CN106357331B - 一种基于光强感知的可见光通信方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光强感知的可见光通信方法及系统，通过环境光光强或可见光通信发射器的可见光灯光强的采集，在不需要接收端反馈的情况下，灵活调整合适的调制电流和通信带宽，提升在不同环境和工作状态下可见光通信的性能。

Description

一种基于光强感知的可见光通信方法与系统

技术领域

本发明涉及数字信号传输技术领域，特别涉及一种基于光强感知的可见光通信方法与系统。

背景技术

高亮度发光二极管(LED)面世后，随着光效的逐步提高，其应用从显示领域逐步扩展到照明领域，并且发展迅速。与传统的照明设备相比，LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，被视为第四代节能环保型照明产品。LED的另外一个突出优点是响应速度非常高，因此可以用LED进行超高速数据通信。可见光通信(Visible LightCommunications,VLC)是一种在LED技术上发展起来的新兴的光无线通信技术。与传统的射频通信和其他光无线通信相比，可见光通信具有发射功率高、无电磁干扰、节约能源等优点，因而可见光通信技术具有极大的发展前景，已引起人们的广泛关注和研究。

与普通光无线通信和射频通信相比，可见光通信具有以下突出优点：1，可见光对人类非常安全，可见光通信系统可以使用家庭或办公室的高压照明灯发送数据；2，可见光通信无处不在，用于通信的照明灯可以安装在任何地方，通过照明灯，可以很方便地实现高速无线数据通信；3，发射功率高，对于普通光无线通信，由于受到人眼睛安全的限制，发射功率很低，系统性能受到严重限制，对于射频通信，射频信号对人体有害，也不能无限制地增加发射功率，在VLC系统中，由于发射的是可见光，故发射功率较高；4，无需无线电频谱证，由于受无线电频谱管制，可用的无线电频率非常有限，VLC克服了这一难题；5，无电磁干扰，可以用于医院、飞机和空间站等对电磁干扰严格限制的场合。基于LED的可见光通信系统的基本原理是在LED发光二极管的直流工作点上叠加一个高频的小电流，在驱动发光二极管发光的同时传递有用的信号。要想保证传输信号的质量，一般需要调整直流工作点以保证叠加了交流信号的电流依然处于发光二极管U-I特性曲线的线性工作区。同时，由于受到环境光强变化的影响、信道条件的影响、人为调整灯光光强的影响，一般需要对系统的其他参数如通信带宽、调制电流、通信信噪比等参数进行调整。在满足一定预设通信带宽和有效通信速率要求的基础上，调制电流必须在提升通信信噪比和保证线性工作范围之间进行折中权衡；在满足一定预设线性工作范围要求的基础上，所设置的调制电流必须在提高通信带宽和提升通信信噪比之间进行折中权衡。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于光强感知的可见光通信方法与系统，从而解决在环境光强和灯光光强变化下如何通过自主感知来保证线性工作范围、通信带宽和通信信噪比，以及如何提高可见光通信性能的问题，可以提高通信质量和通信性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于光强感知的可见光通信方法，包括：

利用传感器采集环境光光强P_C；

根据采集的环境光强P_C确定当前的通信信噪比γ；

比较所述当前的通信信噪比γ与预设的通信信噪比阈值γ^(th)；当所述当前的通信信噪比γ低于所述预设的通信信噪比阈值γ^(th)时，升高可见光通信发射器的调制电流I_m，以使调整后的通信信噪比γ等于所述预设的通信信噪比阈值γ^(th)；当所述当前通信信噪比γ高于所述预设的通信信噪比阈值γ^(th)时，降低可见光通信发射器的调制电流I_m，以使调整后的通信信噪比γ'等于所述预设的通信信噪比阈值；

根据调整后的可见光通信发射器的调制电流I_m设置通信带宽B_w；

将通信信号加载到可见光通信发射器的调制电流上进行通信；

其中，根据环境光强P_C确定当前通信信噪比γ为通过γ＝K_γ·P(I_m)/P_C确定当前通信信噪比γ；其中，P(I_m)为对应于当前的调制电流I_m的通信信号强度，K_γ为与环境光强P_C和当前的调制电流I_m无关的量化常数。

