可见光空分多址多路通信系统

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可见光空分多址多路通信系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于光无线通信领域，是一种实现分布式或阵列式可见光LED照明系统与具有光电探测器阵列的固定或便携设备之间进行多址多路通信的一种方法。\n背景技术\n[0002] 可见光LED已经广泛使用在户外大型广告屏、室内信息发布屏，以及交通信号灯、车灯、照明灯等领域。在当前节能环保要求的推动下，LED半导体照明由于其高亮度、高可靠性、低功耗和长寿命的特点，将逐步取代白炽灯和荧光灯进入实际应用并将大范围普及，特别是在办公楼宇、住宅以及智能交通领域。根据这种发展以及当前信息社会对各种通信数据高速传输的需求，利用半导体LED在照明的同时实现室内(包括车内)/室外的实际无线通信网络的可行性研究正在许多相关企业进行，可见光LED通信与无线传感网络、WLAN(无线局域网)以及电力线通信系统相结合的合适途径也在探讨中。已经可以证实这种通信方式将是未来可选的短距超宽带通信方式之一。\n[0003] 实现可见光LED通信的基本原理是以传送数据对LED所发光进行某种调制，比如PWM(脉冲宽度调制)、PPM(脉冲位置/频率调制)或者PAM(脉冲幅度调制)。这种调制的光能量通过空间信道传输并被目标装置上的光电探测器(传感器)接收，光电探测器将光信号转换为电信号后经过后续处理再解调出所发送的数据。这种装置可以是特定的，比如安装在汽车上或房间里的光接收器，也可以是在设计上附加有这种功能的普通便携设备，如手机、数码相机、笔记本电脑等。\n[0004] 如同RF(射频)、IR(红外)无线通信一样，可见光通信同样面临着一些问题，比如光信道上存在的阴影、遮挡、反射，以及日常环境光的干扰等。但是这些问题随着研究的深入，均可得到很好的解决。\n[0005] 在论文“可见光通信与电力线通信的融合”(Integrated System of White LEDVisible-light Communication and Power-line Communication，Toshihiko Komine and MasaoNakagawa)中，作者提出了一种将当前照明布线改造为LED照明并实现通信的方式。在论文“LED可见光通信的基本分析”(Fundamental Analysis for Visible-Light CommunicationSystem using LED Lights)中，作者分析了多路可见光信道的反射和干扰特性。在论文“白光LED室内通信信道阴影研究”(A Study of Shadowing on Indoor Visible-light WirelessCommunication Utilizing Plural White LED Lighting)中，作者认为利用多个LED同时发射相同的信号可以改善阴影对通信性能的影响。\n[0006] 利用照明的LED实现与便携设备进行通信的系统设想中，已经存在多个专利申请，这些专利从不同的角度在不同的应用背景下提出了实现LED通信的一些详细的或含糊的方法。\n[0007] 专利200610151572“可见光通信系统及方法”提出了一种利用RGB三色LED发送数据进而提高数据传输速率的方法。\n[0008] 专利200580003881“可见光通信用的带照相机便携式终端”提出了一种将光电探测器与便携终端摄像头的探测器分置方案，由此可简便地实现可见光通信。\n[0009] 专利US 20050265731[Wireless Terminal for Carrying out Visible Light Short-RangeCommunication Using Camera Device]描述了一种利用数码相机摄像头的CCD(或CMOS)图像传感器及闪光灯(或LED)实现可见光通信的便携终端设备。