CN103840876B - 可见光通信方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可见光通信方法及系统，为解决现有的可见光通信中，低照度时通信稳定性差等问题而设计。本发明可见光通信方法，可见光信号的发送端包括照度调节的步骤；所述照度调节步骤为调节信号周期、保持信号脉冲宽度恒定，以使发送光信号的照度不大于预设值。本发明可见光通信系统，包括发送端与接收端，所述发送端包括信号周期变更单元：所述信号周期变更单元，用以调节信号周期、保持信号脉冲宽度恒定，以使发送光信号的照度不大于预设值。本发明所述的可见光通信方法及系统，具有通信连续性好，通行质量高，实现简单等优点，尤其适用于可变照度下的可见光通信。

Description

可见光通信方法及系统
技术领域
本发明涉及无线光通信领域，尤其涉及一种可见光通信方法及系统。
背景技术
可见光通信（Visible Light Communications，VLC）是以白光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，将发送信号调制在LED发出的可见光上进行通信的无线光通信技术。
因为与白炽灯和日光灯等传统光源相比，LED具有宽得多的调制带宽，能以更高的频率进行开关切换，这使以LED作为光源进行高速通信成为可能。由于调制频率非常高，人眼觉察不到灯光的闪烁。通常，可见光通信可以作为LED灯的第二功能，在照明的同时完成通信。
见光通信系统就是以可见光通信为基础，实现接收端（如计算机等）与发送端（如LED阵列）的系统的组网。照明用LED灯在照明的同时充当接入点（Access Point）。该网络可以实现双工通信，下行链路（Down link）指由接入点到终端的传输链路，上行链路（Uplink）指由终端到接入点的传输链路。因为作为接入点的LED灯需要进行照明，所以总亮着，总占据着通信媒质，使终端无法在可见光波段发送数据。所以，通常下行链路工作在可见光波段，上行链路工作在红外波段，这样设置可以避免上下行链路之间的冲突。所有终端共享上行链路，为了避免多个终端在上行链路中发生冲突，上行链路采用CSMA/CD（Carriersense multiple access with collision detection）的MAC协议(Media access controlprotocol)。多个终端和接入点一起构成了一个局域网。
接入点通过电力线通信技术（PLC,Power Line Communications）或者以太网（Ethernet）与外部网络连接，所以终端可以经由接入点访问外部网络。
在室内可见光通信系统中，LED灯首先要具有照明功能，此外还要实现可见光通信的功能。在实际应用中，用户希望照明功能的亮度是可调的，并且调节亮度的同时又不会使可见光通信中断。当用户希望关掉照明功能只使用通信功能时，就需要采用低照度下的可见光通信技术。
低照度下的可见光通信是指LED灯光非常暗，人眼感觉已经关掉了照明功能，但接收端仍然可以检测到发送端的发送信号，并且可以继续通信。通常情况下，通过保持发送信号的周期长度不变而调节信号的占空比来实现亮度调节功能，当发送信号的占空比调节到很小时，例如5%或者更低时，就可以实现关闭照明功能下的低照度可见光通信。实现的方法是信号周期不变、信号脉冲宽度减小从而占空比减小，发送光信号的平均功率减小，从而使人眼感觉到的亮度降低了。
然而现有的可见光通信，由于在周期不变的情况下调节信号占空比时，随着占空比的减小信号的带宽将会增加，而一般LED的调制带宽有限，过低的占空比将导致信号畸变，从而导致通信的可靠性低的问题。
发明内容
（一）发明目的
针对上述问题，本发明旨在提供一种可靠性高的可见光通信方法及系统。
（二）技术方案
为达上述目的，本发明可见光通信方法，可见光信号的发送端包括照度调节的步骤；
