CN109728851A - 一种全双工室内可见光通信网络系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全双工室内可见光通信网络系统，所述系统采用星型网络拓扑结构，包括中心控制器和多个接入点，中心控制器与多个接入点之间通过交换机连接，所述中心控制器具体包括：数据库DB单元，用于存储用户的各种信息，包括身份信息、位置信息和会话管理相关信息；移动性管理单元，用于当终端在网络覆盖范围内的任何位置移动时，保证终端处于在线状态；会话管理单元，包括控制面和用户面，其中：控制面用于会话的建立、修改、释放过程的管理，采用标准SIP协议；用户面用于将相应的用户数据发送到对应的接入点。上述网络系统相对于目前成熟的各无线通信网络更简单、易实现，且利用室内照明LED等基础设施就可以很好的控制成本。

Description

一种全双工室内可见光通信网络系统

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种全双工室内可见光通信网络系统。

背景技术

目前，可见光通信由于其无电磁辐射特性，在电磁敏感的应用场景下有广泛的应用潜力；此外由于可见光不透墙的特性，其在需要保密通信的场合也有广泛的应用潜力。

但现有技术方案中的可见光通信网络结构往往比较复杂，运行成本和安装成本较高，在并发用户数量不是很多的情况下性价比较低，整体应用适应性不强。

发明内容

本发明的目的是提供一种全双工室内可见光通信网络系统，该网络系统相对于目前成熟的各无线通信网络更简单、易实现，且利用室内照明LED等基础设施就可以很好的控制成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种全双工室内可见光通信网络系统，所述系统采用星型网络拓扑结构，包括中心控制器和多个接入点，所述中心控制器与多个接入点之间通过交换机连接，其中：

所述中心控制器具体包括：

数据库DB单元，用于存储用户的各种信息，包括身份信息、位置信息和会话管理相关信息；

移动性管理单元，用于当终端在网络覆盖范围内的任何位置移动时，保证所述终端处于在线状态；

会话管理单元，包括控制面和用户面，其中：

所述控制面用于会话的建立、修改、释放过程的管理，采用标准SIP协议；

所述用户面用于将相应的用户数据发送到对应的接入点。

所述接入点进一步包括：

接入控制模块，用于发送/接收网口的数据、信令消息的解析及物理层控制，将接收到的大数据包拆分成可供物理层传输的数据段发送到数字信号处理模块，或者将数字信号处理模块解调的数据段重组成完整的数据包从网口发送到中心控制器；

数字信号处理模块，用于将所述接入控制模块发过来的数据进行编码、调制处理，形成用于调制光源的电信号；或者对模数转换采集来的数据进行解调、解码处理，然后将处理后的数据发送到所述接入控制模块；

数模/模数转换模块，用于将所述数字信号处理模块处理后的数字信号转换为模拟信号；或者将模拟信号转换为数字信号后交由数字信号处理模块处理；

光源驱动模块，用于对数模转换后的模拟信号进行放大、整形处理，使处理后的信号能加载到光源上；

接收放大滤波模块，用于将光电探测器接收到的信号放大，并做低通滤波处理，然后将处理后的信号输入所述数模/模数转换模块；

下行光源，用于发送携带有调制编码信号的光信号，采用白光LED灯兼顾照明和通信；

上行光源，用于发送携带有调制编码信号的光信号，采用峰值波长850nm以上的近红外LED；

光电探测器，用于接收下行光源或上行光源发送的光信号，并将该光信号转换为电信号。

所述光电探测器包括PIN型光电二极管或者雪崩光电二极管APD。

所述光电探测器分为下行光电探测器和上行光电探测器，其中：

所述下行光电探测器为近红外截止型或者在前面加短波通滤光片；

所述上行光电探测器为可见光截止型或者在前面加长波通滤光片。

所述多个接入点分布在需要使用的房间内，根据所使用房间的面积布置光源及光电探测器的数量。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该网络系统相对于目前成熟的各无线通信网络简单、易实现，利用室内照明LED等基础设施可以很好的控制成本，在并发用户数量不是很多的情况下，具有很强的竞争力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例提供的全双工室内可见光通信网络系统整体结构示意图；