在此专利文献中，提到了利用图像传感器特定的一个或多个探测单元接收单个LED信号，并给出了两个图例。此专利只针对接收终端，没有涉及到利用面阵图像传感器接收光信号时与所需要光学系统的关系，以及如何选择图像传感器上的探测单元、如何进行后续的信号处理等关键技术问题，也不涉及发射信号及接收信号的多路和多址问题。\n[0010] 根据未来可见光LED的应用场景及特点，分布式或阵列式LED将成为各个场合的主流应用方式，同时各种配备了摄像头的便携设备也会越来越多。利用各种LED作为信息发布系统，各种便携/移动终端作为接收系统，是一种简便的通信方式。类似无线局域网的构成，这里可以称一组LED为接入点，而便携终端构成网络中的节点。由此出发，本专利提出了一种主要针对这种系统的可以实现光空分多址多路的高速通信方式。\n发明内容\n[0011] 本发明的主要内容是一种可见光空分多址多路通信方式及由此组成的并行高速光通信系统。光空分多址的原理是：分布式(阵列式)可见光LED作为多路光信号发射系统的发射单元，成像光学系统和图像传感器(或特定的面阵传感器)作为接收系统前端的光电信号转换单元。不同空间位置上的发射光源，通过光学系统成像后，由于物与像的空间对应关系，它们在传感器上的响应像元(独立的光电探测器)也是不同的，因此通过特定的控制和信号处理将它们分别输出，就可以实现多址多路通信。这里多路的含义是通过多个光通道发送和接收属于同一用户的并行数据，这些数据流可以是不相同的但是关联的，也可以是为了提高分集增益进行不同或相同编码、调制过的相同的数据流信号；多址的含义是多个LED发送的数据流属于不同的用户、不同的终端，这些终端应该能够根据系统的设置区分各自所接收的信号。\n[0012] 本发明的系统组成主要有：分布式的可见光LED阵列及一个(或多个)光接收单元构成的无线接入点收发装置、一个或多个置有多元(面阵)光电传感器和发光LED作为光收发器的终端。接入点的可见光LED阵列由其控制系统控制承担下行发送数据的任务，接入点的光电探测单元由成像光学系统和图像传感器及处理电路组成，其任务是接收各个终端的上行光信号。通信可能只是终端的功能之一，终端的光信号接收系统主要由成像光学系统、图像传感器及相应的控制处理电路组成；终端的光发送系统主要由可见光LED和发送控制电路组成。\n[0013] 下行通信时，接入点和终端首先检查是否相互处于各自的视场之内。核实后，接入点处于不同空间位置的LED可以分别向多个视场内的终端、每个终端多路地发送光信号。\n发送信号的LED分配主要依据各接收终端之间的相对位置、LED的分布密度、接入点与终端的距离、终端图像传感器的分辨率、各信道质量评估结果以及不同终端对数据速率的要求。\n比如最基本的原则可以是就近分配，使通信视线不存在交叉。这种分配方案由接入点的接收机提供部分依据。接收机的成像系统可以确定各个终端的相对位置，依此首先划分LED的大概分配区域，使其不存在信道视线的交叉，然后根据双方的信息交互，最终确定LED的分配区域和参与数量，并可根据变化随时调整。\n[0014] 当接入点利用一组LED向一个终端传送多路数据时，串行的数据首先转换为并行的数据，各并行数据速率的大小根据信道估计的质量确定。数据经过相应的编码并形成携带同步信息以及LED身份信息的数据帧，经调制后发送。同样，当接入点利用另外一组LED向另外一个终端发送多路数据时，也经过这样的变换。\n[0015] 终端通过光电传感器阵列的各个光电探测像元接收接入点发送的光信号。接入点的发送LED与终端上的探测器之间的空间几何位置关系通过光学成像系统决定了每个发送LED和光电探测器上每个探测像元之间的对应关系。根据接入点与终端之间距离和角度(LED阵列平面与终端上成像平面之间的角度)的不同，一个LED可能的响应像元有多个。