进一步，根据调整后的调制电流I_m设置通信带宽B_w为采用OFDM虚拟子载波技术调整通信带宽B_w，将需要使用的频带对应的子载波设置为有效子载波，将不使用的频带对应的子载波设置为虚拟子载波。

本发明还提供了一种基于光强感知的可见光通信系统，包括：

用于采集环境光光强P_C的传感器；

用于根据采集的环境光强P_C确定当前的通信信噪比γ的运算模块；

用于比较所述当前的通信信噪比γ与预设的通信信噪比阈值γ^(th)；当所述当前的通信信噪比γ低于所述预设的通信信噪比阈值γ^(th)时，升高可见光通信发射器的调制电流I_m，以使调整后的通信信噪比γ等于所述预设的通信信噪比阈值γ^(th)；当所述当前通信信噪比γ高于所述预设的通信信噪比阈值γ^(th)时，降低可见光通信发射器的调制电流I_m，以使调整后的通信信噪比γ'等于所述预设的通信信噪比阈值的调制电流调节模块；

用于根据调整后的可见光通信发射器的调制电流I_m设置通信带宽B_w的通信带宽调节模块；

用于将通信信号加载到可见光通信发射器的调制电流上进行通信的可见光通信发射器；

其中，所述运算模块通过γ＝K_γ·P(I_m)/P_C计算当前通信信噪比γ；其中，P(I_m)为对应于当前的调制电流I_m的通信信号强度，K_γ为与环境光强P_C和当前的调制电流I_m无关的量化常数。

进一步，所述可见光通信发射器用于采用OFDM虚拟子载波技术调整通信带宽B_w，将需要使用的频带对应的子载波设置为有效子载波，将不使用的频带对应的子载波设置为虚拟子载波。

采用本发明提供的一种基于光强感知的可见光通信方法及系统，能够基于对环境光强和可见光灯的工作状态的感知，在不需要接收端反馈的情况下，灵活调整合适的调制电流和通信带宽，提升在不同环境和工作状态下可见光通信的性能。

附图说明

图1为本发明基于光强感知的可见光通信方法实施例一的方法步骤流程示意图；

图2为本发明中调制电流线性工作范围的一种示意图；

图3为本发明基于光强感知的可见光通信方法实施例二的方法步骤流程示意图；

图4为本发明中调制电流线性工作范围的另一种示意图；

图5为本发明中基于光强感知的可见光通信系统实施例一的构成示意图；

图6为本发明中基于光强感知的可见光通信系统实施例二的构成示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

由于光通信系统的通信质量和通信性能取决于环境光强和灯光光强，因此本发明提供以下实施例，以实现通过自主感知来保证线性工作范围、通信带宽和通信信噪比，以及提高可见光通信性能。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供了一种基于光强感知的可见光通信方法，包括：

S11，利用传感器采集环境光光强P_C；

S12，根据采集的环境光强P_C确定当前的通信信噪比γ；

S13，比较所述当前的通信信噪比γ与预设的通信信噪比阈值γ^(th)；当所述当前的通信信噪比γ低于所述预设的通信信噪比阈值γ^(th)时，升高可见光通信发射器的调制电流I_m，以使调整后的通信信噪比γ等于所述预设的通信信噪比阈值γ^(th)；当所述当前通信信噪比γ高于所述预设的通信信噪比阈值γ^(th)时，降低可见光通信发射器的调制电流I_m，以使调整后的通信信噪比等于所述预设的通信信噪比阈值γ^(th)；

S14，根据调整后的可见光通信发射器的调制电流I_m设置通信带宽B_w；

S15，将通信信号加载到调整后的可见光通信发射器的调制电流上进行通信。

具体的，如图2所示，调制电流I_m叠加在工作点偏置电流上，保证在线性工作区内的情况下，可以加载通信信号进行可见光通信。

本实施例中，根据环境光强P_C确定当前的通信信噪比γ的方式为：对环境光强P_C进行量化处理，转换为对应的通信信噪比γ。具体地，通信信噪比γ＝K_γ·P(I_m)/P_C，其中P(I_m)为对应于当前的调制电流I_m的通信信号强度，K_γ为与环境光强和当前的调制电流无关的量化常数。

