----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----基于可見光通信（VLC）的無線導(dǎo)覽系統(tǒng)1、項目簡介

無線導(dǎo)覽系統(tǒng)能為用戶便利地供應(yīng)共性化的高質(zhì)量服務(wù)和資訊，在大型場館、簡單環(huán)境下具有很高的有用價值。隨著無線通信技術(shù)的進展，先后消失了基于紅外通信、射頻識別(RadioFrequencyIdentification，RFID)、無線局域網(wǎng)、超聲波、可見光等不同通信方式的導(dǎo)覽系統(tǒng)，其中可見光通信(VisibleLightCommunication，VLC)技術(shù)是一種新型的使用可見光作為信息載體的短距離高速無線通信方式。半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LightEmittingDiode，LED)具有高速點滅的發(fā)光響應(yīng)特性，將大功率、高亮度的LED光源用作無線光通信鏈路的可行性已得到驗證。和目前較常采納的射頻通信技術(shù)相比，VLC技術(shù)在電磁輻射、放射功率、電源管理等方面具有很大的優(yōu)勢。因此，可同時兼顧照明和通信功能的VLC技術(shù)正獲得越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。

目前的進展狀況：本團隊利用FPGA開發(fā)套件及可見光放射機、接收機搭建一個采納Manchester編解碼和OOK調(diào)制方式的最簡無線導(dǎo)覽系統(tǒng)，并以通過測試，驗證了系統(tǒng)的可行性。后續(xù)需要實現(xiàn)FPGA同多媒體播放器的通信，并在播放器上實現(xiàn)完整的無線導(dǎo)覽功能。

2、項目關(guān)鍵技術(shù)的論述

關(guān)鍵技術(shù)包括可見光識別(VisibleLightIdentification，VLID)的編碼方式、自由空間引入的干擾、亮度調(diào)控技術(shù)、終端中的電平判決器設(shè)計，多媒體播放器的自動導(dǎo)覽技術(shù)等。

3、技術(shù)成熟性和牢靠性論述

基于半導(dǎo)體LED可見光的無線通信可分為室外通信和室內(nèi)通信兩大類應(yīng)用場合,其中室內(nèi)通信闡釋如下。

室內(nèi)LED可見光無線通信技術(shù)主要應(yīng)用在室內(nèi)無線寬帶接入網(wǎng)中。杏林高校的田中和索尼計算機科學(xué)討論所的Haruyama等人在2000年提出了利用LED照明燈作為通信基站進行信息無線傳輸?shù)氖覂?nèi)通信系統(tǒng)。他們以Gfeller和Bapst的室內(nèi)光傳輸信道為傳輸模型，將信道分為直接信道和反射信道兩部分，并認為LED光源滿意Lambertian照耀形式，且以強度調(diào)制直接檢測(IntensityModulation-DirectDetection,IM-DD)為光調(diào)制形式進行了建仿照真，獲得了數(shù)據(jù)率、誤碼率以及接收功率等之間的關(guān)系，認為當傳送數(shù)據(jù)率在10Mbps以下的系統(tǒng)是可行的，碼間干擾(ISI)和多徑效應(yīng)是影響系統(tǒng)性能的兩大因素。2023年，田中等人在原來的基礎(chǔ)上分別采納OOK_RZ調(diào)制方式與OFDM調(diào)制方式對系統(tǒng)進行了仿真，結(jié)果表明：當傳送數(shù)據(jù)率在100Mbps以下時這兩種調(diào)制技術(shù)都是可行的，當數(shù)據(jù)率大于100Mbps時，OFDM調(diào)制技術(shù)優(yōu)于OOK-RZ調(diào)制技術(shù)。

2023年，Tanaka和Komine討論組詳細分析了LED可見光無線通信系統(tǒng)中的噪聲模型、信道模型、光源屬性、室內(nèi)不同位置的信噪比分布等因素，求出了系統(tǒng)所需的LED單元燈的基本功率要求，并分別以O(shè)OK-RZ、OOK-NRZ、m-PPM調(diào)制方式進行仿真分析，得到了不同條件下的誤碼率大小;同年又提出了一套結(jié)合電力線載波通信和LED可見光通信的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，以SCBPSK調(diào)制方式進行了系統(tǒng)仿真，結(jié)果表明：系統(tǒng)在數(shù)據(jù)率為1Mbps條件下是可行的。同年，Komine等討論了由墻壁反射引起的多徑效應(yīng)對LED可見光無線系統(tǒng)造成的影響，分別以O(shè)OK、2-PPM、4-PPM、8-PPM調(diào)制方式進行仿真，結(jié)果表明：8-PPM調(diào)制方式性能最佳。在數(shù)據(jù)率小于60Mbps，接收視場角小于50度的條件下，采納8-PPM調(diào)制方式可有效克服墻壁反射引起的多徑效應(yīng)。