\n因此，终端的控制单元首先选择有效的响应像元(即LED照射到的像元)区域并进行抽样，然后将它们的信号合并成一路输出。这是对应一个LED的输出信号。而对应一个终端的多个并行LED信号输出，经过并-串转换后最终被合并成一个数据流。\n[0016] 下行通信时如果接入点和终端之间的相对位置发生移动，那么将导致发送端的LED单元和接收端的光电探测器响应像元之间对应关系发生变化。这种变化是在三维空间的变化，但最终体现可以看作是LED的在终端图像传感器上的成像位置转移和终端LED在接入点图像传感器上的位置转移。当LED的成像位置转移时，其响应像元的输出跟着转移，终端/接入点的控制器将识别并跟踪这种转移，及时切换数据流，保持其连续性。假定接入点收发器是固定的，接入点对终端移动的判别可以采用图像的运动匹配方法和对数据流中携带身份的识别进行确定。而终端对自身转移的判别首先可以利用内置的加速度传感器触发移动识别程序并估计移动的方向和量，然后根据LED阵列的图像运动或定位LED的光信号的移动进行精确匹配，最后使用LED发送信号中携带的同步信息、身份信息及数据序列的标记信息等确认。\n[0017] 上行通信时，终端利用自身的LED向接入点发送光信号，根据上行数据速率的要求，这个LED可以是单元LED，也可以是阵列式的LED。如同下行通信时终端设备上的光接收单元，接入点的面阵光电探测器的像元也通过光学成像系统分别响应来自不同位置的终端的LED光信号。终端LED的光信号中包含了终端的身份信息，以便接入点识别。\n[0018] 对整个系统而言，当这样构成上下行通信链路后，就具备了实时交互的能力，接入点和终端双方即可根据一定的支撑协议实时交换数据并根据控制指令实时调整各自的状态，比如LED的分配、数据速率控制、切换判断和数据跟踪等。\n附图说明\n[0019] 图1是可见光空分多址通信的原理示意图。一个LED阵列通过成像光学系统在图像传感器上成像，只要角分辨率足够大，在空间上就能够确定发送端LED单元在接收端图像传感器上的独立对应关系，图像传感器上不同像元的输出就能够区分不同LED发送的光。成像是空分传输的基础，这种发/收对应关系使多址多路传输成为可能。\n[0020] 图2是本发明实现一种网络通信的示意图。顶部可定义为接入点(AP)的设备主要包括光发射单元、接收单元以及对接入点的数据进行分配的服务器或者连接上层网络的设备。下面是3个便携终端。\n[0021] 图3是LED阵列成像示意图之一，一个终端的视场内有3个LED阵列。\n[0022] 图4是LED阵列成像示意图之二，一个终端的视场内有1个LED阵列，不同的LED发射不同的信号，起不同的作用。\n[0023] 图5是光接收单元的结构图，具有照相和通信双重功能。\n[0024] 图6是数据帧结构和光信号的调制波形。\n[0025] 图7示意4个LED在一个图像探测器上成像时其大小与对应的像元关系，可能有几十个像元响应了一个LED的光，选择抽样输出。\n[0026] 图8是接入点和终端之间建立光通信的基本协议。\n[0027] 图9是控制图像传感器输出的主要过程。\n具体实施方式\n[0028] 本发明的一个具体实施方案是一个室内通信网络，参见图2，它包括置于房顶的可见光接入点设备和3个具有光收发功能的网络节点。光接入点由接入服务器或者网关2-1、传输线缆2-2、LED光发送阵列2-3-1/2/3及其控制器2-5-1/2/3、光接收单元2-4-1/2及其控制器2-6-1/2组成。网络节点是三个便携终端设备2-7-1/2/3。终端设备2-7-1/2/3以光为通信媒介通过光接入点接入到服务器或者网关2-1连接到外网络，这样的网络可能是互联网或者专网。\n[0029] 处于同一接入点覆盖范围的终端如何实现可见光的空分多址通信，在图1中展示了它的基本工作原理。