CN106953691A - 一种上下行时分复用的可见光全双工通信系统及方法 - Google Patents

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Abstract

在可见光通信中，一直缺乏合理实用的上行信道解决方案，这限制了可靠的双向通信。本发明提供了一种全双工时分复用通信系统，能够满足大多数通信系统对全双工的要求，同时，在兼顾通信效率的前提下，能够有效的降低上下行通信过程中上行传输对下行传输的干扰，以及下行传输对上行传输的干扰，提高上下行接收信号的质量。与此同时，本系统还考虑到利用高阶调制扩充系统容量的问题，可以根据通信系统对容量的需求，选择使用。

Description

一种上下行时分复用的可见光全双工通信系统及方法
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种全双工的可见光通信系统与方法。
背景技术
可见光通信技术是一种将电信号调制到可见光上的一种通信方法。它采用LED作为光源，光电探测设备进行检测。LED发出的携带调制信号的非相光，在自由空间进行传输后，在光电探测器端进行信号检测，并恢复出原始电号。由于LED光源具有较高的光效、低功耗和较长的使用寿命，已经作为新的光源在照明领域逐渐普及。结合LED器件的可见光通信技术，一方面发挥了LED的照明优势，同时将通信的功能与照明相融合，在科学界掀起了研究的热潮，同时吸引了工业界的广泛关注。
目前，国内外对可见光通信的研究大多集中于如何提高通信系统的传输速率，以及传输速率和传输距离之间的关系等问题。在应用可见光通信适应室内的一些应用方面具有局限性。当中的问题在于，系统中的LED大多作为发送光源，提供单向下行链路的数据传输服务，而实际的通信系统，不仅需要下行链路，同时还必须提供上行链路的数据传输服务，否则无法形成交互通信。国内外针对此问题进行了研究，且已有相关的研究和技术方案。
文献1-3利用无线通信的方式作为与下行可见光通信链路相对应的上行链路，这样的通信系统设计利用已经成熟的Wifi等无线通信方式，辅助可见光通信系统的运行，但是仍然需要两套完全不同的通信方式构成混合的通信系统。
文献4采用了红外和LED可见光通信技术实现了不对称网络传输，充分利用了通信应用中普遍存在的数据上下行带宽需求不对称的特点，能够确保双向通信传输质量。但是这仍然是采用两套完全不同的通信方式完成完整的通信系统构建。
文献5提出了上行和下行均为可见光通信的通信系统，其上行通信链路中的LED发射端的工作峰值波长与下行通信链路中的LED发射端的工作峰值波长相差20-100nm，能同时实现下载和上传数据信息，避免信号串扰，提升系统容量。这是一种上下行粗波分复用的方案，文献6采用同样的思路，但是在上行链路中采用了反射型光调制器。
文献7提出了一种半双工时分RGB-LED模组双向可见光通信的方法及系统，具有低复杂度与低成本的优点，系统结构如图1所示。该方案是一种上下行时分复用的方案，收发器仅为一个LED，在加载不同电压时，分别表现出光源特性和光电探测器的特性，该设计降低了整个系统的成本。但是该系统是半双工的通信，因此，只能发送或者接收数据，不能同时发送并接收数据。在许多实际应用中，仍然需要一种全双工的可见光通信方案。
参考文献：
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5 发明人：滕东东，刘立林，王钢，孙振坤，专利名称：一种双向传输的可见光通信装置，申请人：中山大学，申请号：201610256029.5。
6 发明人：刘武，杨超，杨奇，专利名称：一种基于反射的可见光通信系统和方法，申请人：武汉邮电科学研究院，申请号：201410582633.8。
7 发明人：李上宾，徐正元，专利名称：半双工时分RGB-LED模组双向可见光通信的方法及系统，申请人：中国科学技术大学，申请号：201610200828.0。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术方法的不足，提供了一种全双工可见光通信系统及方法，属于可见光通信基础通信系统领域，在可见光通信技术构成通信系统时均可以采用。
为实现上述发明目的，提出了如下通信方法：
可见光通信系统的链路包含上行(终端到接入端的数据传输)和下行(接入端到终端的数据传输)，均采用LED可见光通信的方式进行数据传输；采用时分复用的方式将时间分成三类时间切片，其中时间切片1进行上行链路的数据传输，时间切片2为保护时间，时间切片3进行下行链路的数据传输；时间切片1和时间切片3之间分配时间切片2，用来减少时分复用可见光通信系统上下行通信之间的信号干扰，时间切片2的时间数值可以根据上下行通信之间的干扰情况来确定。当上下行通信之间干扰严重，并导致误码率升高时，选择时间数值较大的时间切片2；当上下行通信之间干扰较小，即误码率较低时，选择时间数值较小的时间切片2。该方法的结构图如图2所示。
进一步的，时间切片2的时间数值可以按照如下方法确定：时间切片2的时间数值等于终端到接入端视距传输情况下的传播时延。
