CN104378159B - 一种多层调制的可见光通信方法、发射机、接收机和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层调制的可见光通信方法、发射机、接收机和系统，方法包括：首先将发射端发出的发射信号经第一层调制方式进行调制，以实现对发射信号的时间位置的动态随机选取；其中，经第一层调制方式调制后的发射信号为X1(i)表示时刻i时发射端的第一层发射符号；进而当X1(i)等于1时，确定发射端处于高速率传输模式，采用第二层调制方式调制发射端发出的发射信号；此时经第二层调制方式调制后的发射信号为最后控制X2(i)在第一层调制方式分配的时间位置内传输数据信息。因此本发明支持多种速率传输模式之间的无缝隙切换，实现了不同速率传输模式的兼容。
Description
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，更具体的说，涉及一种多层调制的可见光通信方法、发射机、接收机和系统。
背景技术
可见光通信是一种在LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)技术上发展起来的新兴的、短距离高速无线光通信技术。可见光通信的基本原理是利用LED切换速度快的特点，通过LED光源的高频率闪烁来进行通信，其发出高速的光信号，再经过光电转换而恢复信息。
然而在实际应用场景中，基于LED的可见光通信，固定的LED照明终端不支持多种速率传输模式间的切换，当其一旦速率传输模式发生改变，收发机不能适应新的速率传输模式，存在多种速率传输模式不兼容的问题，无法适应多种应用需求。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种多层调制的可见光通信方法、发射机、接收机和系统，以解决现有技术中不支持多种速率传输模式间的切换，且一旦发生速率传输模式改变时，收发机不能适应新的速率传输模式，存在多种速率传输模式不兼容的问题。技术方案如下：
基于本发明的一方面，本发明提供一种多层调制的可见光通信方法，应用于发射端，所述发射端支持低速率传输模式和高速率传输模式，所述低速率传输模式采用第一层调制方式，所述高速率传输模式采用第二层调制方式，所述方法包括：
将所述发射端发出的发射信号首先经所述第一层调制方式进行调制，以实现对所述发射信号的时间位置的动态随机选取；其中，经所述第一层调制方式调制后的发射信号为X1(i)表示时刻i时发射端的第一层发射符号；
当所述X1(i)等于1时，确定所述发射端处于高速率传输模式，采用所述第二层调制方式调制所述发射端发出的发射信号；其中，经所述第二层调制方式调制后的发射信号为X2(i)表示时刻i时发射端的第二层发射符号；其中，δ(t-iTs)表示起始时刻为i，持续时间长度为Ts，Ts为所述第一层调制方式的时间周期；x2(i,k)＝x2(i-kTs/K)，x1(i)与x2(i,k)之间的周期间隔满足整数倍K，Ts/K为所述第二层调制方式的码元时间；
控制所述X2(i)在所述第一层调制方式分配的时间位置内传输数据信息。
较优的，所述第一层调制方式包括二进制启闭键控OOK调制方式，所述第二层调制方式包括脉冲幅度调制PAM调制方式、非对称限幅光-正交频分复用ACO-OFDM调制方式，或直流限幅光-正交频分复用DCO-OFDM调制方式。
基于本发明的另一方面，本发明提供一种多层调制的可见光通信方法，应用于接收端，包括：
接收发射端发送来的发射信号；
恢复所述发射信号中采用第一层调制方式调制的调制信息，并从所述调制信息中提取所述第一层调制方式的码元信息；所述码元信息包括起始时刻和结束时刻；
依据所述码元信息，为第二层调制方式的解调提供同步信息。
基于本发明的再一方面，本发明提供一种发射机，所述发射机支持低速率传输模式和高速率传输模式，所述低速率传输模式采用第一层调制方式，所述高速率传输模式采用第二层调制方式，所述发射机包括：
第一层调制单元，用于将所述发射端发出的发射信号首先经所述第一层调制方式进行调制，以实现对所述发射信号的时间位置的动态随机选取；其中，经所述第一层调制方式调制后的发射信号为X1(i)表示时刻i时发射端的第一层发射符号；
第二层调制单元，用于当所述X1(i)等于1时，确定所述发射端处于高速率传输模式，采用所述第二层调制方式调制所述发射端发出的发射信号；其中，经所述第二层调制方式调制后的发射信号为X2(i)表示时刻i时发射端的第二层发射符号；其中，δ(t-iTs)表示起始时刻为i，持续时间长度为Ts，Ts为所述第一层调制方式的时间周期；x2(i,k)＝x2(i-kTs/K)，x1(i)与x2(i,k)之间的周期间隔满足整数倍K，Ts/K为所述第二层调制方式的码元时间；