图2为本发明实施例实际应用的部署示意图。

具体实施方式

下面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。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的全双工室内可见光通信网络系统整体结构示意图，所述系统采用星型网络拓扑结构，主要包括中心控制器和多个接入点，所述中心控制器与多个接入点之间通过交换机连接，这里为了避免了上下行干扰问题，上下行使用不同波长的光波，也就是采用波分双工方式；多址接入方式采用传统的时分多址接入方式(TDMA)。其中：

所述中心控制器具体包括：

数据库DB单元，用于存储用户的各种信息，包括身份信息、位置信息和会话管理相关信息；

移动性管理单元，用于当终端在网络覆盖范围内的任何位置移动时，保证所述终端处于在线状态；具体实现中，该移动性管理单元通过注册、位置更新、切换等过程来实现；

会话管理单元，包括控制面和用户面，其中：

所述控制面用于会话的建立、修改、释放过程的管理，采用标准SIP协议；

所述用户面用于将相应的用户数据发送到对应的接入点。

上述接入点进一步可包括：

接入控制模块，用于发送/接收网口的数据、信令消息的解析及物理层控制，将接收到的大数据包拆分成可供物理层传输的数据段发送到数字信号处理模块，或者将数字信号处理模块解调的数据段重组成完整的数据包发送到中心控制器；

数字信号处理模块，用于将所述接入控制模块发过来的数据进行编码、调制处理，形成用于调制光源的电信号；或者对模数转换采集来的数据进行解调、解码处理，然后将处理后的数据发送到所述接入控制模块；

数模/模数转换模块，用于将所述数字信号处理模块处理后的数字信号转换为模拟信号；或者将模拟信号转换为数字信号后交由数字信号处理模块处理；

光源驱动模块，用于对数模转换后的模拟信号进行放大、整形处理，使处理后的信号能加载到光源上；

接收放大滤波模块，用于将光电探测器接收到的信号放大，并做低通滤波处理，然后将处理后的信号输入所述数模/模数转换模块；

下行光源，用于发送携带有调制编码信号的光信号，采用白光LED灯兼顾照明和通信；

上行光源，用于发送携带有调制编码信号的光信号，为了避免上下干扰，采用峰值波长850nm以上的近红外LED，本实施例中可以采用960nm波长的近红外LED；这里，上下行使用了不同波长的光波，避免了上下行干扰问题。

光电探测器，用于接收下行光源或上行光源发送的光信号，并将该光信号转换为电信号。

具体实现中，该光电探测器可以包括PIN型光电二极管或者雪崩光电二极管APD。

该光电探测器可分为下行光电探测器和上行光电探测器，其中：

所述下行光电探测器为近红外截止型或者在前面加短波通滤光片(通可见光波段，750nm以上波段截止)；

所述上行光电探测器为可见光截止型或者在前面加长波通滤光片(通近红外波段，800nm以下波段截止)。

上述多个接入点分布在需要使用的房间内，根据所使用房间的面积布置光源及光电探测器的数量。

另外，如图1所示，本系统还可引入移动终端，移动终端本质上不属于本网络系统，只要其满足本网络的协议规范即可在网络中正常工作。

下面以具体的实例对上述系统的结构及工作过程进行详细描述，如图2所示为本发明实施例实际应用的部署示意图，参考图2：中心控制器和交换机可以部署在任意房间中，使用网线连接；每个房间一个接入点使用网线连接到交换机上，作为发送信号的LED灯和接收信号的光电探测器根据房间的大小可以部署一个或者几个(一个、两个、四个或者六个)。当然接入点的数目可以扩展到一层楼中的多个房间(为了保证无缝连接，可以在走廊也部署若干个接入点)，甚至一栋楼的所有房间和走廊，使用多个交换机级联最后连接到同一个中心控制器。

