CN105897333B - 控制用于数据传输的光源的亮度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种控制用于数据传输的光源的亮度的方法。该方法包括：接收将使用光源通过可见光通信来发送的数据；选择用于发送该数据的占空比；识别与该数据和选定的占空比相对应的代码；以及使用光源通过可见光通信发送已识别的代码。

Description

控制用于数据传输的光源的亮度的装置和方法

本申请为申请日为2010年12月3日、申请号为201080054914.6的发明名称为“控制用于数据传输的光源的亮度的装置和方法”的申请案的分案申请。

技术领域

本发明涉及光资源。更具体地，本发明涉及用于数据传输的光资源的亮度控制。

背景技术

可见光通信是处理通过可见光进行数据通信的通信研究的分支。近年来由于发光二极管(LED)不断流行，可见光通信已获普及，其中LED具有的特殊性质使其成为用于通过可见光的数据的出色的源(和接收器)。LED具有能够非常快地开启和关闭光的特殊性质。然后，通过超高速地开启和关闭LED可以发送数据。

基本概念是，常用于只发送对人可见的光的这种光源可以同时用来发送数据。随着LED变得更为普及，将无处不在的大量光源用作数据传输资源变为可能。灯具(lightfixture)、交通灯、刹车灯、有源广告牌等都可以用来发送信息，而不是只光。

在一个示例中，在等待红灯时，通过关闭引擎可以节省汽车或卡车的汽油。然而，目前这样做是不切实际的，因为在交通灯变绿时，启动汽车或卡车的延迟将增加交通量。然而，如果交通灯配备有出于节约能源目的已变得普及的LED，则交通灯可以被配置为将数据信号发送到汽车，以便向汽车通知即将到来的红灯与绿灯之间的转换。然后，汽车可以被配置为启动并准备在灯一变绿时就向前运动。

这种可见光通信也在其他类型的无线传输方面具有优势。例如，射频(RF)数据传输实质上是全方向的，这将限制其向特定位置集中数据的能力。在交通灯的示例中，使用RF将是不切实际的，因为在其他方向(甚至是在交通灯处)行驶的汽车都将接收到相同的信号。可见光通信的视线(line-of-sight)方面防止这种类型的“数据传输泄漏”。另一个优势是，可见光通信不受这种功率的制约。另一个优势是，LED由于其节能特征已经变成普遍使用的光源，而且这些LED可以用来传输可见光通信而无需更换大量硬件。此外，由于与电子设备的潜在干扰，在某些地方(诸如运营的飞机上或附近、医院)禁止RF传输。可见光通信不受这些禁止。

可见光通信和IR通信二者具有相似的带宽(几百THz)。然而，红外线数据协会(IrDA)通信由于其不可见性而具有与可能的危险的高能量密度结合的眼睛安全问题。因此，更高的数据速率传输无法通过IR通信实现。与IR通信相比，可见光通信由于“可见性”而更适合人眼，并且能够以更高的速率传输数据。

可见光通信与IR通信相比的另一个优势是，由于可以看见通信光束，因此可以观察到光束指向的位置，这有助于确定想要的接收者是否能够接收到光束并且有助于防止不适当的接收者(黑客，窃听者等)接收光束。

有关LED的一个不常见的(而且非众所周知的)事实是，它们不仅可以用来传输可见光通信，而且也可以接收可见光通信。这甚至进一步拓宽了可见光通信的潜在应用性。在上述交通灯的示例中，位于交通信号处的卡车后面的汽车可能没有到交通灯的直接视线，并因此交通灯和汽车之间的直接数据传输可能被阻塞。然而，“系统”中的各种LED实质上可以菊花链连接(daisy-chained)在一起。卡车的头灯可以作为接收器来从交通灯接收数据，然后卡车的尾灯可以转发这个数据，依次地这个数据可以随后由汽车的头灯接收。

当前用于可见光通信的方法使用将编码数据的输出占空比(duty cycle)设置为50％的固定值的方案来对数据进行编码。在此固定量处，亮度将处于恒定级别(level)。通过将帧插入到输出流中来实现亮度的变化，所述帧根本不代表数据，而是包含了给出超过50％的占空比的图案。这些“空白”帧根本不包含数据，而且专门用于控制光源的亮度。这允许对光源的整体亮度进行控制。

