CN106130631B - 一种可见光通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可见光通信装置，包括：可见光发送装置和可见光接收装置；所述可见光发送装置中包括由多个LED形成的LED微阵列，所述可见光发送装置通过所述LED微阵列发送可见光信息；所述可见光接收装置中包括由多个APD形成的APD微阵列，所述可见光接收装置通过所述APD微阵列接收所述可见光信息。可见，本申请方案通过使用多个LED形成LED微阵列，相对于单个LED，可以解决可见光发送装置传输速率受限的问题，且使用多个APD形成APD微阵列，可以缩小可见光接收装置的体积，提升便携性，并解决不能广泛应用于各类场景的问题，使得可见光通信装置可以满足日益增长的通信需求。

Description

一种可见光通信装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种可见光通信装置。

背景技术

可见光通信(Visible Light Communication，VLC)将通信与照明有机结合，拓展可见光新频谱(380nm—780nm)资源，依托广泛覆盖的照明灯具等LED绿色光源，为解决无线网络的“频谱紧张”、“深度覆盖”以及“绿色节能”等问题提供了全新手段。

伴随着社会的发展，人们对无线网络的依赖性越来越强，并且对通信速率的要求也越来越高。当前高清流媒体、超高速无线网络计算、云计算处理以及高速短距离无线传输等推动了通信向超高速发展。高速传输一直是可见光通信领域备受关注的研究课题，众多研究单位展开了一场激烈的速率竞赛。现有研究成果的传输速率与可见光通信300THz的潜在频谱资源还有很大差距。究其原因主要在于现有商用LED的调制带宽较窄，通常在几兆到数十兆之间。

但是，现有的可见光通信装置，其发送装置通常采用单个LED灯传输，使传输速率受到较大的限制，而其接收装置体积较大，不便于携带，不能广泛应用于各类场景，无法满足日益增长的通信需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可见光通信装置，以解决现有的可见光通信装置传输速率受限，且体积较大，不便于携带，不能广泛应用于各类场景的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可见光通信装置，包括：

可见光发送装置和可见光接收装置；

所述可见光发送装置中包括由多个LED形成的LED微阵列，所述可见光发送装置通过所述LED微阵列发送可见光信息；

所述可见光接收装置中包括由多个APD形成的APD微阵列，所述可见光接收装置通过所述APD微阵列接收所述可见光信息。

优选地，所述LED微阵列包括：

4个独立的照明灯具；

每个所述照明灯具内部包含有8路独立的LED灯珠，且每个所述LED灯珠内部由4片LED芯片并行封装而成。

优选地，所述LED微阵列包括：

1个照明灯具；

所述照明灯具内部包含有128片LED芯片。

优选地，所述LED微阵列还包括：

透镜阵列；

所述透镜阵列中包括多个设置在所述LED芯片上的透镜，且每片LED芯片上方对应一个所述透镜，多个所述透镜在所述照明灯具内部构成所述透镜阵列。

优选地，所述APD微阵列包括：

分布在半径2毫米曲面上的64路独立APD，每个所述APD的矢量方向是所述APD所处的位置与所述曲面形成的球心连线的方向并且指向所述曲面形成的球外。

优选地，所述APD微阵列还包括：

半球形透镜；

所述半球形透镜设置在多个所述APD的前方，用于将所述LED微阵列发送的所述可见光信息成像到所述APD微阵列的接收平面上。

优选地，所述APD微阵列还包括：

鱼眼形透镜；

所述鱼眼形透镜设置在多个所述APD的前方，用于将所述LED微阵列发送的所述可见光信息成像到所述APD微阵列的接收平面上。

通过本发明提供的可见光通信装置，包括：可见光发送装置和可见光接收装置；所述可见光发送装置中包括由多个LED形成的LED微阵列，所述可见光发送装置通过所述LED微阵列发送可见光信息；所述可见光接收装置中包括由多个APD形成的APD微阵列，所述可见光接收装置通过所述APD微阵列接收所述可见光信息。可见，本申请方案通过使用多个LED形成LED微阵列，相对于单个LED，可以解决可见光发送装置传输速率受限的问题，且使用多个APD形成APD微阵列，可以缩小可见光接收装置的体积，提升便携性，并解决不能广泛应用于各类场景的问题，使得可见光通信装置可以满足日益增长的通信需求。

