CN110932779A - 一种隧道可见光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及通信领域，公开了一种隧道可见光通信系统，本发明中地铁隧道口的通信基站接收外界的下行数据，并将下行数据转化为下行调制照明光，下行调制照明光通过传输光纤进入隧道并分为多路通过发光器照射在地铁隧道内，传输光纤高效传输了携带有下行数据的照明光，下行调制照明光一方面提供了照明，另一方面地铁上安装的地铁基站接收下行调制照明光并将其转化为下行信号发送给通信接收设备；通信接收设备发送的上行信号再通过地铁基站转化为上行调制光并进入传输光纤反向传输至通信基站，通信基站将上行调制光解码为上行数据再发送至外界；整个发明实现了在信号屏蔽的地铁隧道内进行大范围的上行及下行通信。

Description

一种隧道可见光通信系统

技术领域

本发明涉及可见光通信，具体涉及一种隧道可见光通信系统。

背景技术

通信是现今社会能够正常运转的必要技术之一，通信质量、通信速度、通信可靠性是通信领域长久以来需要持续优化解决的问题。如今隧道是人们在日常生活中需要经常经历的场景，而地铁隧道通信一直难以解决，在地铁隧道场景中通信质量一直以来都不高，甚至经常出现丢失信号的问题，严重影响了人们正常的生活和工作，并且也可能导致地铁车厢中的安防设备（例如监控摄像头）出现丢失实时数据的情况。目前的解决方案一般是通过增设大量的信号基站，再通过隧道口的通信中继器来向外传输隧道内信号基站的通信信息，这也会导致成本大幅上升，并且大量信号基站也会提升维护成本。还有一些解决方案是通过可见光通信系统在地铁中进行通信，但需要用户和安防设备需要使用支持可见光通信的消费级通信设备（目前市面上基本没有），并且由于隧道的信号屏蔽问题，数据上行无法采用无线电通信（例如4G、5G）进行。

发明内容

本发明目的在于解决上述问题，本发明提供了一种隧道可见光通信系统，其在工作过程中，可以同时实现上行及下行通信，并且不受地铁隧道的信号屏蔽影响。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：

一种隧道可见光通信系统，包括通信基站、传输光纤以及多个发光器，所述通信基站中包括下行编码模块和基站光源；所述通信基站安装在隧道口用于接收外界发送的下行数据，下行数据进入下行编码模块；所述下行编码模块与基站光源连接，下行编码模块将下行数据编码为下行调制信号并发送给基站光源；所述基站光源与传输光纤连接，基站光源根据下行调制信号发出下行调制照明光并进入传输光纤进行传输；所述传输光纤上连接多个所述发光器，发光器分布在隧道中，传输光纤中的下行调制照明光从发光器中发出后照射在自由光空间中以供照明和通信；

还包括地铁基站，所述地铁基站安装在地铁车厢上，地铁基站中包括下行光接收器、下行解码模块和无线通信设备；所述下行光接收器与下行解码模块连接，下行光接收器用于接收所述下行调制照明光并将其转化为电信号并发送给下行解码模块；所述下行解码模块与无线通信设备连接，下行解码模块将转化为电信号的调制照明光解码为下行信号发送给无线通信设备，所述无线通信设备接收所述下行信号后发送给地铁车厢中的通信接收设备；

所述地铁基站还包括上行编码模块和上行光源；所述无线通信设备与上行编码模块连接，无线通信设备还用于接收地铁车厢中的通信接收设备的上行信号并将其发送给上行编码模块；所述上行编码模块和上行光源连接，所述上行编码模块将上行信号编码为上行调制信号并发送给上行光源；所述上行光源根据上行调制信号发出上行调制光至自由光空间中；所述隧道中还设有多个收光器，所述收光器与传输光纤连接，收光器接收上行调制光并发送给传输光纤；

所述通信基站中还包括有上行光接收器、上行解码模块及主分光器；所述主分光器接入传输光纤，传输光纤将上行调制光传输至主分光器，所述上行光接收器接在主分光器上，主分光器将上行调制光分至上行光接收器；所述上行光接收器与上行解码模块连接，上行光接收器将上行调制光转化为电信号并发送给上行解码模块；所述上行解码模块将转化为电信号的调制照明光解码为上行数据并通过通信基站发送给外界。

