CN106100727B - 兼顾定位的可见光通信mimo系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兼顾定位的可见光通信MIMO系统，包括：发射端，包括N个LED，每个LED用于发送多个独立数据包，数据包的第一预设位置的数据帧为功能帧，每个LED在与自身编号对应位置的间隙等功率的发送携带有自身位置信息的光信号；在第二个数据帧位置，N个LED可以根据调制方式同时发送信道响应训练序列，进行联合信道响应估计。接收机根据N个LED发送的光信号强度分布可以得到MIMO的信道矩阵，用于对N路信号的解复用。同时，接收机可以解码出光信号中携带的LED位置信息，从而实现可见光定位。本发明具有如下优点：数据帧将定位ID信息与信道矩阵的获取相结合，实现可见光定位的同时提高数据帧中的有效载荷比重。
Description
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，具体涉及一种兼顾定位的可见光通信MIMO系统。
背景技术
可见光通信技术是利用可见光波段作为光载波来进行通信的一种无线通信技术，能够实现高速数据传输。相比于传统的无线通信技术，可见光通信技术具有效率高，无电磁干扰，绿色环保等特点，越来越受到国内外的广泛关注。可见光通信技术是将信息通过驱动电路，高速调制到LED光信号上进行传输，接收端利用光电二极管(PD)等光电转换器将光信号转换成电信号，并解调出有效信息，实现通信功能。随着LED作为新一代绿色照明设备的大力推广以及LED器件和接收器件工艺的不断改进，可见光通信技术在近年来得到了快速的发展。
将MIMO技术应用于可见光通信中，可以实现在不增加系统带宽以及发射功率的情况下，提高频谱利用效率，进而提高数据传输速率；也可以实现同时支持多用户和多业务信息收发的功能。但由于可见光通信是采用强度调制和直接检测，缺少频率和相位信息，各个不同LED子信道之间干扰严重，有很强的相关性，很难分解出各个子信道的信息，导致无法获取空间复用增益。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种兼顾定位的可见光通信MIMO系统。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种兼顾定位的可见光通信MIMO系统，包括：发射端，所述发射端包括N个LED，每个所述LED用于发送独立的数据流，所述数据流包括多个数据包，每个所述数据包包括多个数据帧，每个所述数据包的第一预设位置的数据帧为功能帧，所述功能帧包括N个间隙，每个LED在与自身编号对应位置的间隙等功率的发送携带有相应LED自身位置坐标信息的光信号，其中，N为大于1的自然数；接收机，用于接收N个LED发送的数据流，并根据所述N个LED在自身编号对应位置间隙发送光信号强度分布而得到MIMO的信道矩阵，所述信道矩阵用于对N路信号的解复用；所述接收机还用于根据所述N个LED在不同间隙发送各自的位置坐标信息、各自入射光的光强大小和各自入射光的方向计算出所述接收机的位置。
根据本发明实施例的兼顾定位的可见光通信MIMO系统，数据帧将定位ID信息与信道矩阵的训练相结合，实现可见光定位的同时提高数据帧中的有效载荷比重。
另外，根据本发明上述实施例的兼顾定位的可见光通信MIMO系统，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，每个所述数据包的第二预设位置的数据帧为训练帧，所述训练帧用于发送训练序列；所述接收端还用于根据所述N个LED分别发送的训练序列对信道进行联合估计得到N个LED的信道响应曲线。
进一步地，所述接收端包括PD阵列，在所述PD阵列上设置有一层嵌有多个开孔的平面，每个所述开孔分别与所述PD阵列的一个阵列单元的一一对应设置，所述阵列单元的中心和与所述阵列单元对应设置的孔的中心之间的距离大于预设距离。
进一步地，每个所述开孔处对应设置有聚焦透镜。
进一步地，所述接收端包括PD阵列，在所述PD阵列上设置有百叶窗光学薄膜，所述百叶窗光学薄膜包括多个薄膜单元，所述多个薄膜单元与所述PD阵列的阵列单元一一对应设置，所述多个薄膜单元中每个薄膜单元的条纹方向各不相同。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明的兼顾定位的可见光通信MIMO系统的结构框图；
图2是本发明一个实施例的发射端的结构示意图；
图3是本发明一个实施例的接收端的结构示意图；
图4是本发明另一个实施例的接收端的结构示意图；
图5是图4的俯视示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
以下结合附图描述根据本发明实施例的兼顾定位的可见光通信MIMO系统。
请参考图1，一种兼顾定位的可见光通信MIMO系统，包括发射端和接收端。
其中，发射端包括N个LED，每个LED用于发送独立的数据流。数据流包括多个数据包，每个数据包包括多个数据帧。每个数据包的第一预设位置的数据帧为功能帧。功能帧包括N个间隙，每个LED与自身编号对应位置的间隙等功率的发送携带有相应LED自身位置坐标信息的光信号，其中，N为大于1的自然数。
请参考图2，在本发明的一个示例中，发射端包括N个LED，LED1和LED2的数据包1的第一数据帧为功能帧。LED1的功能帧中第一间隙为发射光信号，其它间隙空闲；LED2的功能帧的第二帧为发射光信号，其它间隙空闲；依次类推，LED N的第N间隙发射光信号，其它间隙空闲。其中，N为大于1的自然数。此时，N个LED分别发射光信号，该光信号携带有定位所需的定位LED-ID信息，LED-ID信息指的是该LED发射自身的位置坐标信息。
