CN110808785A - 组合光波束的多输入多输出可见光通信发射装置 - Google Patents

组合光波束的多输入多输出可见光通信发射装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及可见光通信信技术领域，是一种组合光波束的多输入多输出可见光通信发射装置，包括串并行数据转换模块和多个可见光通信发射器，每个可见光通信发射器均包括中间数据处理单元和LED光源阵列，各个LED光源阵列的光波束空间特性彼此互异；串并行数据转换模块，将待传输的原始串行数据流转换为并行数据流；中间数据处理单元，将调制后数据加载至LED光源阵列；LED光源阵列，发出光束，将接收调制后的数据通过光束发射出去。本发明利用LED光源阵列光波束空间特性的多样性，消除传统技术方案对用户接收位置的限制因素，在不改变常规照明设计尺寸及现有光源排布方式的前提下，提升不同接收位置通信表现的稳定性，且兼容现有接收端。

Description

组合光波束的多输入多输出可见光通信发射装置
技术领域
本发明涉及可见光通信信技术领域，是一种组合光波束的多输入多输出可见光通信发射装置。
背景技术
可见光通信是将数据电信号通过驱动电路加载到基于LED的照明基础设施上，被驱动点亮的LED光源所发出的光信号就携带了信息，进而为光源所照射到的区域提供了无线信号覆盖。
为了保证给照明区域提供足够的功率，传统LED光源基础设施一般采用同类朗伯光波束的LED灯组成光源阵列，虽然该方法在保持整体发射光功率不变的前提下较之于可见光通信单输入技术可以成倍的增加系统的传输容量，但在不同光源阵列投影之间的中心处以及其他不同光源投影中间轴线的位置上，光源阵列与多输出可接受其中不同光电探测器会形成对称的信道关系，因而造成信道矩阵的降秩，无法满足信道不相关的条件，相关过程如下所示：
传统的2×2MIMO技术中使用的是两个相同的朗伯光源，由于两个朗伯光源光波束的对称性。两个光源的发射角φ大致相等，两个接收端入射角
Figure BDA0002266440820000011
也相等。式(1)为信道直流增益公式，i表示第i个LED光源，j表示第j个接收器。接收器与不同光源阵列之间形成了对称的空间几何关系，对称信道直流增益也是基本相等的。
Figure BDA0002266440820000012
式(1)中，
Figure BDA0002266440820000013
为第j个接收器接收范围，dij为第i个LED光源与第j个接收器间距离，m为朗伯系数，
Figure BDA0002266440820000014
为接收视场角。
因对称信道直流增益相等即h11＝h21、h12＝h22，从而接收端构成的信道矩阵H不能满足满秩条件。
Figure BDA0002266440820000015
进而接收端无法得到信道矩阵的正确逆矩阵H-1，接收信号阵列R与逆矩阵相乘无法正常完成。逆矩阵H-1的获取可先在发送端发送测试信号序列，并且接收端也获取到测试信号序列。当接收端得到接收信号时，接收端已知发射信号和接收信号通过矩阵的逆运算可计算出信道矩阵的逆矩阵H-1。当接收端已知信道矩阵的逆矩阵H-1时，接收端下次接收信号则使用测试获得的逆矩阵H-1。因为R的主要影响因素为信道矩阵，信道矩阵错误会造成接收端解调错误。
R＝γPLED(H·S)+N (3)
式(3)中，S＝(S1,S2)T为LED光源发送信号，PLED为LED发射平均概率，γ为探测响应概率，N为平均噪声。
T＝H-1·R (4)
式(4)中，T＝(T1,T2)为接收端解调出的发射信号。
因此，传统的2×2MIMO技术存在光源投影的轴线位置上信道对称造成并行通信劣化问题，传统的2×2MIMO技术推广到传统的4×4MIMO技术也存在相同问题，信道矩阵H为4×4矩阵。
