CN106130636A - 基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统及传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光通信技术领域，具体提供基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统及传输方法。该系统包括一个下行端LiFi装置和至少一个上行端LiFi装置，下行端LiFi装置包括下行端自动寻的模块、下行端LiFi发射模块、下行端LiFi接收模块和下行端电路模块，上行端LiFi装置包括上行端自动寻的模块、上行端LiFi发射模块、上行端LiFi接收模块和上行端电路模块。本发明通过分别设置上行端与下行端LiFi发射和接收模块，实现了全双工的双向通信；通过使用窄光束且直接耦合进入接收模块中的光路系统，提高了光能的利用效率，降低了LiFi光信号的传输衰减，可以很好的排除或者避免临近其他LiFi热点光源或者照明光源的干扰，可实现全覆盖范围内多用户设备分时或者同时接入网络的功能。

Description

基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统及传输方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统及传输方法。

背景技术

LiFi(LightFidelity)是与WiFi对应的使用短距离无线光通信技术的“光WiFi技术”。利用可见光(如LED灯发出的光)代替WiFi中的微波进行数据传输的全新无线传输技术。

目前公开发表的LiFi技术，一般都利用LED照明光源，通过增加通信驱动电路，驱动LED光源按照通信信号调制发光，在接收端使用光电接收电路，接收调制后的光信号，完成通信数据的传输。驱动照明光源完成类似WiFi系统中的AP(热点)的功能，也称LiFi的AP热点。这种LiFi技术通过调制照明光源进行数据传输。通过这种LiFi的AP热点，LiFi终端设备就可以在调制后的照明光覆盖的范围内随时接入网络。只要在室内开启具有LiFi功能的照明光源，就可以实现类似WiFi的互联网接入服务。

现有的LiFi技术主要存在三个问题：

1、目前已经公开发表的LiFi技术实验系统都是单向传输的，数据只能从特别附加了数据传输功能的照明LED光源(LiFi的热点)传输给LiFi接收端接收(下行)，无法解决LiFi接收端传输数据给作为LiFi热点的照明LED光源(上行)的问题。也就是说无法实现全双工的双向通信。有一种改进的方案是，上行通信信号传输仍然使用WiFi技术来实现，但是这样就无法完整实现LiFi技术的优势，同时增加异构网络(LiFi与WiFi)融合的技术困难。

2、LiFi接收端只能接收作为LiFi热点的LED照明光源中极少一部分光能量，效率较低。

3、在作为热点的LED照明光源覆盖范围内，其他任何热点LED照明光源或者非热点LED照明光源都成为了干扰源。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述缺陷，提供一种传输容量大、传输速率高、传输过程安全的，基于光束扫描自动寻的的双向传输的新型LiFi通信装置及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统，包括一个下行端LiFi装置和至少一个上行端LiFi装置，所述

下行端LiFi装置包括下行端自动寻的模块、下行端LiFi发射模块、下行端LiFi接收模块和下行端电路模块，所述下行端LiFi发射模块的机械结构和下行端LiFi接收模块的机械结构分别与下行端自动寻的模块的机械结构安装连接，所述下行端电路模块包括三个端口，三个端口分别与下行端LiFi发射模块、下行端LiFi接收模块和网络连接；

上行端LiFi装置包括上行端自动寻的模块、上行端LiFi发射模块、上行端LiFi接收模块和上行端电路模块，所述上行端LiFi发射模块的机械结构和上行端LiFi接收模块的机械结构分别与上行端自动寻的模块的机械结构安装连接，所述上行端电路模块包括三个端口，三个端口分别与上行端LiFi发射模块、上行端LiFi接收模块和用户设备连接；

下行端LiFi发射模块中的发射光路与上行端LiFi接收模块中的接收光路方向对准；上行端LiFi发射模块中的发射光路与下行端LiFi接收模块中的光路方向对准；每一个上行端LiFi装置都与一个用户设备连接。

本发明所述的基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统，所述下行端LiFi发射模块和上行端LiFi发射模块分别包括光源器件以及与光源器件相连的光源器件驱动电路；所述光源器件包括光源与光源发散角调整光路，所述光源用于将光束发射进入光源发散角调整光路。

本发明所述的基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统，所述光源是发光二极管或者激光二极管，所述光源发散角调整光路是聚焦光学透镜组或者准直光学透镜组。