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是本发明实施例提供的可见光通信装置的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种LED微阵列的布局图；

图3是本申请实施例提供的另一种LED微阵列的布局图；

图4是本申请实施例提供的LED微阵列中的一种透镜阵列的布局图；

图5是一种圆形排列的透镜排布图；

图6是本申请实施例提供的APD微阵列中的各个APD的法线方向示意图；

图7是本申请实施例提供的以4个APD为例的一种APD微阵列的排布位置示意图；

图8是本申请实施例提供的一种APD微阵列与半球形透镜的排布位置示意图；

图9是本申请实施例提供的APD微阵列的几何光学示意图；

图10是本申请实施例提供的APD微阵列的信道增益与发射角在不同半功率角时的关系图；

图11是本申请实施例提供的APD微阵列接收的光强分布示意图；

图12是本申请实施例提供的APD微阵列的鱼眼形透镜的成像接收模型示意图。

具体实施方式

本文用到的部分术语解释：

VLC(Visible Light Communication)可见光通信；

LED(Light Emitting Diode)发光二极管；

PD(Photo Diode)光电二极管；

APD(Avalanche Photo Diode)雪崩光电二极管；

MIMO(Multiple Input Multiple Output)多输入多输出；

Wi-Fi(Wireless-Fidelity)无线保真；

OOK(On-OffKeying)开关键控；

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。

本发明属于可见光通信技术领域，针对现有可见光通信系统普遍存在的：照明与通信相互独立、阵列间距很大、阵元数目相对较少、通信距离较短、接收端无法任意移动等问题，提出一种满足照明、通信需求的大规模LED微阵列，结构优化排列、小体积、小相关性的APD微阵列设计，实现可见光高速通信、满足室内照明与通信的双重要求。

本发明的核心思想是利用可见光通信、无线Wi-Fi通信及电力线通信同普通商用LED照明灯具融合技术，利用室内现有的照明布线资源，只需将照明光源替换为本发明所用的新型LED灯具，通过LED照明灯珠实现可见光无线下行高速信息传输，通过灯具内置的无线接收器接收来移动终端发送的无线上行信号。将可见光和无线Wi-Fi通信结合，采用上下行不同方式进行室内数据传输的方案，保证上行接收来自用户便携终端的信号稳定性，实现更稳定、高速的室内双工通信模式，实现照明与通信的双重需求，不仅节约能源，还简化了布线的复杂度，提高了通信的安全性。

LED微阵列采用融合设计的方法，使得在满足照明的情况下，又可以提供高速、可靠的通信。APD微阵列可以将接收端移植到手机、平板等便携式终端设备中，解决目前可见光通信接收终端便携化和实用性的问题，使可见光信息服务更好地融入生活中各类领域，人们可以在日常生活中通过手机、平板来进行高速交换通信。

请参阅图1，图1是本发明第一具体实施例提供的可见光通信装置的流程示意图。

本发明第一具体实施例提供的可见光通信装置，包括：

可见光发送装置1和可见光接收装置2；

所述可见光发送装置1中包括由多个LED形成的LED微阵列，所述可见光发送装置通过所述LED微阵列发送可见光信息；

所述可见光接收装置2中包括由多个APD形成的APD微阵列，所述可见光接收装置通过所述APD微阵列接收所述可见光信息。

参照图2所示，是本申请实施例提供的一种LED微阵列的布局图。在本申请实施例中，所述LED微阵列包括：

4个独立的照明灯具；

每个所述照明灯具内部包含有8路独立的LED灯珠，且每个所述LED灯珠内部由4片LED芯片并行封装而成。

发送端的LED微阵列依据现有室内照明的典型标准，由四个独立的照明灯具构成，如图2所示。每个照明灯具内部包含有8路独立的LED灯珠，每个灯珠内部由4片LED芯片并行封装而成，因此发送端LED微阵列的规模为4*8*4＝128片。