数据信息传输单元，用于控制所述X2(i)在所述第一层调制方式分配的时间位置内传输数据信息。
较优的，所述第一层调制方式包括二进制启闭键控OOK调制方式，所述第二层调制方式包括脉冲幅度调制PAM调制方式、非对称限幅光-正交频分复用ACO-OFDM调制方式，或直流限幅光-正交频分复用DCO-OFDM调制方式。
基于本发明的再一方面，本发明提供一种接收机，包括：
信号接收单元，用于接收发射端发送来的发射信号；
调制信息恢复单元，用于恢复所述发射信号中采用第一层调制方式调制的调制信息；
提取单元，用于从所述调制信息中提取所述第一层调制方式的码元信息；所述码元信息包括起始时刻和结束时刻；
处理单元，用于依据所述码元信息，为第二层调制方式的解调提供同步信息。
基于本发明的再一方面，本发明提供一种多层调制的可见光通信系统，，包括如上权利要求任一项所述的发射机和如上权利要求所述的接收机。
应用上述技术方案，本发明提供的多层调制的可见光通信方法中，发射端支持低速率传输模式和高速率传输模式，所述低速率传输模式采用第一层调制方式，所述高速率传输模式采用第二层调制方式，即本发明支持多种速率传输模式。在数据传输过程中，本发明首先将发射端发出的发射信号经第一层调制方式进行调制，以实现对发射信号的时间位置的动态随机选取；其中，经第一层调制方式调制后的发射信号为X1(i)表示时刻i时发射端的第一层发射符号；进而当X1(i)等于1时，确定发射端处于高速率传输模式，采用第二层调制方式调制发射端发出的发射信号；此时经第二层调制方式调制后的发射信号为最后控制X2(i)在第一层调制方式分配的时间位置内传输数据信息。因此本发明支持多种速率传输模式之间的无缝隙切换，实现了不同速率传输模式的兼容。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种多层调制的可见光通信方法的一种流程图；
图2为本发明提供的OOK调制方式的信号调制时序图；
图3为本发明提供的双层调制时序图；
图4为本发明提供的OOK-OFDM双层调制时序示意图；
图5为本发明中发射端处理流程图；
图6为本发明提供的一种多层调制的可见光通信方法的另一种流程图；
图7为本发明中接收端处理流程图；
图8为本发明提供的一种发射机的结构示意图；
图9为本发明提供的一种接收机的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参见图1，其示出了本发明提供的一种多层调制的可见光通信方法的一种流程图，该方法应用于发射端，所述发射端支持低速率传输模式和高速率传输模式，所述低速率传输模式采用第一层调制方式，所述高速率传输模式采用第二层调制方式，方法包括：
步骤101，将发射端发出的发射信号首先经第一层调制方式进行调制，以实现对发射信号的时间位置的动态随机选取。
其中，经第一层调制方式调制后的发射信号为X1(i)表示时刻i时发射端的第一层发射符号。
较优的，本发明中的第一层调制方式可以为OOK(On-Off Keying，二进制启闭键控)调制方式。为了便于对本发明的详细阐述，下面发明人将以第一层调制方式为OOK调制方式为例进行详细说明。
具体地，本发明主要利用LED灯具的高速点灭特性来实现OOK调制方式。OOK调制方式为传统的单极性二进制幅度调制方式，其信号调制时序图如图2所示。由于LED天然具有高速的开关切换能力，因此本发明无需数/模转换器(digital-to-analog converter)即可实现OOK调制方式，简单易行。
本发明中，采用OOK调制方式调制时，充分利用LED的高速通断特性，并利用LED发射光强的强弱承载比特信息。在实际应用过程中，OOK调制方式频谱利用率较低，因此本发明主要利用OOK调制方式实现低速率数据传输。
步骤102，当X1(i)等于1时，确定发射端处于高速率传输模式，采用第二层调制方式调制发射端发出的发射信号。
其中，经第二层调制方式调制后的发射信号为X2(i)表示时刻i时发射端的第二层发射符号；其中，δ(t-iTs)表示起始时刻为i，持续时间长度为Ts，Ts为第一层调制方式的时间周期；x2(i,k)＝x2(i-kTs/K)，x1(i)与x2(i,k)之间的周期间隔满足整数倍K，Ts/K为第二层调制方式的码元时间。
较优的，第二层调制方式包括PAM(Pulse Amplitude Modulation，脉冲幅度调制)调制方式、ACO-OFDM(非对称限幅光-正交频分复用)调制方式，或DCO-OFDM(直流限幅光-正交频分复用)调制方式。