本发明所述的基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统，所述下行端LiFi接收模块和上行端LiFi接收模块分别包括光电信号放大与处理电路，以及与光电信号放大与处理电路相连的探测接收光路；所述探测接收光路包括光电探测器与接收光路，所述光电探测器是光电二极管或者光电管，所述接收光路是聚焦光学透镜组或者光学曲面镜组。

本发明所述的基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统，所述下行端自动寻的模块和上行端自动寻的模块分别包括图像传感器、图像处理器、控制信号输出电路、扫描驱动电路、扫描机构和位置标记光点；所述图像传感器的信号输出端与图像处理器的信号输入端连接，图像处理器的信号输出端通过控制信号输出电路和扫描驱动电路与扫描机构的信号输入端连接；所述位置标记光点的信号输入端与控制信号输出电路的信号输出端连接。

本发明所述的基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统，所述图像传感器包括光学透镜、CCD面阵传感器或者CMOS面阵传感器。

本发明所述的基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统，其特征在于：所述图像传感器之前增设用以消除环境中杂散光干扰的窄带光学滤光片，所述窄带光学滤光片与位置标记光点的发光波长相对应。

本发明所述的基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统传输方法，包括以下步骤：

(1)选定上行端LiFi装置；

(2)初始化下行端自动寻的模块，初始化选定上行端自动寻的模块；

(3)下行端自动寻的模块采集上行端自动寻的模块的位置标记光点的图像，分析计算出上行端LiFi装置的位置，然后发出扫描驱动信号，驱动扫描机构运动，使得下行端LiFi发射模块中的光路对准上行端LiFi接收模块中的接收光路方向；同时，上行端自动寻的模块采集下行端自动寻的模块的位置标记光点的图像，分析计算出下行端LiFi装置的位置，然后发出扫描驱动信号，驱动扫描机构运动，使得上行端LiFi发射模块中的光路对准下行端LiFi接收模块中的接收光路方向；完成下行端与上行端发射接收光路的分别对准；

(4)网络与下行端电路模块连接并且再与下行端LiFi发射模块连接，发射下行光束，并且耦合进入上行端LiFi接收光路，上行端LiFi接收模块与上行端电路模块连接，再与用户设备连接，完成下行信号的传输与接收；同时，用户设备与上行端电路模块连接并且再与上行端LiFi发射模块连接，发射上行光束，并且耦合进入下行端LiFi接收光路，下行端LiFi接收模块与下行端电路模块连接，再与网络连接，完成上行信号的传输与接收；

(5)重复步骤(1)、(2)、(3)、(4)，下行端LiFi装置在各选定上行端LiFi装置之间依次扫描光束自动寻的建立双向全双工连接，使多用户设备可时分复用接入网络。

本发明所述的基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统传输方法，步骤(3)所述下行端自动寻的模块采集上行端自动寻的模块的位置标记光点的图像和上行端自动寻的模块采集下行端自动寻的模块的位置标记光点的图像分别包括以下步骤：

(31)提取下行端自动寻的模块或者上行端自动寻的模块中图像传感器的图像数据，查找图像中所有像素对应亮度值大于预设阈值的像素位置，这些像素组成了位置标记光点的图像光斑；

(32)使用重心算法计算位置标记光点图像光斑的中心像素位置；

(33)重复步骤(31)～(32)。

本发明所述的基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统传输方法，步骤(31)所述提取自动寻的模块中的图像传感器的图像数据，可以在图像传感器之前增加与位置标记光点发光波长相对应的窄带光学滤光片，用以消除环境中的杂散光的干扰。

本发明所述的基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统传输方法，步骤(3)所述的扫描驱动信号是根据步骤(32)所计算得到的位置标记光点图像光斑的中心像素位置数据计算输出的。

本发明的有益效果在于：

本发明通过分别设置上行端与下行端的LiFi发射模块与LiFi接收模块，实现了LiFi热点与多用户间分时全双工双向通信。这种LiFi系统通过使用窄光束而且直接耦合进入接收光路系统，提高了光能的利用效率，降低了LiFi传输衰减，大大提高了光能的利用效率，扩大了LiFi热点的有效覆盖范围；并且由于接收光路系统也使用具有较窄接收角的接收光路，可以很好的排除或者避免临近其他LiFi热点光源或者照明光源或者杂散光的干扰。扫描机构具有自动寻的功能。可以在这种LiFi热点(LiFi下行端)覆盖范围内有多个上行端LiFi装置时，以光束扫描的方式完成覆盖范围内多用户设备时分复用接入网络的功能。此外，这种自动寻的光束扫描的LiFi系统可以扩展为多光束自动寻的多用户LiFi系统。

