CN103490812A - 基于可见光的手机近场通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于可见光的手机近场通信系统及方法，用于近距离无线通信。本发明的系统中，发送端设置在具有可发光屏幕和光线传感器的移动设备上，包含编码模块和速率自适应机制模块；接收端具有LED，包含光线传感器阵列、信号调节模块、解码模块和反馈模块。编码模块将数据编码为亮度等级序列，并通过光信号发送出去，接收端采集光信号，进行信号调节和解码，获得解码数据，通过反馈模块反馈需要重传的数据块信号以及调整亮度等级数的信号给发送端，发送端通过速率自适应机制模块控制重传数据块和调整亮度等级数。本发明低成本、易使用、更安全，不需添加额外硬件，可实现移动支付、设备配对、手机间数据交换等近场通信功能。

Description

基于可见光的手机近场通信系统及方法

技术领域

本发明属于近距离无线通信领域，具体涉及一种将信息编码为不同亮度等级，利用可见光进行手机近场通信的系统及方法。

背景技术

目前应用较为广泛的近距离数据通信技术除了蓝牙、红外数据传输外，还包括射频识别RFID和近场通信NFC技术等。

RFID（Radio Frequency Identification，射频识别，又称电子标签）是一种非接触式自动识别的通信技术。它通过无线电讯号识别特定的目标，并读写相关的数据，而不需要识别系统与这个目标有机械或者是光学接触。它无须人工干预，可用于各种恶劣环境，可识别高速运动的物体，可同时识别多个标签，操作快捷方便。目前RFID技术应用很广，如图书馆、门禁系统、食品安全溯源等，第二代身份证、奥运门票都内置RFID芯片，而高速公路上的ETC电子不停车收费系统也使用了RFID技术。中国移动推出的RFID-SIM卡类似于公交一卡通卡，通过内部集成的RFID芯片记录手机钱包的余额，交换刷卡消费的数据。

NFC（Near Field Communication，近距离通信）是由飞利浦公司发起，由诺基亚、索尼等著名厂商联合主推的一项无线技术。NFC由非接触式射频识别（RFID）及互联互通技术整合演变而来，在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。NFC芯片装在手机等设备上，就可以实现电子支付或读取其他NFC设备或标签的信息。NFC手机内置NFC芯片，比原先仅作为标签使用的RFID更增加了数据双向传送的功能，这个进步使得其更加适用于电子货币支付等，特别是RFID不能实现的相互认证、动态加密和一次性钥匙（OTP）都能够在NFC上实现。NFC的短距离交互大大简化了整个认证识别过程，使电子设备间互相访问更直接、安全。然而，NFC推广的一大制约因素是目前只有有限的一些手机平台配备有内置NFC芯片，且成本较高。

可见光通信（Visible Light Communication，VLC）是一种新兴的基于可见光（400THz-790THz）的光无线通信技术，由于其LoS（Line of Sight）特性，可见光通信可以提供短距离、安全、无干扰的无线链路，与传统的射频通信相比，可见光无线通信不用申请频谱证，也可以避免电磁波干扰。近年来，随着可见光无线通信技术的发展，VLC技术备受关注并被应用于车载网络、室内WLAN等场景。国内外研究学者先后提出各种利用可见光通信实现数据传输的无线通信技术，如基于LED交通灯的智能交通系统，基于LED和光电二极管的数据传输，以及基于二维码和摄像头的数据传输等。

发明内容

针对现有NFC智能手机使用的限制性，本发明将可见光通信技术用于手机近距离通信，以应用于移动支付、设备配对和手机用户间数据交换等应用场景，具体地，本发明提出了一种新型的基于可见光的手机近场通信系统及方法，发送端手机将信息编码为不同亮度等级并通过屏幕以光信号形式传输出去，接收端采用光线传感器接收光信号并实现解码。

本发明提供的基于可见光的手机近场通信系统，包括发送端和接收端，发送端设置在具有可发光屏幕和光线传感器的移动设备上，发送端包含编码模块和速率自适应机制模块；接收端具有发光二极管(LED)，接收端包含光线传感器阵列、信号调节模块、解码模块和反馈模块。

编码模块将从应用程序接收的原始数据，加入前向纠错(Forward Error Correction,FEC)码后，编码为亮度等级序列，每个数据块被编码为一个亮度等级，相邻数据块被编码的亮度等级不同。编码模块通过可发光屏幕，按照亮度等级序列，显示对应亮度的屏幕帧，以光信号形式发送出去。可发光屏幕被划分为一个以上的子屏幕进行数据传送。在发送亮度等级序列前，发送端先发送一个训练序列和一个偏差序列给接收端。训练序列包含编码所用的从低到高的亮度等级，用于接收端建立亮度等级与数据块之间的对应关系。偏差序列为将编码所用亮度等级按照特定顺序排列的序列，序列中包括所有不同相邻亮度等级的变化情况，用于接收端建立在线偏差模型。

光线传感器阵列用于对发送端的屏幕亮度进行采样，得到光信号序列。

信号调节模块对光线传感器阵列采样得到的光信号进行异常点检测去除，根据偏差序列建立线性偏差模型，并利用线性偏差模型对光信号进行补偿。设接收端读取的当前帧和前一帧的亮度值分别为L_n和L_n-1，对应两个亮度的线性偏差模型的斜率为α，则对当前帧补偿后的亮度值

