CN105680954B - 一种可见光通信接收终端及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可见光通信接收终端，包括：球面基体以及多个光电转换器，球面基体上设置有多个分布点，多个分布点在球面基体上呈均匀分布或螺旋式分布，多个光电转换器分别设置在多个分布点上。该接收终端的多个光电转换器均匀分布或螺旋式分布在球面基体上，这样，使得光电转换器呈曲面分布，在不改变PD视场角的情况下，增加了PD整体视场角，使得在接收终端移动时，始终能够接收到光信号，提高了接收终端的移动性。该接收终端成本低、便于集成、增加接收到的光信号的强度且能满足接收终端的移动性。

Description

一种可见光通信接收终端及系统

技术领域

本发明涉及可见光通信领域，特别涉及一种可见光通信接收终端及系统。

背景技术

可见光通信技术(VLC，Visible Light Communication)是指利用可见光波段的光作为信息载体，无需光纤等有线信道的传输介质，在空气中直接传输光信号的通信方式。

由于LED(Light Emitting Diode，发光二极管)灯可以支撑更快的开关切换速度，随着LED灯的普及，使得LED灯以极快的速度闪烁，就可以实现通过LED灯发送数据。为了提高传输速率，在可见光通信系统中，通常会采用阵列传输的VLC-MIMO(MIMO，Multiple-input Multiple-output，多发多收系统)，而对于LED灯的照明系统，通常都是由多个灯芯组成的，LED灯的可见光通信系统是一种天然的多输入通信系统。

对于VLC-MIMO的接收终端的研究主要在两个方向，一种是基于图像传感器(Camera)，另一种是PD(Photo Detector，光电转换器)阵列。基于现有的图像传感器的成像通信技术(Optical Camera Communication,OCC)有望被应用到诸多领域，例如手机与电视屏幕、路灯与车以及车与车之间通信等，然而，现有的图像传感器较低的帧速率限制了其在高速通信中的应用。

对于PD阵列的接收终端，主要需要解决的问题是如何提高移动终端接收光的性能。目前的解决方案主要有两种，一种是在PD阵列上增加光学器件，如半球形透镜或鱼眼透镜等，增加PD阵列的视场角，从而提高光的接收性能。另一种是不增加光学器件，而在PD阵列的平面上进行优化，以提高光的接收性能，如从PD阵列法向量垂直于水平面的两种分布方式LB(Link-blocked，链路赌赛)和SS(Spatially Separated，空间分离)上分布进行设计优化、使用不同FOV(视场角)的PD组成阵列或增加非成像光学器件等，非成像光学器件如复合抛物面聚光器、光锥等。这些方法在一定程度上都起到了增强光的接收的作用，然而，若增加光学器件，会导致成本高、尺寸大且不便于集成等问题，而PD阵列优化的方法虽然成本较低，但这些研究都是基于集成在一个平面上位置相对固定的PD阵列，很难满足移动性的应用场景，无法满足不同方位下对光接收性能的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可见光通信接收终端及系统，满足接收终端移动性的需求。

为实现上述目的，本发明有如下技术方案：

一种可见光通信接收终端，包括：

球面基体以及多个光电转换器，球面基体上设置有多个分布点，多个分布点在球面基体上呈均匀分布或螺旋式分布，多个光电转换器分别设置在多个分布点上。

可选的，多个分布点在球面基体上呈均匀分布，每个分布点位于一个六边形的中心，六边形呈蜂窝排列于球面基体的表面。

可选的，六边形的分布满足欧拉特征。

可选的，多个分布点在球面基体上呈均匀分布，球面基体的表面被等分为多个面积相等且间距相等的图形块，每个分布点位于图形块的中心。

可选的，多个分布点在球面基体上呈螺旋分布，分布点的个数为N，则第i个分布点的方位角θ_i和仰角φ_i由以下确定：

可选的，还包括：与光电转换器对应设置的透镜，透镜使得光线会聚在对应的光电转换器上。

此外，本发明还提供了一种可见光通信系统，包括发射端以及上述任一项所述的接收终端。

可选的，所述发射端为阵列发射单元。

本发明实施例提供的可见光通信接收终端及系统，接收终端的多个光电转换器均匀分布或螺旋式分布在球面基体上，这样，使得光电转换器呈曲面分布，在不改变PD视场角的情况下，增加了PD整体视场角，使得在接收终端移动时，始终能够接收到光信号，提高了接收终端的移动性。该接收终端成本低、便于集成、增加接收到的光信号的强度且能满足接收终端的移动性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出了根据本发明实施例一的可见光通信接收终端的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例二的可见光通信接收终端的结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例三的可见光通信接收终端的结构示意图；

图4示出了根据本发明实施例三中的PD矢量所在坐标系的示意图；

图5示出了根据本发明实施例四的可见光通信接收终端的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

在本发明中提出了一种可见光通信接收终端，包括：球面基体以及多个光电转换器，球面基体上设置有多个分布点，多个分布点在球面基体上呈均匀分布或螺旋式分布，多个光电转换器分别设置在多个分布点上。

在本发明中，球面基体为承载光电转换器的载体，球面基体可以具有不同的表面积，例如可以为半(1/2)球面、1/4球冠等。在球面基体上设置有多个分布点，多个分布点分布用于设置光电转换器(PD，Photo Detector)，这些分布点在球面基体的表面上呈均匀分布或螺旋式分布，从而使得光电转换器呈曲面分布。