本发明在采用OOK调制方式时，且当X1(i)等于1，LED输出高电平时，第二层调制方式可以在高电平所占用的时间宽度内自由选取不同的调制方式，即在高电平的时隙内，本发明可以灵活分配高阶调制方式，且不会影响第一层调制的信息的传输。常用的，可以选择PAM调制方式。
如图3所示，其示出了本发明提供的双层调制时序图。其第二层调试方式为4-PAM(Pulse amplitude modulation，脉冲幅度调制)，K＝5的5倍速率的OOK-4PAM双层调制时序图。
显然，本发明在多层调制方式的切换过程中，实现了多种速率传输模式的无缝隙切换。
此外本发明对于第二层调试方式的选取方法可以包括，对基于强度调制的可见光通信来说，单载波的调制方案信号为一维的非负星座，PAM是其中一种常用的星座，因此可以选用PAM调制方式。当LED与接收端PD(光电二极管)之间的等效信道的相对带宽较窄时，信道表现为频率选择性信道，此时需要选用多载波调制方案。适用于可见光通信的多载波调制方案包括有ACO-OFDM(非对称限幅光-正交频分复用)和DCO-OFDM(直流限幅光-正交频分复用)两种方案，如图4所示，其示出了OOK-OFDM双层调制时序示意图。
步骤103，控制X2(i)在第一层调制方式分配的时间位置内传输数据信息。
本发明中发射端的多层调制方式包括第一层调制方式和第二层调制方式两种，其发射端的处理流程图如图5所示，其中涉及的单层与多层的选取过程即为不同速率传输模式的切换过程。
本发明中首先采用第一层调制方式，对发射信号的时间位置进行调制，其中，X1(i)表示发射端给数据随机分配的一个比特表示在何时发射数据，x2(i,k)表示在分配的时隙内传输数据信息。因此，通过这样分配时隙，多层调制方式的频带利用率为1+Klog2(N)，等效阶数为log2(2NK)的高阶调制，其中，N为第二层调制方式的阶数。当第一层调制方式为M-PPM(脉冲位置调制)时，获得的频带利用率为log2(M)+Klog2(N)，等效阶数为log2(MNK)的高阶调制方式。该调制方案可以将低阶的调制方式实现等效的高阶调制方式，且控制参数灵活。
因此应用本发明的上述技术方案，本发明中的发射端支持多种速率传输模式，其发射端对发射信号的调制过程可以分为两个调制层，第一层调制方式可以为传统的OOK调制方式，实现时间位置的动态随机选取；第二层调制符号X2(i)在OOK调制方式高电平的时隙内传输，在分配的时间位置内，发射数据信息。因此本发明一方面能够利用实现简单的OOK调制方式，另一方面可以在OOK调制方式高电平时承载高阶调制，进行高速通信。由于本发明在OOK调制方式高电平时可以承载高阶调制方式，因此，本发明提供的多层调制方式具有较好的自适应能力，切换过程简单，不影响LED照明的视觉效果
此外，本发明提供的多层调制方式可以使得通信链路获得较大的性能增益，使得接收端可以订阅不同数量及不同品质的数据服务。发射端切换到何种模式，取决于接收端所在位置的信道状况及所在网络的拥塞程度，或者该接收端在服务队列中所处的优先级，本发明实现了多速率的无缝隙软切换，支持多种速率传输模式。
实施例二
如图6所示，本发明还提供一种多层调制的可见光通信方法的另一种流程图，该方法具体应用于接收端，包括：
步骤201，接收发射端发送来的发射信号。
步骤202，恢复发射信号中采用第一层调制方式调制的调制信息，并从调制信息中提取第一层调制方式的码元信息。其中，所述码元信息包括起始时刻和结束时刻。
步骤203，依据所述码元信息，为第二层调制方式的解调提供同步信息。
具体地，接收端解调信号的处理过程如图7所示。
实施例三
基于前文本发明提供的一种多层调制的可见光通信方法，本发明还提供一种发射机和接收机，分别如图8和9所示。其中，
发射机支持低速率传输模式和高速率传输模式，所述低速率传输模式采用第一层调制方式，所述高速率传输模式采用第二层调制方式，发射机具体包括：第一层调制单元100、第二层调制单元200和数据信息传输单元300。其中，
第一层调制单元100，用于将发射端发出的发射信号首先经第一层调制方式进行调制，以实现对发射信号的时间位置的动态随机选取。其中，经第一层调制方式调制后的发射信号为X1(i)表示时刻i时发射端的第一层发射符号。
第二层调制单元200，用于当X1(i)等于1时，确定发射端处于高速率传输模式，采用第二层调制方式调制发射端发出的发射信号。其中，经第二层调制方式调制后的发射信号为X2(i)表示时刻i时发射端的第二层发射符号；其中，δ(t-iTs)表示起始时刻为i，持续时间长度为Ts，Ts为所述第一层调制方式的时间周期；x2(i,k)＝x2(i-kTs/K)，x1(i)与x2(i,k)之间的周期间隔满足整数倍K，Ts/K为所述第二层调制方式的码元时间。