解码模块用于对信号调节模块输出的光信号，采用最近距离匹配算法进行解码，并判断解码得到的每个数据包是否能被相应的FEC码纠错，若能，将解码得到的数据传送给接收端的应用程序，否则，解码模块将不能被FEC码纠错的数据包的序号发送给反馈模块。解码模块还统计比特错误率，并发送给反馈模块。

反馈模块在接收到解码模块发送来的数据包序号时，通过控制发光二极管闪烁，发送需重传的数据包序号给发送端。反馈模块在接收到解码模块发送来的比特错误率时，根据比特错误率判断当前亮度等级数目是否需要进行调整，当需要调整时，将调整后的编码亮度等级数，通过控制发光二极管闪烁，发送给发送端。

发送端的光线传感器采集接收端的发光二极管的发光信号，将获取的数据发送给速率自适应机制模块。速率自适应机制模块对从光线传感器获取的信号进行滤波和解码，获取重传数据包序号或者调整后的编码亮度等级数，并发送重传数据包或调整编码亮度等级数的控制信号给编码模块，编码模块根据接收到的控制信号，发送重传数据包对应的亮度序列给接收端，或者调整编码亮度等级数，对后面待传输数据进行重新亮度编码后传输。

本发明提供的基于可见光的手机近场通信方法，具体实现步骤如下：

步骤1：发送端的编码模块，首先对待传输的数据加入FEC码后，以数据包的形式组织，每个数据包包含一个FEC码以及对应的数据；然后根据设定的亮度等级，将待传输数据编码为亮度等级序列；每个数据块被编码为一个亮度等级，相邻数据块被编码的亮度等级不同；

步骤2：发送端按照亮度等级序列，显示对应亮度的屏幕帧，以光信号形式发送出去；在发送亮度等级序列前，发送端先发送一个训练序列和一个偏差序列给接收端；训练序列包含编码所用的从低到高的亮度等级，用于接收端建立亮度等级与数据块之间的对应关系；偏差序列为将编码所用亮度等级按照特定顺序排列的序列，序列中包括所有不同相邻亮度等级的变化情况，用于接收端建立在线偏差模型；

步骤3：接收端采用光线传感器阵列对发送端的各屏幕亮度进行采样，得到光信号序列；

步骤4：接收端通过信号调节模块对采样得到的光信号进行异常点检测去除，根据偏差序列建立线性偏差模型，并利用线性偏差模型对光信号进行补偿；

设接收端读取的当前帧和前一帧的亮度值分别为L_n和L_n-1，则对当前帧补偿后的亮度值

α为拟合线性偏差模型的斜率；

步骤5：接收端通过解码模块对步骤4得到的光信号，采用最近距离匹配算法完成解码；判断解码得到的每个数据包是否能被相应的FEC码纠错，若能，将解码得到的数据传送给接收端的应用程序，继续步骤6，否则，接收端通知发送端重传不能被FEC码纠错的数据包；

步骤6：接收端统计比特错误率，进行速率自适应调整机制。

所述的步骤1中，将数据编码为亮度等级序列的方式是：在保证相邻亮度等级间的最小亮度差值大于信道噪音的情况下，将N个二进制位编码为一个亮度等级，共使用2^N+1个亮度等级来进行数据编码，其中，使用2^N个亮度等级对不重复的数据块进行编码，使用剩余的一个亮度等级B_M专用于编码连续重复数据块，设某个数据块D被编码为B_i，则连续数据块｛D,D｝被编码为｛B_i,B_M｝，其中，N,M和i均为正整数，1≤M≤2^N+1，1≤i≤2^N+1。

所述的步骤6中，当编码亮度等级小于等于9时，比特错误率P_b通过如下模型得到：

$P_b=\frac{2(M-1)}{M{\log }_2^M}\·Q\left(\sqrt{\frac{{6\log }_2^M\·\stackrel{\‾}{\mathrm{SNR}}}{M^2-1}}\right)$

其中，M表示当前编码所用的亮度等级数；Q函数定义为：

表示M个亮度等级编解码时接收信号的平均信噪比，

R_d,l表示在发送端与接收端距离为d、亮度等级为l条件下的接受光强，

a,b,c均为经验常数，σ表示环境光噪声，S_l表示发送端亮度等级l对应的屏幕亮度。

所述的步骤6中的速率自适应调整机制，具体是：利用统计的比特错误率，确定当前的系统吞吐量，如果当前所用亮度等级数目A下的系统吞吐量低于某个亮度等级数目B下的最大系统吞吐量的10%，则接收端通知发送端发送下一个数据包时，改变编码所用亮度等级数为B；或者通过为比特错误率设置阈值来调整亮度等级数目。

本发明的基于可见光的手机近场通信系统及方法，其优点与积极效果在于：相对于RF通信技术，本发明的手机屏幕与光线传感器接收端之间短距离而又直接的VLC链路更容易控制，可以更好地保证通信的隐私性和安全性。同时，本发明所采用的可见光传输方式还可以避免蓝牙和Wi-Fi通信所必须的繁琐的认证过程。而且与NFC技术相比，本发明的手机近场通信系统及方法是基于手机现有设备实现，不需要额外的硬件芯片或设备，且可以使用户手机与另一个手机或配置光线传感器（成本较低）的接收设备实现近距离通信。例如，消费者可以将手机与配备有光线传感器的POS（point-of-sale）终端接触，快速便捷地完成移动支付。因此，本发明的手机近场通信系统及方法可以为很多NFC应用场景提供一种低成本、易使用、更安全的通信方式，而不需要依赖于额外的无线接口或网络设备。这些优势使得本发明的技术方案可以作为现有NFC技术的另一种潜在选择，应用于移动支付、设备配对和手机用户间数据交换等近场通信应用场景中。