所述照度调节步骤：调节信号周期、保持信号脉冲宽度恒定，以使发送光信号的照度不大于预设值。
优选地，在所述照度调节步骤后，发送端计算光信号占空比，当占空比不小于2-n且小于2-(n+1)时，采用L-PPM调制生成发送光信号，其中L=2n，n为正整数。
优选地，当光信号占空比不大于2-5，发送端采用32-PPM调制生成发送光信号。
优选地，发送端与接收端通过以下步骤实现信号周期与调制方式的同步：
步骤S1：发送端在切换信号周期与调制方式之前，发送包含信号周期与调制方式切换的信息帧；
步骤S2：接收端接收并根据所述信息帧，变更信号周期与解调方式并向发送端回复确认信息；
步骤S3：发送端接收所述确认信息后，切换信号周期与调制方式。
优选地，所述发送端通过广播发送所述信息帧。
为达上述目的，本发明可见光通信系统，包括发送端与接收端，所述发送端包括信号周期变更单元：
所述信号周期变更单元，用以调节信号周期、保持信号脉冲宽度恒定，以使发送光信号的照度不大于预设值。
进一步地，所述发送端还包括调制方式变更单元；
所述调制方式变更单元，用以计算光信号占空比，当占空比不小于2-n且小于2-(n+1)时，发送端采用L-PPM调制生成发送光信号，其中L=2n，n为正整数。
进一步地，当光信号占空比不大于2-5，发送端采用32-PPM调制生成发送光信号。
进一步地，所述发送端包括第一同步单元，所述接收端包括第二同步单元；
所述第一同步单元，用以发送端在切换信号周期与调制方式之前，发送包含信号周期与调制方式切换的信息帧；
所述第二同步单元，用以接收并根据所述信息帧，变更信号周期与解调方式并向发送端回复确认信息；
所述发送端接收所述确认信息后，切换信号周期与调制方式。
进一步地，所述发送端通过广播发送所述信息帧。
（三）本发明的有益效果
本发明可见光通信方法及系统，通过调整信号周期，来实现降低发送端照度，相对传统方法中采用调整信号脉冲宽度的实现照度降低的方法和系统，具有光信号的畸变小，通行可靠的优点；于此同时通过根据信号周期的调整，改变调制方式，从而缓解了信息速率的降低，保持了高速通信。
附图说明
图1为本发明实施例一光信号周期的示意图；
图2为本发明实施例三所述的可见光通信方法流程图；
图3为本发明实施例四所述的可见光通信系统。
具体实施方式
下面结合说明书附图以及实施例对本发明可见光通信方法及系统做进一步的说明。
实施例一：
本实施例可见光通信方法，包括照度调节的步骤：
所述照度调节的步骤为发送端调节信号周期并保持信号脉冲宽度恒定，以使发送光信号的照度不大于预设值的步骤。本方法通常用于需要让人眼感觉的发送端的光照亮度很小，达到灭灯的效果，故需使发送端的光信号的照度小于或等于预设的照度。
发送端通常包括LED光源，LED光源一方面能起到照明的作用，同时肩负着通过其让人眼不易察觉的亮灭，向接收端发送信号，当不需要LED照明时（即需要降低的LED的照度）。在本实施例中通过调整信号周期即延长信号周期，保持信号脉冲宽度达到占空比减小的目的，从而降低了整个信号周期内LED光源的平均功率，从而达到降低照度。相反的若需要照明时，需要提升LED光源的照度，同样的可以采用本实施例所述的方法实现信号周期的调整（即缩短信号周期，并保持信号脉冲宽度的不变）从而达到照度提升。
如图1所示，一个LED光源的电流周期即为一个信号周期TPWM信号脉冲宽度TPWM(ON)，带宽fPWM=1/TPWM(ON)。采用此方法既达到了降低LED光源照度的目的，同时由于LED的信号脉冲宽度保持不变，从而信号的带宽保持不变，从而避免了因信号带宽的变大导致的信号畸变，保证了通信的可靠性。
实施例二：
本实施例可见光通信方法，可见光信号的发送端包括照度调节的步骤；
所述照度调节步骤：调节信号周期、保持信号脉冲宽度恒定，以使发送光信号的照度不大于预设值；