进一步地，所述传输光纤上通过多个分光器分出多个光纤支路，每个所述光纤支路上接有一个发光器。

进一步地，所述收光器包括非球面透镜和光纤准直器，所述光纤准直器与所述光纤支路连接，所述光纤准直器的进光端口处于所述非球面透镜的工作距离内。

进一步地，所述主分光器采用光纤环形器，所述光纤环形器的第一端口与基站光源连接，光纤环形器的第二端口与传输光纤连接，光纤环形器的第三端口与上行光接收器连接。

进一步地，所述收光器集成在发光器上。

进一步地，所述下行光接收器和上行光接收器采用光电探测器。

进一步地，所述上行光源为不可见光光源，所述收光器上设有滤光膜，所述滤光膜的透射波段为上行光源的波段，其他波段不透射。

进一步地，所述收光器包括非球面透镜和光纤准直器时，非球面透镜的光学面上镀有所述滤光膜，光纤准直器的进光端口上镀有所述滤光膜。

通过使用本发明，可以产生以下有益效果：本发明中地铁隧道口的通信基站接收外界的下行数据，并将下行数据转化为下行调制照明光，下行调制照明光通过传输光纤进入隧道并分为多路通过发光器照射在地铁隧道内，传输光纤高效传输了携带有下行数据的照明光，下行调制照明光一方面提供了照明，另一方面地铁上安装的地铁基站接收下行调制照明光并将其转化为下行信号，下行信号通过传统的局域网网络连接方式发送给通信接收设备；通信接收设备发送的上行信号再通过地铁基站转化为上行调制光并进入传输光纤反向传输至通信基站，通信基站将上行调制光解码为上行数据，上行数据通过传统的无线电通信的方式再发送至外界；整个发明实现了在信号屏蔽的地铁隧道内进行大范围的上行及下行通信，全程通过不受隧道信号屏蔽问题的干扰影响。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的系统主要构成示意图；

图2为本发明中一种分光器的分光示意图；

图3为本发明中收光器的一种构成示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，附图中的阴影部分表示横截剖面，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

大多数场景中的可见光通信系统，一般只用可见光通信进行下行数据传输，而通信接收设备的上行传输一般通过普通的无线通信。而在本发明的地铁隧道可见光通信系统中，由于信号无法穿透隧道的问题，还需解决数据上行传输。

如图1，本发明包括通信基站、传输光纤以及多个发光器，通信基站中包括下行编码模块和基站光源，通信基站可采用常见的通信基站，例如4G通信基站、5G通信基站等；通信基站安装在隧道口用于接收外界发送的下行数据，下行数据进入下行编码模块，例如将接收到的4G信号作为下行数据，其再进入下行编码模块；下行编码模块与基站光源连接，下行编码模块将下行数据编码为下行调制信号并发送给基站光源，这里的下行编码模块为目前可见光通信技术中的编码模块，其将携带有通信信息的下行数据编码为用于调制基站光源的下行调制信号，即控制基站光源通断的调制信号，这均是目前可见光通信中的现有技术；基站光源与传输光纤连接，基站光源根据下行调制信号发出下行调制照明光并进入传输光纤进行传输，一般的，基站光源包括驱动电路和可见光光源，驱动电路根据调制信号对可见光光源进行调制，可见光光源发出调制照明光并进入传输光纤进行传输；一般采用透镜组和光纤准直器将基站光源发出的调制照明光耦入传输光纤；传输光纤上连接多个所述发光器，发光器分布在隧道中，传输光纤中的下行调制照明光从发光器中发出后照射在自由光空间中以供照明和通信，在实现通信的同时，可省去大量的传统照明设备；

还包括地铁基站，地铁基站安装在地铁车厢上，地铁基站中包括下行光接收器、下行解码模块和无线通信设备；下行光接收器与下行解码模块连接，下行光接收器用于接收所述下行调制照明光并将其转化为电信号并发送给下行解码模块，下行光接收器一般采用光电探测器；下行解码模块与无线通信设备连接，下行解码模块将转化为电信号的调制照明光解码为下行信号发送给无线通信设备，无线通信设备接收下行信号后发送给地铁车厢中的通信接收设备；解码过程也是目前可将光通信系统中的现有技术，无线通信设备可采用无线局域网设备（例如Wi-Fi路由器），解码所得的下行信号通过传统的无线局域网的方式发送给通信接收设备。

传输光纤的作用在于将携带有通信信息的调制照明光远距离传输并分给多个发光器，发光器可以均匀布置在地铁隧道中，其形态可以是照明灯具、广告牌等各种各样的发光器件，位于隧道口的地铁基站不会受到隧道影响，其采用目前已经大量布局好的基站，无需完全更换设备，只需要在其中增加用于可见光通信系统的器件：下行编码模块和基站光源，便可发出携载有通信信息的下行调制照明光，再通过传输光纤将下行调制照明光高效传输至隧道中各个位置以供地铁基站对其进行解码以及下行传输。