附图说明

图1为本发明的基于可见光的手机近场通信系统的架构图；

图2为本发明的基于可见光的手机近场通信方法的整体流程图；

图3为系统可用亮度等级数示意图，（a）不同亮度等级数对应的接受光强，（b）最优和最坏情况下相邻亮度等级的最小“距离”和噪音；

图4为屏幕刷新时间间隔随时间变化的关系图；

图5为发送端多个子屏幕与接收端对应光线传感器阵列设置的示意图；

图6为原始数据与亮度补偿结果对比图；

图7为亮度偏差的线性模型示意图；

图8为SNR对系统吞吐量的影响示意图。

具体实施

下面将结合附图和实施例对本发明内容作进一步的详细说明。

本发明提供的基于可见光的手机近场通信系统及方法，适用于手机近场通信的应用场景中，尤其适用于距离为2cm以内的近场通讯，本发明不需要手机添加额外的硬件设备或网络接口，即可实现移动支付、设备配对、手机间数据交换等近场通信功能，具有较大的发展空间和应用前景。本发明的基于可见光的手机近场通信系统可简称为VINCE（Visible lIght-basedNear filed Communication for smartphonEs）。

如图1所示，为本发明的基于可见光的手机近场通信系统（VINCE)的整体架构。VINCE由利用可见光信道通信的发送端和接收端两部分组成。发送端位于具有可发光屏幕的智能移动设备上，例如本发明实施例中发送端设置在手机上，发送端将要发送的数据编码为不同亮度等级通过屏幕发送，接收端采用光线传感器获取接收信号并解码数据。

如图1所示，发送端包括编码模块11、手机屏幕12、光线传感器13和速率自适应机制模块14。接收端包括光线传感器阵列21、信号调节模块22、解码模块23、反馈模块24和发光二极管(LED)25。

编码模块11将从应用程序接收的原始数据，加入前向纠错(FEC)码后，编码为亮度等级序列，每个数据块被编码为一个亮度等级，相邻数据块被编码为不同的亮度等级，使得接收端可以根据接收信号的光强变化区分不同帧的数据完成解码。待传输数据以数据包的形式组织，每个数据包包含若干二进制数据以及二进制数据对应的FEC码，在进行亮度等级编码时，在保证相邻亮度等级间的最小亮度差值大于信道噪音的情况下，将每N个二进制位编码为一个亮度等级，共使用2^N+1个亮度等级来进行数据编码，其中，使用2^N个亮度等级对不重复的数据块进行编码，使用剩余的一个亮度等级B_M专用于编码连续重复数据块，设某个数据块D被编码为B_i，则连续数据块｛D,D｝被编码为｛B_i,B_M｝，其中，N,M和i均为正整数，1≤M≤2^N+1，1≤i≤2^N+1。

编码模块11通过手机屏幕12，按照亮度等级序列，显示对应亮度的屏幕帧，以光信号形式发送出去。手机屏幕12可被划分为多个子屏幕进行数据传输以提高信道吞吐量。在发送亮度等级序列前，发送端先发送一个训练序列和一个偏差序列给接收端。训练序列包含编码所用的从低到高的亮度等级，用于接收端建立亮度等级与数据块之间的对应关系。偏差序列为将编码所用亮度等级按照特定顺序排列的序列，序列中包括所有不同相邻亮度等级的变化情况，用于接收端建立在线偏差模型。

接收端的光线传感器阵列21用于对发送端的屏幕亮度进行采样，得到光信号序列。光线传感器阵列21包含1个以上的光线传感器，光线传感器的个数和位置与发送端的子屏幕的个数和位置对应，每个光线传感器放置在设置在接收端的矩形方槽内，如图5所示。

信号调节模块22对光线传感器阵列21采样得到的光信号进行异常点检测去除，根据偏差序列建立线性偏差模型，并利用线性偏差模型对光信号进行补偿。设接收端读取的当前帧和前一帧的亮度值分别为L_n和L_n-1，对应两个亮度的线性偏差模型的斜率为α，则信号调节模块22对当前帧补偿后的亮度值为：

接收端采用光线传感器阵列21对发送端屏幕子块亮度进行采样。由于接受光信号容易受到环境光干扰，以及屏幕帧渲染过程中容易导致接收亮度出现较大偏差，VINCE接收端通过信号调整模块22（Signal Conditioning）实现异常点的检测去除，并基于经验推导的线性偏差模型对接收信号进行补偿，减小亮度偏差，提高解码正确率。

解码模块23用于对信号调节模块22输出的光信号，采用最近距离匹配算法进行解码。解码完成后，解码模块23判断解码得到的每个数据包是否能被对应的FEC码纠错，若能，将解码得到的数据传送给接收端的应用程序，否则，解码模块23将不能被FEC码纠错的数据包的序号发送给反馈模块24。解码模块23还统计比特错误率，并发送给反馈模块24。如果接收数据不能被FEC码纠错，接收端则通过由接收端LED25和发送端手机自带光线传感器13组成的反馈信道通知发送端重传数据。

