CN111641452B - 基于occ的车对车通信系统发射机和接收机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于OCC的车对车通信系统发射机和接收机；其中发射机对汽车行驶安全信息进行编码处理及OFDM调制后，通过驱动电路驱动指定波长的尾灯LED阵列进行传输。接收机采用窄带滤波相机捕获前方车辆尾灯LED阵列传输的光信号，通过边缘检测算法检测出尾灯LED阵列位置，采用光斑检测等图像处理技术，获得尾灯LED阵列中各个LED携带的信息，并对LED携带信息进行解调解码处理，得到前车行驶安全信息。本发明的车对车通信系统采用光信号完成车辆间信息的交互，无射频干扰且绿色环保；同时结合OFDM技术及图像处理技术，能够实现高效可靠的汽车行驶安全信息实时传递，实现对后车的安全预警，有助于减少交通事故。

Description

基于OCC的车对车通信系统发射机和接收机

技术领域

本发明涉及可见光通信和智能交通技术领域，特别涉及一种基于OCC的车对车通信系统发射机和接收机。

背景技术

保障汽车行驶安全是汽车领域发展的重要研究课题之一。通信系统作为车辆间信息交互的核心，能够通过传递汽车行驶过程中转向、速度、加速度、发动机转速、刹车等汽车行驶安全信息实现安全预警，有效提升车辆行驶的安全性和可靠性。然而，无线射频通信方式易受射频干扰，在射频干扰严重的情况下无法满足车辆间行驶安全信息的实时交互，亟需一种时延低、抗干扰能力强的通信技术，为汽车行驶安全提供多重保障。

可见光相机通信(Optical Camera Communication，OCC)是一种采用发光二极管(Light Emitting Diode，LED)发射光信号，通过图像传感器阵列接收光信号的无线光通信技术，能够同时识别多个发射光源，实现信号的并行接收。OCC技术以光为载体，具有无射频干扰、无需频谱认证、无电磁辐射、绿色环保等优点，可以有效弥补无线射频通信的不足。随着LED及车载相机在汽车领域中的广泛应用，OCC技术已经成为实现车对车通信、预防交通事故的一种关键性技术，并且受到学术界的广泛关注。

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术能够有效改善通信系统的性能，提高信息传输速率及抗干扰能力，成为实现高速可靠的可见光通信的重要调制方式。经过OFDM调制输出的结果为双极性复信号，对于采用强度调制/直接检测方式的可见光通信系统而言是不能直接使用的，所以将OFDM调制技术引入光通信中需要对OFDM信号进行处理。目前，能够实现信号正实值要求的OFDM技术主要有直流偏置正交频分复用技术(DC-biased Optical OFDM，DCO-OFDM)、非对称削波正交频分复用技术(Asymmetrically Clipped OFDM，ACO-OFDM)以及单极性正交频分复用技术(UnipolarOFDM，U-OFDM)三种。基于LED的可见光通信调光技术分为三类：模拟调光技术、数字调光技术以及空间调光技术。模拟调光技术通过改变LED驱动信号幅度进行调光，数字调光技术通过改变LED驱动信号占空比进行调光，空间调制技术是通过激活光源中部分LED工作的方式来调节光功率。

现有OCC的研究中，LED阵列包含的各个LED多用于传输相同信息，采用LED阵列实现信息的并行传输仍有较大研究空间。目前，基于OFDM调制技术的可见光通信系统多使用光电二极管(Photo Diode，PD)作为接受端，多用于室内通信并且收发端距离变化范围较小，PD能够分辨OFDM幅度范围较大的信号。使用相机作为OFDM光信号的接收端时，由于相机灰度值取值范围有限，并且车对车通信系统间传输距离动态范围较大，相机如何对OFDM光信号进行准确接收仍需进一步研究。

发明内容

本发明提供一种基于OCC的车对车通信系统发射机和接收机，发射机采用汽车尾灯LED阵列发送光信号，接收机采用图像传感器接收光信号并采用OFDM及图像处理技术完成对汽车行驶安全信息的调制解调，能够实时传递汽车行驶安全信息，实现安全预警，降低交通事故的发生。

为了解决上述技术问题，本发明的基于OCC的车对车通信系统发射机包括汽车行驶安全信息采集模块、编码模块、调制模块、驱动电路以及尾灯LED阵列；所述尾灯LED阵列中包含传信LED阵列和定位LED；

所述的汽车行驶安全信息采集模块采集汽车行驶安全信息数据，将这些数据转化成二进制数据码流送入编码模块；

所述的编码模块采用低密度奇偶校验码对输入的二进制数据码流进行编码，码长为u，并将编码后的数据送入调制模块；

所述的调制模块对编码后的数据进行ACO-OFDM调制及空间调制，得到空间调制后的OFDM信号，调制方法如下：

(1)对编码后的数据进行串并变换，之后进行M-QAM映射得到多个复数，将这多个复数表示为复数向量X_QAM＝[X₀，X₁，...，X_N-1]，N为映射后QAM符号的码长，且

(2)对复数向量X_QAM进行奇载波分配及共轭对称操作处理得到变换后的频域信号X＝[X₀，X₁，X₂，...，X_4N-2，X_4N-1]；

(3)对频域信号X进行IFFT变换，得到时域信号x＝[x₀，x₁，x₂，...，x_4N-2，x_4N-1]；

(4)对时域信号x进行如下零值限幅操作得到非负限幅信号x'：

(5)对得到的x'进行并串变换，之后在非负限幅时域信号x'前加入循环前缀，得到OFDM信号；

(6)将OFDM信号幅值编码转化，分成2^t级幅度范围，每个OFDM信号的幅值级数分别用t个传信LED的亮灭状态表示，得到空间调制后的OFDM信号；

所述的驱动电路用于驱动传信LED阵列，将本车行驶安全信息发往后方车辆。

所述尾灯LED阵列的边缘四周LED作为定位LED，中间部分的k×k LED阵列作为传信LED阵列；并且定位LED的点亮格式不同于传信LED阵列；k为传信LED阵列的行数或列。

所述的汽车行驶安全信息包括汽车转向、速度、加速度、发动机转速和刹车信息。

所述的非负限幅时域信号x'加入循环前缀后得到OFDM信号，OFDM信号的符号周期由加入循环前缀之前的T扩展为T+T_g，T_g取值为

所述的传信LED阵列发射的光波波长为808nm。

本发明的基于OCC的车对车通信系统接收机包括窄带滤波相机、图像处理模块、解调模块以及解码模块；

所述的窄带滤波相机通过在相机镜头前配置808nm光学滤片消除投射到CMOS图像传感器上的杂光，将拍摄到的图像送入图像处理模块；

所述的图像处理模块对拍摄到的图像进行处理获得传信LED阵列亮灭状态信息，处理方法如下：

(1)将窄带滤波相机获得的RGB图像转化为灰度值图像，之后通过自适应阈值算法对灰度值图像进行处理，获得二值图像；

(2)利用边缘检测算法检测出二值图像中尾灯LED阵列的位置，并将尾灯LED阵列区域从二值图像中分割出来；

(3)检测尾灯LED阵列区域中光斑的位置；判断各个传信LED的亮灭状态，将代表各传信LED的亮灭状态信息的数据流送入解调模块；

所述的解调模块对输入的数据流进行解调，方法如下：

(1)将代表各传信LED亮灭状态信息的数据流转化为OFDM信号；

(2)对步骤(1)得到OFDM信号进行串并变换得到时域信号y；

(3)对时域信号y进行FFT操作，得到频域信号Y，将频域信号Y在奇载波和偶载波上的信息分别表示为Y_odd和Y_even，则：

其中N为映射后QAM符号的码长，且

(4)提取频域信号Y奇载波上的信息Y_odd(2k+1)得到原始复数信号Y_QAM：

Y_QAM＝2Y_odd(2k+1)，k＝0，...，N-1  (8)

(5)对原始复数信号Y_QAM进行M-QAM逆映射恢复出编码模块编码后的数据，将恢复出的编码后的数据并串变换后送入解码模块；

所述的解码模块对解调后的数据进行前向纠错并解码获得前方车辆行驶安全信息。

所述的图像处理模块检测出尾灯LED阵列后，将尾灯LED阵列区域从二值图像中分割出来，并通过定位LED确定传信LED阵列的起始位置。

所述的图像处理模块，尾灯LED阵列区域中光斑位置检测方法如下：去掉检测到光斑中三个最大面积和三个最小面积，取剩余光斑面积的平均值S_avg；设第m个光斑的光斑面积为S_m，根据公式(4)对所有光斑进行遍历，判断各光斑是否为LED：

其中，ε表示设定的计算允许的误差面积，P_LED，m＝1表示第m个光斑为尾灯LED，反之为噪声光斑；

令尾灯LED阵列最外侧的定位LED的光斑中，左上角、右上角及左下角的光斑坐标分别表示为(x_ulc,y_ulc)、(x_urc,y_urc)、(x_llc,y_ullc)，根据以上三个定位LED光斑的坐标信息，计算传信LED光斑间间隔平均值d_avg：

其中，k为传信LED阵列的行数或列数；

令i表示传信LED的行号，j表示传信LED的列号，且1≤i，j≤k，k为传信LED阵列的行数、列数；根据各LED光斑位置及传信LED光斑间间隔平均值d_avg预估各传信LED光斑的中心位置(x_i，y_j)。

所述的图像处理模块根据式(6)判断各传信LED亮灭状态：

其中，(x₁，y₁)为预估的第1行第1列传信LED的中心点；δ为设定的计算允许的误差单位，S_LED，ij为1则LED(i，j)状态为亮，表示“1”，反之为灭，表示“0”，由此可获得传信LED阵列中各个传信LED携带的“0”、“1”信息，得到传信LED阵列状态矩阵。

本发明发射机对转向、速度、加速度、发动机转速和刹车等汽车行驶安全信息进行编码处理及OFDM调制，并将调制后的数据映射到指定波长的LED阵列进行传输。接收机采用窄带滤波相机捕获光信号，通过边缘检测算法检测出LED阵列位置，再采用光斑检测等图像处理技术，获得LED阵列中各个LED灯携带的信息，并对LED携带信息进行解调解码处理，得到前车行驶安全信息。本发明的车对车通信系统采用光信号完成车辆间信息的交互，无射频干扰且绿色环保。同时结合OFDM技术及图像处理技术，能够实现高效可靠的信息实时传递，有助于减少交通事故。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的总体结构框图。

图2为车对车通信系统中ACO-OFDM调制模块流程图。

图3为车对车通信系统中ACO-OFDM解调模块流程图。

图4为图像处理流程图。

具体实施方式

本发明提供一种基于OCC的车对车通信系统发射机和接收机，该系统采用汽车尾灯LED阵列发送光信号、CMOS图像传感器作为光电检测器件接收光信号实现车与车之间的通信，能够实时传递汽车行驶安全信息，实现对后车的安全预警，降低交通事故的发生。

如图1所示，本发明的基于OCC的车对车通信系统包括发射机和接收机，采用OFDM及图像处理技术完成对汽车行驶安全信息的调制解调，实现前后车辆间实时信息传递。

所述的发射机包括汽车行驶安全信息采集模块、编码模块、调制模块、驱动电路以及尾灯LED阵列；所述的尾灯LED阵列的边缘四周LED作为定位LED，中间部分的k×kLED阵列作为传信LED阵列；定位LED以特定的格式点亮，以便确定传信LED阵列的起始位置；调制模块采用ACO-OFDM调制技术对汽车行驶安全信息编码后的数据进行调制并通过规格为k×k的传信LED阵列并行发出。LED阵列采用808nm光波波段。发射机执行的步骤如下：

步骤1)汽车行驶安全信息采集模块采集汽车转向、速度、加速度、发动机转速、刹车等需要传输的汽车行驶安全信息数据，将这些汽车行驶安全信息数据以指定的数据帧格式转化成二进制数据码流送入编码模块。

步骤2)编码模块采用(u，ρ，γ)低密度奇偶校验码(Low-density Parity-check，LDPC)对输入的二进制数据码流进行编码，其中u为编码的码长，ρ和γ分别为校验矩阵的列重及行重，LDPC编码的码率为

将编码后的数据送入调制模块。

步骤3)如图2所示，调制模块对编码后的数据进行ACO-OFDM调制，调制过程如下：

(1)对编码后的数据进行串并变换，之后进行M-QAM(多进制正交幅度调制)映射得到多个复数，将这多个复数表示为复数向量X_QAM＝[X₀，X₁，...，X_N-1]；N为映射后QAM符号的码长，且

(2)对复数向量X_QAM进行处理，使其满足Hermitian对称变换。由于ACO-OFDM只在奇载波上传输信息，偶载波上数据为0，需对X_QAM进行奇载波分配及共轭对称操作，变换后的频域信号表示为X＝[0，X₀，0，X₁，...，0，X_N-1，0，X^* _N-1，0，X^* _N-2，...，0，X^* ₀]，*表示复数共轭，即X＝[X₀，X₁，X₂，...，X_4N-2，X_4N-1]；

(3)对频域信号X进行IFFT变换，得到长度为4N的时域信号x＝[x₀，x₁，x₂，...，x_4N-2，x_4N-1]；

(4)对时域信号x进行如下零值限幅操作得到非负限幅信号x'：

由于频域信号X满足共轭对称，即：

X_k＝X^* _4N-k 0＜k＜2N  (2)

可知时域信号x为实数且满足反对称特性，如下式；

即时域信号x的正数部分与负数部分具有反对称性，因此零值限幅过程不会引起信息丢失或造成奇载波信号畸变，仅降低奇载波幅度为原来一半；

(5)对得到的非负限幅时域信号x'进行并串变换，之后在非负限幅时域信号x'前加入循环前缀，得到OFDM信号，OFDM符号周期由加入循环前缀之前的T扩展为T+T_g，T_g一般取值为

(6)将OFDM信号幅值编码转化，分成2^t级幅度范围，每个分别用t个传信LED的亮灭状态表OFDM信号的幅值级数示，得到空间调制后的OFDM信号；则k×k的传信LED阵列每次可以传输

个OFDM信号，k为传信LED阵列的行(列)数。

步骤4)将调制后的OFDM信号传入驱动电路，驱动电路驱动波长为808nm的传信LED阵列，将本车行驶安全信息发往后方车辆。

所述的接收机包括窄带滤波相机、图像处理模块、解调模块以及解码模块，对接收到的光信号进行解调解码获得原始数据信息后发往汽车CPU，以供汽车高级驾驶辅助系统处理分析。通过在相机镜头前配置808nm光学滤片组成窄带滤波相机，消除投射到CMOS图像传感器上的杂光。接收机执行的步骤如下：

步骤1)将窄带滤波相机拍摄到的图片送入图像处理模块。

步骤2)如图4所示，图像处理模块对拍摄到的图像进行处理获得LED阵列亮灭状态信息，步骤如下：

(1)将窄带滤波相机获得的RGB图片转化为灰度值图像，之后通过自适应阈值算法对灰度值图像进行处理，获得二值图像；

(2)利用边缘检测算法，检测出二值图像中的LED阵列；由于窄带滤波相机只接收固定波段的光，则二值图像中仅有光斑及光点，无法判断LED阵列边缘，通过以特定格式点亮定位LED，可以确定传信LED阵列的起始位置；检测出尾灯LED阵列后，将尾灯LED阵列区域从二值图像中分割出来进行处理；

(3)检测步骤(2)中尾灯LED阵列区域内所有光斑；采用DOH(Determinant ofHessian)光斑检测算法，通过在图像的Hessian行列式矩阵中查找最大值来快速检测光斑，并获得光斑的面积和位置信息；

检测到尾灯LED阵列区域内所有光斑后，需去除非LED光斑，降低噪声干扰，由于随车辆间距离变化，单个LED占用的像素面积不同，需对检测到光斑面积进行处理；去掉检测到光斑中三个最大面积和三个最小面积，取剩余光斑面积的平均值S_avg；设第m个光斑的光斑面积为S_m，根据公式(4)对所有光斑进行遍历，判断各光斑是否为尾灯LED：

其中，ε表示设定的计算允许的误差面积，P_LED，m＝1表示第m个光斑为尾灯LED，反之为噪声光斑；

令尾灯LED阵列最外侧的定位LED光斑中，左上角、右上角及左下角的光斑坐标分别表示为(x_ulc,y_ulc)、(x_urc,y_urc)、(x_llc,y_ullc)，根据以上三个定位LED光斑的坐标信息，计算传信LED光斑间间隔平均值d_avg：

其中，k为传信LED阵列的行(列)数；

令i表示传信LED的行号，j表示传信LED的列号，且1≤i，j≤k，k为传信LED阵列的行(列)数；根据各LED光斑位置及传信LED光斑间间隔平均值d_avg预估各传信LED的中心位置(x_i，y_j)，根据式(6)判断各传信LED亮灭状态：

其中，(x₁，y₁)为预估的第1行第1列传信LED的中心点；δ为设定的计算允许的误差单位，S_LED，ij为1则LED(i，j)状态为亮，表示“1”，反之为灭，表示“0”，由此可获得传信LED阵列中各个传信LED携带的“0”、“1”信息，得到传信LED阵列状态矩阵，并将其转化为数据流送入解调模块。

步骤3)如图3所示，解调模块对输入的数据流进行解调，步骤如下：

(1)将代表传信LED阵列亮灭状态的数据流转化为OFDM信号；

(2)对步骤(1)得到OFDM信号进行串并变换，之后去除循环前缀，得到时域信号y；

(3)对时域信号y进行FFT操作，得到频域信号Y，将频域信号Y在奇载波和偶载波上的信息分别表示为Y_odd和Y_even，则：

(4)提取频域信号Y奇载波上的信息Y_odd(2k+1)得到原始复数信号Y_QAM：

Y_QAM＝2Y_odd(2k+1)，k＝0，...，N-1  (8)

(5)对原始复数信号Y_QAM进行M-QAM逆映射恢复出编码模块编码后的数据，将恢复出的编码后的数据并串变换后送入解码模块；

步骤4)解码模块对解调后的数据进行前向纠错并解码获得前方车辆行驶安全信息，将获得的行驶安全信息发往汽车CPU，以供汽车高级驾驶辅助系统处理分析。

Claims (9)

1.一种基于OCC的车对车通信系统发射机，其特征在于包括汽车行驶安全信息采集模块、编码模块、调制模块、驱动电路以及尾灯LED阵列；所述尾灯LED阵列中包含传信LED阵列和定位LED；

所述的汽车行驶安全信息采集模块采集汽车行驶安全信息数据，将这些数据转化成二进制数据码流送入编码模块；

所述的编码模块采用低密度奇偶校验码对输入的二进制数据码流进行编码，码长为u，并将编码后的数据送入调制模块；

所述的调制模块对编码后的数据进行ACO-OFDM调制及空间调制，得到空间调制后的OFDM信号，调制方法如下：

(1)对编码后的数据进行串并变换，之后进行M-QAM映射得到多个复数，将这多个复数表示为复数向量X_QAM＝[X₀，X₁，...，X_N-1]，N为映射后QAM符号的码长；

(2)对复数向量X_QAM进行奇载波分配及共轭对称操作处理得到变换后的频域信号X＝[X₀，X₁，X₂，...，X_4N-2，X_4N-1]；

(3)对频域信号X进行IFFT变换，得到时域信号x＝[x₀，x₁，x₂，...，x_4N-2，x_4N-1]；

(4)对时域信号x进行如下零值限幅操作得到非负限幅信号x'：

(5)对得到的x'进行并串变换，之后在非负限幅时域信号x'前加入循环前缀，得到OFDM信号；

(6)将OFDM信号幅值编码转化，分成2^t级幅度范围，每个OFDM信号的幅值级数分别用t个传信LED的亮灭状态表示，得到空间调制后的OFDM信号并传入驱动电路；

所述的驱动电路用于驱动传信LED阵列，将本车行驶安全信息发往后方车辆。

2.根据权利要求1所述的基于OCC的车对车通信系统发射机，其特征在于所述尾灯LED阵列的边缘四周LED作为定位LED，中间部分的k×k LED阵列作为传信LED阵列；并且定位LED的点亮格式不同于传信LED阵列；k为传信LED阵列的行数或列数。

