CN107147445B - 一种可见光系统多用户通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可见光系统多用户通信方法，能够提高信号传输速率。所述方法包括：在发送端，获取每个用户对应的walsh正交码；根据获取的每个用户对应的walsh正交码，利用映射的方式，对每路用户信号进行正交编码，使每路用户信号分别映射为正交编码后的序列，其中，所述用户信号为待编码信号；将映射得到的多个序列进行叠加，并将叠加后得到的并行序列转换为串行信号，所述串行信号通过可见光信道传输至接收端；在接收端，通过与正交编码相应的正交解码恢复出每路用户信号。本发明适用于可见光无线通信技术领域。

Description

一种可见光系统多用户通信方法

技术领域

本发明涉及可见光无线通信技术领域，特别是指一种可见光系统多用户通信方法。

背景技术

随着时代的发展，无线通信技术与照明技术越来越普遍地进入人们的生活中，可见光LED无线通信作为一种利用白光LED进行通信的新技术，具有可见光资源丰富、安全节能、通信容量大、发射频率高、传输速率快、无电磁干扰、不需要无线电频率证等优点。可见光LED无线通信具有较好的应用前景，在未来通信领域中占有重要的地位和价值，以LED为室内可见光通信信号光源，其具有节能化、智能化、信息化、安全化，无电磁辐射等优点。

可见光通信是在LED支持高速开关的基础上实现的，是一种全新的无线通信方式，具有很高的研究意义。为了实现可见光通信系统，必须解决多用户通信问题，目前解决该问题的方法有正交频分多址，采用正交频分多址时，过高的峰均比会引发LED的非线性效应，导致系统性能下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可见光系统多用户通信方法，以解决现有技术所存在的采用正交频分多址导致系统性能下降的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种可见光系统多用户通信方法，包括：

在发送端，获取每个用户对应的walsh正交码；

根据获取的每个用户对应的walsh正交码，利用映射的方式，对每路用户信号进行正交编码，使每路用户信号分别映射为正交编码后的序列，其中，所述用户信号为待编码信号；

将映射得到的多个序列进行叠加，并将叠加后得到的并行序列转换为串行信号，所述串行信号通过可见光信道传输至接收端；

在接收端，通过与正交编码相应的正交解码恢复出每路用户信号。

进一步地，在根据获取的每个用户对应的walsh正交码，利用映射的方式，对每路用户信号进行正交编码，使每路用户信号分别映射为正交编码后的序列之前，所述方法还包括：

按照先入先出的原则对每路用户信号进行缓冲处理。

进一步地，所述将映射得到的多个序列进行叠加包括：

将映射得到的多个序列进行叠加，得到并行序列，并由并串转换模块在所述并行序列之前插入同步帧，所述同步帧先于所述并行序列传输至所述并串转换模块。

进一步地，所述将叠加后得到的并行序列转换为串行信号包括：

通过并串转换模块对叠加后得到的并行序列进行并串变换处理，由低位开始逐位传输，使所述并行序列变为1路串行信号。

进一步地，所述串行信号为电信号；

所述串行信号通过可见光信道传输至接收端包括：

通过第一放大器、第一偏置器、LED将所述串行信号转换为光信号，所述光信号通过可见光信道传输至接收端，其中，所述光信号的电平处于接收端的光电探测器可识别的电平区间内。