本发明实施例中使用的信令消息基于SIP协议，加入一些自定义的消息字段，具体实现中，在开源代码的基础上做修改以满足更多的功能要求。消息的流转过程如下：终端用户触发某一事件(如登录、拨号、注销)或者后台发现位置更新等情况，产生信令消息并SIP包打包、若数据包较大则拆分成适合于物理层传输的数据段、数据段交由物理层做数字信号处理(如编码、调制等)、数模转换后由模拟电路将信号放大并加载到LED灯上发出；接入点上的PD(光电探测器)接收到信号后由后端的模拟电路板处理(包括放大、均衡、滤波等功能)、然后模数转换到数字域并做数字信号处理(如搜同步、信道估计及均衡、解调、解码等)、数据包重组成完整的信令包后通过以太网发送给中心控制器；中心控制器收到数据包后解析包的类型，信令消息交给移动性管理模块处理，调用数据库及SIP服务器得到信令的解析结果，若是发给超级用户(与控制中心相同IP地址)或者控制中心的消息则回复相应的应答消息、需要界面显示则在用户界面体现，若是发给其他终端用户的消息则将信令消息重新打包并转发给对应的接入点，经过相同的物理层处理最后到达目的用户。

进一步的，以语音为例描述用户面数据的流转过程。终端采集用户语音数据，语音压缩编码并打成RTP包、语音包较小不需要数据包拆分(若其他业务数据包较大则拆分成适合于物理层传输的数据段，或者实际处理时产生延迟，几个语音包合并成一个较大数据包时也需要拆分)、数据段交由物理层做数字信号处理(如编码、调制等)、数模转换后由模拟电路将信号放大并加载到LED灯上发出；接入点上的PD(光电探测器)接收到信号后由后端的模拟电路板处理(包括放大、均衡、滤波等功能)、然后模数转换到数字域并做数字信号处理(如搜同步、信道估计及均衡、解调、解码等)、数据包重组成一个一个完整的RTP语音包后通过以太网发送给中心控制器；中心控制器收到数据包后解析包的类型，用户面数据交给用户数据模块处理，调用数据库并于移动性管理模块交互得到语音包的最终目的地址，若是发给超级用户(与控制中心相同IP地址)则将数据发给超级终端软件，终端软件收到数据后经过语音解压缩、语音平滑等处理调用耳机或者音响播放出来；若是发给其他终端用户的语音数据则将语音包重新打包并转发给对应的接入点，经过相同的物理层处理最后到达目的用户。

下面介绍几个主要的交互过程，以完善对系统工作过程的理解。

1、注册过程：

终端打开APP软件，输入用户名和密码点击登录。终端首先搜索接入点，进行下行同步，接收当前接入点的广播消息内容、读取当然位置标识，然后发送一个包含位置标识的注册请求到中心控制器，中心控制器通过对比数据库中的用户信息来判断此次请求是否通过，若通过则将位置信息写入数据库并应答通过，若不通过请求则回复登录失败及原因。

2、位置更新过程：

终端在空闲状态，每隔一秒调整一次下行定时同步、解一次广播消息，得到当前的位置标识，更新本地的位置信息并反馈给中心控制器最新的位置标识，中心控制器更新数据库中位置信息，并应答成功或者异常。

3、切换过程：

终端在通话的过程中，每10ms调整一次下行定时同步、解一次广播消息，得到当前的位置标识，发现当前位置标识与本地位置标识不一致的时候，发起切换请求到中心控制器。切换请求消息中包含用户基本信息、最新的位置信息及本次会话信息，中心控制器得到请求后及时更新数据库内容及会话管理内容，将其归属到新的接入点，并分配新的时隙给终端。中心控制器反馈消息到终端，终端收到后回复应答消息。