2023年西門子開發(fā)出在100Mbit/s帶寬下使用可見光傳輸數(shù)據(jù)的新技術(shù)，采納白光LED產(chǎn)生的可見光進行室內(nèi)傳輸達到100Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸率，可用于補充現(xiàn)有的無線局域網(wǎng)的實現(xiàn)方法。西門子的討論人員采納數(shù)字調(diào)制的方案，白光LED作為放射機，圖像檢波器作為接收機來實現(xiàn)這一傳輸。出于高端技術(shù)的保密要求，該公司并沒有供應(yīng)白光LED，圖像檢波和調(diào)制技術(shù)的細節(jié)。數(shù)據(jù)信號在試驗室條件下傳輸超過了一米的距離。不過，由于這項數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)需要在直接可視的前提條件下進行，所以還不能取代現(xiàn)有基于射頻的無線局域網(wǎng)技術(shù)。但是，考慮到無線通信頻帶越來越短缺的背景，基于可見光的傳輸技術(shù)對家庭無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)將是一個很好的補充。為了保證通視性可以將雙工收發(fā)器嵌入到天花板的照明燈上。該項討論與歐盟會依據(jù)歐盟框架方案7(FP7)共同創(chuàng)辦的OMEGA項目一起進行。

2023年自然科學(xué)基金啟動了"智能照明'(SmartLighting)項目，其后5年間總將超過1.85億美元，涉及逾30所院校的討論人員，包括紐約Rensselaer理工學(xué)院、波士頓高校、新墨西哥高校及韓國、臺灣的部分高校。"智能照明'項目旨在討論新的固態(tài)照明技術(shù)來實現(xiàn)快速生物成像，新的通信模式，有效的顯示技術(shù)和平安交通等;通過研制具有獨特性質(zhì)的新材料，從而制造出可以可完全調(diào)控的新型照明器件和系統(tǒng)。該項目所帶來的創(chuàng)新技術(shù)將使固態(tài)照明具有更多的功能且更易制造。另外，IEEE也正在進行將可見光無線通信技術(shù)納入個域網(wǎng)(PAN)的標準制訂工作組IEEEP802.15的范圍之內(nèi)。目前國內(nèi)這方面的試驗討論特別罕見(在CNKI中以LED,無線通信或無線光通信等作為關(guān)鍵詞未能搜尋到直接相關(guān)的技術(shù)文獻)，尚只有關(guān)于該技術(shù)的一些評價和爭論，遠沒有形成與國外同行相競爭的局面。

本項目組作為中科院蘇州納米技術(shù)與仿生討論所融合通信試驗室一部分，試驗室內(nèi)有較完備的常規(guī)可見光通信分析測量儀器以及豐富的射頻通信技術(shù)開發(fā)閱歷，已具備開展本項目開發(fā)任務(wù)所需要的試驗支撐條件。

VLC鏈路系統(tǒng)：

自主研發(fā)的可見光鏈路，實現(xiàn)了基于小功率LED(300mW)的無線數(shù)據(jù)傳輸，最大傳輸距離3m，最高通信速率40Mbps，遠遠滿意室內(nèi)無線導(dǎo)覽系統(tǒng)的需要。

基于Xilinx平臺開發(fā)的編解碼系統(tǒng)：

本項目組成員已經(jīng)在該平臺上勝利進行了實現(xiàn)了使用FPGA軟件構(gòu)建最簡編碼、解碼系統(tǒng)的設(shè)計。了解該芯片的主要功能，熟識核心代碼，這是本項目實施的核心技術(shù)保障。

主要參數(shù)及指標：

Communicationfrequency

12.2KHz

Datasequencesendcycle

2.62ms

Numberofdatasequencetransmission

16H0007

Codec

Manchester

Originalcode

8b10100111

Baudrate

9600

4、項目實施方案

1、方案基本功能框圖及描述

圖1給出了一個基于VLC技術(shù)的無線導(dǎo)覽系統(tǒng)示意圖。對油畫《蒙娜麗莎的微笑》四周區(qū)域內(nèi)天花板或墻壁上的LED照明燈具進行改造，使其放射的可見光中包含根據(jù)肯定方式調(diào)制的特定的識別碼，以實現(xiàn)點對點、點對多點的數(shù)據(jù)廣播功能。當持有移動終端的用戶進入有效光照區(qū)域時，帶有光電二極管探測器(PD)的終端將直接接收帶識別碼的可見光信號，經(jīng)過解調(diào)、解碼、信息比對等處理，實現(xiàn)自動為用戶播放該油畫的多媒體資料的無線導(dǎo)覽功能。在該系統(tǒng)中，可見光放射機通過使用單片機、數(shù)字信號處理(DSP)、FPGA等微處理器建立服務(wù);發(fā)送不同識別碼的LED之間相互、不存在彼此通信的關(guān)系，這樣既可以充分滿意信號調(diào)制的功能，又可極大地降低整個系統(tǒng)布局的簡單度。