在所述照度调节步骤后，发送端计算光信号占空比并表示幂的形式，占空比大于等于2-n且小于2-(n+1)之间，采用L-PPM调制生成发送光信号，其中L=2n，n为正整数，以使当发送可见光照度下降时，系统的信息传输速率不会快速下降。
PPM：Pluse Position Modulation脉冲位置调制，当信号周期TPWM延长为脉冲宽度TPWM(ON)的4倍时，，则比值2-n=2-2时，即占空比为25%，发送端采用4-PPM调制方式调制需要发送的光信号，通过本实施例可见光通信方法可知，当信号周期延长了，则调制方式的PPM的进制提高了，故能有效的缓解因信号周期的延长导致的信息速率的降低，保持较高的信息速率。
作为本实施例的进一步的改进，当光信号占空比不大于2-5，发送端采用32-PPM调制生成发送光信号。当占空比远过小时，调制的方式仍为32-PPM，这样就避免了调制方式级数过高导致的调制与解调复杂度高、实现难的问题。
实施例三：
如图2所示，本实施例可见光通信方法，依次包括以下步骤:
步骤S1：发送端在切换信号周期与调制方式之前，发送包含信号周期与调制方式切换的信息帧；
步骤S2：接收端接收并根据所述信息帧，变更信号周期与解调方式并向发送端回复确认信息；
步骤S3：发送端接收所述确认信息后，切换信号周期与调制方式。当一个发送端需要与若干个接收端进行通信时，发送端与各个接收端通过时分复用的方式进行通信，依次完成切换。
步骤S4：调节信号周期、保持信号脉冲宽度恒定，确保当发送光信号的照度低于预设值时，信号的带宽不会有所增加；
步骤S5：发送端计算光信号占空比，当占空比不小于2-n且小于2-(n+1)时并表示为2-n，采用L-PPM调制生成发送光信号，其中L=2n，n为正整数。如当n=3，则可见光发送端采用8-PPM进行发送信号的调制。
本实施例中通过“三次握手”实现了发送端与接收端的信号周期与调制方式的同步，具有实现简便快捷的优点。
在具体的实施过程中，通常下行链路中，一个可见光发送端采用，广播通信、分时通信等通信方法与多个接收端进行通信，故当发送端的信号周期与调制方式需要发生变更时，需通知到接收端，以便实现同步。故作为本实施例的进一步的改进，所述发送端通过广播发送所述信息帧。采用广播发送信息帧，实现简单快捷方便，且同步效率高。
实施例四：
如图3所示为一见光通信系统包括可见光信号发送端3、接收端41、42、43，其中所述发送端3通过信号线2（如电力线）连接到网关1，所述网关可以是交换机或路由器，再通过网关1连接到现有的互联网。
本实施例可见光通信系统，包括发送端与接收端，所述发送端包括信号周期变更单元：
所述信号周期变更单元，用以调节信号周期、保持信号脉冲宽度恒定，以使当发送可见光照度低于预设值时，信号带宽保持基本不变。
当同时用于照明的发送端3需要进入低照度时，传统的系统则是通过缩短信号周期中信号脉冲宽度，达到降低照度的目的，而在本实施例所述的可见光通信系统中，则通过延长信号周期，保持信号脉冲宽度不变，达到降低占空比，从而达到降低照度的效果。
采用本实施例所述的可见光通信系统，采用低照度进行通信时，信号脉冲宽度保持不变，则其所对应的带宽不变，从而避免了传统方法中采用缩短信号脉冲宽度导致的带宽变大，信号的稳定性差的问题，从而具有通信连续性好，中断概率低，通信质量佳的优点。
在具体的实施过程中，还可以用于需要提升LED光源的照度，同样的可以采用本实施例所述的系统实现信号周期的调整（即缩短信号周期，并保持信号脉冲宽度的不变）从而达到照度提升。
实施例五：
本实施例在上一实施例的基础上，所述发送端还包括调制方式变更单元；
所述调制方式变更单元，用以计算光信号占空比并表示为2-n，发送端采用L-PPM调制生成发送光信号，其中L=2n，n为正整数，以使当发送可见光照度下降时，系统的信息传输速率不会快速下降。
当光信号占空比减小时，带宽变大，信息传输速率减小，为了避免信息速率减小，同时更改光信号的调制方式，从而达到光信号的信息速率不会快速下降。