4、会话过程：

会话的建立、修改、释放等控制过程采用标准的SIP协议配合SDP协议，这里不做详细描述。终端包含：SIP信令生成/解析、数据包的拆分/重组、物理层数字信号处理、数模/模数转换、光源及其驱动、光电转换器及其后端电路；接入点包含：数据包的拆分/重组、物理层数字信号处理、数模/模数转换、光源及其驱动、光电转换器及其后端电路；中心控制器包含SIP服务器、数据库及移动性管理模块。语音或者视频内容打包成RTP协议，其过程与信令传输类似，只是不再需要SIP服务器功能，添加业务的编/解码、打成RTP包等应用层处理。

5、注销过程：

终端关机、退出APP或者切换用户时，发送一个包含位置标识的注销请求到中心控制器，中心控制器更新数据库中的某些字段并应答通过，终端若收到应答则正常结束流程，未收到应答消息则记录异常。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所提供的网络系统相对于目前成熟的各无线通信网络简单、易实现，利用室内照明LED等基础设施可以很好的控制成本，在并发用户数量不是很多的情况下，具有很强的竞争力；此外上下行采用全光方式，在电磁敏感场景和需要保密通信的场景下，可以发挥良好的作用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种全双工室内可见光通信网络系统，其特征在于，所述系统采用星型网络拓扑结构，包括中心控制器和多个接入点，所述中心控制器与多个接入点之间通过交换机连接，其中：

所述中心控制器具体包括：

数据库DB单元，用于存储用户的各种信息，包括身份信息、位置信息和会话管理相关信息；

移动性管理单元，用于当终端在网络覆盖范围内的任何位置移动时，保证所述终端处于在线状态；

会话管理单元，包括控制面和用户面，其中：

所述控制面用于会话的建立、修改、释放过程的管理，采用标准SIP协议；

所述用户面用于将相应的用户数据发送到对应的接入点。

2.根据权利要求1所述全双工室内可见光通信网络系统，其特征在于，所述接入点进一步包括：

接入控制模块，用于发送/接收网口的数据、信令消息的解析及物理层控制，将接收到的大数据包拆分成可供物理层传输的数据段发送到数字信号处理模块，或者将数字信号处理模块解调的数据段重组成完整的数据包从网口发送到中心控制器；

数字信号处理模块，用于将所述接入控制模块发过来的数据进行编码、调制处理，形成用于调制光源的电信号；或者对模数转换采集来的数据进行解调、解码处理，然后将处理后的数据发送到所述接入控制模块；

数模/模数转换模块，用于将所述数字信号处理模块处理后的数字信号转换为模拟信号；或者将模拟信号转换为数字信号后交由数字信号处理模块处理；

光源驱动模块，用于对数模转换后的模拟信号进行放大、整形处理，使处理后的信号能加载到光源上；

接收放大滤波模块，用于将光电探测器接收到的信号放大，并做低通滤波处理，然后将处理后的信号输入所述数模/模数转换模块；

下行光源，用于发送携带有调制编码信号的光信号，采用白光LED灯兼顾照明和通信；

上行光源，用于发送携带有调制编码信号的光信号，采用峰值波长850nm以上的近红外LED；

光电探测器，用于接收下行光源或上行光源发送的光信号，并将该光信号转换为电信号。

3.根据权利要求2所述全双工室内可见光通信网络系统，其特征在于，

所述光电探测器包括PIN型光电二极管或者雪崩光电二极管APD。

4.根据权利要求2或3所述全双工室内可见光通信网络系统，其特征在于，所述光电探测器分为下行光电探测器和上行光电探测器，其中：

所述下行光电探测器为近红外截止型或者在前面加短波通滤光片；

所述上行光电探测器为可见光截止型或者在前面加长波通滤光片。

5.根据权利要求1所述全双工室内可见光通信网络系统，其特征在于，

所述多个接入点分布在需要使用的房间内，根据所使用房间的面积布置光源及光电探测器的数量。