为了提高系统可靠性和吞吐量，VINCE基于建立的SNR-BER理论分析模型设计实现了速率自适应调整机制，发送端可以根据接收端反馈的当前光信道SNR值，动态调整编码亮度等级数。特别地，基于同样的原理，可以利用两个手机屏幕和手机自带光线传感器组成发送端-接收端双向通信信道，实现两个手机间设备配对等近距离通信功能。

反馈模块24在接收到解码模块23发送来的数据包序号时，通过控制LED25闪烁，发送需重传的数据包序号给发送端。反馈模块24在接收到解码模块23发送来的比特错误率时，根据比特错误率判断当前亮度等级数目是否需要进行自适应调整。例如，设置比特错误率阈值，当大于所设阈值时，需要减小编码亮度等级数目，当比特错误率持续比较低时，需要增大编码亮度等级数目。反馈模块24也可根据比特错误率获取对应的系统吞吐量，如果当前所用亮度等级数目A下的系统吞吐量低于某个亮度等级数目B下的最大系统吞吐量的10%，需要通知发送端发送下一个数据包时，改变编码所用亮度等级数为B。当需要调整当前亮度等级数目时，反馈模块24通过控制LED25闪烁，发送调整信号给发送端。调整信号包括增加或降低后的编码亮度等级数。

发送端的光线传感器13采集接收端的LED25的发光信号，将获取的数据发送给速率自适应机制模块14。

速率自适应机制模块14对从光线传感器13获取的光信号进行滤波和解码，当获取到重传数据包序号时，发送重传数据包的控制信号给编码模块11，编码模块11根据接收到的控制信号，发送需重传数据包对应的亮度序列给接收端。当速率自适应机制模块14获取到调整信号时，提取其中的编码亮度等级数，并发送给编码模块11，编码模块11调整编码亮度机制，对待传输数据进行重新亮度编码后传输。

LED25可以通过PWM（pulse-width modulation）技术实现LED多个亮度的高频率（6kHz）变化，本发明实施例中采用200bps的反馈速率。

如图2所示，为本发明提供的基于可见光的手机近场通信方法的整体流程图，下面对各步骤进行详细说明。

步骤1：发送端通过编码模块11将要发送的原始数据编码为由不同亮度等级组成的序列，且相邻数据块被编码的亮度等级不同，使得接收端可以根据接收光信号的变化，区分发送端屏幕发出的不同帧的数据。

在进行发送端的编码时，需要确定数据编码的亮度等级数和等级编码方式。

步骤1.1，确定用于数据编码的亮度等级数。

手机作为VINCE的发送端，采用类似M元PAM（Pulse Amplitude Modulation）技术将要发送的数据编码为手机屏幕的不同亮度等级，并以可见光的形式传输。接收端通过光线传感器读取光强并实现解码。虽然亮度等级越多，编码的信息量越大，但由于可见光信道上往往存在噪音，采用较多亮度等级编码会导致接收信号难以区分相邻亮度等级，影响解码。

通过对屏幕特性实验分析，来确定亮度等级数。本发明实施例中，使用三星Galaxy Nexus手机作为发送端进行实验，基于Arduino平台开发的接收端检测相邻亮度等级是否可以区分以及最大可用亮度等级数。为了编码二进制数据，对不重复的数据块进行编码所用的亮度等级数为2^N，N为自然数，针对二进制数据，N对应一个亮度等级对应的二进制位数。本发明实施例中针对4、8、16和32等级进行实验。接收端的光线传感器记录每个亮度等级的光强值和光信道无数据传输时的噪音。通过调整环境光，改变信道噪音，找到最好和最坏情况下接收信号相邻等级间的最小亮度差值和两种情况下的噪音，如图3的（a）所示，横坐标采样顺序号，纵坐标表示接收光强，图中的亮度等级数分别为5、9、17和33，因为编码需要，对4、8、16和32分别增加的一个亮度等级，所增加的一个亮度等级专用于编码连续重复的数据块。为了保证成功解码，相邻等级间的最小亮度差值应该大于信道噪音。从图3的（b）中可以看出，信道状况不同时可用的最大编码亮度等级数也不同，接收端可以支持的最大可用亮度等级数为16，而当信道噪音较大时，接收端只能使用4亮度等级。

步骤1.2，实现亮度等级编码。

发送端通过手机屏幕以一定刷新频率发送亮度数据流。大多数手机的屏幕刷新频率约为60Hz，但由于操作系统负载调度的不确定性，手机刷新频率存在较大波动，如图4所示为三星Galaxy Nexus手机在一段时间（约50秒）的刷新时间间隔。图4的横坐标表示时间间隔采样顺序号，纵坐标表示屏幕刷新时间间隔。可以看到，屏幕刷新时间间隔多数为15ms-18ms，但会存在较大波动，这就导致接收端无法根据频率检测接收信号并解码数据。针对此问题，VINCE采用的解决方法是在发送端增加一个亮度等级专用于编码连续重复的数据块，这就使得相邻数据块编码后对应的亮度等级互不相同，接收端可以根据不同帧的亮度变化检测接收信号。

设发送端采用M个亮度等级（B₁,B₂,...,B_M）进行编码，前M-1个等级（B₁,B₂,...,B_M-1）用于编码不重复的数据块，最后一个等级B_M专用于编码第2k（k为整数）个连续相同的数据块。若数据块D_i被编码为亮度等级B_i(1≤i≤M)，那么连续相同的数据块{D_i,D_i,D_i,D_i}则被编码为{B_i,B_M,B_i,B_M}。这种编码可以保证发送端将相邻的数据块编码为不同的亮度等级，接收端可以根据亮度变化检测不同帧的数据并完成解码，提高解码正确率。