为了解决隧道中无法进行无线电通信问题，本发明的上行传输通过以下实现：继续参考图1，地铁基站还包括上行编码模块和上行光源；无线通信设备与上行编码模块连接，无线通信设备还用于接收地铁车厢中的通信接收设备的上行信号并将其发送给上行编码模块，总之本发明对于通信接收设备，其与无线通信设备之间的上行和下行传输过程与目前技术无异；上行编码模块和上行光源连接，所述上行编码模块将上行信号编码为上行调制信号并发送给上行光源，同样采用可见光通信的原理将上行信号编码为供以调制光源的调制信号；上行光源根据上行调制信号发出上行调制光至自由光空间中，同样上行光源可以是由驱动电路和可见光光源组成，来发出可见光波段的上行调制光，可见光光源发射携带有上行信号的上行调制光至自由光空间中；隧道中还设有多个收光器，收光器与传输光纤连接，收光器接收上行调制光并发送给传输光纤；

通信基站中还包括有上行光接收器、上行解码模块及主分光器；主分光器接入传输光纤，传输光纤将上行调制光传输至主分光器，上行光接收器接在主分光器上，主分光器将上行调制光分至上行光接收器，上行光接收器同样可采用光电探测器，其将上行调制光转化为电信号并发送给上行解码模块；上行光接收器与上行解码模块连接，上行光接收器将上行调制光转化为电信号并发送给上行解码模块；上行解码模块将转化为电信号的调制照明光解码为上行数据并通过通信基站发送给外界，一般的，在上行解码模块中的解码过程自带有通信中常用的解密过程，其用于将上行调制光从其接收到的信号中分离出来，解码过程同样也是可见光通信技术中的现有技术，通信基站通过无线电通信等方式将上行数据发送至外界。

本发明在数据上行过程中，传输光纤高效地将上行信号转化的调制照明光传输至通信基站，再通过通信基站发送给外界实现上行过程。无需完全更换设备，只需要在其中增加用于可见光通信系统的器件：上行光接收器、上行解码模块和分光器，便可发出携载有通信信息的上行调制光，再通过收光器及传输光纤将隧道中某个位置处的上行调制光高效传输至隧道口的通信基站，并对上行调制光进行解码，实现上行传输。

具体的，传输光纤上通过多个分光器分出多个光纤支路，每个光纤支路上接有一个发光器。例如：如图2所示，可以是包括多个分光器，分光器包括一个输入端口和多个输出端口，第一个分光器的输入端口与传输光纤连接，第二个分光器的输入端口与第一个分光器的一个输出端口连接，第一个分光器的其他输出端口上均接一个发光器；第三个分光器的输入端口与第二个分光器的一个输出端口连接，第二个分光器的其他输出端口上均接一个发光器；第四分光器同理，依次这样接多个分光器实现分出多个光纤支路，前述光纤支路即意为分光器的输出端口。其中，发光器可以是光纤灯、光纤准直器等器件，其具体可以做成广告牌、提示灯、照明灯等各种形态，优选采用具有光纤接口的光纤器件，其作用在于将光纤中的调制照明光导出至自由光空间中；分光器可以是一分二光纤分束器，也可以是一分多光纤分束器，根据具体使用情况而选择，图2中示意的是一分二的分光器，连接的细线表示光纤。

具体的，收光器的结构可以是如图3所示，收光器包括非球面透镜1和光纤准直器2，光纤准直器2与光纤支路连接，光纤准直器2与光纤支路可通过一分二的光纤分束器连接，即光纤分束器的输入端口与光纤支路连接，光纤分束器的两个输出端口与发光器和光纤准直器2连接，基于光路可逆，光纤准直器2的光也能反向耦入光纤分束器的输出端口并从光纤分束器的输入端口输出并进入光纤支路，也可通过熔接拉锥光纤的方式将光纤准直器2通过一根光纤接入光纤支路，其他类似的耦入方法不再赘述；光纤准直器2的进光端口处于非球面透镜1的工作距离内,光纤内光路可逆，因此光纤支路既可以通过下行调制照明光，也可以通反向的上行调制光，非球面透镜1用于为光纤准直器2提供准直的上行调制光，准直后的光更容易通过光纤准直器进入光纤。优选的，收光器集成在发光器上，这样可以节省空间，可以是将收光器设置在发光器的发光面的周围，这样可以有效防止大量下行调制照明光进入收光器。

优选的，主分光器采用光纤环形器，光纤环形器的第一端口与基站光源连接，光纤环形器的第二端口与传输光纤连接，光纤环形器的第三端口与上行光接收器连接。基于光纤环形器的特性：从第一端口的光只能从第二端口出射，从第二端口进入的光只能从第三端口出射；因此下行调制照明光只能从第二端口出射进入传输光纤，上行调制光从第二端口进入后只能从第三端口出射，这样便有效分离了下行调制照明光和上行调制光。