进一步地，在接收端，通过与正交编码相应的正交解码恢复出每路用户信号之前，所述方法包括：

在接收端，通过光电探测器接收发送端发送的光信号，并将接收到的光信号转换为电信号，所述电信号通过第二放大器和第二偏置器进行传输；

利用同源时钟，对通过所述第二放大器、第二偏置器的电信号进行采样，将采样得到的信号进行缓冲处理；

读取经过缓冲处理的采样信号进行串并变换处理，并检测同步帧，若检测到同步帧，则进行帧同步，完成帧同步后进行信号恢复，恢复出并行序列；

将恢复出的并行序列传输至解码模块。

进一步地，所述读取经过缓冲处理的采样信号进行串并变换处理包括：

以与缓冲速率一致的速率读取经过缓冲处理的采样信号；

将读取的经过缓冲处理的采样信号进行串并变换处理。

进一步地，所述将恢复出的并行序列传输至解码模块包括：

将恢复出的并行序列以与单用户信号速率成固定比例关系的速率传输至解码模块。

进一步地，所述通过与正交编码相应的正交解码恢复出每路用户信号包括：

在用户i对应的解码模块中，将接收到的并行序列与预存的用户i对应的walsh正交码进行乘加处理，

将乘加处理后得到的结果进行逆映射，得到用户i对应的原始信号。

进一步地，所述在用户i对应的解码模块中，将接收到的并行序列与预存的用户i对应的walsh正交码进行乘加处理包括：

在用户i对应的解码模块中，将接收到的并行序列分割为四部分；

将四部分信号分别进行减偏置处理；

将减偏置处理结果与预存的用户i对应的walsh正交码进行乘加处理。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，在发送端，获取每个用户对应的walsh正交码；根据获取的每个用户对应的walsh正交码，利用映射的方式，对每路用户信号进行正交编码，使每路用户信号分别映射为正交编码后的序列，其中，所述用户信号为待编码信号；将映射得到的多个序列进行叠加，并将叠加后得到的并行序列转换为串行信号，所述串行信号通过可见光信道传输至接收端；在接收端，通过与正交编码相应的正交解码恢复出每路用户信号。这样，在发送端，利用映射编码的思想，使得发送端得到的信号更适于在可见光信道中进行传输，实现了用户的码分多址通信，且能够提高信号传输速率，从而提高系统性能，并在此基础上实现了可见光通信系统中的多用户通信。

附图说明

图1为本发明实施例提供的可见光系统多用户通信方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的可见光系统双用户通信方法原理示意图；

图3为本发明实施例提供的发送端编码原理示意图；

图4为本发明实施例提供的接收端解码原理示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的采用正交频分多址导致系统性能下降的问题，提供一种可见光系统多用户通信方法。

如图1所示，本发明实施例提供的可见光系统多用户通信方法，包括：

S101，在发送端，获取每个用户对应的沃尔什(walsh)正交码；

S102，根据获取的每个用户对应的walsh正交码，利用映射的方式，对每路用户信号进行正交编码，使每路用户信号分别映射为正交编码后的序列，其中，所述用户信号为待编码信号；

S103，将映射得到的多个序列进行叠加，并将叠加后得到的并行序列转换为串行信号，所述串行信号通过可见光信道传输至接收端；

S104，在接收端，通过与正交编码相应的正交解码恢复出每路用户信号。

本发明实施例所述的可见光系统多用户通信方法，在发送端，获取每个用户对应的walsh正交码；根据获取的每个用户对应的walsh正交码，利用映射的方式，对每路用户信号进行正交编码，使每路用户信号分别映射为正交编码后的序列，其中，所述用户信号为待编码信号；将映射得到的多个序列进行叠加，并将叠加后得到的并行序列转换为串行信号，所述串行信号通过可见光信道传输至接收端；在接收端，通过与正交编码相应的正交解码恢复出每路用户信号。这样，在发送端，利用映射编码的思想，使得发送端得到的信号更适于在可见光信道中进行传输，实现了用户的码分多址通信，且能够提高信号传输速率，从而提高系统性能，并在此基础上实现了可见光通信系统中的多用户通信。