对从应用程序接收的数据加入前向纠错(FEC)码，待发送数据以数据包的形式组织发送，每个数据包中包含一个FEC码和对应的数据。例如，每个数据包长度为32byte，其中前28byte为正式的数据，最后4byte为FEC码，用于检错纠错。

步骤2：发送端按照亮度等级序列，依次显示对应亮度的屏幕帧，并以光信号形式发送出去，可通过多个屏幕子块同时传输以提高系统吞吐量。

步骤2.1，实现多个屏幕子块同时传输。

为了提高数据传输速率，发送端将手机屏幕12分成多个子块同时传输，接收端对应采用多个光线传感器组成的阵列进行一对一接收，如图5所示为屏幕分为4子块的原型系统图。

为了方便发送端使用不同屏幕大小的手机时仍然能够与接收端的光线传感器较好地对齐，VINCE设计屏幕显示大小为基于屏幕左上角的固定尺寸，例如为55mm*85mm。虽然同时传输数据的屏幕子块数越多，数据传输速率越快，但实际中可用的子块数往往不会太大。一方面，相邻子块间的亮度会存在干扰，某屏幕子块对应的接收端光线传感器接收到的信号往往会受到相邻子块亮度的影响；另一方面，子块数越多，接收端需要配置更多的光线传感器，同时还会增加接收端的计算开销。综合考虑，VINCE优选采用屏幕分为四子块的设计。

步骤2.2，在每次数据传输前，给接收端发送训练序列和偏差序列。

由于手机屏幕特性，环境光等因素影响，接收端无法直接准确确定接收信号对应的亮度等级，以及亮度等级与发送数据块之间的对应关系。为了提高解码可靠性，VINCE发送端在发送数据之前首先发送一个较短的训练序列，包含编码所用的从低到高所有亮度等级，接收端根据该训练序列建立亮度等级与数据块之间的对应关系，便于进一步解码。因为只需要在每次传输之前发送一次序文，这部分的开销极小。偏差序列为将编码所用亮度等级按照特定顺序排列的序列，序列中相邻两个亮度等级不同，并包括所有不同相邻亮度等级的变化情况，偏差序列用于接收端建立在线偏差模型。

每次数据传输时，发送端都先发送一组训练序列和偏差序列后，再开始发送正式的数据。

步骤3：接收端采用光线传感器阵列21对发送端各屏幕子块的亮度进行采样，并将采样得到的光信号序列传送给信号调节模块22。

接收端使用光线传感器矩阵21对发送端屏幕块的亮度采样，面临的一个关键问题是接收端极易受到干扰光的影响。一方面，当发送端使用多子块同时传输数据时，接收端某个光线传感器的接收值会受到相邻子块亮度的干扰；另一方面，可见光信道上的环境光会影响接收信号的信噪比。为了减少干扰，接收端硬件上采用了具有防护作用的结构设计，使四个光线传感器分别落在接收端的四个矩形方槽内，如图5所示，这种设计可以避免环境光和子块亮度间的干扰，同时也方便VINCE用户的发送端与接收端对齐使用。

步骤4：接收端通过信号调节模块22对采样得到的光信号进行异常点去除，并基于经验推导的线性偏差模型对光信号进行补偿，从而减小亮度偏差，提高解码正确率。

由于接收端光线传感器采样频率远高于发送端的刷新频率，接收端会采集到发送端同一帧数据对应的多个采样点，称之为“帧内采样点”。如图6所示，实验表明，由于屏幕自身特性、环境光等因素，这些“帧内采样点”往往波动较大。特别地，由于屏幕帧的渲染问题，当发送端当前帧对应的亮度等级相对前一帧变化较大时，接收端的亮度采样值与序文部分相同等级亮度值存在较大偏差。这就导致接收端直接使用这些原始采样值进行解码的正确率极低。

为解决此问题，VINCE采用“信号调节”技术对原始采样信号进行处理，主要包括异常点过滤和信号补偿过程。首先为了消除同帧内波动较大的噪声点影响，如图6所示，VINCE采用异常点检测将与同帧采样点均值相差较大的异常点剔除，并用均值表示该等级的亮度值。信号补偿的目的是解决由于屏幕渲染造成的接收亮度偏差问题。通过在多个手机上测试研究，发现亮度偏差与相邻两帧亮度变化值呈线性关系模型，如图7所示。这表明当前帧的亮度值可以根据前一帧和线性偏差模型进行补偿，减小相同等级的亮度偏差。

为了补偿亮度偏差，提高解码可靠性，VINCE采用在线生成线性偏差模型。发送前的序文包括训练序列和偏差序列两部分。偏差序列的亮度等级按照特定顺序排列，包括所有不同相邻亮度等级的变化情况，接收端根据偏差序列建立如图7所示的线性偏差模型。基于该线性模型，根据以下公式，对接收到的当前帧亮度值进行补偿：

其中，L_n和L_n-1分别表示接收端读取的当前帧和前一帧的亮度值，α为补偿因子，即拟合线性偏差模型曲线的斜率，

为当前帧补偿后的亮度值。

从图6可以看出，补偿后的亮度值能够较好地与相应亮度等级匹配。经过异常点过滤和信号补偿处理后，接收端即可根据由训练序列建立的亮度等级与数据块的对应关系，完成基于最近距离匹配的解码。