假设1-1是置于室内顶部的LED发光阵列，它共有M个LED(1-1-1，\n1-1-M)构成一个面阵，LED可以是白光照明LED或者是发布信息用的单色(R、G、B)LED。光学系统1-2是一摄影光学系统，包括辅助衰减/滤光片组1-2-1和透镜组1-2-2。处于光学系统视场内的物体，在这里是天花板及其上的LED阵列，将成像于置于其后的图象传感器\n1-3上。图像传感器是类似广泛使用的CCD图像传感器或者CMOS图像传感器的面阵光电探测阵列，由众多探测像元构成，比如1024×1024元，每一个探测像元即是一个独立的光电探测器。在图1中示出的图像传感器(1-3)上共有N个(1-3-1到1-3-N)像元。1-7示意了图像传感器(1-3)上LED阵列(1-1)的所成的像。类似1-8的方格代表一个像元，即一个光电探测器，而1-9-1到1-9-M则分别是LED阵列(1-1)中各个LED(1-1-1到1-1-M)对应的像。可以看到，相对于成像系统只要LED之间的视角足够大，在图像传感器上的响应像元对每一个LED都是不同的，如此便可建立LED与探测器像元之间独立的、不相混淆的对应关系。通过选择不同像元的输出，那么就可以得到不同LED发送的数据信息。如果分配不同的LED发送不同的数据，就可以实施多路/多址通信。\n[0030] 图1所示的多址多路通信原理正是图2所示通信网络能够工作的基础。这里每个LED阵列(2-3-1/2/3)由50个LED构成5×10的面阵，其面阵结构如图4中的4-3。发送端的LED阵列(2-3-1/2/3)受控于各自的控制器(2-5-1/2/3)。控制器能够根据网络的情况确定各个LED的功能，选择用于向不同终端发送数据的LED。LED的功能根据具体应用场景可以动态地或固定地分为几类：仅作为照明用，无通信功能；作为定位标志的LED，发送特定的信号，比如特定周期性的光信号，辅助终端接收机实时确认相对位置；通信用的LED，每一个都有特定的身份号码，能够按照规定的调制方式发出光信号。\n[0031] 在本实施方案中，光信号采用混合调制的方式，即在一个数据帧中，不同的内容，或者不同功能的光信号使用不同的调制方式。图6中的6-1是数据帧格式的一种示例。其中同步信息用以使接收机获取数据的帧同步位置。同步数据采用如图6-2所示的64bit多进制PPM(脉位调制)伪随机序列编码方案，以保证同步信息获取的准确性。6-2中的每一个脉冲间隔按照持续时间不同分别代表2位信息00、10、10、11。ID号代表着发送端的身份编码以及其它相关的信息，比如属于何种LED(或者终端)。功能标志区标记发送方的功能，比如传输的是定位信息还是数据。数据区携带有效的数据，可以采用PWM多进制的编码以提高调制效率。6-3示出了一种PWM调制方式，每一位脉冲代表2bit的数据信号，按照宽度的不同分别表示00、01、10、11数据信息。数据帧序列编号表示本帧数据在同一数据流中的排位。\n[0032] 光接收单元2-4-1/2及其控制器2-6-1/2的功能是接收不同终端的上行光信号，确定终端的相对位置。光接收单元(2-4-1/2)由摄影光学系统、图像传感器构成。由于成像并非其主要功能，因此图像分辨率不需要太高，比如取128×128即可。控制器(2-6-1/2)在照相模式下，负责成像信号的处理和成像以及终端位置信息的提取，在通信模式下，负责对图像传感器信号的取样、合并等，输出有效的通信光信号，并进行解调、解码后得到接收的数据流。这样的功能和终端的光接收机相似。\n[0033] 网络中假定的3个不同终端设备，其中2个是多功能移动电话(2-7-1/3)、1个是便携电脑(2-7-2)。终端设备均具有光信号收发功能。其中发送功能由一个LED及相应的控制电路实现，接收功能由终端配备的数码相机前端及相应的控制电路实现。\n[0034] 一般情况下我们可以假设通信网络中的终端以下载信息为主，因此上行信号的带宽需求要远小于下行信号的带宽需求，上行的光信号发送功能用一个LED即可承担。