发明内容

技术问题

然而，使用这种方法的问题是，空白帧耗尽本可以用来传输数据的一部分传输时间。这降低了系统的潜在吞吐量，实际上，系统需要距50％越远，则吞吐量越差(因为需要更多的空白帧来改变亮度的感知)。此外，该解决方案增加了发射器的复杂性，因为为了精确控制整体亮度，空白帧中图案的占空比将不得不补偿(compensate)数据携带帧的50％占空比。为了执行这个补偿，发射器将不得不知道有多少数据正在传输。

技术方案

根据本发明的一方面，提供一种控制用于数据传输的光源的亮度的方法。该方法包括：接收将使用光源通过可见光通信来发送的数据；选择用于发送该数据的占空比；识别与该数据和选定的占空比相对应的代码；以及使用光源通过可见光通信发送已识别的代码。

根据本发明的另一方面，提供一种控制用于数据传输的光源的亮度的装置。该装置包括：光源；以及光源控制器，其中，光源控制器被配置以：接收将使用光源通过可见光通信来发送的数据；选择用于发送该数据的占空比；识别与该数据和选定的占空比相对应的代码；以及使用光源通过可见光通信发送已识别的代码。

根据本发明的另一方面，提供一种用于通过可见光通信接收数据的方法。该方法包括：接收来自光源的通过可见光通信发送的代码；以及使用转换表识别对应于发送的代码的原始数据，其中，转换表指示与发送的代码相对应的原始数据以及与发送的代码相对应的占空比。

根据本发明的另一方面，提供一种通过可见光通信的接收数据的装置。该装置包括：光接收器，用于接收来自光源的通过可见光通信发送的代码；以及解码引擎，用于使用转换表识别对应于发送的代码的原始数据，其中，转换表指示与发送的代码相对应的原始数据以及与发送的代码相对应的占空比。

在本发明的第一实施例中，提供了一种方法，该方法包括：接收所期望的光源的亮度级的选择；接收将使用光源通过可见光通信来发送的一片数据；基于所期望的亮度级来选择编码方案所描述的占空比；使用编码方案对数据进行编码，其中，编码包括识别与一片数据和选定的占空比二者相对应的代码；以及使用光源通过可见光通信发送已识别的代码。

在本发明的第二实施例中，提供了一种方法，该方法包括：接收来自光源的通过可见光通信发送的代码；以及使用转换表对发送的代码进行解码，其中，转换表指示与发送的代码相对应的原始数据以及与发送的代码相对应的占空比。

在本发明的第三实施例中，提供了一种装置，该装置包括：光接收器，被配置为接收来自光源的通过可见光通信发送的代码；以及解码引擎，被配置为使用转换表对发送的代码进行解码，其中，转换表指示与发送的代码相对应的原始数据以及与发送的代码相对应的占空比。

在本发明的第四实施例中，提供了一种装置，该装置包括：光接收器，被配置为接收来自光源的通过可见光通信发送的代码；以及解码引擎，被配置为使用转换表对发送的代码进行解码，其中，转换表指示与发送的代码相对应的原始数据以及与发送的代码相对应的占空比。

在本发明的第五实施例中，提供了一种装置，该装置包括：用于接收对所期望的光源的亮度级的选择的器件；用于接收将使用光源通过可见光通信来发送的一片数据的器件；用于基于所期望的亮度级来选择编码方案所描述的占空比的器件；用于使用编码方案对数据进行编码的器件，其中，编码包括识别与数据片和选定的占空比二者相对应的代码；以及用于使用光源通过可见光通信发送已识别的代码的器件。

在本发明的第六实施例中，提供了一种装置，该装置包括：用于接收来自光源的通过可见光通信发送的代码的器件；以及用于使用转换表对发送的代码进行解码的器件，其中，转换表指示与发送的代码相对应的原始数据以及与发送的代码相对应的占空比。

在本发明的第七实施例中，提供了一种机器可读的程序存储设备，切实实施由机器可执行的指令的程序以便执行方法，该方法包括：接收所期望的光源的亮度级的选择；接收将使用光源通过可见光通信来发送的一片数据；基于所期望的亮度级来选择通过编码方案所描述的占空比；使用编码方案对数据进行编码，其中，编码包括识别与数据片和选定的占空比二者相对应的代码；以及使用光源通过可见光通信发送已识别的代码。