图2中发送数据经过128路OOK调制送入LED微阵列，接收端的APD微阵列由分布在半径2毫米曲面上的64路独立APD构成，64路APD接收的信号经过能量检测和选通模块后进入32路AD进行数据采样，然后送入高速处理芯片中进行信号解调与恢复。将恢复的信号通过Micro USB接口传入用户的手机、平板等移动终端内。

在整个可见光通信装置中，包含有三种类型的VLC-MIMO方式：

一是分布式MIMO，图2中四个独立的照明灯具之间采用分布式协作的方式，构成了四个独立的空间通道，按照现有室内照明的标准，灯具之间的典型间距是1米----2米。

二是空间VLC—MIMO，在图2中每个灯具内部有8路并行的LED灯珠，灯珠之间的典型距离是3----5厘米，每路灯珠传送不同的信号，接收端利用APD进行多路并行检测。当接收端处在不同的位置，尤其是处于灯具照明区域的边缘时，8路灯珠之间发送的信号可能会有不同程度的混叠，需要采用发端预编码和接收端联合检测的方式，消除空间干扰。

三是可见光幅度叠加MISO，在图2种每个LED灯珠内部，包含有四个独立的LED芯片，每个LED芯片都采用OOK调制，但是调制幅度不同，服从1：2：4：8的比例。经过灯珠外部的透镜等光学系统，在光波上线性叠加，构成一个等效的16PAM调制。因此，从发送端看，系统的调制方式是OOK调制，结构简单，调制深度高，峰均比低；从接收端看，系统的调制方式是16PAM，减少了ADC通道的数目。

结合上述三种MIMO结构，LED微阵列的尺寸位置和APD微阵列的尺寸位置，系统在不同位置的复用增益不尽相同。以长5米、宽4米、高3米的房间为例，仿真得到接收端处于室内不同位置时，系统理论复用增益在64----104之间，等效为64----104路OOK信号的并行传输。

如果采用现有商用的伪白光LED芯片作为发送端，OOK调制结合预均衡电路，单路OOK调制的速率取100Mbit/s，则系统的峰值速率可达到10Gbit/s以上；如果采用本申请实施例提供的LED微阵列，单路OOK调制的速率取625Mbit/s，那么系统的峰值速率将达到65Gbit/s。

采用该阵列结构，128个LED芯片作为发射光源，将其分别平均安装在4个灯具中，每个灯具内又分为8个灯珠，每个灯珠中都包含4个LED芯片，可以很方便的与室内照明相结合。同时，当接收端的APD微阵列移动到系统空间的最差接收位置时，它总会与4个灯具中的1个相对比较靠近，那么对接收端的要求就是在这种情况下也能接收到这个相对靠近的灯具中的8路无干扰信号，对于其他3个灯具，APD微阵列最差也能接收到3路信号(即每个灯具中8个灯珠的信号相互间的干扰非常强，通过预编码，发送相同的信号)，这样APD微阵列至少就能收到11路信号。

实际仿真表明，此种布局的LED微阵列的复用增益在64----104之间。

参照图3所示，是本申请实施例提供的另一种LED微阵列的布局图。在本申请实施例中，所述LED微阵列包括：

1个照明灯具；

所述照明灯具内部包含有128片LED芯片。

在图3中，将128个LED芯片全部安装在一个大的灯具上，再将灯具安装在房间天花板的中间。图3中每个LED阵元(LED灯珠)的间距为3毫米。这种方式的优点是结构简单，缺点是接收端直接分辨128个单元较为困难，空间干扰较大。