其中，均匀分布是指各分布点以一定规律均匀布置在球面基体的表面上，各分布点之间为等间隔排列。螺旋式分布是指分布点在球面基体的不同经度和纬度上旋转分布。

在本发明的技术方案中，接收终端的多个光电转换器均匀分布或螺旋式分布在球面基体上，这样，使得光电转换器呈曲面分布，在不改变PD视场角的情况下，增加了PD整体视场角，使得在接收终端移动时，始终能够接收到光信号，提高了接收终端的移动性。该接收终端成本低、便于集成、增加接收到的光信号的强度且能满足接收终端的移动性。

为了更好的理解本发明的技术方案和技术效果，以下将结合具体的实施例进行详细的说明。

实施例一

在该实施例中，多个分布点在球面基体100上呈均匀分布，参考图1所示，在该实施例的均匀分布的方式中，各分布点位于六边形110的中心处，六边形110呈蜂窝排列于球面基体100的表面上。

也就是说，在该实施例中，球面基体100的表面可以看做由蜂窝排列的六边形110组成，在六边形的中心处设置分布点，分布点上设置光电转换器120，用于接收光信号并进行光信号的转化。

更优的实施例中，若要保证分布点之间的间距最大，在将分布点设置于六边形的中心点的同时，还要使得六边形的分布满足欧拉特征，也就是说，在球面基体上还要包含12个五边形，其中一些分布点还位于这些五边形的中心点。欧拉特征是指：面的个数-边的个数+顶点的个数＝2。假设有N各分布点，其中a个处在六边形的中心、b个处在五边形的中心，那么，整个的面的个数为a+b，边的个数为(6a+5b)/2，顶点的个数为(6a+5b)/3，基于欧拉特征，可以计算得到五边形的个数b＝12。也就是说，满足欧拉特征的分布为：N个分布点位于12个五边形的中心和N-12个六边形的中心。

实施例二

在该实施例中，多个分布点在球面基体200上呈均匀分布，参考图2所示，多个分布点在球面基体200的表面上呈均匀分布，球面基体的表面被等分为多个面积相等且间距相等的图形块210，每个分布点位于图形块210的中心。

也就是说，在该实施例中，将球面基体200的表面等分为面积相等且等间距间隔的图形块210，在图形块210的中心点来布置分布点，分布点上设置光电转换器220，用于接收光信号并进行光信号的转化。这种平均分布的方式较为简单，方便操作。为了便于进行图形块的划分，图形块可以采用方形，如正方形或长方形，当划分的图形块的个数足够多时，方形的图形块可以等价为圆形，其直径d满足条件：

在具体的实施例中，如图2所示，图形块210为方形，球面基体的表面上均匀分布相等面积的方形的图形块，方形的图形块在球面基体的表面上呈环带均匀分布，对于为球冠的球面基体，环带可以为平行于球冠的底的方式环绕球冠的表面，也可以为与球冠的底成一定角度的方式环绕球冠的表面。

实施例三

在该实施例中，多个分布点在球面基体300的表面上呈螺旋分布，螺旋分布指分布点在球面基体的不同经度和纬度上旋转分布，这样，在球面基体的不同方向上都分布有用于放置光电转换器320的分布点。

在该具体的实施例中，分布点采用特殊的螺旋式分布，参考图3所示，该分布方式的分布点具有最稳定的结构。具体的，若分布点的个数为N，则第i个分布点的方位角θ_i和仰角φ_i由以下确定：

参考图4所示，为PD矢量即分布点矢量，所在坐标系的示意图。在该坐标系中，坐标原点为球面基体所在球体的球心处，即若球面基体为球冠，则坐标原点为球冠所在的球体球心处，若球面基体为半球，则坐标原点为半球所在球体的球心处，也就是在半球底面的圆心处，X轴和Y轴为球心所在的底面的二维坐标轴、Z轴为球体高度方向的坐标轴，PD矢量的方向为该PD所在的位置与坐标原点连线的方向并且指向球外，具体的法向量Ui坐标表示如下：

方位角θ_i为XY平面内与X轴方向的夹角，仰角φ_i为与为Z轴方向的夹角，通过方位角θ_i和仰角φ_i便可以确定分布点的在球面基体上所在的位置，如图3所示，以4各分布点为例，按照上述的方位角θ_i和仰角φ_i的确定方法出分布点的稳定的螺旋式分布方式。

实施例四

以上对具有呈曲面分布的光电转换器的可见光通信接收终端进行了详细的描述，为了进一步提高光电转化器接收光的能力，进一步地，在上述的光电转换器之上增加与光电转换器对应设置的透镜，透镜使得光线会聚在对应的光电转换器上。

参考图5所示，在曲面分布的光电转换器420之上，即在球面基体400设置的光电转换器420之上，一一对应设置透镜430，每一个透镜构成一个成像通道，通过该透镜后的光束440越来越窄，并会聚到相应的光电转换器420上，从而增加接收到的光信号的强度，提高接收终端信号接收的能力。

以上对本发明实施例的可见光通信接收终端进行了详细的描述。此外，本发明还提供包括上述接收终端的和发射端的可见光通信系统，该可见光通信系统的发射端可以为任意合适的可见光发射端，优选地，发射端可以为阵列发射单元，如LED阵列发射单元，以提供多输入的可见光发射端。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种可见光通信接收终端，用于接收来自于可见光发射端发射的可见光信号，其特征在于，包括：

球面基体以及多个光电转换器，球面基体上设置有多个分布点，多个分布点在球面基体上呈螺旋式分布，多个光电转换器分别设置在多个分布点上；

分布点的个数为N，则第i个分布点的方位角θ_i和仰角φ_i由以下确定：

其中，

2.根据权利要求1所述的终端，其特征在于，还包括：与光电转换器对应设置的透镜，透镜使得光线会聚在对应的光电转换器上。

3.一种可见光通信系统，其特征在于，包括发射端以及如权利要求1-2中任一项所述的接收终端。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述发射端为阵列发射单元。