本实施例中，调整调制电流I_m的方式为：根据通信信噪比γ进行调整。若通信信噪比γ超出接收机信噪比门限阈值γ^(th)，即γ＞γ^(th)，则适当降低调制电流I_m，使得K_γ·P(I_m)/P_C＝γ^(th)；若通信信噪比γ低于接收机信噪比门限阈值γ^(th)，即γ＜γ^(th)，则适当升高调制电流I_m，使得K_γ·P(I_m)/P_C＝γ^(th)。

或者，经过简单公式变形，本实施例中，调整调制电流I_m的方式还可以为：根据环境光强P_C进行调整。具体地，若环境光强P_C低于环境光强预设阈值即其中γ^(th)为接收机信噪比门限，则适当降低调制电流I_m，使得K_γ·P(I_m)/P_C＝γ^(th)；若环境光强P_C超出环境光强阈值，即则适当升高调制电流I_m，使得K_γ·P(I_m)/P_C＝γ^(th)。

本实施例中，设置通信带宽B_w的方式为：根据调整后的调制电流I_m的大小设置合适的通信带宽。具体地，调制电流越大，通信带宽设置越小；调制电流越小，通信带宽设置越大。作为一种示例，本实施例调整通信带宽的方法为：采用OFDM虚拟子载波技术调整通信带宽，将需要使用的频带对应的子载波设置为有效子载波，将不使用的频带对应的子载波设置为虚拟子载波。

由上文实施例一可知，进行可见光通信时，调整调制电流I_m的原则为：在满足一定预设通信带宽和有效通信速率R^(th)要求的基础上，所设置的调制电流I_m必须在提升通信信噪比γ和保证线性工作范围之间进行折中权衡；在满足一定预设线性工作范围要求的基础上，所设置的调制电流I_m必须在提高通信带宽B_w和提升通信信噪比γ之间进行折中权衡。

实施例二：

如图3所示，本实施例提供了一种基于光强感知的可见光通信方法，包括：

S21，利用传感器采集可见光通信发射器的可见光灯光强P_L；

S22，根据采集的可见光灯光强P_L确定当前的工作点偏置电流I₀，并获取可见光通信发射器当前的调制电流I_m；

S23，判断当前的工作点偏置电流I₀和可见光通信发射器当前的调制电流I_m之和是否位于调制电流的线性工作范围；若当前的工作点偏置电流I₀和可见光通信发射器当前的调制电流I_m之和大于调制电流的线性工作范围的最大调制电流I_max，则降低调制电流I_m，以使I₀+I_m＜I_max；若当前的工作点偏置电流I₀和可见光通信发射器当前的调制电流I_m之和小于调制电流的线性工作范围的最小调制电流I_min，则升高调制电流I_m，以使I_min＜I₀+I_m；

S24，根据调整后的可见光通信发射器的调制电流I_m设置通信带宽B_w；

S25，将通信信号加载到调整后的可见光通信发射器的调制电流上进行通信。

具体地，如图4所示，调制电流I_m叠加在工作点偏置电流上，保证在线性工作区内的情况下，可以加载通信信号进行可见光通信。

本实施例中，根据可见光灯光强P_L确定当前的工作点偏置电流I₀的方式为：对可见光灯光强P_L进行量化处理，转换为对应的工作点偏置电流I₀。具体地，可见光灯光强P_L越大，量化转换所得的工作点偏置电流I₀越大，I₀＝K₀·I(P_L)，其中I(P_L)为对应于可见光灯光强P_L的量纲为安培的电流强度，K₀为与可见光灯光强无关的量化常数。