接收机用于接收N个LED发送的数据流，并根据N个LED在自身编号对应位置间隙发送光信号而得到MIMO的信道矩阵，信道矩阵用于对N路信号的解复用；接收机还用于根据N个LED在不同间隙发送各自的位置坐标信息、各自入射光的光强大小和各自入射光的方向计算出接收机的位置，从而实现可见光定位。具体地，当每个LED都发射自身的坐标信息时，接收机便可以获取N个LED的各自的位置信息，结合接收到的各个入射光的光强大小和接收机中测得的各个入射光的方向，可以实现可见光定位功能。同时，在每个间隔，由于只有一个LED发射光信号，所以可以测得信道矩阵，用于可见光MIMO的多路信号的解复用。第一个数据帧将二者结合，可以有效的提高数据包中有效比特载荷的比重，提高通信效率。
在本发明的一个实施例中，每个数据包的第二预设位置的数据帧为训练帧。训练帧用于发送训练序列。接收端还用于根据N个LED分别发送的训练序列对信道进行联合估计得到N个LED的信道响应曲线。
具体地，第二预设位置为数据包的第二数据帧。在第二个数据帧中，由于已经获取了信道矩阵，各个LED可以同时发送训练序列，对信道进行联合估计，得到更为真实的联合信道特性曲线。这样，也可以进一步降低训练序列的开销，提高有效载荷比重，进一步提高数据率。在训练帧之后，就是有效比特帧，用于携带有效数据。需要注意的是，一个数据包中，数据帧的数量以及数据帧的长度可以根据信道响应进行调整，实现最大有效数据传输。
在本发明的一个实施例中，接收端包括PD阵列，在PD阵列上设置有一层嵌有多个开孔的平面，每个开孔分别与PD阵列的一个阵列单元的一一对应设置，阵列单元的中心和与阵列单元对应设置的孔的中心之间的距离大于预设距离，即二者的中心不重合。
具体的，在传统PD阵列平面上覆盖一层嵌有多个开孔的平面，每个开孔与PD一一对应，且与PD中心错开一定的距离。如图3所示，每个PD都有不同的最大化接收的接收方向。PD1最大化接收的接收方向是d1，PD2最大化接收的接收方向是d2。由于不同PD最大化接收的接收方向不同，就可以实现对于一个入射光信号，各个PD的接收光强差别会增大，反映到信道矩阵中，各个不同的入射光信号构成的信号接收向量之间的相关性会大大降低，即子信道之间的相关性降低，在可见光MIMO系统中，可以有效的提高系统解复用的效率，提高系统性能。进一步地，可以在各个开孔出设置聚焦透镜，以实现最大化信号接收功率，提高信噪比。
在本发明的一个实施例中，接收端包括PD阵列，在PD阵列上设置有百叶窗光学薄膜，百叶窗光学薄膜包括多个薄膜单元，多个薄膜单元与PD阵列的阵列单元一一对应设置，多个薄膜单元中每个薄膜单元的条纹方向各不相同，以实现各个PD最大化接收方向的不同，从而降低MIMO子信道的相关性。
具体地，在传统PD阵列平面上覆盖一层超微细百叶窗光学薄膜，如图4和图5所示。该薄膜根据所刻条纹方向不同，只允许与条纹方向相近的光透过，其他光无法透过，侧视图如图5所示。利用该性质，在每个PD面上的超微细百叶窗光学薄膜所刻的条纹方向不尽相同，使得每个PD最大化接收的接收方向也不尽相同，可以实现对于一个入射光信号，各个PD的接收光强差别会增大，反映到信道矩阵中，各个不同的入射光信号构成的信号接收向量之间的相关性会大大降低，即子信道之间的相关性降低，实现系统性能提升。
另外，本发明实施例的兼顾定位的可见光通信MIMO系统的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。
Claims (4)
1.一种兼顾定位的可见光通信MIMO系统，其特征在于，包括：
发射端，所述发射端包括N个LED，每个所述LED用于发送独立的数据流，所述数据流包括多个数据包，每个所述数据包包括多个数据帧，每个所述数据包的第一预设位置的数据帧为功能帧，所述功能帧包括N个间隙，每个LED在与自身编号对应位置的间隙等功率的发送携带有相应LED自身位置坐标信息的光信号，其中，N为大于1的自然数；每个所述数据包的第二预设位置的数据帧为训练帧，所述训练帧用于发送训练序列；
接收端，用于接收N个LED发送的数据流，并根据所述N个LED在自身编号对应位置间隙发送光信号而得到MIMO的信道矩阵，所述信道矩阵用于对N路信号的解复用；所述接收端还用于根据所述N个LED在不同间隙发送各自的位置坐标信息、各自入射光的光强大小和各自入射光的方向计算出所述接收端 的位置；所述接收端还用于根据所述N个LED分别发送的训练序列对信道进行联合估计得到N个LED的信道响应曲线。
2.根据权利要求1所述的兼顾定位的可见光通信MIMO系统，其特征在于，所述接收端包括PD阵列，在所述PD阵列上设置有一层嵌有多个开孔的平面，每个所述开孔分别与所述PD阵列的一个阵列单元的一一对应设置，所述阵列单元的中心和与所述阵列单元对应设置的孔的中心之间的距离大于预设距离。
3.根据权利要求2所述的兼顾定位的可见光通信MIMO系统，其特征在于，每个所述开孔处对应设置有聚焦透镜。
4.根据权利要求1所述的兼顾定位的可见光通信MIMO系统，其特征在于，所述接收端包括PD阵列，在所述PD阵列上设置有百叶窗光学薄膜，所述百叶窗光学薄膜包括多个薄膜单元，所述多个薄膜单元与所述PD阵列的阵列单元一一对应设置，所述多个薄膜单元中每个薄膜单元的条纹方向各不相同。
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