在本发明的第八实施例中，提供了一种机器可读的程序存储设备，切实实施由机器可执行的指令的程序以便执行方法，该方法包括：接收来自光源的通过可见光通信发送的代码；以及使用转换表对发送的代码进行解码，其中，转换表指示与发送的代码相对应的原始数据以及与发送的代码相对应的占空比。

技术效果

本发明实施例具有的优势是，如果每个灯具都配备有可见光通信LED，则控制信号可以在灯具之间传递，这使得简单的编程变化能够改变哪个开关控制哪个灯具，而无需系统的物理布线的任何变化。

将这些现有设备作为可见光通信发射器/接收器的附加优势是，它们已经具有它们自己的电源。将专用的可见光通信发射器添加到房子中可能需要增加电源线或使用电池电源。然而，将灯泡(light bulb)升级为可兼容可见光通信的LED不需要关注这种功率问题，因为灯具已经有专用的电源线。

附图说明

图1是示出家中的可见光通信系统的示例的示图；

图2是示出为了改变墙壁开关配置，灯具之间的传统物理电缆将如何不得不改变的示图；

图3是示出根据本发明的另一实施例的、对用于数据传输的光源的亮度进行控制的系统的框图；

图4是示出根据本发明的实施例的、对用于数据传输的光源的亮度进行控制的方法的流程图；以及

图5是示出根据本发明的另一实施例的、对用于数据传输的光源的亮度进行控制的方法的流程图。

具体实施方式

现在将对本发明的具体实施例进行详细描述，本发明的具体实施例包括由发明人所设想的、用于执行本发明的最佳模式。这些具体实施例的示例在附图中示出。虽然结合这些具体实施例描述本发明，但是将理解的是，并非旨在将本发明限制为所描述的实施例。相反，旨在覆盖可以包括在由所附权利要求所定义的本发明的精神和范围内的替换、修改和等效。在下面的描述，具体细节被阐明以便提供本发明的透彻理解。本发明可以在没有这些具体细节中的一部分或全部的情况下实行。此外，为了避免不必要地模糊本发明，可能没有详细描述众所周知的功能。

根据本发明，组件、过程步骤、和/或数据结构可以使用不同类型的操作系统、编程语言、计算平台、计算机程序、和/或通用机器来实现。此外，本领域普通技术人员将认识到，也可以使用较少通用性的设备(诸如硬连线设备、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等)而不偏离此处所公开的本发明概念的范围和精神。本发明还可以切实实施为在计算机可读介质(诸如存储器设备)上存储的一组计算机指令。

图1是示出家中的可见光通信系统的示例的示图。当然，以上实施例将不仅限于蜂窝电话，因为可以通过使用任何便携设备获得类似的优势，诸如手持计算机或膝上型计算机、或MP3播放器。此外，电话本身的状态LED可以用于向蜂窝电话以外的接收器发送数据。

图2是示出为了改变墙壁开关配置，灯具之间的传统物理电缆将如何不得不改变的示图。从图2中可以看出，附接到灯开关的传统灯具不仅要求专用于每个灯具的电源，而且硬连线必须从灯开关连接到每个灯具，且每个灯具由开关控制。然而，在某些情况下，这可能使增加额外的灯具更加困难。例如，在“之前”的场景中，房间可以具有两种不同的灯开关，每个灯开关控制房间中的5盏灯。如果用户希望第一开关控制6盏灯，而第二开关只控制4盏灯，则这将要求对环路(loop)进行重新布线(rewiring)，从而如讨论的，6盏灯在一个开关环路上，而其他4盏灯在另一开关环路上(“之后”的场景)。最佳地是，这将需要从用户得到一些如何布线(wiring)的知识，最糟地是，它可能要求打开墙来进行额外布线。然而，如果每个灯具都配备有可见光通信LED，则控制信号可在灯具(和开关)之间传递，这使得简单的编程变化能够改变哪个开关控制哪个灯具，而无需系统的物理布线的任何变化。

利用这些现有设备作为可见光通信发射器/接收器的额外优势是，它们已经具有它们自己的电源。将专用的可见光通信发射器添加到房子中可能需要增加电源线或使用电池电源。然而，将灯泡升级为可兼容可见光通信的LED不需要考虑这种功率问题，因为灯具已经有专用的电源线。