本实施例所述的可见光系统多用户通信方法，具体可以包括：

为每个用户分配一个唯一的walsh正交码，例如，用户1的正交码为[1,-1,1,-1]，用户2的正交码为[1,1,-1,-1]；根据为每个用户分配的walsh正交码，利用映射的方式，对每路用户信号进行正交编码，使每路用户信号分别映射为正交编码后的序列，将映射得到的多个序列进行叠加，得到并行序列，将叠加后得到的并行序列转换为串行信号，利用可见光信道传输将所述串行信号传输在接收端，接收端则利用预存储的walsh正交码将各路用户信号从串行信号中解码出来，编解码处理均由FPGA实现，以此方式即可在不增加信道的情况下，令可见光通信系统实现多用户通信。

本实施例中，如图2所示，以双用户为例，对本实施例所述的可见光系统多用户通信方法进行详细说明，其中，所述双用户为用户1和用户2。

在前述可见光系统多用户通信方法的具体实施方式中，进一步地，在根据获取的每个用户对应的walsh正交码，利用映射的方式，对每路用户信号进行正交编码，使每路用户信号分别映射为正交编码后的序列之前，所述方法还包括：

按照先入先出(First In First Out，FIFO)的原则对每路用户信号进行缓冲处理。

本实施例中，具体的，可以按照时间先后顺序将每路用户信号以队列的形式分别送入各自对应的FIFO模块进行储存，以期减小信号抖动带来的误差。

本实施例中，每路用户信号的大小可以是2bit。

本实施例中，从FIFO模块读取两路用户信号，将读取的每路用户信号送入各自对应的编码映射模块；在用户1对应的编码映射模块中，利用映射的方式，对用户1信号进行正交编码，使用户1信号映射为正交编码后的序列X1；同理，在用户2对应的编码映射模块中，利用映射的方式，对用户2信号进行正交编码，使用户2信号映射为正交编码后的序列X2，至此，完成扩频；映射是扩频的实现方法。

本实施例中，映射的作用是将原本需要乘法器完成的：用户信号与walsh正交码相乘的电路简化为一个选择电路，其原理是用户信号每2bit只对应4种可能的结果，因此可以省去计算步骤，起到降低系统复杂度的目的。

在前述可见光系统多用户通信方法的具体实施方式中，进一步地，所述将映射得到的多个序列进行叠加包括：

将映射得到的多个序列进行叠加，得到并行序列，并由并串转换模块在所述并行序列之前插入同步帧，所述同步帧先于所述并行序列传输至所述并串转换模块。

本实施例中，可以利用加法器对映射得到的序列X1与X2进行叠加，获得并行序列X3，并由并串转换(Parallel to Serial，P/S)模块在所述并行序列X3之前插入同步帧，所述同步帧先于所述并行序列X3传输至所述并串转换模块，如图3所示。

在前述可见光系统多用户通信方法的具体实施方式中，进一步地，所述将叠加后得到的并行序列转换为串行信号包括：

通过并串转换模块对叠加后得到的并行序列进行并串变换处理，由低位开始逐位传输，使所述并行序列变为1路串行信号。

本实施例中，所述并行序列X3进入P/S模块进行并串变换处理，由低位开始逐位传输，使并行序列X3变为1路串行信号。

在前述可见光系统多用户通信方法的具体实施方式中，进一步地，所述串行信号为电信号；

所述串行信号通过可见光信道传输至接收端包括：

通过第一放大器、第一偏置器、LED将所述串行信号转换为光信号，所述光信号通过可见光信道传输至接收端，其中，所述光信号的电平处于接收端的光电探测器可识别的电平区间内。