实际仿真表明，此种布局的LED微阵列的复用增益在32----128之间。

参照图4所示，是本申请实施例提供的LED微阵列中的一种透镜阵列的布局图。在本申请实施例中，所述LED微阵列还包括：

透镜阵列；

所述透镜阵列中包括多个设置在所述LED芯片上的透镜，且每片LED芯片上方对应一个所述透镜，多个所述透镜在所述照明灯具内部构成所述透镜阵列。

本申请实施例中，LED微阵列的上方包括有透镜阵列，每颗LED上方对应一个透镜。透镜阵列每个透镜将入射的LED光汇聚到APD阵列位置，因此每颗透镜的形状略有不同。每个透镜的设计都采用三维多曲面同时设计方法(3D SMS)，将各自LED的光汇聚到APD所在位置，可以最大程度保证LED的光能尽可能多的入射到APD上。

随LED微阵列的不同形状，透镜阵列也可以排布为不同形状，图5是一种圆形排列的透镜排布图。通过3D SMS设计方法针对每个不同LED设计，可以避免使用多个透镜组的繁琐，降低损耗。

图6是本申请实施例提供的APD微阵列中的各个APD的法线方向示意图。在本申请实施例中，所述APD微阵列包括：

分布在半径2毫米曲面上的64路独立APD，每个所述APD的矢量方向是所述APD所处的位置与所述曲面形成的球心连线的方向并且指向所述曲面形成的球外。

为了满足室内不同位置移动接收的应用需求，减小信道相关带来的空间干扰的影响，需要在系统仿真的基础上，设计APD微阵列的结构，包括APD微阵列的形状(平面、球面、椎体等)、各个APD的尺寸间距以及APD的法线指向等。

为了能进一步降低信道相关性、提高可见光接收装置的可移动性，可见光接收装置可以设计为便携式手持终端，便携式手持终端的APD微阵列由分布在半径2毫米曲面上的64路独立APD构成，各个APD的矢量方向是该APD所处的位置与球心连线的方向并且指向球外，具体的分布位置表示如下(N表示接收端APD的个数)：

图7是本申请实施例提供的以4个APD为例的一种APD微阵列的排布位置示意图。在图7中，4个APD在半球形表面上形成一个螺旋状，每个APD的矢量方向是APD所处的位置与球心连线的方向并且指向球外。

由于采用曲面分布时，处于最底层的APD接收的光强较小，整个系统的光损较大。为了避免这一问题，还可以不采用半球形而将APD分布在球体的某一部分(比如面积小于球体表面积的1/2)。

图8是本申请实施例提供的一种APD微阵列与半球形透镜的排布位置示意图。在本申请实施例中，所述APD微阵列还包括：

半球形透镜；

所述半球形透镜设置在多个所述APD的前方，用于将所述LED微阵列发送的所述可见光信息成像到所述APD微阵列的接收平面上。

在APD微阵列上加半球形透镜主要是利用光线的折射定律及反射定律和凸透镜对光线的会聚性，从而使APD微阵列的FOV角得到提高以及使接收平面上的对各个LED的光斑能很好地区分开，能进一步降低信道相关性。

该示例采用的是4×4的MIMO，在APD微阵列前面加一个半球形透镜，将LED微阵列很好地成像到接收平面上。通过几何分析(如图9所示的几何光学示意图)和对该系统的信道增益(如图10所示的信道增益与发射角在不同半功率角时的关系图)及接收平面上光强分布(如图11所示的APD微阵列接收的光强分布示意图)的仿真可以得知：1、FOV得到提高；2、信道相关性得到了降低。

由于凸透镜的FOV相对较小且成像质量不高；半球形透镜无法实现全方向接收，投影图像弯曲且尺寸较大。从而所述APD微阵列还可以将半球形透镜更改为鱼眼形透镜；所述鱼眼形透镜设置在多个所述APD的前方，用于将所述LED微阵列发送的所述可见光信息成像到所述APD微阵列的接收平面上。

