm～0.9mm波长范围的红外线传输信号，具无需频率申请、功耗低、成本低、实现简单、保密性好等优点，适合于低成本、跨平台、点对点高速数据连接，尤其是嵌入式系统。但是，红外通信距离短、速率低，不适合长距离、大容量的应用环境；视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其它物体阻隔；移动性差，收发双方在通信过程中需要保持相对静止。

综上所述，现在的通信方案都有着自己的特点和适用的范围。总的来说，对于室内无线通信的上行链路，以上技术存在的主要问题有：半双工方式、通信速度低、传播距离短、安全性差、上下行链路之间干扰等。从而，导致现有的上行链路技术方案在室内全双工、高速无线通信中使用受限。

如何获取全双工、高速的数据传输，一直没有很好的解决方案。

发明内容

针对以上现有上行链路技术方案中的不足，本发明提出上行链路为1550nm波段的无线激光通信方案，结合可见光下行方案，实现高速、无串扰、安全的双向无线光通信。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包含可见光下行链路和1550nm波段的激光上行链路。

在下行链路中，可见光在照明的同时，实现数据的传输；在上行链路中，使用1550nm波段的激光信号传输数据，从而实现双工通信。

通过增大激光的发散角，使上行链路可工作在直射通信模式和散射通信模式。

上行链路通信体制采用波分多址方式，不同的波长对应不同的用户群，接收机采用光纤通信成熟的WDM解复用技术。

上行链路的接收机具备多址接入能力。

接收光学系统具有大视场特性。

本发明提出采用1550nm波段的激光上行链路，与可见光高速下行链路结合，实现高速、全双工通信。本发明具有如下优势：

①1550nm波段的激光属于不可见光，不需要频带申请，并且位于人眼最安全的波段；激光发散角很小，能量集中在很窄的光束中，和邻近通信链路的干扰小，较难被侦听和干扰，安全性好，并且设备功耗低。

②1550nm波段的激光通信系统易于实现Gbps量级的传输速度，可以和高速下行可见光通信搭配，满足未来高速数据传输的需求。

③1550nm波段的光电探测器采用InGaAs材料，和可见光接收探测器的Si材料光谱响应范围不同，从物理机制上解决了上下行链路的串扰问题，可以实现全双工通信。

④太阳光、日光灯等背景辐射噪声在1550nm波段能量分布少，背景辐射噪声影响小，有利于获得高接收灵敏度。

⑤1550nm波段的地面光纤通信系统已经得到广泛的应用，技术成熟度高、器件成本低。上行链路的激光通信方案，可以和目前的光纤通信系统实现无缝连接。

⑥系统具有集高速、全双工等优点，有较高的实用价值。

附图说明

图1是室内可见光与激光双向通信系统结构图；

图2是1550nm激光通信上行链路结构图；

图3是1550nm激光直射通信模式图；

图4是1550nm激光散射通信模式图；

图5是上行链路波分多址方式结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例：由图1可知，本发明是由上行链路和下行链路两部分组成的室内高速、双向无线光通信系统。在下行链路中，LED在照明的同时，实现数据的传输，携带数据的可见光信号由用户终端的可见光接收单元接收；在上行链路中，用户终端把要发送的数据通过激光发送单元发送出去，由接入点的激光接收单元进行接收，从而实现双工通信。本发明中采用1550nm波段的激光上行链路方案，与可见光高速下行链路结合，可以实现无串扰、高速、低成本的双向通信。

图2是1550nm激光通信上行链路的结构图，主要由激光发射单元、激光接收单元以及大气信道等三部分组成。其中，用户终端要发送的数据，首先经过信号调制器调制，然后通过驱动电路控制激光管发射的激光信号的强度、频率或者相位等；携带用户端数据的激光信号经过大气信道传播后，由接入点的激光接收单元进行接收；接收到的激光信号，经过光电变换转化为电信号，然后经过信号放大，再解调为原信号，从而实现用户端数据传输到接入点。

在本发明中，通过增大激光的发散角，使上行链路可工作在直射通信模式和散射通信模式，如图3和图4所示。增加激光的发散角，能够降低用户终端和基站间光学对准的需求，从而简化设备复杂度以及成本，大大方便用户的使用。

上行链路通信体制可以采用波分多址方式，如图5所示。不同的波长对应不同的用户群，提高了信道利用率以及接入性能。接收机可以采用光纤通信成熟的WDM解复用技术，为以后上行链路通信容量的提升奠定了良好的基础。此时，上行链路的接收机要求具备多址接入能力，同时需要接收光学系统具有大视场特性，从而保证同时接收室内多个用户的接入请求。

以上对本发明所提供的室内高速、双向无线光通信系统进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.室内无线光高速双向通信系统，其特征在于：包含可见光下行链路和1550nm波段的激光上行链路。

2.根据权利要求1所述的室内无线光高速双向通信系统，其特征在于：在下行链路中，可见光在照明的同时，实现数据的传输；在上行链路中，使用1550nm波段的激光信号传输数据，从而实现双工通信。

3.根据权利要求1所述的室内无线光高速双向通信系统，其特征在于：通过增大激光的发散角，使上行链路可工作在直射通信模式和散射通信模式。

4.根据权利要求1所述的室内无线光高速双向通信系统，其特征在于：上行链路通信体制采用波分多址方式，不同的波长对应不同的用户群，接收机采用光纤通信成熟的WDM解复用技术。

5.根据权利要求1所述的室内无线光高速双向通信系统，其特征在于：上行链路的接收机具备多址接入能力。

6.根据权利要求1所述的室内无线光高速双向通信系统，其特征在于：接收光学系统具有大视场特性。

Images