CN103427903A - 一种基于无线接入点的可见光通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线接入点的可见光通信系统，包括VLC信号处理子系统、VLC信号收发子系统和VLC无线接入点子系统。VCL信号处理子系统与网关或服务器通过数字信号线连接。VLC信号收发子系统与VLC信号处理子系统通过光纤连接。VLC信号收发子系统还与LED灯连接，通过LED灯发送可见光信号。VLC无线接入点子系统通过可见光信号和上行无线信号与VLC信号收发子系统之间进行无线信号传输，还通过常规射频无线通信系统，与移动用户终端进行无线通信。本发明解决了现有VLC系统稳定性差的问题，主要用于室内热点区域的短距离高速无线信息传输，能够达到很高的空间信道容量。无需对LED灯和移动用户终端设备硬件进行改动，应用方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于无线接入点的可见光通信系统，利用可见光通信进行信息传输，属于无线通信与移动互联网技术领域。
背景技术
可见光通信（VLC）技术利用可见光源的发光强度变化进行无线信息传输。随着发光二极管（LED）技术的快速发展，可见光LED比传统的白炽灯和荧光灯具备更长的使用寿命、更低的功耗、更高的电光效率及更小的体积，有望在未来取代传统照明设备成为新一代的照明设备。此外，可见光LED基于固态电路，切换速度较快，具有较大的可调带宽，更适用于VLC。与传统的射频无线通信系统相比，VLC具有频谱免许可、材料绿色环保、对人体安全、无电磁干扰、保密性好以及可在照明的同时通信等优点，具有巨大的应用价值与良好的市场前景。
在室内环境中，VLC可用于在热点区域进行短距离高速无线信息传输，能够达到很高的空间容量。但高性能的VLC链路通常需要收发端之间具有直视（LOS）路径，并且收发端位置和方向较小的相对变化，都可能引起链路性能的较大波动。另外，手机和个人数字助理（PDA）等手持设备上的硬件，目前还难以支持高速VLC信号收发。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种基于无线接入点的可见光通信系统，主要用于室内热点区域的短距离高速无线信息传输。
技术方案：一种基于无线接入点的可见光通信系统，包括VLC信号处理子系统、VLC信号收发子系统和VLC无线接入点子系统；VCL信号处理子系统位于网关或服务器附近，与网关或服务器通过数字信号线（如网线）连接，与外部网络或服务器交换数据；VLC信号收发子系统位于LED灯附近，与VLC信号处理子系统通过光纤连接；VLC信号收发子系统还与LED灯连接，通过LED灯发送可见光信号；VLC无线接入点子系统处于移动用户终端附近，一方面通过可见光信号和上行无线信号与VLC信号收发子系统之间进行无线信号传输，另一方面通过常规射频无线通信系统（如无线局域网（WLAN）或蓝牙），与移动用户终端进行无线通信。
VLC信号处理子系统主要包含信号处理模块和第一光模块，两者之间通过模拟信号线（如同轴电缆）连接；信号处理模块接收从数字信号线传来的信息，产生VLC调制信号，并搬移到合适的频带上，发射给第一光模块；并接收从第一光模块传来的信号，搬移到基带，进行VLC接收处理，将信息通过数字信号线发出；第一光模块将信号处理模块发出的电信号调制成光信号，在光纤上传输；从光纤上接收光信号，解调产生电信号发给信号处理模块。
VLC信号收发子系统主要包含第二光模块、可见光发射模块和上行信号接收模块；第二光模块与可见光发射模块和上行信号接收模块之间分别通过模拟信号线连接；与第一光模块相同，第二光模块实现光信号和电信号的双向转换和传输；可见光发射模块将从第二光模块接收的信号进行滤波和放大，并叠加到LED灯的驱动电流信号上，驱动LED灯发光，从而将信号调制到可见光上进行传输。上行接收模块接收从VLC无线接入点子系统收到的上行无线信号，进行滤波和放大，发送到第二光模块中。
VLC无线接入点子系统主要包含可见光接收模块、上行信号发射模块、信号处理转换模块、射频无线接入点模块和用户界面；信号处理转换模块与可见光接收模块和上行信号发射模块之间分别通过模拟信号线连接；信号处理转换模块与射频无线接入点模块和用户界面之间分别通过数字信号线连接；可见光接收模块主要包含接收光学系统、光检测器（PD）和接收电路等，接收LED灯发出的可见光信号，将其转换成电信号，进行滤波和放大等处理，并传输给信号处理转换模块；上行信号发射模块接收从信号处理转换模块发来的信号，产生合适的上行无线信号，并发射给VLC信号收发子系统；信号处理转换模块实现可见光接收模块、上行信号发射模块和射频无线接入点模块之间信号的收发处理和转换；射频无线接入点模块从信号处理转换模块接收信息，发送给移动用户终端；将从移动用户终端收到的信息，发送给信号处理转换模块，实现无线接入点功能；射频无线接入点模块与移动用户终端之间采用常规的射频无线通信方式进行通信；用户界面提供用户控制界面，能够对VLC无线接入点子系统或整个VLC系统进行控制。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的基于无线接入点的可见光通信系统，VLC无线接入点子系统一般放置在室内需要提供无线接入区域内的固定位置，可通过调节，其PD与LED灯之间形成稳定和高性能的直达路径，解决了现有VLC系统存在的因光传播路径经常变化引起的系统稳定性差的问题。