这一传统缺陷极大地制约了传统可见光通信多输入多输出技术对移动性的支撑程度，而现有可见光通信多输入多输出技术的研究与讨论，主要集中在：(1)借助成像接收器提升系统的表现增益，(2)借助改变接收器中光电探测器的空间指向来提升系统的适应性，(3)借助奇异值分解技术来提升可见光通信多输入多输出技术系统的容量。未从根本上消除传统设计方案在不同光源投影中轴线位置上的固有表现缺陷，如果改变不同光电的空间指向会进一步增加发射器尺寸，造成用户在使用上的不便，因此急需一种新的技术方案来解决上述技术问题。
发明内容
本发明提供了一种组合光波束的多输入多输出可见光通信发射装置，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有可见光通信发射器技术存在光源投影的轴线位置上信道对称，造成并行通信劣化的技术问题。
本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种组合光波束的多输入多输出可见光通信发射装置，包括串并行数据转换模块和多个可见光通信发射器，每个可见光通信发射器均包括中间数据处理单元和LED光源阵列，各个LED光源阵列的光波束空间特性彼此互异；
所述串并行数据转换模块，将待传输的原始串行数据流转换为并行数据流，将并行数据流发送至每个中间数据处理单元；
所述中间数据处理单元，对并行数据流进行调制，将调制后数据流加载至LED光源阵列；
所述LED光源阵列，将调制后的数据流加载到光束中，并通过光束发射出去。
下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
上述可见光通信发射器设置有两个；其中，第一个可见光通信发射器中的LED光源阵列包括多个能发出传统朗伯光波束光源的LED灯，每个LED灯的半功率角为60度；第二个LED光源阵列包括多个能发出对称杯状光波束光源的LED灯。
上述可见光通信发射器设置有四个；其中，第一组LED光源阵列包括多个能发出传统朗伯光波束光源的LED灯，每个LED灯的半功率角为60度；第二个LED光源阵列包括多个能发出对称杯状光波束光源的LED灯；第三个LED光源阵列包括多个能发出非旋转对称光波束光源的LED灯；第三个LED光源阵列包括多个能发出长椭圆状光波束光源的LED灯。
上述中间数据处理单元包括数据处理模块和驱动加载电路，数据处理模块与驱动加载电路连接，驱动加载电路与LED光源阵列连接。
上述数据处理模块包括编码器和调制器，串并行数据转换模块与编码器连接，编码器与调制器连接，调制器与驱动加载电路连接。
上述驱动加载电路包括偏置器和直流供电模块，数据处理模块和直流供电模块均与偏置器连接，偏置器与LED光源阵列连接。
上述可见光通信发射器还包括LED灯具，LED光源阵列安装在LED灯具中。
本发明利用LED光源光波束空间特性的多样性，借助来自不同LED光源阵列光信号功率辐射强度的天然差异性，打破不同LED光源阵列与多输出接收器中不同光电探测器之间对称的信道关系，即2×2MIMO信道中对称信道直流增益h11≠h21、h12≠h22，4×4MIMO信道也同理可得，从根本消除不同可见光多输入多输出信道的相关性，消除传统设计方案在不同光源投影中间轴线位置上的固有表现缺陷，提升可见光多输入多输出系统在不同接收位置表现的一致性，大大降低甚至避免信道矩阵降秩情况发生的概率即信道矩阵H为满秩矩阵情况发生的概率，且兼容可见光通信多输入多输出技术发射器常规照明设计尺寸要求和普通用户审美及使用习惯。不同于改变接收端中光电探测器空间指向的方式，本方案将设计的改变集中在发射器一端，兼容现有移动接收终端的要求，不仅可以服务多个用户，也降低了改造成本。本发明为接收器提供了更高的空间位置自由度，提升整体可见光通信多输入多输出技术的移动性表现，可让接收器安装在更多的位置接收信号，并不仅仅是在光源的法线方向。
附图说明
附图1为本发明两输入两输出可见光通信电路控制框图。