附图说明

图1为本发明基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统的装置示意图；

图2为本发明基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统的总框图；

图3为本发明基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统下行端LiFi装置结构示意图；

图4为本发明基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统上行端LiFi装置结构示意图；

图5为本发明基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统下行端LiFi发射模块和下行端LiFi接收模块的结构示意图；

图6为本发明基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统下行端自动寻的模块的结构示意图。

附图标记：

1000，下行端LiFi装置；

1100，下行端自动寻的模块；1110，图像传感器；1120，图像处理器；1130，控制信号输出电路；1140，扫描驱动电路；1150，扫描机构；1160，位置标记光点；

1200，下行端LiFi发射模块；1210，光源器件驱动电路；1220，光源器件；1221，光源；1222，光源发散角调整光路；

1300，下行端LiFi接收模块；

1400，下行端电路模块；

2000，上行端LiFi装置；

2100，上行端自动寻的模块；

2200，上行端LiFi接收模块；

2300，上行端LiFi发射模块；

2400，上行端电路模块；

3000，网络；

4000，用户设备。

具体实施方式

为更好理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅是对本发明进行说明而非对其加以限定。

系统结构：

如图1～4所示，基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统，包括一个下行端LiFi装置1000和至少一个上行端LiFi装置2000，下行端LiFi装置1000包括下行端自动寻的模块1100、下行端LiFi发射模块1200、下行端LiFi接收模块1300和下行端电路模块1400。下行端LiFi发射模块1200的机械结构和下行端LiFi接收模块1300的机械结构分别与下行端自动寻的模块1100的机械结构安装连接，所述下行端电路模块1400包括三个端口，三个端口分别与下行端LiFi发射模块1200、下行端LiFi接收模块1300和网络3000连接。上行端LiFi装置2000包括上行端自动寻的模块2100、上行端LiFi发射模块2300、上行端LiFi接收模块2200和上行端电路模块2400，所述上行端LiFi发射模块2300的机械结构和上行端LiFi接收模块2200的机械结构分别与上行端自动寻的模块2100的机械结构安装连接，所述上行端电路模块2400包括三个端口，三个端口分别与上行端LiFi发射模块2300、上行端LiFi接收模块2200和用户设备4000连接。下行端LiFi发射模块1200中的发射光路与上行端LiFi接收模块2200中的接收光路方向对准；上行端LiFi发射模块2300中的发射光路与下行端LiFi接收模块1300中的光路方向对准；每一个上行端LiFi装置2000都与一个用户设备4000连接。

如图5所示，下行端LiFi发射模块1200和上行端LiFi发射模块2300分别包括光源器件1220以及与光源器件1220相连的光源器件驱动电路1210。光源器件1220包括光源1221与光源发散角调整光路1222，所述光源1221用于将光束发射进入光源发散角调整光路1222。光源1221是发光二极管或者激光二极管，光源发散角调整光路1222是聚焦光学透镜组或者准直光学透镜组。下行端LiFi接收模块1300和上行端LiFi接收模块2200分别包括光电信号放大与处理电路1310，以及与光电信号放大与处理电路1310相连的探测接收光路1320。探测接收光路1320包括光电探测器1321与接收光路1322。光电探测器1321是光电二极管或者光电管，接收光路1322是聚焦光学透镜组或者光学曲面镜组。

如图6所示，下行端自动寻的模块1100和上行端自动寻的模块2100分别包括图像传感器1110、图像处理器1120、控制信号输出电路1130、扫描驱动电路1140、扫描机构1150和位置标记光点1160。图像传感器1110的信号输出端与图像处理器1120的信号输入端连接，图像处理器1120的信号输出端通过控制信号输出电路1130和扫描驱动电路1140与扫描机构1150的信号输入端连接；位置标记光点1160的信号输入端与控制信号输出电路1130的信号输出端连接。图像传感器1110之前增设用以消除环境中杂散光干扰的窄带光学滤光片，窄带光学滤光片与位置标记光点1160的发光波长相对应。图像传感器1110包括光学透镜、CCD面阵传感器或者CMOS面阵传感器。