VLC无线接入点子系统与移动用户终端的射频无线通信信号功率可以很低，使其覆盖范围局限在很小的区域内（如VLC无线接入点子系统所放置的桌面的周围），因而不会与更远的其它射频无线通信系统相互干扰；而因为VLC无线接入点子系统和VLC信号收发子系统之间距离一般很近（一般数米）并且位置相对固定，所以其之间的上行无线信号也可以局域在有限的空间内，不会与其它射频无线通信系统相互干扰，因此本发明的VLC系统能够达到很高的空间信道容量。
VLC系统无需对LED灯和移动用户终端设备硬件进行改动，与它们完全兼容，能够实现移动用户终端与网关或服务器之间的透明信号传输，因此应用方便，具有高的实用价值。
附图说明
图1 为本发明的基于无线接入点的VLC系统原理图；
图2 为本发明VLC信号处理子系统原理图；
图3 为本发明VLC信号收发子系统原理图；
图4 为本发明VLC无线接入点子系统原理图；
图5 为本发明应用在具体实施例原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，VCL信号处理子系统1位于网关或服务器附近，与网关或服务器通过数字信号线（如网线）连接，与外部网络或服务器交换数据。VLC信号收发子系统2位于LED灯附近，与VLC信号处理子系统1通过光纤连接。VLC信号收发子系统2还与LED灯连接，通过LED灯发送可见光信号。VLC无线接入点子系统3处于移动用户终端附近，一方面通过可见光信号和上行无线信号与VLC信号收发子系统2之间进行无线信号传输，一方面通过常规射频无线通信系统（如无线局域网（WLAN）或蓝牙），与移动用户终端进行无线通信。
如图2所示，VLC信号处理子系统1主要包含信号处理模块1-1和光模块1-2，两者之间通过模拟信号线（如同轴电缆）连接。信号处理模块1-1接收从数字信号线传来的信息，产生VLC调制信号，并搬移到合适的频带上，发射给光模块1-2；并接收从光模块1-2传来的信号，搬移到基带，进行VLC接收处理，将信息通过数字信号线发出。光模块1-2将信号处理模块1-1发出的电信号调制成光信号，在光纤上传输；从光纤上接收光信号，解调产生电信号发给信号处理模块1-1。
如图3所示，VLC信号收发子系统2主要包含光模块2-1、可见光发射模块2-2和上行信号接收模块2-3。光模块2-1与可见光发射模块2-2和上行信号接收模块2-3之间分别通过模拟信号线连接。与光模块1-2相同，光模块2-1实现光信号和电信号的双向转换和传输。可见光发射模块2-2将从光模块2-1接收的信号进行滤波和放大，并叠加到LED灯的驱动电流信号上，驱动LED灯发光，从而将信号调制到可见光上进行传输。上行接收模块2-3接收从VLC无线接入点子系统3收到的上行无线信号，进行滤波和放大，发送到光模块2-1中。
如图4所示，VLC无线接入点子系统3主要包含可见光接收模块3-1、上行信号发射模块3-2、信号处理转换模块3-3、射频无线接入点模块3-4和用户界面3-5。信号处理转换模块3-3与可见光接收模块3-1和上行信号发射模块3-2之间分别通过模拟信号线连接。信号处理转换模块3-3与射频无线接入点模块3-4和用户界面3-5之间分别通过数字信号线连接。可见光接收模块3-1主要包含接收光学系统、光检测器（PD）和接收电路等，接收LED灯发出的可见光信号，将其转换成电信号，进行滤波和放大等处理，并传输给信号处理转换模块3-3。上行信号发射模块3-2接收从信号处理转换模块3-3发来的信号，产生合适的上行无线信号，并发射给VLC信号收发子系统2。信号处理转换模块3-3实现可见光接收模块3-1、上行信号发射模块3-2和射频无线接入点模块3-4之间信号的收发处理和转换。射频无线接入点模块3-4从信号处理转换模块3-3接收信息，发送给移动用户终端；将从移动用户终端收到的信息，发送给信号处理转换模块3-3，实现无线接入点功能。射频无线接入点模块3-4与移动用户终端之间采用常规的射频无线通信方式进行通信。用户界面3-5提供用户控制界面，能够对VLC无线接入点子系统3或整个VLC系统进行控制。
VLC无线接入点子系统3和VLC信号收发子系统2之间的上行无线信号传输可采取多种实现方法，包括但不限于射频无线通信、VLC和红外无线通信等。
本发明在一种室内典型场景下的实施原理图如图5所示。本发明的基于无线接入点的VLC系统，包括VLC信号处理子系统1、VLC信号收发子系统2和VLC无线接入点子系统3。一套系统中，可包含多个VLC信号收发子系统2和VLC无线接入点子系统3。一个VLC信号收发子系统2可能与多个VLC无线接入点子系统3通信；多个VLC信号收发子系统2也可能与一个VLC无线接入点子系统3通信。