本实施例中，所述第一放大器，用于信号的放大，使串行信号中的高低电平分离，以降低误码率。

本实施例中，所述第一偏置器，用于驱动LED，使所述LED发光，并将所述串行信号的电平调整至接收端的光电探测器可识别的电平区间内。

在前述可见光系统多用户通信方法的具体实施方式中，进一步地，在接收端，通过与正交编码相应的正交解码恢复出每路用户信号之前，所述方法包括：

在接收端，通过光电探测器接收发送端发送的光信号，并将接收到的光信号转换为电信号，所述电信号通过第二放大器和第二偏置器进行传输；

利用同源时钟，对通过所述第二放大器、第二偏置器的电信号进行采样，将采样得到的信号进行缓冲处理；

读取经过缓冲处理的采样信号进行串并变换处理，并检测同步帧，若检测到同步帧，则进行帧同步，完成帧同步后进行信号恢复，恢复出并行序列；

将恢复出的并行序列传输至解码模块。

本实施例中，在接收端，通过光电探测器接收发送端发送的光信号，并将接收到的光信号转换为电信号，所述电信号通过第二放大器和第二偏置器进行传输；利用同源时钟，对通过所述第二放大器、第二偏置器的电信号进行采样，其中，采样速率可以是单用户信号速率的8倍；将采样得到的信号按照FIFO原则进行缓冲处理，以与缓冲速率一致的速率读取经过缓冲处理的采样信号；将读取的经过缓冲处理的采样信号送入串并变换(Serial toParallel，S/P)模块进行串并变换处理，并检测同步帧，若检测到同步帧，则进行帧同步，完成帧同步后进行信号恢复，恢复出并行序列X3，将该并行序列X3以与单用户信号速率成固定比例关系的速率传输至解码模块，如图4所示。

本实施例中，所述第二放大器、第二偏置器的作用是将光电探测器转换得到的所述电信号电平调整为与采样要求相匹配的电平。

本实施例中，可以对晶振时钟信号进行分频处理，获取解码所需的同源时钟。

本实施例中，在接收端，以预先存储的每个用户对应的walsh正交码作为用户的区分标识，利用恢复出的并行序列X3进行解码，输出用户1和用户2分别对应的原始信号。

如图4所示，在前述可见光系统多用户通信方法的具体实施方式中，进一步地，所述通过与正交编码相应的正交解码恢复出每路用户信号包括：

在用户i对应的解码模块中，将接收到的并行序列与预存的用户i对应的walsh正交码进行乘加处理，

将乘加处理后得到的结果进行逆映射，得到用户i对应的原始信号。

本实施例中，在用户1对应的解码模块中，将接收到的并行序列与预存的用户1对应的walsh正交码进行乘加处理，得到序列X1，对序列X1进行逆映射，恢复用户1对应的原始信号；在用户2对应的解码模块中，将接收到的并行序列与预存的用户2对应的walsh正交码进行乘加处理，得到序列X2，对序列X2进行逆映射，恢复用户2对应的原始信号，至此完成解码。

如图4所示，在前述可见光系统多用户通信方法的具体实施方式中，进一步地，所述在用户i对应的解码模块中，将接收到的并行序列与预存的用户i对应的walsh正交码进行乘加处理包括：

在用户i对应的解码模块中，将接收到的并行序列分割为四部分；

将四部分信号分别进行减偏置处理；

将减偏置处理结果与预存的用户i对应的walsh正交码进行乘加处理。

本实施例中，在发送端对双用户信号分别进行缓冲并进行映射编码处理，双用户映射后的序列x(n)会经加法器叠加并进行并串变换转变为串行信号，所述串行信号通过可见光信道传输至接收端，在可见光信道中传输的串行信号可以表示为：

其中，s表示在可见光信道中传输的串行信号，f()表示进制转换函数，c⁽ⁿ⁾为用户对应的映射后得到的序列，为用户i编码前的信号，n为系统中实际的用户数，N为系统最大用户数，d为驱动LED工作的正向偏置信号。

在接收端从PD接收到光电转换后的信号r′后，乘以各用户对应的walsh正交码，将原始信号从接收信号r′中恢复出来，恢复出的原始信号y_j表示为：

其中，M为系统中映射编码得到的序列的最大码长。

本实施例中，可以搭建一个可见光通信FPGA通信实验平台对本实施例所述的可见光系统多用户通信方法进行验证，FPGA开发板型号为Xilinx KC705，采用同源时钟设计，单用户信号速率为10MB/s，支持多用户通信，将解码模块输出的信号送入示波器进行验证，验证结果表明，接收端可以成功将各用户数据从接收信号中恢复出来。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可见光系统多用户通信方法，其特征在于，包括：