步骤5：接收端解码。经过信号调节处理过的光信号通过解码模块23采用最近距离匹配算法完成解码。

基于训练序文建立的亮度值与数据块间的对应关系，接收端通过将发送数据部分的亮度值与训练序文对比，采用基于最近距离匹配的算法识别不同亮度等级并解码数据。

对经过信号调节模块22处理后的光信号序列输入解码模块23，解码模块23对应的解码流程如下：

LightSeq保存信号调节后的采样序列；gray[1..M]为训练序列对应的M个等级的亮度值；mindist用于记录采样序列中的某个亮度值与训练序列的最近距离，即最小差值（绝对值），初始设置为最大整数MAX-INT，mindistgray为最近距离对应的训练序列中的某个亮度等级。

1）对采样序列LightSeq中的每个亮度值d，分别与训练序列gray[1..M]中的M个亮度值进行比较，查找确定最近距离mindist对应的亮度等级值mindistgray，并保存到解码亮度等级序列LevelSeq中；（对应下面代码中的1-10行）

2）根据得到的解码亮度等级序列LevelSeq和发送端采用的编码策略，解码出接收数据，即若亮度等级B_i(1≤i≤M)对应数据块D_i，那么{B_i,B_M,B_i,B_M}将被解码为数据块{D_i,D_i,D_i,D_i}，得到解码后的接收数据Data。（对应下面代码中的第11行）

最后，接收端将四个光线传感器对应的解码结果合并，得到发送端发送的数据。发送端编码时加入FEC码，如果接收数据无法被FEC码纠错，接收端通过反馈信道向发送端通知需要重传的数据包序号。

解码完成后，判断各数据包中的数据能否被对应的FEC码纠错，如果能，继续下一个步骤，否则，接收端通过反馈信道通知发送端重传相应的数据包数据。反馈信道由接收端LED25和发送端手机自带的光线传感器13组成。如图2所示，当某个数据包中的数据不能被相应的FEC码纠错时，接收端通知发送端重传该数据包，发送端将按照数据包序号，重传该数据包对应的亮度等级序列，接收端继续进入步骤3执行。

步骤6：接收端统计比特错误率（Bit Error Rate，BER）并发送给发送端，进行速率自适应调整机制。

本发明针对编码亮度等级小于等于9时，提供了一种信噪比SNR（Signal Noise Ratio）与比特错误率(SNR-BER)的模型，发送端可以根据接收端反馈的当前光信道SNR值来获取比特错误率，从而动态调整编码亮度等级数，在保证系统可靠性的同时提高系统吞吐量。

步骤6.1，本发明的SNR-BER模型。

VINCE的比特错误率BER很大程度上取决于接收信号的信噪比SNR，而接收信号强度会受到发送端与接收端间的距离影响，信道噪声主要来源于短时间内可以认为是恒定值的环境光强。通过建立VINCE比特错误率BER与发送端-接收端距离、信噪比SNR的关系模型，不仅可以用于速率自适应调整机制，而且对VINCE在不同场景下的应用配置等具有重要的指导意义。

首先通过实验研究发送端-接收端距离和手机屏幕亮度对接受光强的影响。以三星GalaxyNexus手机作为发送端，通过改变距离和屏幕设置亮度，根据不同情况下光线传感器的接收光强，使用Matlab中曲线拟合工具（curve fitting tool）得到接受光强R_d,l与发送端-接收端距离和屏幕亮度的关系模型：

$R_{d,l}=a*e^{b*d+c*\ln (1+S_l)}$

其中，d表示发送端-接收端距离；S_l表示设置发送端亮度等级l对应的屏幕亮度；a,b,c均为经验常数，a=0.001585，b=-0.2503，c=2.24。用σ表示环境光噪声，VINCE采用M个亮度等级编解码时接收信号的平均信噪比

为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{SNR}}=\frac{1}{M}\underset{l=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{d,l}^2/{\mathrm{\σ}}^2$

由于VINCE采用M元PAM技术进行编码，根据《数字通信》中M元PAM的平均符号错误率P_M为：

$P_M=\frac{2(M-1)}{M}\·Q\left(\sqrt{\frac{{6\log }_2^M\·\stackrel{\‾}{\mathrm{SNR}}}{M^2-1}}\right)$

其中，Q函数定义为： $Q\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\∫}_x^{\∞}{e}^{{-u}^2/2}\mathrm{du}.$

可以得到，VINCE系统的SNR-BER模型为：

$P_b=\frac{2(M-1)}{M{\log }_2^M}\·Q\left(\sqrt{\frac{{6\log }_2^M\·\stackrel{\‾}{\mathrm{SNR}}}{M^2-1}}\right)$

其中，P_b表示比特错误率BER。

根据上式可知，对于特定的发送端-接收端通信信道，BER由发送端与接收端的距离d、平均环境光噪音σ和所用的编码亮度等级数M决定。其中，由于理论模型没有考虑实际系统中屏幕渲染问题造成的亮度偏差，该模型不适用于所用编码亮度等级数高于9（即M＞9）的情况。尽管接收端的信号调整处理可以在一定程度上修正亮度偏差，但并不能完全得到补偿，这种亮度偏差的剩余同样会作为噪声影响信噪比和解码正确率。由于VINCE采用更多亮度等级编码时对噪声较为敏感，理论模型对于所用亮度等级数高于9的情况不太适用。通过实验验证，对于5和9亮度等级，理论推导值与实验结果较为一致，说明该理论模型能够较好地预测比特错误率和系统吞吐量。