VLC信号处理子系统1与网关之间由网线连接，通过网关连接至外部网络。VLC信号处理子系统1与网关布置在机房，通过光纤，与布置在会议室或其它房间的一个或多个VLC信号收发子系统2连接。VLC信号收发子系统2布置在LED灯附近。每个VLC信号收发子系统2连接一个或多个LED灯。VLC无线接入点子系统3布置在需要提供无线信号接入的热点区域中，如会议桌上，一般与之通信的VLC信号收发子系统2之间具有较好的光传播直达路径。
VLC无线接入点子系统3与移动用户终端之间通过WLAN通信。VLC信号处理子系统1、VLC信号收发子系统2、LED灯和VLC无线接入点子系统3构成透明的链路层或物理层信号传输通道，使得移动用户终端和网关之间能够通过TCP/IP协议进行通信。移动用户终端无需增加或修改任何硬件。
Claims (5)
1. 一种基于无线接入点的可见光通信系统，其特征在于：包括VLC信号处理子系统（1）、VLC信号收发子系统（2）和VLC无线接入点子系统（3）；所述VCL信号处理子系统（1）位于网关或服务器附近，与网关或服务器通过数字信号线连接，与外部网络或服务器交换数据；所述VLC信号收发子系统（2）位于LED灯附近，与VLC信号处理子系统（1）通过光纤连接；所述VLC信号收发子系统（2）还与LED灯连接，通过LED灯发送可见光信号；所述VLC无线接入点子系统（3）处于移动用户终端附近，一方面通过可见光信号和上行无线信号与VLC信号收发子系统（2）之间进行无线信号传输，一方面通过常规射频无线通信系统，与移动用户终端进行无线通信。
2. 根据权利要求1所述的基于无线接入点的可见光通信系统，其特征在于：所述VLC信号处理子系统（1）主要包含信号处理模块（1-1）和光模块（1-2），两者之间通过模拟信号线连接；信号处理模块（1-1）接收从数字信号线传来的信息，产生VLC调制信号，并搬移到合适的频带上，发射给光模块（1-2）；并接收从光模块（1-2）传来的信号，搬移到基带，进行VLC接收处理，将信息通过数字信号线发出；光模块（1-2）将信号处理模块（1-1）发出的电信号调制成光信号，在光纤上传输；从光纤上接收光信号，解调产生电信号发给信号处理模块（1-1）。
3. 根据权利要求1所述的基于无线接入点的可见光通信系统，其特征在于：所述VLC信号收发子系统（2）主要包含光模块（2-1）、可见光发射模块（2-2）和上行信号接收模块（2-3）；光模块（2-1）与可见光发射模块（2-2）和上行信号接收模块（2-3）之间分别通过模拟信号线连接；与光模块（1-2）相同，光模块（2-1）实现光信号和电信号的双向转换和传输；可见光发射模块（2-2）将从光模块（2-1）接收的信号进行滤波和放大，并叠加到LED灯的驱动电流信号上，驱动LED灯发光，从而将信号调制到可见光上进行传输；上行接收模块（2-3）接收从VLC无线接入点子系统（3）收到的上行无线信号，进行滤波和放大，发送到光模块（2-1）中。
4. 根据权利要求1所述的基于无线接入点的可见光通信系统，其特征在于，所述VLC无线接入点子系统（3）主要包含可见光接收模块（3-1）、上行信号发射模块（3-2）、信号处理转换模块（3-3）、射频无线接入点模块（3-4）和用户界面（3-5）；信号处理转换模块（3-3）与可见光接收模块（3-1）和上行信号发射模块（3-2）之间分别通过模拟信号线连接；信号处理转换模块（3-3）与射频无线接入点模块（3-4）和用户界面（3-5）之间分别通过数字信号线连接；可见光接收模块（3-1）主要包含接收光学系统、光检测器（PD）和接收电路等，接收LED灯发出的可见光信号，将其转换成电信号，进行滤波和放大等处理，并传输给信号处理转换模块（3-3）；上行信号发射模块（3-2）接收从信号处理转换模块（3-3）发来的信号，产生合适的上行无线信号，并发射给VLC信号收发子系统（2）；信号处理转换模块（3-3）实现可见光接收模块（3-1）、上行信号发射模块（3-2）和射频无线接入点模块（3-4）之间信号的收发处理和转换；射频无线接入点模块（3-4）从信号处理转换模块（3-3）接收信息，发送给移动用户终端；将从移动用户终端收到的信息，发送给信号处理转换模块（3-3），实现无线接入点功能；射频无线接入点模块（3-4）与移动用户终端之间采用常规的射频无线通信方式进行通信；用户界面（3-5）提供用户控制界面，能够对VLC无线接入点子系统（3）或整个VLC系统进行控制。
5. 根据权利要求1、3或4所述的基于无线接入点的可见光通信系统，其特征在于，所述VLC无线接入点子系统（3）和VLC信号收发子系统（2）之间的上行无线信号传输可采取多种实现方法，包括但不限于射频无线通信、VLC和红外无线通信。
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