在发送端，为每个用户分配一个唯一的walsh正交码，获取每个用户对应的唯一walsh正交码；

根据获取的每个用户对应的walsh正交码，利用映射的方式，对每路用户信号进行正交编码，使每路用户信号分别映射为正交编码后的序列，其中，所述用户信号为待编码信号；

利用加法器将映射得到的多个序列进行叠加，并将叠加后得到的并行序列转换为串行信号，所述串行信号通过可见光信道传输至接收端；

在接收端，通过与正交编码相应的正交解码恢复出每路用户信号；

其中，在根据获取的每个用户对应的walsh正交码，利用映射的方式，对每路用户信号进行正交编码，使每路用户信号分别映射为正交编码后的序列之前，所述方法还包括：

按照先入先出的原则对每路用户信号进行缓冲处理；

其中，所述将叠加后得到的并行序列转换为串行信号包括：

通过并串转换模块对叠加后得到的并行序列进行并串变换处理，由低位开始逐位传输，使所述并行序列变为1路串行信号。

2.根据权利要求1所述的可见光系统多用户通信方法，其特征在于，所述将映射得到的多个序列进行叠加包括：

将映射得到的多个序列进行叠加，得到并行序列，并由并串转换模块在所述并行序列之前插入同步帧，所述同步帧先于所述并行序列传输至所述并串转换模块。

3.根据权利要求1所述的可见光系统多用户通信方法，其特征在于，所述串行信号为电信号；

所述串行信号通过可见光信道传输至接收端包括：

通过第一放大器、第一偏置器、LED将所述串行信号转换为光信号，所述光信号通过可见光信道传输至接收端，其中，所述光信号的电平处于接收端的光电探测器可识别的电平区间内。

4.根据权利要求1所述的可见光系统多用户通信方法，其特征在于，在接收端，通过与正交编码相应的正交解码恢复出每路用户信号之前，所述方法包括：

在接收端，通过光电探测器接收发送端发送的光信号，并将接收到的光信号转换为电信号，所述电信号通过第二放大器和第二偏置器进行传输；

利用同源时钟，对通过所述第二放大器、第二偏置器的电信号进行采样，将采样得到的信号进行缓冲处理；

读取经过缓冲处理的采样信号进行串并变换处理，并检测同步帧，若检测到同步帧，则进行帧同步，完成帧同步后进行信号恢复，恢复出并行序列；

将恢复出的并行序列传输至解码模块。

5.根据权利要求4所述的可见光系统多用户通信方法，其特征在于，所述读取经过缓冲处理的采样信号进行串并变换处理包括：

以与缓冲速率一致的速率读取经过缓冲处理的采样信号；

将读取的经过缓冲处理的采样信号进行串并变换处理。

6.根据权利要求4所述的可见光系统多用户通信方法，其特征在于，所述将恢复出的并行序列传输至解码模块包括：

将恢复出的并行序列以与单用户信号速率成固定比例关系的速率传输至解码模块。

7.根据权利要求1所述的可见光系统多用户通信方法，其特征在于，所述通过与正交编码相应的正交解码恢复出每路用户信号包括：

在用户i对应的解码模块中，将接收到的并行序列与预存的用户i对应的walsh正交码进行乘加处理，

将乘加处理后得到的结果进行逆映射，得到用户i对应的原始信号。

8.根据权利要求7所述的可见光系统多用户通信方法，其特征在于，所述在用户i对应的解码模块中，将接收到的并行序列与预存的用户i对应的walsh正交码进行乘加处理包括：

在用户i对应的解码模块中，将接收到的并行序列分割为四部分；

将四部分信号分别进行减偏置处理；

将减偏置处理结果与预存的用户i对应的walsh正交码进行乘加处理。