作为本实施例的进一步的改进，光信号占空比不大于2-5，发送端采用32-PPM调制生成发送光信号。
当占空比持续减小，若同步提高调制方式的级数，有可能导致调制方式以及解调方式繁杂，为了解决这一问题，当光信号占空比不大于2-5，统一采用32-PPM调制生成发送光信号，采用32-PPM既能保证相对较高的传输速率，同时保证调制和解调的简便性。
实施例六：
本实施例在上述实施例四或实施例五的基础上，做出了进一步的改进，所述发送端包括第一同步单元，所述接收端包括第二同步单元；
所述第一同步单元，用以发送端在切换信号周期与调制方式之前，发送包含信号周期与调制方式切换的信息帧；
所述第二同步单元，用以接收并根据所述信息帧，变更信号周期与解调方式并向发送端回复确认信息；
所述发送端接收所述确认信息后，切换信号周期与调制方式。
第一同步单元与第二同步单元的设置，为可见光通信系统在进行信号周期调整以及调制方式变更的同时，保证了接收端与发送端的同步，保证了通信的顺畅进行。
作为本实施例的进一步的改进，所述发送端通过广播发送所述信息帧。
如图3所示，一个发送端可能采用不同的通信模式与多个接收端进行基于可见光的通信，当可见光的信号周期以及调制方式发生变更时，需要通知每一个接收端，可以单独的逐个实现接收端与发送端的通信的同步，也可如本实施例所述的发送端采用广播发送信息帧，系统同步的效率。
本实施例所述的可见光通信系统，具有结构简单，实现简便、停息质量佳，尤其在低照度的可见光通信时的通信的持续性、稳定性以及通行性能方便均比现有的通信系统佳。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种可见光通信方法，其特征在于，可见光信号的发送端包括照度调节的步骤；
所述照度调节步骤：调节信号周期、保持信号脉冲宽度恒定，以使发送光信号的照度不大于预设值；
在所述照度调节步骤后，发送端计算光信号占空比；当占空比不小于2-(n+1)且小于2-n时，采用L-PPM调制生成发送光信号，其中L＝2n，n为正整数；
发送端与接收端通过以下步骤实现信号周期与调制方式的同步：
步骤S1：发送端在切换信号周期与调制方式之前，发送包含信号周期与调制方式切换的信息帧；
步骤S2：接收端接收并根据所述信息帧，变更信号周期与解调方式并向发送端回复确认信息；
步骤S3：发送端接收所述确认信息后，切换信号周期与调制方式。
2.根据权利要求1所述的可见光通信方法，其特征在于，当光信号占空比不大于2-5，发送端采用32-PPM调制生成发送光信号。
3.根据权利要求1所述的可见光通信方法，其特征在于，所述发送端通过广播发送所述信息帧。
4.一种可见光通信系统，包括发送端与接收端，其特征在于，所述发送端包括信号周期变更单元：
所述信号周期变更单元，用以调节信号周期、保持信号脉冲宽度恒定，以使发送光信号的照度不大于预设值；
所述发送端还包括调制方式变更单元；
所述调制方式变更单元，用以计算光信号占空比，当占空比不小于2-(n+1)且小于2-n时，发送端采用L-PPM调制生成发送光信号，其中L＝2n，n为正整数；
所述发送端包括第一同步单元，所述接收端包括第二同步单元；
所述第一同步单元，用以发送端在切换信号周期与调制方式之前，发送包含信号周期与调制方式切换的信息帧；
所述第二同步单元，用以接收并根据所述信息帧，变更信号周期与解调方式并向发送端回复确认信息；
所述发送端接收所述确认信息后，切换信号周期与调制方式。
5.根据权利要求4所述的可见光通信系统，其特征在于，当光信号占空比不大于2-5，发送端采用32-PPM调制生成发送光信号。
6.根据权利要求4所述的可见光通信系统，其特征在于，所述发送端通过广播发送所述信息帧。
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