步骤6.2，基于反馈的速率自适应机制。

VINCE采用反馈和速率自适应机制来提高通信可靠性。接收端通过反馈信道向发送端发送反馈信息来控制传输过程，该反馈信道以接收端的LED25作为发送端，以手机上的光线传感器13作为接收端。

发送端LED25可以通过PWM（pulse-width modulation）技术实现LED多个亮度的高频率（6kHz）变化。因此，反馈信道可以采用与正向信道相同的编解码方法。然而，手机自带光线传感器的采样频率较低，波动较大，而且反馈信道要求具有较高可靠性的信道，用于传输信息量少但相对重要的控制信号，因此，VINCE保守采用足以满足需要的200bps的反馈速率。VINCE的反馈信道主要实现两个功能：发送数据重传请求和支持速率自适应机制。接收端也可以通过记录解码中的错误比特数统计比特错误率，用于速率自适应调整机制。每次开始发送数据时发送端总是采用最高调制速率发送，如果接收端检测到BER总是超过某个阈值（threshold），将会通知发送端调整为较低调制速率；如果接收端检测到持续较低的BER，则告知发送端提高调制速率。调制速率对应编码所用的亮度等级数，并且呈正相关，亮度等级数越大，调制速率越大。调整编码亮度等级数，即调整了调制速率，此处调制速率等同于信号的发送速率。

信道状况不同，可用于数据编码的最大亮度等级数不同。为了最大化系统吞吐量，VINCE根据当前的信道状况动态调整编码所用的亮度等级数。信道状况用接收端的BER来描述，一种方案是在解码过程中统计BER，另一种方案是根据SNR-BER模型的SNR推导得出。与SNR相比，BER能够更直观地反应信道状况，但由于VINCE的数据率较低，接收端需要消耗相对较长的时间（甚至几百毫秒），通过记录大量数据才能统计出相对准确的BER，这就导致统计出的BER无法实时反应快速变化的信道状况。相反，VINCE可以快速在符号级别计算出SNR，因此，VINCE的速率自适应机制可采用SNR-BER模型推导出的BER实时反应当前的信道状况。

VINCE在发送两个数据包之间（即发送端屏幕完全黑暗时）测量环境光强度。接收端根据接收信号和检测到的环境光强计算平均信噪比

，并采用EWMA（Exponential WindowMoving Average）对SNR进行平滑。然后，VINCE可以根据SNR-BER模型计算不同亮度等级设置下的系统BER和系统吞吐量。图8显示了SNR对系统吞吐量的影响。如果当前亮度等级下的吞吐量低于其他亮度等级下最大吞吐量的10%，接收端将通知发送端调整编码所用亮度等级数发送下一个数据包。

此外，考虑到将VINCE应用于低功耗平台时，为了降低信道状况变化时接收端频繁根据SNR-BER模型计算的额外开销，接收端可以保存一个离线生成的记录不同亮度等级数下SNR以1dB步长在一定范围变化时对应吞吐量的查找表。VINCE的速率自适应机制可以基于查找表检索某个SNR下的对应系统吞吐量实现。

Claims (9)

1.一种基于可见光的手机近场通信系统，包括发送端和接收端，发送端设置在具有可发光屏幕和光线传感器的移动设备上，接收端具有发光二极管，其特征在于，发送端还包括编码模块和速率自适应机制模块；接收端还包括光线传感器阵列、信号调节模块、解码模块和反馈模块；

所述的编码模块将从应用程序接收的原始数据，加入前向纠错(FEC)码后，编码为亮度等级序列，每个数据块被编码为一个亮度等级，相邻数据块被编码的亮度等级不同；编码模块通过可发光屏幕，按照亮度等级序列，显示对应亮度的屏幕帧，以光信号形式发送出去，可发光屏幕被划分为一个以上的子屏幕进行数据传送；在发送亮度等级序列前，发送端先发送一个训练序列和一个偏差序列给接收端；训练序列包含编码所用的从低到高的亮度等级，用于接收端建立亮度等级与数据块之间的对应关系；偏差序列为将编码所用亮度等级按照特定顺序排列的序列，序列中包括所有不同相邻亮度等级的变化情况，用于接收端建立在线偏差模型；

所述的光线传感器阵列用于对发送端的屏幕亮度进行采样，得到光信号序列；

所述的信号调节模块对光线传感器阵列采样得到的光信号进行异常点检测去除，根据偏差序列建立线性偏差模型，并利用线性偏差模型对光信号进行补偿；设接收端读取的当前帧和前一帧的亮度值分别为L_n和L_n-1，对应两个亮度的线性偏差模型的斜率为α，则对当前帧补偿后的亮度值

所述的解码模块用于对信号调节模块输出的光信号，采用最近距离匹配算法进行解码，并判断解码得到的每个数据包是否能被相应的FEC码纠错，若能，将解码得到的数据传送给接收端的应用程序，否则，解码模块将不能被FEC码纠错的数据包的序号发送给反馈模块；解码模块还统计比特错误率，并发送给反馈模块；

所述的反馈模块在接收到解码模块发送来的数据包序号时，通过控制发光二极管闪烁，发送需重传的数据包序号给发送端；反馈模块在接收到解码模块发送来的比特错误率时，根据比特错误率判断当前亮度等级数目是否需要进行调整，当需要调整时，将调整后的编码亮度等级数，通过控制发光二极管闪烁，发送给发送端；