附图2为本发明四输入四输出可见光通信电路控制框图。
附图3为本发明中数据处理模块的结构示意图。
附图4为本发明中驱动加载电路控制图。
附图5为本发明中两输入两输出可见光通信接收装置电路框图。
附图6为本发明中四输入四输出可见光通信接收装置电路框图。
附图7为本发明的两输入两输出可见光通信发射装置方案的示意图。
附图8为本发明的四输入四输出可见光通信发射装置方案的示意图。
具体实施方式
本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：
如附图1、2、7、8所示，该组合光波束的多输入多输出可见光通信发射装置，包括串并行数据转换模块和多个可见光通信发射器，每个可见光通信发射器均包括中间数据处理单元和LED光源阵列，各个LED光源阵列的光波束空间特性彼此互异；
所述串并行数据转换模块，将待传输的原始串行数据流转换为并行数据流，将并行数据流发送至每个中间数据处理单元；
所述中间数据处理单元，对并行数据流进行调制，将调制后数据流加载至LED光源阵列；
所述LED光源阵列，将调制后的数据流加载到光束中，并通过光束发射出去。
上述待传输的原始串行数据流为原始高速串行数据流，串并行数据转换模块将待传输的原始串行数据流转换为并行数据流，并行数据流分别进入多个可见光通信发射器；本发明设置有多个可见光通信发射器，每个可见光通信发射器均包括LED光源阵列，所有LED光源阵列的光波束空间特性彼此互异，从而借助不同光波束之间迥异的空间特性，打破不同LED光源阵列与多个接收器中不同光电探测器之间对称的信道关系，即2×2MIMO信道中对称信道直流增益h11≠h21、h12≠h22，4×4MIMO信道也同理可得，消除不同可见光多输入多输出信道的相关性，消除传统设计方案在不同光源投影中间轴线位置上的固有表现缺陷，提升可见光多输入多输出系统在不同接收位置表现的一致性，大大降低甚至避免信道矩阵降秩情况发生的概率。
如附图5、6、7、8所示，上述LED光源阵列发出的光束，由可见光通信接收装置进行接收，可见光通信接收装置为现有公知技术，可包括信道矩阵的逆矩阵、多个放大器、多个低通滤波器、多个译码器、多个解调器和多个光电探测器。放大器、低通滤波器、译码器、解调器和光电探测器的数量均和本发明中LED光源阵列的数量相同，光电探测器将光信号转换为微弱的电信号，然后放大器将微弱电信号放大，放大后的信号与逆矩阵H-1相乘得到发射信号，低通滤波器滤除发射信号中的高频信号和噪声，滤出的信号经解调器解调后再经译码器译码，获得原始数据流；其中信道矩阵的逆矩阵可从测试信号得到的逆矩阵H-1获得。
可根据实际需要，对上述组合光波束的多输入多输出可见光通信发射装置作进一步优化或/和改进：
如附图1所示，所述可见光通信发射器设置有两个；其中，第一个可见光通信发射器中的LED光源阵列包括多个能发出传统朗伯光波束光源的LED灯，每个LED灯的半功率角为60度；第二个LED光源阵列包括多个能发出对称杯状光波束光源的LED灯。
上述两个LED光源阵列的光波束空间特性彼此互异，当两个LED光源阵列发出光束时，不同光源阵列投影的轴线上，虽然可见光通信接收装置上不同光电探测器与不同光源的几何关系仍然对称，但是由于来自不同光源辐射强度的差异，不同收发端之间的可见光信道的对称性被打破，因而多输入多输出信道矩阵出现降秩的概率会显著降低，保证可见光通信多输入多输出系统对不同接收位置的适应性；其中所有LED光源阵列的法向方向仍然垂直指向地面，该设计方案与光源的基础照明功能与用户传统习惯保持顺利衔接。
如附图2所示，所述可见光通信发射器设置有四个；其中，第一组LED光源阵列包括多个能发出传统朗伯光波束光源的LED灯，每个LED灯的半功率角为60度；第二个LED光源阵列包括多个能发出对称杯状光波束光源的LED灯；第三个LED光源阵列包括多个能发出非旋转对称光波束光源的LED灯；第三个LED光源阵列包括多个能发出长椭圆状光波束光源的LED灯。