进一步的，时间切片2的时间数值还可以按照如下方法确定：
时间切片2的时间数值等于可见光信道单位冲击响应的平均延迟τ0与一个比值b的乘积；平均延迟τ0可以通过如下定义获得：
其中，h(t)为可见光通信信道的单位冲击响应，它包含了复杂的室内反射等因素的影响。
当b＝1时，时间切片2的时间数值等于可见光信道单位冲击响应的平均延迟；
当b＞1时，时间切片2的时间数值大于可见光信道单位冲击响应的平均延迟，上下行数据传输的时间将会减少，通信效率下降，但是保护时间增加有助于减小系统上下行的误码率；
当b＜1时，时间切片2的时间数值小于可见光信道单位冲击响应的平均延迟，上下行数据传输的时间将会增加，通信效率提高，但是保护时间减小会导致系统上下行的误码率增加；
b的数值可以根据上下行通信之间的干扰情况来确定。
进一步的，在时间切片1或者时间切片3中，可以采用00K调制的方式传输数据，也可以采用其它高阶调制的电信号来传输数据，以此提升通信系统的容量。
进一步的，时间切片1和时间切片3可以分配为一个符号所占用的时间，也可以分配为多个符号所占用的时间。
进一步的，时间切片1和时间切片3的时间数值可以分配为相等，也可以根据上下行的数据传输量之比，按比例分配时间切片1和时间切片3的时间数值，达到上下行带宽的灵活分配。
一种可见光通信系统，其特征在于，包括以下组成部分，其结构如图3所示：
接入端可见光收发模块，包含下行通信的LED发射模块(第一LED模组)和上行通信的可见光接收模块(第二接收模块)；
接入端信号处理单元，用来处理上行链路接收的信息，或者对下行链路的发送信息进行预处理；
终端可见光收发模块，包含上行通信的LED发射模块(第二LED模组)和下行通信的可见光接收模块(第一接收模块)；
终端信号处理单元，用来处理下行链路接收的信息，或者对上行链路的发送信息进行预处理；
在下行链路的数据传输中，第一LED模组作为数据发送端，第一接收模块作为数据接收端；并将调制信号通过第一驱动模块加载到LED上，完成数据的发送；再经由第一接收模块完成数据信号的接收；
在上行链路的数据传输中，第二LED模组作为数据发送端，第二接收模块作为数据接收端；并将调制信号通过第二驱动模块加载到LED上，完成数据的发送；再经由第二接收模块完成数据信号的接收。
进一步的，考虑终端的类型，终端可以是移动终端，也可以是固定终端；终端的数目可以是一个或者多个；移动终端的类型可以是手机、笔记本或者平板电脑等设备。
进一步的，考虑光源的类型，LED可以是RGB-LED，也可以是蓝光LED与荧光粉构成的白光LED，或者是紫光LED与荧光粉构成的白光LED。设计人员可以根据信号传输带宽的需求，选择合适的光源。
进一步的，接入端可以连接其它类型的网络，使得可见光通信能够兼容光纤通信或者3G、4G、5G移动接入方式。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的全双工时分复用通信系统能够满足大多数通信系统对全双工的要求，同时，在兼顾通信效率的前提下，能够有效的降低上下行通信过程中上行传输对下行传输的干扰，以及下行传输对上行传输的干扰，提高上下行接收信号的质量。与此同时，本系统还考虑到利用高阶调制扩充系统容量的问题，可以根据通信系统对容量的需求，选择使用。
附图说明：
图1：文献7中半双工时分RGB-LED模组双向可见光通信的方案。
图2：本发明提出的上下行通信方法结构图。
图3：本发明提出的上下行全双工可见光通信系统结构图。
具体实施方式
为了使本实用发明的技术手段、发明特征，以及达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
1保护时间选取的问题
在本发明中，上下行时间切片之间保护时间的选取问题，即时间切片2的数值大小，是关键问题。本发明提供了两种方法，第一种方法适用于可见光通信的信道情况较为简单，主要为视距传输的情况，即可见光的光源离墙面等反射面较远，或者墙面等反射体反射系数较小，对可见光的吸收较多的情况。在这种情况下，时间切片2的时间数值可以直接设定为终端到接入端视距传输情况下的传播时延。假如发射机和接收机之间的距离为2米，则这个时间切片为6.7ns。第二种方法适用于可见光通信的信道情况较为复杂，视距传输和非视距传输均存在的情况。例如，常规的室内环境。在这个环境中，时间切片2的时间数值可以按照如下方法设定：
时间切片2的时间数值等于可见光信道单位冲击响应的平均延迟τ0与一个比值b的乘积；
当b＝1时，时间切片2的时间数值等于可见光信道单位冲击响应的平均延迟；
当b＞1时，时间切片2的时间数值大于可见光信道单位冲击响应的平均延迟，上下行数据传输的时间将会减少，通信效率下降，但是保护时间增加有助于减小系统上下行的误码率；
当b＜1时，时间切片2的时间数值小于可见光信道单位冲击响应的平均延迟，上下行数据传输的时间将会增加，通信效率提高，但是保护时间减小会导致系统上下行的误码率增加；
b的数值可以根据上下行通信之间的干扰情况来确定。