所述的发送端的光线传感器采集接收端的发光二极管的发光信号，将获取的数据发送给速率自适应机制模块；

所述的速率自适应机制模块对从光线传感器获取的信号进行滤波和解码，获取重传数据包序号或者调整后的编码亮度等级数，并发送重传数据包或调整编码亮度等级数的控制信号给编码模块，编码模块根据接收到的控制信号，发送重传数据包对应的亮度序列给接收端，或者调整编码亮度等级数，对待传输数据进行重新亮度编码后传输。

2.根据权利要求1所述的一种基于可见光的手机近场通信系统，其特征在于，所述的编码模块，在保证相邻亮度等级间的最小亮度差值大于信道噪音的情况下，将N个二进制位编码为一个亮度等级，共使用2^N+1个亮度等级来进行数据编码，其中，使用2^N个亮度等级对不重复的数据块进行编码，使用剩余的一个亮度等级B_M专用于编码连续重复数据块，设某个数据块D被编码为B_i，则连续数据块｛D,D｝被编码为｛B_i,B_M｝，其中，N,M和i均为正整数，1≤M≤2^N+1，1≤i≤2^N+1。

3.根据权利要求1所述的一种基于可见光的手机近场通信系统，其特征在于，所述的光线传感器阵列，包含1个以上的光线传感器，光线传感器的个数和位置与发送端的子屏幕的个数和位置对应，每个光线传感器放置在设置在接收端的矩形方槽内。

4.一种基于可见光的手机近场通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：发送端的编码模块，首先对待传输的数据加入前向纠错(FEC)码后，以数据包的形式组织，每个数据包包含一个FEC码以及对应的数据；然后根据设定的亮度等级，将待传输数据编码为亮度等级序列；每个数据块被编码为一个亮度等级，相邻数据块被编码的亮度等级不同；

步骤2：发送端将待传输数据的亮度等级序列，显示对应亮度的屏幕帧，以光信号形式发送出去；在发送亮度等级序列前，发送端先发送一个训练序列和一个偏差序列给接收端；训练序列包含编码所用的从低到高的亮度等级，用于接收端建立亮度等级与数据块之间的对应关系；偏差序列为将编码所用亮度等级按照特定顺序排列的序列，序列中包括所有不同相邻亮度等级的变化情况，用于接收端建立在线偏差模型；

步骤3：接收端采用光线传感器阵列对发送端的屏幕亮度进行采样，得到光信号序列；

步骤4：接收端通过信号调节模块对采样得到的光信号进行异常点检测去除，根据偏差序列建立线性偏差模型，并利用线性偏差模型对光信号进行补偿；

设接收端读取的当前帧和前一帧的亮度值分别为L_n和L_n-1，对应两个亮度的线性偏差模型的斜率为α，则对当前帧补偿后的亮度值

为：

步骤5：接收端通过解码模块对步骤4得到的光信号，采用最近距离匹配算法完成解码；判断解码得到的每个数据包是否能被相应的FEC码纠错，若能，将解码得到的数据传送给接收端的应用程序，继续步骤6，否则，接收端通知发送端重传不能被FEC码纠错的数据包；

步骤6：接收端统计比特错误率，并进行速率自适应调整机制。

5.根据权利要求4所述的基于可见光的手机近场通信方法，其特征在于，所述的步骤1中将数据编码为亮度等级序列的方式是：在保证相邻亮度等级间的最小亮度差值大于信道噪音的情况下，将N个二进制位编码为一个亮度等级，共使用2^N+1个亮度等级来进行数据编码，其中，使用2^N个亮度等级对不重复的数据块进行编码，使用剩余的一个亮度等级B_M专用于编码连续重复数据块，其中，N和M均为正整数，1≤M≤2^N+1。

6.根据权利要求5所述的基于可见光的手机近场通信方法，其特征在于，所述的N取值为2到4。

7.根据权利要求4所述的基于可见光的手机近场通信方法，其特征在于，所述的步骤2中在进行光信号发送时，发送端采用将屏幕分为四子块同时传输数据的方式，并设计屏幕的显示位置为以屏幕左上角为基准的固定大小尺寸：55mm*85mm。

8.根据权利要求4所述的基于可见光的手机近场通信方法，其特征在于，所述的步骤6中的比特错误率P_b，当编码亮度等级小于等于9时，通过如下模型得到：

$P_b=\frac{2(M-1)}{M{\log }_2^M}\·Q\left(\sqrt{\frac{{6\log }_2^M\·\stackrel{\‾}{\mathrm{SNR}}}{M^2-1}}\right)$

其中，M表示当前编码所用的亮度等级数；Q函数定义为：

表示M个亮度等级编解码时接收信号的平均信噪比，

R_d,l表示在发送端与接收端距离为d、亮度等级为l条件下的接受光强，

a,b,c均为经验常数，a=0.001585，b=-0.2503，c=2.24，σ表示环境光噪声，S_l表示发送端亮度等级l对应的屏幕亮度。

9.根据权利要求4所述的基于可见光的手机近场通信方法，其特征在于，所述的步骤6中的速率自适应调整机制，具体是：利用统计的比特错误率，确定当前的系统吞吐量，如果当前所用亮度等级数目A下的系统吞吐量低于某个亮度等级数目B下的最大系统吞吐量的10%，则接收端通知发送端发送下一个数据包时，改变编码所用亮度等级数为B。

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