上述四个LED光源阵列的光波束空间特性彼此互异。
如附图1、2所示，所述中间数据处理单元均包括数据处理模块和驱动加载电路，数据处理模块与驱动加载电路连接，驱动加载电路与LED光源阵列连接。
如附图3所示，所述数据处理模块包括编码器和调制器，串并行数据转换模块与编码器连接，编码器与调制器连接，调制器与驱动加载电路连接。
上述待传输的原始串行数据流经过串并行数据转换模块换为并行数据流后，编码器对并行数据流进行编码，获得能在信道中传输的合适的信号，提高通信系统的纠错和抗干扰能力，调制器对该信号进行调制，使得该信号能在适合的信道中传输，增加通信系统的有效性。
如附图4所示，所述驱动加载电路包括偏置器和直流供电模块，数据处理模块和直流供电模块均与偏置器连接，偏置器与LED光源阵列连接。
上述直流偏置分别将来自数字处理模块调制后信号与直流供电模块提供的直流信号相互叠加，使得叠加信号达到LED光源的阈值电压，然后输出加载信号，从而点亮LED光源阵列。
如图1、2所示，所述可见光通信发射器还包括LED灯具，LED光源阵列安装在LED灯具中。
以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (8)

1.一种组合光波束的多输入多输出可见光通信发射装置，其特征在于，包括串并行数据转换模块和多个可见光通信发射器，每个可见光通信发射器均包括中间数据处理单元和LED光源阵列，各个LED光源阵列的光波束空间特性彼此互异；
所述串并行数据转换模块，将待传输的原始串行数据流转换为并行数据流，将并行数据流发送至每个中间数据处理单元；
所述中间数据处理单元，对并行数据流进行调制，将调制后数据流加载至LED光源阵列；
所述LED光源阵列，将调制后的数据流加载到光束中，并通过光束发射出去。
2.根据权利要求1所述的组合光波束的多输入多输出可见光通信发射装置，其特征在于，所述可见光通信发射器设置有两个；其中，第一个可见光通信发射器中的LED光源阵列包括多个能发出传统朗伯光波束光源的LED灯，每个LED灯的半功率角为60度；第二个LED光源阵列包括多个能发出对称杯状光波束光源的LED灯。
3.根据权利要求1所述的组合光波束的多输入多输出可见光通信发射装置，其特征在于，所述可见光通信发射器设置有四个；其中，第一组LED光源阵列包括多个能发出传统朗伯光波束光源的LED灯，每个LED灯的半功率角为60度；第二个LED光源阵列包括多个能发出对称杯状光波束光源的LED灯；第三个LED光源阵列包括多个能发出非旋转对称光波束光源的LED灯；第三个LED光源阵列包括多个能发出长椭圆状光波束光源的LED灯。
4.根据权利要求1或2或3所述的组合光波束的多输入多输出可见光通信发射装置，其特征在于，所述中间数据处理单元包括数据处理模块和驱动加载电路，数据处理模块与驱动加载电路连接，驱动加载电路与LED光源阵列连接。
5.根据权利要求4所述的组合光波束的多输入多输出可见光通信发射装置，其特征在于，所述数据处理模块包括编码器和调制器，串并行数据转换模块与编码器连接，编码器与调制器连接，调制器与驱动加载电路连接。
6.根据权利要求4所述的组合光波束的多输入多输出可见光通信发射装置，其特征在于，所述驱动加载电路包括偏置器和直流供电模块，数据处理模块和直流供电模块均与偏置器连接，偏置器与LED光源阵列连接。
7.根据权利要求1或2或3或5或6所述的组合光波束的多输入多输出可见光通信发射装置，其特征在于，所述可见光通信发射器还包括LED灯具，LED光源阵列安装在LED灯具中。
8.根据权利要求4所述的组合光波束的多输入多输出可见光通信发射装置，其特征在于，所述可见光通信发射器还包括LED灯具，LED光源阵列安装在LED灯具中。
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