在这个LiFi系统中，上行端和下行端都有LED和光电二极管。下行端LED和光电二极管的前端均设置一个透镜。LED发射的光束经过透镜聚焦后发出，发射光束落入上行端的透镜和光电二极管内即完成下行单向通信传输；同理，上行端的LED发射模块发出的光束落入上行端的接收模块中即完成上行单向通信，因此整个系统是全双工的双向通信，传输光可以使用可见光，红外光或者紫外光。

工作原理：

下行端的图像传感器1110采集到上行端LiFi装置2000的图片，传输给数据处理电路，数据处理电路计算出上行端LiFi装置2000请求服务的光束位置，然后发出扫描信号驱动扫描机构转动，使得下行光束耦合进入上行接收端的光电二极管，完成下行信号的传输与接收。同理，上行端LiFi装置2000发射的上行光束由下行端自动寻的模块1100控制进行寻的，使得上行光束耦合进入下行端LiFi装置1000的光电二极管，完成上行信号的传输与接收。上行端LiFi装置2000和下行端LiFi装置1000的区别是，下行端LiFi装置1000是唯一的，因此，上行端的扫描机构只要寻的一次对准后记录下当下位置就可以了，而下行端可以面对很多上行端LiFi的请求，在对准后需要继续服务下一个选定点。

具体操作步骤如下：

(1)选定上行端LiFi装置2000；

(2)初始化下行端自动寻的模块1100，初始化选定上行端自动寻的模块2100；

(3)下行端自动寻的模块1100采集上行端自动寻的模块2100的位置标记光点的图像，分析计算出上行端LiFi装置2000的位置，然后发出扫描驱动信号，驱动扫描机构1150运动，使得下行端LiFi发射模块1200中的光路对准上行端LiFi接收模块2200中的接收光路方向；同时，上行端自动寻的模块2100采集下行端自动寻的模块1100的位置标记光点的图像，分析计算出下行端LiFi装置1000的位置，然后发出扫描驱动信号，驱动扫描机构1150运动，使得上行端LiFi发射模块2300中的光路对准下行端LiFi接收模块1300中的接收光路方向；完成下行端与上行端发射接收光路的分别对准；

(4)网络3000与下行端电路模块1400连接并且再与下行端LiFi发射模块1200连接，发射下行光束，并且耦合进入上行端LiFi接收光路，上行端LiFi接收模块2200与上行端电路模块2400连接，再与用户设备4000连接，完成下行信号的传输与接收；同时，用户设备4000与上行端电路模块2400连接并且再与上行端LiFi发射模块2300连接，发射上行光束，并且耦合进入下行端LiFi接收光路，下行端LiFi接收模块1300与下行端电路模块1400连接，再与网络3000连接，完成上行信号的传输与接收；

(5)重复步骤(1)、(2)、(3)、(4)，下行端LiFi装置1000在各选定上行端LiFi装置2000之间依次扫描光束自动寻的建立双向全双工连接，使多用户设备可时分复用接入网络。

其中，下行端自动寻的模块1100采集上行端自动寻的模块2100的位置标记光点的图像和上行端自动寻的模块2100采集下行端自动寻的模块1100的位置标记光点的图像包括以下步骤：

提取图像数据，查找图像中所有像素值大于预设阈值的像素位置；这些像素构成了位置标记光点的图像；使用重心算法可以计算得到位置标记光点的位置数据，控制扫描机构1150的扫描运动。

这样，只要在下行端LiFi装置1000(LiFi热点)的光束扫描范围内，所有接收端的设备都能用时分复用的方式同时接入互联网。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统，其特征在于：包括一个下行端LiFi装置和至少一个上行端LiFi装置，所述

下行端LiFi装置包括下行端自动寻的模块、下行端LiFi发射模块、下行端LiFi接收模块和下行端电路模块，所述下行端LiFi发射模块的机械结构和下行端LiFi接收模块的机械结构分别与下行端自动寻的模块的机械结构安装连接，所述下行端电路模块包括三个端口，三个端口分别与下行端LiFi发射模块、下行端LiFi接收模块和网络连接；

上行端LiFi装置包括上行端自动寻的模块、上行端LiFi发射模块、上行端LiFi接收模块和上行端电路模块，所述上行端LiFi发射模块的机械结构和上行端LiFi接收模块的机械结构分别与上行端自动寻的模块的机械结构安装连接，所述上行端电路模块包括三个端口，三个端口分别与上行端LiFi发射模块、上行端LiFi接收模块和用户设备连接；