本发明实施例中，大量的数据可以通过可见光发送，同时对光源亮度进行控制。这是通过提供编码方案来实现的，该编码方案在不同的占空比为相同数据提供不同代码。在发送端，选择接近所需亮度的特定占空比。然后，通过选择与数据相关联且与特定占空比相关联的代码来对数据进行编码。在接收端，将编码信息与转换表(translation table)相比较以便将信息解码为其所期望的原始数据。

图3是示出根据本发明的另一实施例的、对用于数据传输的光源的亮度进行控制的系统的框图。光源300可以耦接到光源控制器302。当接收到所期望的光源亮度级(brightness level)的选择时，光源控制器302接收将使用光源通过可见光通信来发送的一片数据。光源控制器302基于所期望的光源亮度级来选择编码方案所描述的占空比，并且使用该编码方案对数据进行编码。存储器304也可以耦接到光源控制器302，该存储器存储由光源控制器302使用的一个或多个转换表。应当注意，在一些实施例中，光源控制器302和/或存储器304可以并入光源300本身，而在其他实施例中，光源控制器302和/或存储器304可以是分离的。实施例也有可能是，光源300与光源控制器302分离，但存储器304并入光源控制器302。还应当注意，光源控制器302可想象地可以被设计为控制多个光源，从而也可以连接到那些其他的光源。

在接收端，光接收器306可以被配置为通过可见光通信从光源接收发送的代码。在一些实施例中，光接收器306本身可以是光源，如LCD。解码引擎(decoding engine)308可以被配置为使用转换表对发送的代码进行解码，其中转换表指示与发送的代码相对应的原始数据以及与发送的代码相对应的占空比。此外，接收端也可以包括被配置为对发送的代码进行转发的光源310。

图4是示出根据本发明的实施例的、对用于数据传输的光源的亮度进行控制的方法的流程图。该图示出了“发送端”。在400，接收到所期望的光源亮度级的选择。根据实施，可以存在很多不同的方式来接收该选择。在一个示例中，用户可以明确指示亮度级。例如，这可以通过调灯开关上的级别、或者计算机或蜂窝电话显示屏上的亮度设置进行设置。在另一个实施例中，亮度级可以例如以设置序列进行自动设置(例如，路灯在白天/夜晚的某些时段变暗)。在另一个实施例中，亮度级可以或多或少地固定在特定级，如在交通灯中。

在402，接收将使用光源通过可见光通信来发送的一片数据。再次，根据实施，可以存在很多不同的方式来接收该数据。在一个示例中，用户可以明确陈述(recite)要发送的数据。在另一个示例中，数据可以被自动指定，如在控制信号中。

在404，基于所期望的光源亮度级来选择占空比，该占空比由编码方案描述。如前面所述，编码方案可以规定某些基本占空比。然后，系统可以选择最接近所期望的亮度级的基础占空比。为了更好地控制，如果所期望的亮度级位于两个基本占空比之间，则系统可以选择两个基本占空比之一来发送一数据片，然后另一基本占空比用于后续的数据片，使得数据片序列整体相当接近所期望的亮度级。

在所期望的亮度级低于由编码方案指定的最低基本占空比的情况下，则在发送数据片之后可以在零亮度处增加额外的光帧，这导致跨过多块数据的整体占空比相当于(即，接近)所期望的亮度级。同样，在所期望的亮度级高于由编码方案指定的最高基本占空比的情况下，则在发送数据片之后可以在全(即，100％)亮度处增加额外的光帧，这导致跨过多块数据的整体占空比相当于(即，接近)所期望的亮度级。在一个实施例中，这还可以包括通过占空比的选择本身发送附加数据。

在406，使用编码方案对数据进行编码，其中编码包括识别与数据片和选定的占空比二者相对应的代码。这可以包括参考转换表，该转换表具有位于一个轴上的原始数据值以及位于另一轴上的占空比，表中的每个条目具有唯一代码。下面的表1和表2中示出了这种表的示例。