鱼眼形透镜的成像接收模型如图12所示，因为它的视场角广(即可提高接收光强)、成像质量高(即容易在接收端区分)、成像尺寸小(便于集成化)。

由于成像质量过高，鱼眼形透镜在高斯像面(焦平面)上存在较大的盲区，在此盲区上的APD无法接收到LED发出的光信号。为了避免这一问题(即减小盲区)，可以使可见光接收装置的接收平面偏离高斯像面一段距离(如图向下偏离ι)。

仿真时假设LED与APD足够远以至于同一发射端到透镜的入射角相等(即平行入射)，当假设鱼眼透镜的FOV为185°、f为9.7mm、D为6.9mm，LED发射的信号独立等功率，可见光接收装置已知信道矩阵情况下，得到了较高的频谱效率(SE)即得到了相关性较低的信道矩阵。本申请实施例提供的APD微阵列可以内置于用户的手机、平板等移动终端内，无需使用外置的便携手持终端。

可见光通信(VLC)，主要是靠发光二极管(LED)等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息，而可见光通信的接收端，一般采用光电二极管(PIN-PD)接收到的光信号转换成电信号，再进行后续信号处理。

本发明的主要思想是根据室内不同环境的具体照明设施布设情况，利用室内现有的照明布线资源，只需将照明光源替换为本发明所用的LED微阵列，采用可见光通信、无线Wi-Fi通信、电力线通信技术同普通商用LED照明灯具融合构建方法，实现室内照明与通信。

该设备作为网络型无线接入设备，由可见光发送装置(LED采用本发明所用的新型LED照明灯具)、可见光接收装置、MAC层与网络层协议处理模块组成，实现与可见光接入设备的通信及有线信息网络的互通互联功能。该设备可与电力线直接接驳，在LED照明的同时通过电力线实现信息数据向用户便携终端的传输功能；也可与光纤相接驳，通过光纤将高速信息流通过LED将信息数据传入用户便携终端中。该产品通过LED照明灯珠实现可见光无线下行高速数据传输，通过Wi-Fi接收模块接收来用户便携终端发送的无线上行信息。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于装置实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见装置实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同装置来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的装置或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种可见光通信装置，其特征在于，包括：

可见光发送装置和可见光接收装置；

所述可见光发送装置中包括由多个LED形成的LED微阵列，所述可见光发送装置通过所述LED微阵列发送可见光信息；

所述可见光接收装置中包括由多个APD形成的APD微阵列，所述可见光接收装置通过所述APD微阵列接收所述可见光信息；

其中，所述LED微阵列包括：

4个独立的照明灯具；

每个所述照明灯具内部包含有8路独立的LED灯珠，且每个所述LED灯珠内部由4片LED芯片并行封装而成；

所述LED微阵列还包括：

透镜阵列；

所述透镜阵列中包括多个设置在所述LED芯片上的透镜，且每片LED芯片上方对应一个所述透镜，多个所述透镜在所述照明灯具内部构成所述透镜阵列；

所述APD微阵列包括：

分布在半径2毫米曲面上的64路独立APD，每个所述APD的矢量方向是所述APD所处的位置与所述曲面形成的球心连线的方向并且指向所述曲面形成的球外；

在每个所述LED灯珠内部，4片LED芯片都采用OOK调制，但是调制幅度不同，服从1：2：4：8的比例，经过所述LED灯珠外部设置的所述透镜，在光波上线性叠加，构成一个等效的16PAM调制。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述APD微阵列还包括：

半球形透镜；

所述半球形透镜设置在多个所述APD的前方，用于将所述LED微阵列发送的所述可见光信息成像到所述APD微阵列的接收平面上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述APD微阵列还包括：

鱼眼形透镜；

所述鱼眼形透镜设置在多个所述APD的前方，用于将所述LED微阵列发送的所述可见光信息成像到所述APD微阵列的接收平面上。