本实施例中，调整调制电流I_m的方式为：根据工作点偏置电流I₀进行调整。若工作点偏置电流I₀和调制电流I_m之和大于最大调制电流I_max，则在保证γ≥γ^(th)的情况下，适当降低调制电流I_m，以使I₀+I_m＜I_max；若工作点偏置电流I₀和调制电流I_m之和小于最小调制电流I_min，则在保证γ≥γ^(th)的情况下，适当升高调制电流I_m，以使I_min＜I₀+I_m。其中I_max、I_min分别为线性工作区的最大调整电流、最小调整电流，具体可参见图4所示。

或者，经过简单公式变形，本实施例中，调整调制电流I_m的方式还可以为：根据可见光灯光强P_L进行调整。若可见光灯光强P_L大于预设可见光灯光强阈值即则在保证γ≥γ^(th)的情况下，适当降低调制电流I_m，使得若可见光灯光强P_L小于预设可见光灯光强阈值则在保证γ≥γ^(th)的情况下，适当升高调制电流I_m，使得

本实施例中，设置通信带宽B_w的方式为：根据调整后的调制电流I_m的大小设置合适的通信带宽。具体地，调制电流越大，通信带宽设置越小；调制电流越小，通信带宽设置越大。作为一种示例，本实施例调整通信带宽的方法为：采用OFDM虚拟子载波技术调整通信带宽，将需要使用的频带对应的子载波设置为有效子载波，将不使用的频带对应的子载波设置为虚拟子载波。

由上文实施例二可知，进行可见光通信时，调整调制电流I_m的原则为：在满足一定预设通信带宽和有效通信速率R^(th)要求的基础上，所设置的调制电流I_m必须在提升通信信噪比γ和保证线性工作范围之间进行折中权衡；在满足一定预设线性工作范围要求的基础上，所设置的调制电流I_m必须在提高通信带宽B_w和提升通信信噪比γ之间进行折中权衡。

与上文图1所示方法实施例一相对应，本发明还提供一种基于光强感知的可见光通信系统实施例一。参见图5，所述系统包括：

用于采集环境光光强P_C的传感器31；

用于根据采集的环境光强P_C确定当前的通信信噪比γ的运算模块32；

用于比较所述当前的通信信噪比γ与预设的通信信噪比阈值γ^(th)；当所述当前的通信信噪比γ低于所述预设的通信信噪比阈值γ^(th)时，升高可见光通信发射器的调制电流I_m，以使调整后的通信信噪比γ等于所述预设的通信信噪比阈值γ^(th)；当所述当前通信信噪比γ高于所述预设的通信信噪比阈值γ^(th)时，降低可见光通信发射器的调制电流I_m，以使调整后的通信信噪比γ'等于所述预设的通信信噪比阈值的调制电流调节模块33；

用于根据调整后的可见光通信发射器的调制电流I_m设置通信带宽B_w的通信带宽调节模块34；

用于将通信信号加载到调整后的可见光通信发射器的调制电流上进行通信的可见光通信发射器35。

进一步，所述运算模块通过γ＝K_γ·P(I_m)/P_C计算当前通信信噪比γ；其中，P(I_m)为对应于当前的调制电流I_m的通信信号强度，K_γ为与环境光强P_C和当前的调制电流I_m无关的量化常数。

进一步，所述可见光通信发射器用于采用OFDM虚拟子载波技术调整通信带宽B_w，将需要使用的频带对应的子载波设置为有效子载波，将不使用的频带对应的子载波设置为虚拟子载波。

需要说明的是，上述系统实施例一各模块所实现的功能，可参照方法实施例一处所做介绍，此处不再赘述。

与上文图3所示方法实施例二相对应，本发明还提供一种基于光强感知的可见光通信系统实施例二。参见图6，所述系统包括：

用于采集可见光通信发射器的可见光灯光强P_L的传感器41；

用于根据采集的可见光灯光强P_L确定当前的工作点偏置电流I₀，并获取可见光通信发射器当前的调制电流I_m的电流获取模块42；

用于判断当前的工作点偏置电流I₀和可见光通信发射器当前的调制电流I_m之和是否位于调制电流的线性工作范围；若当前的工作点偏置电流I₀和可见光通信发射器当前的调制电流I_m之和大于调制电流的线性工作范围的最大调制电流I_max，则降低调制电流I_m，以使I₀+I_m＜I_max；若当前的工作点偏置电流I₀和可见光通信发射器当前的调制电流I_m之和小于调制电流的线性工作范围的最小调制电流I_min，则升高调制电流I_m，以使I_min＜I₀+I_m的调制电流调节模块43；