如果需要上下行对称的带宽，那么可以选择阵列LED。单个LED的数据传送是一项简单技术，主要过程均是常规的通信信号转换，包括抗信道衰落与干扰的交织、编码等，最后将数据转换为调制的光信号后发送出去，调制的方法可以采用PWM(脉冲宽度调制)或其它方式。\n[0035] 终端的光接收单元主要由摄影光学系统、图像传感器和控制与处理电路组成。图5是除光学系统外终端光接收部分的组成框图。图中5-1是面阵图像传感器，可以是CCD或CMOS等图像传感器，假设有较高的分辨率，比如时2048×2048像元的面阵。与常规图像传感器不同的是它的输出方式可控。在通常的照相模式或摄像模式下，按照常规的格式逐行、逐帧的输出每一个像元的响应信号。但是在通信模式下，围绕它的控制电路为了在众多的像元中提取有效的高速光通信信号，而不使其被其它无效的像元响应信号淹没，只对响应了通信LED光的像元接通输出。这种控制功能由数据选区与抽样电路(5-2)实现。不同模式下的数据流向由输出电路5-3控制。如果是照相/摄像模式，那么图像帧数据流完整地传送到成像电路5-4。如果是通信模式，则将抽样输出的数据流传送到合并电路(5-5)，合并电路将同样一个LED光信号的不同响应像元的输出信号进行合并，如果多个LED发送相同的信号，合并电路也将其输出合并成一路。这样可以减少光信道衰落、阴影等的影响。合并的方法有多种，比如可以采用最大比值合并的方法。这种方法将多路信号按照其信噪比大小进行加权后相加，是一种常规的合并方法。合并的信号然后送到解调/判决电路(5-6)进行解调并判决，输出0、1序列的数字信号，最后再送到解码器(5-7)解码输出最终的数据。图5中的控制处理器(5-8)是整个接收电路或者整个终端的控制核心，在实现接收功能时，协调其它电路实现不同功能的操作。\n[0036] 下面对整个通信流程进行描述。\n[0037] 在图2所示通信网络中，假设终端2-7-1的视场中仅有一个LED阵列2-3-1，终端\n2-7-2的视场中包含了三个LED阵列2-3-1/2/3，而终端2-7-3的视场中仅有一个LED阵列\n2-3-3；接入点的接收单元2-4-1的视场内可以看到终端2-7-1和2-7-2，接收单元2-4-2的视场内可以看到终端2-7-2和2-7-3。图3示意了3个LED阵列在终端2-7-2图像传感器上的成像情景。3-2代表了所有的背景，3-3-1/2/3代表了LED阵列2-3-1/2/3相应的成像，其中类似3-4的圆表示LED的像。图4示意了一个LED阵列(2-3-1)在终端2-7-1图像传感器上的成像情景，其中4-2是背景，4-3是LED的像，其中的小圆4-4代表LED。\n[0038] 在图8中是针对上述情形的基本通信流程，左半部分是终端的工作流程，右半部分是接入点的工作流程。当终端需要接入通信网络时，首先转入通信模式，然后向接入点发送请求建立通信链路的信号，通信信号中携带了自身的参数，比如ID身份号、多路接收能力等。假定三个终端(2-7-1/2/3)都向接入点发出通信请求，那么接入点的光接收单元将通过不同的探测像元接收到这些光信号并通过成像分析确定它们相对于各个LED阵列的位置，然后激活所有可用的LED试探终端的接收能力和接收区域，LED按照图6中6-1的数据格式发出特定编码的光，在功能标志区标示它是一种探测信号。每一个终端在接收到这些LED发送的光信号后，将所能够接收到的LED的ID信息反馈给接入点。接入点根据每一个终端能够使用的LED以及与LED的相对位置，向各个终端分配实施通信的LED。双方确认后，即建立起通信链路。本方案中，可采用的分配方式之一是：终端2-7-1接收LED阵列\n2-3-1的部分LED信号，终端2-7-3接收LED阵列2-3-3的部分LED信号，终端2-7-2不但接收LED阵列2-3-2的信号，也接收来自2-3-1和2-3-3的部分LED信号以获取更高的下行速率。