在408，使用光源通过可见光通信来发送已识别的代码。

在一个很简单的示例中，编码方案采用两个数据比特并将其编码为四比特进行发送，如表1所示。

【表1】

请注意，编码图案(encoded pattern)是唯一的。为了将编码图案转换回数据，接收器不需要知道占空比是什么。简单的查找表可以用于通过输入“占空比”和“数据”来对数据进行编码，而另一简单的查找表可以在接收器处使用以恢复数据，并且可选地也可以恢复占空比。

注意在这个示例中，只有3个占空比是可能的：25％、50％和75％。然而，为了连续编码而混合占空比将允许创建三个基本占空比的混合，得到混合的整体占空比是25％和75％之间的任何值。例如，为了实现37.5％的整体占空比(37.5％的亮度级)，系统可以在以25％和50％进行编码之间均匀地交替。

在本发明的一个可选实施例中，可以将对应于100％或0％的占空比、而不代表编码数据的比特图案插入到数据流。注意的是，表1中的编码图案不包括比特图案“1111”和“0000”。如果需要占空比低于25％或高于75％，则可以以所需比例将这两个特殊数据图案插入到编码流中，以使平均占空比成为所期望的占空比。当接收器接收到这两个特殊的数据图案时，它们将被丢弃。插入“1111”或“0000”的缺点是整体数据吞吐量将降低，因为这些帧仅对修改光的可见亮度有用，并且其本身不代表任何数据。

在本发明的另一可选实施例中，可以将对应于同步模式的比特图案插入到数据流中，以使发射器与接收器同步，从而确保数据不被误解。注意，表1中没有使用比特图案“1010”和“0101”，因此如果需要的话，它们可用于同步。这些特殊的比特图案也是有用的，因为图案本身代表对于比特的图案的最有可能的频率，这使它们对应于使用快速同步的最佳类型图案。

在另一个示例性编码方案中，利用3至8比特编码。这在下面的表2中示出。

【表2】

这种编码方案提供了在占空比级别上具有更多固有控制的优势。然而，3至8比特编码方案利用更多比特来发送与如表1的2至4比特编码方案相同数量的信息。

当然，这些编码方案仅作为示例提供。本领域普通技术人员将认识到，存在许多不同的可与本发明一起使用的编码方案，本文档中的任何内容都不应解释为将编码方案限制成特定类型，除非权利要求中有明确记载。最后，当然，系统制造者(builder)必须在亮度控制级别与系统吞吐量之间取得平衡。

在本发明的另一个可选实施方式中，因为接收器还可以通过解码可见光通信来恢复占空比，所以也可以通过占空比的选择来发送一些有限的数据。换句话说，发送者可以基于将要发送的信息来选择占空比，接收器可以通过解码占空比来接收该信息。

还存在各种不同的实施例，本文档中所描述的新颖的方法和装置可以应用于这些实施例。在一个示例中，蜂窝电话可以配备有可见光通信接收器。目前，许多蜂窝电话使用LCD技术作为它们的显示屏，而且这种LCD包括LED背光，该LED背光可以用作可见光通信接收器。可替换地，专用的可见光通信接收器可以以很多方式集成到蜂窝电话外壳中，其中许多蜂窝电话当前具有内置的专用IR接收器。使蜂窝电话配备有根据本发明的可见光通信接收器可以在不利用典型蜂窝电话介质(例如GPRS、3G)的宝贵带宽的情况下，允许将高速数据传递到蜂窝电话上。然后，可以将各种设备编程为可见光发射器。例如，LCD电视机可以硬连线到用户的宽带连接，然后在蜂窝电话和电视机之间从宽带连接和向宽带连接发送数据。通过许多不同的家用设备，如灯泡、冰箱、微波炉、数字视频录像机(DVR)等，可以建立类似的连接。事实上，这些设备都可以被配置为在它们之间通信数据，这消除了将宽带连接硬连线到几乎每个设备的需求。

图5是示出根据本发明的另一实施例的、对用于数据传输的光源的亮度进行控制的方法的流程图。此图示出了“接收端”。

在500，接收来自光源的通过可见光通信发送的代码。在502，使用转换表对发送的代码进行解码，其中转换表指示与发送的代码相对应的原始数据以及与发送的代码相对应的占空比。转换表可以具有位于一个轴上的原始数据以及位于另一轴上的占空比，表中的每个条目具有唯一代码。上面的表1和表2中示出了这种表的示例。