用于根据调整后的可见光通信发射器的调制电流I_m设置通信带宽B_w的通信带宽调节模块44；

用于将通信信号加载到调整后的可见光通信发射器的调制电流上进行通信的可见光通信发射器45。

进一步，所述电流获取模块用于通过I₀＝K₀·I(P_L)确定当前的工作点偏置电流I₀，其中，I(P_L)为对应于可见光灯光强P_L的量纲为安培的电流强度，K₀为与可见光灯光强无关的量化常数。

进一步，所述可见光通信发射器用于采用OFDM虚拟子载波技术调整通信带宽B_w，将需要使用的频带对应的子载波设置为有效子载波，将不使用的频带对应的子载波设置为虚拟子载波。

需要说明的是，上述系统实施例二各模块所实现的功能，可参照方法实施例二处所做介绍，此处不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种基于光强感知的可见光通信方法，其特征在于，包括：

利用传感器采集环境光光强P_C；

根据采集的环境光强P_C确定当前的通信信噪比γ；

比较所述当前的通信信噪比γ与预设的通信信噪比阈值γ^(th)；当所述当前的通信信噪比γ低于所述预设的通信信噪比阈值γ^(th)时，升高可见光通信发射器的调制电流I_m，以使调整后的通信信噪比γ等于所述预设的通信信噪比阈值γ^(th)；当所述当前通信信噪比γ高于所述预设的通信信噪比阈值γ^(th)时，降低可见光通信发射器的调制电流I_m，以使调整后的通信信噪比等于所述预设的通信信噪比阈值γ^(th)；

根据调整后的可见光通信发射器的调制电流I_m设置通信带宽B_w；

将通信信号加载到调整后的可见光通信发射器的调制电流上进行通信；

其中，根据环境光强P_C确定当前通信信噪比γ为通过γ＝K_γ·P(I_m)/P_C确定当前通信信噪比γ；其中，P(I_m)为对应于当前的调制电流I_m的通信信号强度，K_γ为与环境光强P_C和当前的调制电流I_m无关的量化常数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据调整后的调制电流I_m设置通信带宽B_w为采用OFDM虚拟子载波技术调整通信带宽B_w，将需要使用的频带对应的子载波设置为有效子载波，将不使用的频带对应的子载波设置为虚拟子载波。

3.一种基于光强感知的可见光通信系统，其特征在于，包括：

用于采集环境光光强P_C的传感器；

用于根据采集的环境光强P_C确定当前的通信信噪比γ的运算模块；

用于比较所述当前的通信信噪比γ与预设的通信信噪比阈值γ^(th)；当所述当前的通信信噪比γ低于所述预设的通信信噪比阈值γ^(th)时，升高可见光通信发射器的调制电流I_m，以使调整后的通信信噪比γ等于所述预设的通信信噪比阈值γ^(th)；当所述当前通信信噪比γ高于所述预设的通信信噪比阈值γ^(th)时，降低可见光通信发射器的调制电流I_m，以使调整后的通信信噪比γ'等于所述预设的通信信噪比阈值的调制电流调节模块；

用于根据调整后的可见光通信发射器的调制电流I_m设置通信带宽B_w的通信带宽调节模块；

用于将通信信号加载到调整后的可见光通信发射器的调制电流上进行通信的可见光通信发射器；

其中，所述运算模块通过γ＝K_γ·P(I_m)/P_C计算当前通信信噪比γ；其中，P(I_m)为对应于当前的调制电流I_m的通信信号强度，K_γ为与环境光强P_C和当前的调制电流I_m无关的量化常数。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述可见光通信发射器用于采用OFDM虚拟子载波技术调整通信带宽B_w，将需要使用的频带对应的子载波设置为有效子载波，将不使用的频带对应的子载波设置为虚拟子载波。