考虑到系统中存在时间最小分辨率的问题，因此，可以在取值时采取向上进位的方式。例如，最小分辨率为1ns，按照我们的方法计算的结果为3.5ns时，可以选择4ns作为时间切片2的时间数值。
2上下行通信时间分配的问题
由于时分复用具有时隙分配灵活的优点，而数据通信上下行业务量又严重不对称，因此可以灵活的分配时间切片1和时间切片3的时间数值。例如，上下行的数据传输量之比为1∶3，则可以分配时间切片1和时间切片3的时间数值分别为1符号时间和3符号时间。这样可以防止平均分配时隙时出现的上行带宽浪费问题。
3高阶调制选择的问题
由于采用保护时间降低了通信的效率，为了增加通信的速率，本发明提出在时间切片1或者时间切片3中，可以采用OOK调制的方式传输数据，也可以采用其它高阶调制的电信号来传输数据，以此提升通信系统的容量。
例如，上行采用OOK调制的方式传输数据，下行采用QPSK调制的方式传输数据，由于一个QPSK符号携带2bit信息，是OOK调制方式的两倍，因此，在分配带宽时需要考虑这种因素。如果分配时间切片1和时间切片3的时间数值分别为1符号时间和2符号时间，则在这种调制方式下，上下行的数据传输量之比为1∶4。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种全双工可见光通信方法，其特征在于：
可见光通信系统的链路包含上行(终端到接入端的数据传输)和下行(接入端到终端的数据传输)，均采用LED可见光通信的方式进行数据传输；采用时分复用的方式将时间分成三类时间切片，其中时间切片1进行上行链路的数据传输，时间切片2为保护时间，时间切片3进行下行链路的数据传输；时间切片1和时间切片3之间分配时间切片2，用来减少时分复用可见光通信系统上下行通信之间的信号干扰，时间切片2的时间数值根据上下行通信之间的干扰情况来确定。
2.如权利要求1所述的全双工可见光通信方法，其特征在于，
时间切片2的时间数值可以按照如下方法确定：
时间切片2的时间数值等于终端到接入端视距传输情况下的传播时延。
3.如权利要求1所述的全双工可见光通信方法，其特征在于，
时间切片2的时间数值可以按照如下方法确定：
时间切片2的时间数值等于可见光信道单位冲击响应的平均延迟τ0与一个比值b的乘积；
当b＝1时，时间切片2的时间数值等于可见光信道单位冲击响应的平均延迟；
当b＞1时，时间切片2的时间数值大于可见光信道单位冲击响应的平均延迟，上下行数据传输的时间将会减少，通信效率下降，但是保护时间增加有助于减小系统上下行的误码率；
当b＜1时，时间切片2的时间数值小于可见光信道单位冲击响应的平均延迟，上下行数据传输的时间将会增加，通信效率提高，但是保护时间减小会导致系统上下行的误码率增加；
b的数值可以根据上下行通信之间的干扰情况来确定。
4.如权利要求1所述的全双工可见光通信方法，其特征在于，
在时间切片1或者时间切片3中，可以采用OOK调制的方式传输数据，也可以采用其它高阶调制的电信号来传输数据，以此提升通信系统的容量。
5.如权利要求1所述的全双工可见光通信方法，其特征在于，
时间切片1和时间切片3可以分配为一个符号所占用的时间，也可以分配为多个符号所占用的时间。
6.如权利要求1所述的全双工可见光通信方法，其特征在于，
时间切片1和时间切片3的时间数值可以分配为相等，也可以根据上下行的数据传输量之比，按比例分配时间切片1和时间切片3的时间数值，达到上下行带宽的灵活分配。
7.一种可见光通信系统，其特征在于，包括以下组成部分：
接入端可见光收发模块，包含下行通信的LED发射模块(第一LED模组)和上行通信的可见光接收模块(第二接收模块)；
接入端信号处理单元，用来处理上行链路接收的信息，或者对下行链路的发送信息进行预处理；
终端可见光收发模块，包含上行通信的LED发射模块(第二LED模组)和下行通信的可见光接收模块(第一接收模块)；
终端信号处理单元，用来处理下行链路接收的信息，或者对上行链路的发送信息进行预处理；
在下行链路的数据传输中，第一LED模组作为数据发送端，第一接收模块作为数据接收端；
并将调制信号通过第一驱动模块加载到LED上，完成数据的发送；再经由第一接收模块完成数据信号的接收；
在上行链路的数据传输中，第二LED模组作为数据发送端，第二接收模块作为数据接收端；
并将调制信号通过第二驱动模块加载到LED上，完成数据的发送；再经由第二接收模块完成数据信号的接收。
8.如权利要求7所述的可见光通信系统，其特征在于，
终端可以是移动终端，也可以是固定终端；终端的数目可以是一个或者多个；移动终端的类型可以是手机、笔记本或者平板电脑等设备。
9.如权利要求7所述的可见光通信系统，其特征在于，
LED可以是RGB-LED，也可以是蓝光LED与荧光粉构成的白光LED，或者是紫光LED与荧光粉构成的白光LED。
10.如权利要求7所述的可见光通信系统，其特征在于，
接入端可以连接其它类型的网络，使得可见光通信能够兼容光纤通信或者3G、4G、5G移动接入方式。
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