为了进一步使收光器接收到的上行调制光更为纯净，没有下行调制照明光的掺杂，本发明提出一种优选结构：上行光源为不可见光光源，当采用不可见光光源时，与传统可见光通信的原理相同，也是通过调幅控制不可见光光源的通断来表述及传输信号，收光器上设有滤光膜，滤光膜的透射波段为上行光源的波段，其他波段不透射。例如当收光器由非球面透镜1和光纤准直器2组成时，在非球面透镜1的两个光学面上镀滤光膜，同时再在光纤准直器的进光端口上镀一层滤光膜。这样便使得进入收光器的都是不可见光光源发出的不可见光波段的上行调制光，不会有其他杂光进入，最终照射在上行光接收器的靶面上的光为上行调制光，从而提高上行数据的信噪比。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种隧道可见光通信系统，其特征在于：

包括通信基站、传输光纤以及多个发光器，所述通信基站中包括下行编码模块和基站光源；所述通信基站安装在隧道口用于接收外界发送的下行数据，下行数据进入下行编码模块；所述下行编码模块与基站光源连接，下行编码模块将下行数据编码为下行调制信号并发送给基站光源；所述基站光源与传输光纤连接，基站光源根据下行调制信号发出下行调制照明光并进入传输光纤进行传输；所述传输光纤上连接多个所述发光器，发光器分布在隧道中，传输光纤中的下行调制照明光从发光器中发出后照射在自由光空间中以供照明和通信；

还包括地铁基站，所述地铁基站安装在地铁车厢上，地铁基站中包括下行光接收器、下行解码模块和无线通信设备；所述下行光接收器与下行解码模块连接，下行光接收器用于接收所述下行调制照明光并将其转化为电信号并发送给下行解码模块；所述下行解码模块与无线通信设备连接，下行解码模块将转化为电信号的调制照明光解码为下行信号发送给无线通信设备，所述无线通信设备接收所述下行信号后发送给地铁车厢中的通信接收设备；

所述地铁基站还包括上行编码模块和上行光源；所述无线通信设备与上行编码模块连接，无线通信设备还用于接收地铁车厢中的通信接收设备的上行信号并将其发送给上行编码模块；所述上行编码模块和上行光源连接，所述上行编码模块将上行信号编码为上行调制信号并发送给上行光源；所述上行光源根据上行调制信号发出上行调制光至自由光空间中；所述隧道中还设有多个收光器，所述收光器与传输光纤连接，收光器接收上行调制光并发送给传输光纤；

所述通信基站中还包括有上行光接收器、上行解码模块及主分光器；所述主分光器接入传输光纤，传输光纤将上行调制光传输至主分光器，所述上行光接收器接在主分光器上，主分光器将上行调制光分至上行光接收器；所述上行光接收器与上行解码模块连接，上行光接收器将上行调制光转化为电信号并发送给上行解码模块；所述上行解码模块将转化为电信号的调制照明光解码为上行数据并通过通信基站发送给外界。

2.根据权利要求1所述的一种隧道可见光通信系统，其特征在于：所述传输光纤上通过多个分光器分出多个光纤支路，每个所述光纤支路上接有一个发光器。

3.根据权利要求2所述的一种隧道可见光通信系统，其特征在于：所述收光器包括非球面透镜和光纤准直器，所述光纤准直器与所述光纤支路连接，所述光纤准直器的进光端口处于所述非球面透镜的工作距离内。

4.根据权利要求3所述的一种隧道可见光通信系统，其特征在于：所述主分光器采用光纤环形器，所述光纤环形器的第一端口与基站光源连接，光纤环形器的第二端口与传输光纤连接，光纤环形器的第三端口与上行光接收器连接。

5.根据权利要求4所述的一种隧道可见光通信系统，其特征在于：所述收光器集成在发光器上。

6.根据权利要求5所述的一种隧道可见光通信系统，其特征在于：所述下行光接收器和上行光接收器采用光电探测器。

7.根据权利要求6所述的一种隧道可见光通信系统，其特征在于：所述上行光源为不可见光光源，所述收光器上设有滤光膜，所述滤光膜的透射波段为上行光源的波段，其他波段不透射。

8.根据权利要求7所述的一种隧道可见光通信系统，其特征在于：所述收光器包括非球面透镜和光纤准直器时，非球面透镜的光学面上镀有所述滤光膜，光纤准直器的进光端口上镀有所述滤光膜。

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