\n[0039] 现在以其中的一个终端为例说明光信号的接收过程。参看图4，在终端2-7-1的图像传感器上看到的是整个LED阵列2-3-1。分配给终端2-7-1的LED是其中的部分LED，如图4中线条X1、X2、Y1、Y2之间所围的20个LED，而X2、X3之间的其它LED分配给了终端\n2-7-2。这20个LED并没有全部用来进行通信，其中4-4这样的白色LED可能仅仅用来照明，4-6这样的4个黑色LED用来确定整个LED屏在图像传感器上的位置以及提供判断发生移动的信息，只有4-5这样的5个灰色LED用来向终端2-7-1传送数据信息。\n[0040] 终端的数据接收处理流程如图9所示。首先需要提取图像，确认LED阵列在图像传感器上的位置。这里用到图像识别技术对LED图像上的LED做简单判断、定位。如图3中，终端2-7-2根据图像容易从背景中划分出Y1、Y2与X1、X2，X3、X4，以及X5、X6之间的LED阵列区域。在图4中终端2-7-1也容易划分出Y1、Y2与X1、X3之间的LED阵列区。初步判定后，根据LED携带的光信息，做进一步的确认，排除不是和自己通信的LED。如图4中再将区域缩小到Y1、Y2与X1、X2之间。然后根据LED携带的身份信息，确定单个LED的响应位置。在这个过程中，终端对LED的分布进行统计计算，判定单个LED成像大小与图像传感器的单个探测像元成像区域大小之间的关系，依此来确定输出数据的抽样率。认定LED响应区域和确定输出抽样率是为了在输出中排除非为自身传送的LED光及背景光信号，避免无效数据的泛滥。比如图3中图像传感器的大部分响应像元是背景光，如果将每一个像元的数据都输出后再提取有用数据，则数据量会十分庞大，严重影响传输效率。因此预先确定有效的响应区域，只对划定区域的像元有选择地输出，则会大大减少无效数据的干扰。\n[0041] 图像传感器的分辨率一般很高，往往数百万像素。因此一个LED在图像传感器上将占有许多像元，即一个LED的光往往是由许多像元同时响应的，如图7所示。图7中的7-1表示一个图像传感器的局部，7-3的小方格表示一个光电探测像元对应的响应区域，7-2表示一个LED光的成像情况。可以看到一个LED的光覆盖了几十个像元响应区域，将被几十个探测像元响应，信息的冗余很大。如果摄影距离再近或图像传感器的分辨率更高的话，响应一个LED的像元甚至会达到几百个。因此对LED的响应像元进行抽样输出会极大减少信号处理的负担。图7中的7-4示意了一种抽样设置，在选定的区域内的每一个方向上以\n1∶5的比例等间隔抽样。图中黑色的方块(7-4)表示了选定的抽样像元。这样的抽样比例保证了对每一个LED都至少有一个像元是完全的响应。属于一个LED的每一个抽样输出信号首先被合并，然后再进行判决和解调。\n[0042] 等间隔抽样只是一种简便的控制图像传感器输出的方法，有选择地直接针对响应像元的非均匀抽样，如果不考虑输出控制的复杂性，将会更有效地滤除无用的光信号，进而提高数据传输速率。\n[0043] 在通信过程中，便携终端往往会存在移动，相对于接入点LED阵列的移动将导致响应各个LED的对应像元发生转移，一个像元上的连续数据流会被中断。当发生这种情况时，接收处理电路将首先检测到定位LED的移动，即图4中类似4-6 LED光信号的移动，这里设定为相对易于识别的信号。通过对移位的估计，推断其它通信LED在传感器上的位移。\n最后根据数据帧中的序列编号，一个像元输出的中断的数据流，在其它像元上会得到接续。\n这个过程类似于蜂窝通信网络中移动终端与基站通信时的“小区切换”。\n[0044] 以上述方案实施的可见光通信网络，在利用图像传感器时，不需要约束传感器的分辨率，不需要设定特殊的响应像元作通信使用，不需要固定LED发送端与接收端成像系统之间的空间关系，也无须固定接收终端的位置，即可实现多址多路高速光通信。