在504，可以使用其他光源重新发送已发送的代码。这是可选的步骤，因为已解码的数据可以被已经使用了该数据的任何模块或设备使用。然而，如上所述，在本发明的一个实施例中，接收器不仅可以用作光接收器，而且也作为光源，而且这个步骤旨在覆盖这个实施例。

虽然已经参照本发明的具体实施例特别地示出和描述了本发明，但是本领域普通技术人员将理解的是，在不偏离本发明的精神或范围的情况下，可以对所公开的实施例的形式和细节进行改变。此外，虽然此处已经参照各种实施例讨论了本发明的各个优势、方面和对象，但是将理解的是，本发明的范围不应该受所参照的这些优势、方面和对象的限制。相反，本发明的范围应该参照所附权利要求来确定。

Claims (8)

1.一种通过发射器控制用于数据传输的光源的亮度的方法，该方法包括：

接收将使用光源通过可见光通信来发送的数据；

基于用于通过可见光通信向接收器发送数据的光源的亮度级从多个占空比中选择占空比；

识别与每个数据片和占空比相对应的每个代码；

使用代码编码数据；以及

使用光源通过可见光通信发送已编码的数据。

2.如权利要求1所述的方法，其中，其中与每个数据片相对应的每个代码根据不同占空比而不同。

3.如权利要求1所述的方法，其中，识别与每个数据片和占空比相对应的代码包括如下的至少一个：

如果数据片之一是00并且占空比是25％则识别该代码之一为0001；

如果数据片之一是00并且占空比是50％则识别该代码之一为1001；

如果数据片之一是00并且占空比是75％则识别该代码之一为1110；

如果数据片之一是01并且占空比是25％则识别该代码之一为0010；

如果数据片之一是01并且占空比是50％则识别该代码之一为0110；

如果数据片之一是01并且占空比是75％则识别该代码之一为1101；

如果数据片之一是10并且占空比是25％则识别该代码之一为0100；

如果数据片之一是10并且占空比是50％则识别该代码之一为1100；

如果数据片之一是10并且占空比是75％则识别该代码之一为1011；

如果数据片之一是11并且占空比是25％则识别该代码之一为1000；

如果数据片之一是11并且占空比是50％则识别该代码之一为0011；以及

如果数据片之一是11并且占空比是75％则识别该代码之一为0111。

4.一种控制用于数据传输的光源的亮度的发射器，该发射器包括：

光源；以及

光源控制器，其中，光源控制器被配置以：

基于用于通过可见光通信向接收器发送数据的光源的亮度级从多个占空比中选择占空比；

识别与每个数据片和占空比相对应的每个代码；

使用代码编码数据；以及

使用光源通过可见光通信发送已编码的数据。

5.如权利要求4所述的发射器，其中与每个数据片相对应的每个代码根据不同占空比而不同。

6.如权利要求4所述的发射器，其中，该光源控制器还配置来用于如下的至少一个：

如果数据片之一是00并且占空比是25％则识别该代码之一为0001；

如果数据片之一是00并且占空比是50％则识别该代码之一为1001；

如果数据片之一是00并且占空比是75％则识别该代码之一为1110；

如果数据片之一是01并且占空比是25％则识别该代码之一为0010；

如果数据片之一是01并且占空比是50％则识别该代码之一为0110；

如果数据片之一是01并且占空比是75％则识别该代码之一为1101；

如果数据片之一是10并且占空比是25％则识别该代码之一为0100；

如果数据片之一是10并且占空比是50％则识别该代码之一为1100；

如果数据片之一是10并且占空比是75％则识别该代码之一为1011；

如果数据片之一是11并且占空比是25％则识别该代码之一为1000；

如果数据片之一是11并且占空比是50％则识别该代码之一为0011；以及

如果数据片之一是11并且占空比是75％则识别该代码之一为0111。

7.如权利要求1所述的方法，其中，如果由该接收器接收已编码的数据，

则使用预存储在该接收器的转换表识别对应于已编码的数据的原始数据，其中，转换表指示与已编码的数据相对应的原始数据以及与已编码的数据相对应的占空比。

8.如权利要求4所述的发射器，其中，如果由该接收器接收已编码的数据，则使用预存储在该接收器的转换表识别对应于已编码的数据的原始数据，其中，转换表指示与已编码的数据相对应的原始数据以及与已编码的数据相对应的占空比。