下行端LiFi发射模块中的发射光路与上行端LiFi接收模块中的接收光路方向对准；上行端LiFi发射模块中的发射光路与下行端LiFi接收模块中的光路方向对准；每一个上行端LiFi装置都与一个用户设备连接。

2.根据权利要求1所述的基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统，其特征在于：所述下行端LiFi发射模块和上行端LiFi发射模块分别包括光源器件以及与光源器件相连的光源器件驱动电路；所述光源器件包括光源与光源发散角调整光路，所述光源用于将光束发射进入光源发散角调整光路。

3.根据权利要求2所述的基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统，其特征在于：所述光源是发光二极管或者激光二极管，所述光源发散角调整光路是聚焦光学透镜组或者准直光学透镜组。

4.根据权利要求1所述的基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统，其特征在于：所述下行端LiFi接收模块和上行端LiFi接收模块分别包括光电信号放大与处理电路，以及与光电信号放大与处理电路相连的探测接收光路；所述探测接收光路包括光电探测器与接收光路，所述光电探测器是光电二极管或者光电管，所述接收光路是聚焦光学透镜组或者光学曲面镜组。

5.根据权利要求1所述的基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统，其特征在于：所述下行端自动寻的模块和上行端自动寻的模块分别包括图像传感器、图像处理器、控制信号输出电路、扫描驱动电路、扫描机构和位置标记光点；所述图像传感器的信号输出端与图像处理器的信号输入端连接，图像处理器的信号输出端通过控制信号输出电路和扫描驱动电路与扫描机构的信号输入端连接；所述位置标记光点的信号输入端与控制信号输出电路的信号输出端连接。

6.根据权利要求5所述的基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统，其特征在于：所述图像传感器包括光学透镜、CCD面阵传感器或者CMOS面阵传感器。

7.根据权利要求6所述的基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统，其特征在于：所述图像传感器之前增设用以消除环境中杂散光干扰的窄带光学滤光片，所述窄带光学滤光片与位置标记光点的发光波长相对应。

8.权利要求1所述的基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选定上行端LiFi装置；

(2)初始化下行端自动寻的模块，初始化选定上行端自动寻的模块；

(3)下行端自动寻的模块采集上行端自动寻的模块的位置标记光点的图像，分析计算出上行端LiFi装置的位置，然后发出扫描驱动信号，驱动扫描机构运动，使得下行端LiFi发射模块中的光路对准上行端LiFi接收模块中的接收光路方向；同时，上行端自动寻的模块采集下行端自动寻的模块的位置标记光点的图像，分析计算出下行端LiFi装置的位置，然后发出扫描驱动信号，驱动扫描机构运动，使得上行端LiFi发射模块中的光路对准下行端LiFi接收模块中的接收光路方向；完成下行端与上行端发射接收光路的分别对准；

(4)网络与下行端电路模块连接并且再与下行端LiFi发射模块连接，发射下行光束，并且耦合进入上行端LiFi接收光路，上行端LiFi接收模块与上行端电路模块连接，再与用户设备连接，完成下行信号的传输与接收；同时，用户设备与上行端电路模块连接并且再与上行端LiFi发射模块连接，发射上行光束，并且耦合进入下行端LiFi接收光路，下行端LiFi接收模块与下行端电路模块连接，再与网络连接，完成上行信号的传输与接收；

(5)重复步骤(1)、(2)、(3)、(4)，下行端LiFi装置在各选定上行端LiFi装置之间依次扫描光束自动寻的建立双向全双工连接，使多用户设备可时分复用接入网络。

9.根据权利要求8所述的基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统传输方法，其特征在于，步骤(3)所述下行端自动寻的模块采集上行端自动寻的模块的位置标记光点的图像和上行端自动寻的模块采集下行端自动寻的模块的位置标记光点的图像分别包括以下步骤：

(31)提取下行端自动寻的模块或者上行端自动寻的模块中图像传感器的图像数据，查找图像中所有像素对应亮度值大于预设阈值的像素位置，这些像素组成了位置标记光点的图像光斑；

(32)使用重心算法计算位置标记光点图像光斑的中心像素位置；

(33)重复步骤(31)～(32)。

10.根据权利要求9所述的基于光束扫描自动寻的功能的双向传输LiFi系统传输方法，其特征在于，步骤(3)所述的扫描驱动信号是根据步骤(32)所计算得到的位置标记光点图像光斑的中心像素位置数据计算输出的。