数据信息传输单元300，用于控制X2(i)在第一层调制方式分配的时间位置内传输数据信息。
较优的，第一层调制方式包括OOK调制方式，第二层调制方式包括PAM调制方式、ACO-OFDM调制方式，或DCO-OFDM调制方式。
接收机包括：信号接收单元400、调制信息恢复单元500、提取单元600和处理单元700。其中，
信号接收单元400，用于接收发射端发送来的发射信号。
调制信息恢复单元500，用于恢复发射信号中采用第一层调制方式调制的调制信息。
提取单元600，用于从调制信息中提取第一层调制方式的码元信息。所述码元信息包括起始时刻和结束时刻。
处理单元700，用于依据码元信息，为第二层调制方式的解调提供同步信息。
此外，本发明还提供一种多层调制的可见光通信系统，包括前文所述的发射机和接收机。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种多层调制的可见光通信方法、发射机、接收机和系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个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 (5)
1.一种多层调制的可见光通信方法，应用于发射端，其特征在于，所述发射端支持低速率传输模式和高速率传输模式，所述低速率传输模式采用第一层调制方式，所述高速率传输模式采用第二层调制方式，所述方法包括：
将所述发射端发出的发射信号首先经所述第一层调制方式进行调制，以实现对所述发射信号的时间位置的动态随机选取；其中，经所述第一层调制方式调制后的发射信号为x1(i)表示时刻i时发射端的第一层发射符号；
当所述x1(i)等于1时，确定所述发射端处于高速率传输模式，采用所述第二层调制方式调制所述发射端发出的发射信号；其中，经所述第二层调制方式调制后的发射信号为x2(i)表示时刻i时发射端的第二层发射符号；其中，δ(t-iTs)表示起始时刻为i，持续时间长度为Ts，Ts为所述第一层调制方式的时间周期；x2(i,k)＝x2(i-kTs/K)，x1(i)与x2(i,k)之间的周期间隔满足整数倍K，Ts/K为所述第二层调制方式的码元时间；
控制所述x2(i)在所述第一层调制方式分配的时间位置内传输数据信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一层调制方式包括二进制启闭键控OOK调制方式，所述第二层调制方式包括脉冲幅度调制PAM调制方式、非对称限幅光-正交频分复用ACO-OFDM调制方式，或直流限幅光-正交频分复用DCO-OFDM调制方式。
3.一种发射机，其特征在于，所述发射机支持低速率传输模式和高速率传输模式，所述低速率传输模式采用第一层调制方式，所述高速率传输模式采用第二层调制方式，所述发射机包括：
第一层调制单元，用于将所述发射端发出的发射信号首先经所述第一层调制方式进行调制，以实现对所述发射信号的时间位置的动态随机选取；其中，经所述第一层调制方式调制后的发射信号为x1(i)表示时刻i时发射端的第一层发射符号；
第二层调制单元，用于当所述x1(i)等于1时，确定所述发射端处于高速率传输模式，采用所述第二层调制方式调制所述发射端发出的发射信号；其中，经所述第二层调制方式调制后的发射信号为x2(i)表示时刻i时发射端的第二层发射符号；其中，δ(t-iTs)表示起始时刻为i，持续时间长度为Ts，Ts为所述第一层调制方式的时间周期；x2(i,k)＝x2(i-kTs/K)，x1(i)与x2(i,k)之间的周期间隔满足整数倍K，Ts/K为所述第二层调制方式的码元时间；
数据信息传输单元，用于控制所述x2(i)在所述第一层调制方式分配的时间位置内传输数据信息。
4.根据权利要求3所述的发射机，其特征在于，所述第一层调制方式包括二进制启闭键控OOK调制方式，所述第二层调制方式包括脉冲幅度调制PAM调制方式、非对称限幅光-正交频分复用ACO-OFDM调制方式，或直流限幅光-正交频分复用DCO-OFDM调制方式。
5.一种多层调制的可见光通信系统，其特征在于，包括发射机和接收机；其中，
所述发射机为如上权利要求3或4所述的发射机；
所述接收机包括：
信号接收单元，用于接收发射机发送来的发射信号；
调制信息恢复单元，用于恢复所述发射信号中采用第一层调制方式调制的调制信息；
提取单元，用于从所述调制信息中提取所述第一层调制方式的码元信息；所述码元信息包括起始时刻和结束时刻；
处理单元，用于依据所述码元信息，为第二层调制方式的解调提供同步信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |