CN113162687B - 基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种室内可见光通信技术领域，是一种基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统，前者包括发射模块、中继单元和接收单元；发射端包括多个发射模块；发射模块包括多个发射模块，每个发射模块发射携带数据流的光波束。本发明实现了基于定向及非定向光波束的单工室内可见光协作通信，避免了复杂度过高的设计，设置发射端实现定向光波束的发射，且通过引入中继技术，避免了室内可见光通信过程中由于遮挡等因素，导致通信链路出现中断的问题，同时通过中继端选择光功率最大的携带数据流的光波束，调制发射对应的非定向宽光波束，使得接收端接收到最强光波束，保证用户通信的稳定。

Description

基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统

技术领域

本发明涉及一种室内可见光通信技术领域，是一种基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统。

背景技术

可见光通信技术是将需要传输的信息用编码调制的方法加载到LED的驱动电流上，使LED以极高的频率闪烁，使用光敏器件可以对这种高频闪烁进行检测并将其还原为要传输的信息，从而通过LED实现了信息传输。

现有LED室内可见光通信系统采用LED光源作为发射端，发射端发射的光信号直接照射到接收端，但LED光源作为发射端的发光面均比较窄，所发出的光信号功率大部分集中在发射端正下方，由于接收端的位置并不固定，故远离发射端正下方的用户则无法获得足够强度的光信号，因而影响通信质量；同时若有物体遮挡发射端发射的光信号，则易使光通信链路产生中断，因而影响通信的稳定性。

发明内容

本发明提供了一种基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有室内可见光协作通信系统存在的光信号功率大部分集中在发射端正下方，远离发射端正下方的用户无法获得足够强度的光信号的问题。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统，包括设置在发射端的发射单元和发射反馈单元二、设置在中继端的中继单元、发射反馈单元一和中继反馈单元二、设置在接收端的接收单元和中继反馈单元一；

发射单元包括多个发射模块，每个发射模块发射携带数据流的光波束，其中携带数据流的光波束为定向窄波束；

发射反馈单元一与发射反馈单元二配合，获得信号强度最大的携带数据流的光波束，并将其对应的数据流输入至发射单元；

中继单元接收携带数据流的光波束，对其进行放大滤波后输出携带已调数据流的光波束，其中携带已调数据流的光波束为非定向宽光波束；

中继反馈单元一与中继反馈单元二配合，获得信号强度最大的携带已调数据流的光波束，并将其对应的已调数据流输入至中继单元；

接收单元，接收携带已调数据流的光波束，解调解码后获取数据流。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述发射模块包括编码调制器、直流偏置器、LED驱动器和LED发射器；

数据流经编码调制器编码调制后，经直流偏置器和LED驱动器发送至LED发射器，LED发射器发射携带数据流的光波束，其中携带数据流的光波束为定向窄波束。

上述中继单元包括中继放大模块和中继发射模块；

中继放大模块包括前置滤波器、光放大器和后置滤波器；前置滤波器滤除携带数据流的光波束中的背景辐射干扰，光放大器对携带数据流的光波束进行放大，后置滤波器滤除经光放大器产生的干扰，输出携带已调数据流的光波束；

中继发射模块包括光电探测器、编码调制器、驱动电路和光发射器；光电探测器接收携带已调数据流的光波束，并转化为数字信号，编码调制器对数字信号进行编码调制，并加载至驱动电路，驱动电路确定光发射器发射携带已调数据流的光波束。

上述接收单元包括透镜、光电二极管、滤波器和解调解码器；

透镜对携带已调数据流的光波束进行会聚，光电探测器接收携带已调数据流的光波束，输出已调数据流，已调数据流经滤波器进行滤波，滤波后的已调数据流通过解调解码器进行解调解码，获得数据流。

上述发射反馈单元一和中继反馈单元一的结构相同，其中发射反馈单元一包括光电探测器、比较器、数模转化器、调制器和发射天线，光电探测器接收多个光波束，并转化为对应的电信号，经比较器选出信号最强的电信号，信号最强的电信号由数模转化器和调制器进行数模转换及调制后，通过发射天线发射至发射反馈单元二；所述射反馈单元二和中继反馈单元二的结构相同，其中发射反馈单元二包括接收天线、模数转换器、解调器和放大器，接收天线接收发射反馈单元一发射的信号最强的电信号，经模数转换器、解调器和放大器进行模数转换、解调、放大后，发送至各个发射模块。

上述还包括设置在中继端上的调制逆反射器，发射单元发射的光波束经调制逆反射器后一部分又反馈至发射单元，调制逆反射器包括光调制器和光学逆反射器，光调制器和光学逆反射器依次连接。

本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统方法，包括：

发射单元发射携带数据流的光波束，发射反馈单元一与发射反馈单元二配合，获得信号强度最大的携带数据流的光波束，并将其对应的数据流输入至发射单元，使得发射单元发射信号强度最大的携带数据流的光波束，其中携带数据流的光波束为定向窄波束；

中继单元接收携带数据流的光波束，对其进行放大滤波后输出携带已调数据流的光波束，中继反馈单元一与中继反馈单元二配合，获得信号强度最大的携带已调数据流的光波束，并将其对应的已调数据流输入至中继单元，使得中继单元发射强度最大的携带已调数据流的光波束，其中携带已调数据流的光波束为非定向宽光波束；

接收单元接收携带已调数据流的光波束，解调解码后获得数据流。

本发明实现了基于定向及非定向光波束的单工室内可见光协作通信，避免了复杂度过高的设计，设置发射单元实现定向光波束的发射，且通过引入中继技术，避免了室内可见光通信过程中由于遮挡等因素，导致通信链路出现中断的问题，同时通过中继单元选择信号强度最大的携带数据流的光波束，调制发射对应的非定向宽光波束，使得接收单元接收到最强光波束，保证用户通信的稳定。

附图说明

附图1为本发明实施例1的结构示意图。

附图2为本发明实施例2中发射模块的结构示意图。

附图3为本发明实施例3中中继单元的结构示意图。

附图4为本发明实施例4中接收单元的结构示意图。

附图5为本发明实施例5中发射反馈单元一的结构示意图。

附图6为本发明实施例5中发射反馈单元二的结构示意图。

附图7为本发明实施例6中调制逆反射器的工作示意图。

附图8为本发明实施例6中调制逆反射器的结构示意图。

附图9为本发明实施例7的通信流程图。

附图10为本发明实施例8中单工模式下单个发射单元且中继发射模块为台灯时的一种通信示意图。

附图11为本发明实施例8中单工模式下单个发射单元且中继发射模块为落地灯时的一种通信示意图。

附图12为本发明实施例9中单工模式下两个发射单元且中继发射模块为台灯时的一种通信示意图。

附图13为本发明实施例9中单工模式下两个发射单元且中继发射模块为落地灯时的一种通信示意图。

附图14为本发明实施例8中单工模式下单个发射单元且中继发射模块为台灯时的又一种通信示意图。

附图15为本发明实施例8中单工模式下单个发射单元且中继发射模块为落地灯时的又一种通信示意图。

附图16为本发明实施例9中单工模式下两个发射单元且中继发射模块为台灯时的又一种通信示意图。

附图17为本发明实施例9中单工模式下两个发射单元且中继发射模块为落地灯时的又一种通信示意图。

附图18为本发明实施例10中双工模式下一个发射单元且中继发射模块为台灯时的一种通信示意图。

附图中1为发射模块，2为中继单元，3为接收单元，4为朗伯波束，5为发射/接收天线，6为非朗伯波束，7为吸顶天线，8为调制逆反射器。

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：

实施例1：如附图1所示，本实施例公开了一种基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统，包括设置在发射端的发射单元和发射反馈单元二、设置在中继端的中继单元、发射反馈单元一和中继反馈单元二、设置在接收端的接收单元和中继反馈单元一；

发射单元包括多个发射模块，每个发射模块发射携带数据流的光波束，其中携带数据流的光波束为定向窄波束；

发射反馈单元一与发射反馈单元二配合，获得信号强度最大的携带数据流的光波束，并将其对应的数据流输入至发射单元；

中继单元接收携带数据流的光波束，对其进行放大滤波后输出携带已调数据流的光波束，其中携带已调数据流的光波束为非定向宽光波束；

中继反馈单元一与中继反馈单元二配合，获得信号强度最大的携带已调数据流的光波束，并将其对应的已调数据流输入至中继单元；

接收单元，接收携带已调数据流的光波束，解调解码后获取数据流。

上述技术方案中发射单元发射定向窄波束，可为蜂窝状半球型的多角度分集发射器，发射模块有多个，均可设置多角度分集发射器的下端面。这里设置多个发射模块，使得光波束的覆盖范围尽可能的扩大。发射反馈单元一与发射反馈单元二配合，选择出信号强度最大的携带数据流的光波束，再由发射单元发射多个信号强度最大的携带数据流的光波束，从而保证中继单元接收到的光波束的信号强度，进一步保证通信的正常稳定。

在室内可见光无线通信系统中，由于照明的需要、房间的大小、室内设施分布等原因，会存在遮挡导致通信链路出现中断的问题，因而要达到最佳的通信效果，本发明实施例引入中继技术，设置中继单元，中继单元获取携带数据流的光波束，并采用放大前传的方式发送发射携带已调数据流的非定向宽光波束，使得接收单元即能避开遮挡物，也能接收到信号较强的光波束至接收单元。同时通过中继反馈单元一与中继反馈单元二配合，获得信号强度最大的携带已调数据流的光波束，再由中继单元发射多个信号强度最大的携带已调数据流的光波束，从而保证接收单元接收到的光波束的信号强度，进一步保证通信的正常稳定。

本发明实施例实现了基于定向及非定向光波束的单工室内可见光协作通信，避免了复杂度过高的设计，设置发射单元实现定向光波束的发射，且通过引入中继技术，避免了室内可见光通信过程中由于遮挡等因素，导致通信链路出现中断的问题，同时通过中继单元获得携带数据流的光波束，调制发射对应的非定向宽光波束，使得接收单元接收到稳定的光波束，从而保证用户通信的稳定。

实施例2：如附图2所示，本实施例公开了一种基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统，其中发射模块进一步包括发射模块包括编码调制器、直流偏置器、LED驱动器和LED发射器；

数据流经编码调制器编码调制后，经直流偏置器和LED驱动器发送至LED发射器，LED发射器发射携带数据流的光波束，其中携带数据流的光波束为定向窄波束。

上述技术方案中编码调制器对数据流进行调制，调制方式可以根据实际需要采用OOK或PPM方式；LED驱动对调制后数据流的功率进行放大，由LED发射器发射携带数据流的光波束。发射单元中各个发射模块的发射角度不同，故通过上述技术方案发射单元发射不同辐射角度的携带数据流的光波束。

实施例3：如附图3所示，本实施例公开了一种基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统，其中中继单元进一步中继单元包括中继放大模块和中继发射模块；

中继放大模块包括前置滤波器、光放大器和后置滤波器；前置滤波器滤除携带数据流的光波束中的背景辐射干扰，光放大器对携带数据流的光波束进行放大，后置滤波器滤除经光放大器产生的干扰，输出携带已调数据流的光波束；

中继发射模块包括光电探测器、编码调制器、驱动电路和光发射器；光电探测器接收携带已调数据流的光波束，并转化为数字信号，编码调制器对数字信号进行编码调制，并加载至驱动电路，驱动电路确定光发射器发射携带已调数据流的光波束。

实施例4：如附图4所示，本实施例公开了一种基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统，其中接收单元包括透镜、光电二极管、滤波器和解调解码器；

透镜对携带已调数据流的光波束进行会聚，光电探测器接收携带已调数据流的光波束，输出已调数据流，已调数据流经滤波器进行滤波，滤波后的已调数据流通过解调解码器进行解调解码，获得数据流。

实施例5：如附图5、6所示，本实施例公开了一种基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统，其中发射反馈单元一和中继反馈单元一的结构相同，其中发射反馈单元一包括光电探测器、比较器、数模转化器、调制器和发射天线，光电探测器接收多个光波束，并转化为对应的电信号，经比较器选出信号最强的电信号，信号最强的电信号由数模转化器和调制器进行数模转换及调制后，通过发射天线发射至发射反馈单元二；射反馈单元二和中继反馈单元二的结构相同，其中发射反馈单元二包括接收天线、模数转换器、解调器和放大器，接收天线接收发射反馈单元一发射的信号最强的电信号，经模数转换器、解调器和放大器进行模数转换、解调、放大后，发送至各个发射模块。

上述技术方案中发射反馈单元一与发射反馈单元二配合完成发射端的信号选择，使得保证位于各个位置的中继单元均可接收到信号良好的携带数据流的光波束，发射反馈单元二的接收天线可为吸顶天线；中继反馈单元一与中继反馈单元二配合配合完成中继端的信号选择，使得接收单元能接收到信号更加稳定的携带已调数据流的光波束，保证通信的稳定。

实施例6：如附图7、8所示，本实施例公开了一种基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统，其中还包括设置在中继端的调制逆反射器，发射单元发射的光波束经调制逆反射器后一部分又反馈至发射单元，调制逆反射器包括光调制器和光学逆反射器，光调制器和光学逆反射器依次连接。

上述技术方案中调制逆反射器设置在中继端，用于本发明的双工通信。

实施例7：如附图9所示，本实施例公开了一种基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统方法，包括：

S101，发射单元发射携带数据流的光波束，发射反馈单元一与发射反馈单元二配合，获得信号强度最大的携带数据流的光波束，并将其对应的数据流输入至发射单元，使得发射单元发射信号强度最大的携带数据流的光波束，其中携带数据流的光波束为定向窄波束；

S102，中继单元接收携带数据流的光波束，对其进行放大滤波后输出携带已调数据流的光波束，中继反馈单元一与中继反馈单元二配合，获得信号强度最大的携带已调数据流的光波束，并将其对应的已调数据流输入至中继单元，使得中继单元发射强度最大的携带已调数据流的光波束，其中携带已调数据流的光波束为非定向宽光波束；

S103，接收单元接收携带已调数据流的光波束，解调解码后获得数据流。

实施例8：单工通信时，具体通信结构可如下所示：如附图10、11所示，为设置有单个发射单元和单个中继单元（中继发射模块为台灯或落地灯）时的室内可见光协作通信过程，发射单元到中继单元发射朗伯波束（发射朗伯波束时无需进行反馈），中继单元到接收单元发射非朗伯波束（发射非朗伯波束时需进行反馈）；如附图14、15所示，为设置有单个发射单元和单个中继单元（中继发射模块为台灯或落地灯）时的室内可见光协作通信过程，发射模块到中继单元发射非朗伯波束，中继单元到接收单元发射非朗伯波束。

实施例9：单工通信时，具体通信结构可如下所示：如附图12、13所示，为单工模式下设置有两个发射单元和单个中继单元（中继发射模块为台灯或落地灯）时的室内可见光协作通信过程，发射单元到中继单元发射朗伯波束，中继单元到接收单元发射非朗伯波束；如附图16、17所示，设置有两个发射单元和单个中继端（中继发射模块为台灯或落地灯）时的室内可见光协作通信过程，发射单元到中继单元发射非朗伯波束，中继单元到接收单元发射非朗伯波束。

实施例10：双工通信时，具体通信结构可如下所示：如附图18所示，为双工模式下设置有单个发射单元和单个中继单元（中继发射模块为台灯）时的室内可见光协作通信过程，发射单元到中继单元发射非朗伯波束，中继单元到接收单元发射非朗伯波束。

以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，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。具体反馈链路与实施例7相同，故不再赘述。

Claims (10)

1.一种基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统，其特征在于，包括设置在发射端的发射单元和发射反馈单元二、设置在中继端的中继单元、发射反馈单元一和中继反馈单元二、设置在接收端的接收单元和中继反馈单元一；

发射单元包括多个发射模块，每个发射模块发射携带数据流的光波束，其中携带数据流的光波束为定向窄波束；

发射反馈单元一与发射反馈单元二配合，获得信号强度最大的携带数据流的光波束，并将其对应的数据流输入至发射单元；

中继单元接收携带数据流的光波束，对其进行放大滤波后输出携带已调数据流的光波束，其中携带已调数据流的光波束为非定向宽光波束；

中继反馈单元一与中继反馈单元二配合，获得信号强度最大的携带已调数据流的光波束，并将其对应的已调数据流输入至中继单元；

接收单元，接收携带已调数据流的光波束，解调解码后获取数据流。

2.根据权利要求1所述的基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统，其特征在于，所述发射模块包括编码调制器、直流偏置器、LED驱动器和LED发射器；

数据流经编码调制器编码调制后，经直流偏置器和LED驱动器发送至LED发射器，LED发射器发射携带数据流的光波束，其中携带数据流的光波束为定向窄波束。

3.根据权利要求1或2所述的基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统，其特征在于，所述中继单元包括中继放大模块和中继发射模块；

中继放大模块包括前置滤波器、光放大器和后置滤波器；前置滤波器滤除携带数据流的光波束中的背景辐射干扰，光放大器对携带数据流的光波束进行放大，后置滤波器滤除经光放大器产生的干扰，输出携带已调数据流的光波束；

中继发射模块包括光电探测器、编码调制器、驱动电路和光发射器；光电探测器接收携带已调数据流的光波束，并转化为数字信号，编码调制器对数字信号进行编码调制，并加载至驱动电路，驱动电路确定光发射器发射携带已调数据流的光波束。

4.根据权利要求1或2所述的基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统，其特征在于，所述接收单元包括透镜、光电二极管、滤波器和解调解码器；

透镜对携带已调数据流的光波束进行会聚，光电探测器接收携带已调数据流的光波束，输出已调数据流，已调数据流经滤波器进行滤波，滤波后的已调数据流通过解调解码器进行解调解码，获得数据流。

5.根据权利要求3所述的基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统，其特征在于，所述接收单元包括透镜、光电二极管、滤波器和解调解码器；

透镜对携带已调数据流的光波束进行会聚，光电探测器接收携带已调数据流的光波束，输出已调数据流，已调数据流经滤波器进行滤波，滤波后的已调数据流通过解调解码器进行解调解码，获得数据流。

6.根据权利要求1或2或5所述的基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统，其特征在于，所述发射反馈单元一和中继反馈单元一的结构相同，其中发射反馈单元一包括光电探测器、比较器、数模转化器、调制器和发射天线，光电探测器接收多个光波束，并转化为对应的电信号，经比较器选出信号最强的电信号，信号最强的电信号由数模转化器和调制器进行数模转换及调制后，通过发射天线发射至发射反馈单元二；所述发射反馈单元二和中继反馈单元二的结构相同，其中发射反馈单元二包括接收天线、模数转换器、解调器和放大器，接收天线接收发射反馈单元一发射的信号最强的电信号，经模数转换器、解调器和放大器进行模数转换、解调、放大后，发送至各个发射模块。

7.根据权利要求3或4所述的基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统，其特征在于，所述发射反馈单元一和中继反馈单元一的结构相同，其中发射反馈单元一包括光电探测器、比较器、数模转化器、调制器和发射天线，光电探测器接收多个光波束，并转化为对应的电信号，经比较器选出信号最强的电信号，信号最强的电信号由数模转化器和调制器进行数模转换及调制后，通过发射天线发射至发射反馈单元二；所述射反馈单元二和中继反馈单元二的结构相同，其中发射反馈单元二包括接收天线、模数转换器、解调器和放大器，接收天线接收发射反馈单元一发射的信号最强的电信号，经模数转换器、解调器和放大器进行模数转换、解调、放大后，发送至各个发射模块。

8.根据权利要求1或2或5所述的基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统，其特征在于，还包括设置在中继端上的调制逆反射器，发射单元发射的光波束经调制逆反射器后一部分又反馈至发射单元，调制逆反射器包括光调制器和光学逆反射器，光调制器和光学逆反射器依次连接。

9.根据权利要求3或4或6或7所述的基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统，其特征在于，还包括设置在中继端上的调制逆反射器，发射单元发射的光波束经调制逆反射器后一部分又反馈至发射单元，调制逆反射器包括光调制器和光学逆反射器，光调制器和光学逆反射器依次连接。

10.一种基于定向及非定向光波束的可见光协作通信系统，其特征在于，包括：

发射单元发射携带数据流的光波束，发射反馈单元一与发射反馈单元二配合，获得信号强度最大的携带数据流的光波束，并将其对应的数据流输入至发射单元，使得发射单元发射信号强度最大的携带数据流的光波束，其中携带数据流的光波束为定向窄波束；

中继单元接收携带数据流的光波束，对其进行放大滤波后输出携带已调数据流的光波束，中继反馈单元一与中继反馈单元二配合，获得信号强度最大的携带已调数据流的光波束，并将其对应的已调数据流输入至中继单元，使得中继单元发射强度最大的携带已调数据流的光波束，其中携带已调数据流的光波束为非定向宽光波束；

接收单元接收携带已调数据流的光波束，解调解码后获得数据流。

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