3.根据权利要求1所述的基于OCC的车对车通信系统发射机，其特征在于所述的汽车行驶安全信息包括汽车转向、速度、加速度、发动机转速和刹车信息。

4.根据权利要求1所述的基于OCC的车对车通信系统发射机，其特征在于所述的非负限幅时域信号x'加入循环前缀后得到OFDM信号，OFDM信号的符号周期由加入循环前缀之前的T扩展为T+T_g，T_g取值为

5.根据权利要求2所述的基于OCC的车对车通信系统发射机，其特征在于所述的传信LED阵列发射的光波波长为808nm。

6.一种基于OCC的车对车通信系统接收机，其特征在于包括窄带滤波相机、图像处理模块、解调模块以及解码模块；

所述的窄带滤波相机通过在相机镜头前配置808nm光学滤片消除投射到CMOS图像传感器上的杂光，将拍摄到的图像送入图像处理模块；

所述的图像处理模块对拍摄到的图像进行处理获得传信LED阵列亮灭状态信息，处理方法如下：

(1)将窄带滤波相机获得的RGB图像转化为灰度值图像，之后通过自适应阈值算法对灰度值图像进行处理，获得二值图像；

(2)利用边缘检测算法检测出二值图像中尾灯LED阵列的位置，并将尾灯LED阵列区域从二值图像中分割出来；

(3)检测尾灯LED阵列区域中所有LED光斑的位置；判断各个传信LED的亮灭状态，将代表各传信LED的亮灭状态信息的数据流送入解调模块；

所述的解调模块对输入的数据流进行解调，方法如下：

(1)将代表各传信LED亮灭状态信息的数据流转化为OFDM信号；

(2)对步骤(1)得到OFDM信号进行串并变换得到时域信号y；

(3)对时域信号y进行FFT操作，得到频域信号Y，将频域信号Y在奇载波和偶载波上的信息分别表示为Y_odd和Y_even，则：

其中N为映射后QAM符号的码长；

(4)提取频域信号Y奇载波上的信息Y_odd(2k+1)得到原始复数信号Y_QAM：

Y_QAM＝2Y_odd(2k+1)，k＝0，...，N-1    (8)

(5)对原始复数信号Y_QAM进行M-QAM逆映射恢复出编码模块编码后的数据，将恢复出的编码后的数据并串变换后送入解码模块；

所述的解码模块对解调后的数据进行前向纠错并解码获得前方车辆行驶安全信息。

7.根据权利要求6所述的基于OCC的车对车通信系统接收机，其特征在于所述的图像处理模块检测出尾灯LED阵列后，将尾灯LED阵列区域从二值图像中分割出来，并通过定位LED确定传信LED阵列的起始位置。

8.根据权利要求7所述的基于OCC的车对车通信系统接收机，其特征在于所述的图像处理模块，尾灯LED阵列区域中光斑位置检测方法如下：去掉检测到光斑中三个最大面积和三个最小面积，取剩余光斑面积的平均值S_avg；设第m个光斑的光斑面积为S_m，根据公式(4)对所有光斑进行遍历，判断各光斑是否为LED：

其中，ε表示设定的计算允许的误差面积，P_LED，m＝1表示第m个光斑为尾灯LED，反之为噪声光斑；

令尾灯LED阵列最外侧的定位LED的光斑中，左上角、右上角及左下角的光斑坐标分别表示为(x_ulc,y_ulc)、(x_urc,y_urc)、(x_llc,y_ullc)，根据以上三个定位LED光斑的坐标信息，计算传信LED光斑间间隔平均值d_avg：

其中，k为传信LED阵列的行数或列数；

令i表示传信LED的行号，j表示传信LED的列号，且1≤i，j≤k，k为传信LED阵列的行数、列数；根据各LED光斑位置及传信LED光斑间间隔平均值d_avg预估各传信LED光斑的中心位置(x_i，y_j)。

9.根据权利要求8所述的基于OCC的车对车通信系统接收机，其特征在于所述的图像处理模块根据式(6)判断各传信LED亮灭状态：

其中，(x₁，y₁)为预估的第1行第1列传信LED的中心点；δ为设定的计算允许的误差单位，S_LED，ij为1则LED(i，j)状态为亮，表示“1”，反之为灭，表示“0”，由此可获得传信LED阵列中各个传信LED携带的“0”、“1”信息，得到传信LED阵列状态矩阵。

Images