圖1基于可見光通信技術(shù)的無線導(dǎo)覽系統(tǒng)

1.1VLID的編碼方式

目前，可見光識別(VisibleLightIdentification，VLID)有幾種編碼方式，如在光通信領(lǐng)域普遍采納的8B\10B、Non-ReturntoZero(NRZ)、Manchester等簡潔有效的編碼方式，可充分滿意本無線導(dǎo)覽系統(tǒng)的通信需求?？梢姽庾鳛橥ㄐ诺氖侄沃猓硪粋€主要作用在于其原始的照明功能。LED作為照明燈首先必需保證照明的穩(wěn)定性，因此需要一組連續(xù)的、穩(wěn)定的和0、1比例恒定的編碼序列，使其不會消失明顯的閃耀。其次，合理的冗余碼可以保證系統(tǒng)有肯定的錯誤檢查力量，可有效避開誤碼狀況。當終端接收到識別碼序列后，只要在事先商定的識別碼表中對比冗余位是否與標簽位(被識別物的有效編號)匹配，即可有效削減錯誤的發(fā)生。同時，考慮到實際系統(tǒng)中被識別物的數(shù)量，只需簡潔修改標簽位長度即可滿意系統(tǒng)要求。

圖2放射機以及編碼器流程圖

1.2亮度調(diào)控

在VLC系統(tǒng)中，通常采納脈寬調(diào)制和轉(zhuǎn)變調(diào)制深度這兩種方法調(diào)整LED的亮度。

放射端的調(diào)制深度關(guān)系到信號的有效廣播范圍以及LED的光譜偏移特性，且會對接收端信號的信噪比產(chǎn)生較大影響;脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation，PWM)技術(shù)則廣泛應(yīng)用在測量、通信、功率掌握與變換的很多領(lǐng)域中。雖然在VLC中，PWM會顯著降低通信時的傳輸速率，但在無線導(dǎo)覽這個特定應(yīng)用環(huán)境下，可見光標簽的發(fā)送速率并不是主要的考慮因素，因而單一地采納PWM是VLC系統(tǒng)亮度掌握的一種可行方法。

假定采納周期為1ms的脈寬調(diào)制信號為載波，識別碼序列為10101010101010，頻率1MHz，PWM為空時發(fā)送數(shù)據(jù)包。三種不同的PWM輸出信號值如圖3所示，其中(a)顯示的PWM輸出占空比為80%，即信號在1個單位周期的80%時間內(nèi)有輸出，另外20%的時間為關(guān)閉，(b)和(c)則分別顯示占空比為50%和20%時的PWM輸出模擬信號值。加上發(fā)送識別碼時的功率，單位周期內(nèi)實際功率值分別約為80.7%、50.7%和20.7%。脈沖寬度調(diào)制信號的周期時間越長，意味著單位時間內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)越少;但這個周期時間是有限制的，它必需保證有足夠長的時間發(fā)送識別碼序列，同時應(yīng)掌握LED的閃耀頻率在人眼接受范圍內(nèi)。

圖3三種不同的脈沖寬度調(diào)制輸出信號

1.3解碼器

通過微處理器對接收到的數(shù)字信號進行解碼。解碼流程如圖3所示：首先依據(jù)識別信息放射部件中的編碼方式將數(shù)字信號還原成原碼，再對比識別碼表，假如存在該識別碼序列號，則進一步對比識別碼和冗余碼表，假如匹配則單獨將識別碼發(fā)送給多媒體終端。識別碼表和冗余碼表為事先商定好的碼表，存儲在微處理器的存儲單元中。發(fā)送方式可以是串口通信，也可以是USB。

1.4多媒體信息的自動播放

如圖4所示，多媒體終端中通過軟件編程實現(xiàn)對通信端口的偵聽，當接收到經(jīng)微處理器解碼后發(fā)送的識別碼，將自動播放與識別碼對應(yīng)的多媒體資料。

圖4移動終端流程框圖

2、需要的開發(fā)平臺

(1)實現(xiàn)本方案所需要的基本功能、功能、接口：

平臺上具有串口或USB

平臺上含DRAM或SRAM存儲器。

平臺上具有DDR技術(shù)

平臺上具有彩色LCD

(2)所需要的目標FPGA開