專利名稱：可見光空分多址多路通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光無線通信領(lǐng)域，是一種實現(xiàn)分布式或陣列式可見光LED照明系統(tǒng)與具有光 電探測器陣列的固定或便攜設(shè)備之間進行多址多路通信的一種方法。
背景技術(shù)：
可見光LED己經(jīng)廣泛使用在戶外大型廣告屏、室內(nèi)信息發(fā)布屏，以及交通信號燈、車燈、 照明燈等領(lǐng)域。在當前節(jié)能環(huán)保要求的推動下，LED半導體照明由于其高亮度、高可靠性、 低功耗和長壽命的特點，將逐步取代白熾燈和熒光燈進入實際應(yīng)用并將大范圍普及，特別是 在辦公樓宇、住宅以及智能交通領(lǐng)域。根據(jù)這種發(fā)展以及當前信息社會對各種通信數(shù)據(jù)高速 傳輸?shù)男枨螅冒雽wLED在照明的同時實現(xiàn)室內(nèi)(包括車內(nèi))/室外的實際無線通信網(wǎng)絡(luò) 的可行性研究正在許多相關(guān)企業(yè)進行，可見光LED通信與無線傳感網(wǎng)絡(luò)、WLAN (無線局域網(wǎng)) 以及電力線通信系統(tǒng)相結(jié)合的合適途徑也在探討中。已經(jīng)可以證實這種通信方式將是未來可 選的短距超寬帶通信方式之一。實現(xiàn)可見光LED通信的基本原理是以傳送數(shù)據(jù)對LED所發(fā)光進行某種調(diào)制，比如PWM (脈 沖寬度調(diào)制)、PPM (脈沖位置/頻率調(diào)制)或者PAM (脈沖幅度調(diào)制)。這種調(diào)制的光能量通 過空間信道傳輸并被目標裝置上的光電探測器(傳感器)接收，光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為 電信號后經(jīng)過后續(xù)處理再解調(diào)出所發(fā)送的數(shù)據(jù)。這種裝置可以是特定的，比如安裝在汽車上 或房間里的光接收器，也可以是在設(shè)計上附加有這種功能的普通便攜設(shè)備，如手機、數(shù)碼相 機、筆記本電腦等。如同RF (射頻)、IR (紅外)無線通信一樣，可見光通信同樣面臨著一些問題，比如光 信道上存在的陰影、遮擋、反射，以及日常環(huán)境光的干擾等。但是這些問題隨著研究的深入， 均可得到很好的解決。在論文"可見光通信與電力線通信的融合"(Integrated System of White LED Visible-light Communication and Power-line Communication, Toshihiko Komine and Masao Nakagawa)中，作者提出了一種將當前照明布線改造為LED照明并實現(xiàn)通信的方式。在論文 "LED可見光通信的基本分析，， (Fundamental Analysis for Visible-Light Communication System using LED Lights)中，作者分析了多路可見光信道的反射和干擾特性。在論文"白 光LED室內(nèi)通信信道陰影研究"(A Study of Shadowing on Indoor Visible-light WirelessCommunication Utilizing Plural White LED Lighting)中，作者認為利用多個LED同時發(fā) 射相同的信號可以改善陰影對通信性能的影響。利用照明的LED實現(xiàn)與便攜設(shè)備進行通信的系統(tǒng)設(shè)想中，已經(jīng)存在多個專利申請，這些 專利從不同的角度在不同的應(yīng)用背景下提出了實現(xiàn)LED通信的一些詳細的或含糊的方法。專利200610151572 "可見光通信系統(tǒng)及方法"提出了一種利用RGB三色LED發(fā)送數(shù)據(jù)進 而提高數(shù)據(jù)傳輸速率的方法。專利200580003881 "可見光通信用的帶照相機便攜式終端"提出了一種將光電探測器與 便攜終端攝像頭的探測器分置方案，由此可簡便地實現(xiàn)可見光通信。專禾!j US 20050265731 [Wireless Terminal for Carrying out Visible Light Short-Range Communication Using Camera Device]描述了一種利用數(shù)碼相機攝像頭的CCD (或CMOS)圖 像傳感器及閃光燈(或LED)實現(xiàn)可見光通信的便攜終端設(shè)備。在此專利文獻中，提到了利 用圖像傳感器特定的一個或多個探測單元接收單個LED信號，并給出了兩個圖例。此專利只 針對接收終端，沒有涉及到利用面陣圖像傳感器接收光信號時與所需要光學系統(tǒng)的關(guān)系，以 及如何選擇圖像傳感器上的探測單元、如何進行后續(xù)的信號處理等關(guān)鍵技術(shù)問題，也不涉及 發(fā)射信號及接收信號的多路和多址問題。根據(jù)未來可見光LED的應(yīng)用場景及特點，分布式或陣列式LED將成為各個場合的主流應(yīng) 用方式，同時各種配備了攝像頭的便攜設(shè)備也會越來越多。利用各種LED作為信息發(fā)布系統(tǒng)， 各種便攜/移動終端作為接收系統(tǒng)，是一種簡便的通信方式。類似無線局域網(wǎng)的構(gòu)成，這里可 以稱一組LED為接入點，而便攜終端構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點。由此出發(fā)，本專利提出了一種主要 針對這種系統(tǒng)的可以實現(xiàn)光空分多址多路的高速通信方式。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要內(nèi)容是一種可見光空分多址多路通信方式及由此組成的并行高速光通信系 統(tǒng)。光空分多址的原理是分布式(陣列式)可見光LED作為多路光信號發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射單 元，成像光學系統(tǒng)和圖像傳感器(或特定的面陣傳感器)作為接收系統(tǒng)前端的光電信號轉(zhuǎn)換 單元。不同空間位置上的發(fā)射光源，通過光學系統(tǒng)成像后，由于物與像的空間對應(yīng)關(guān)系，它 們在傳感器上的響應(yīng)像元(獨立的光電探測器)也是不同的，因此通過特定的控制和信號處 理將它們分別輸出，就可以實現(xiàn)多址多路通信。這里多路的含義是通過多個光通道發(fā)送和接 收屬于同一用戶的并行數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)流可以是不相同的但是關(guān)聯(lián)的，也可以是為了提高分 集增益進行不同或相同編碼、調(diào)制過的相同的數(shù)據(jù)流信號；多址的含義是多個LED發(fā)送的數(shù) 據(jù)流屬于不同的用戶、不同的終端，這些終端應(yīng)該能夠根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)置區(qū)分各自所接收的信號。本發(fā)明的系統(tǒng)組成主要有分布式的可見光LED陣列及一個(或多個)光接收單元構(gòu)成 的無線接入點收發(fā)裝置、 一個或多個置有多元(面陣)光電傳感器和發(fā)光LED作為光收發(fā)器 的終端。接入點的可見光LED陣列由其控制系統(tǒng)控制承擔下行發(fā)送數(shù)據(jù)的任務(wù)，接入點的光 電探測單元由成像光學系統(tǒng)和圖像傳感器及處理電路組成，其任務(wù)是接收各個終端的上行光 信號。通信可能只是終端的功能之一，終端的光信號接收系統(tǒng)主要由成像光學系統(tǒng)、圖像傳 感器及相應(yīng)的控制處理電路組成；終端的光發(fā)送系統(tǒng)主要由可見光LED和發(fā)送控制電路組成。下行通信時，接入點和終端首先檢查是否相互處于各自的視場之內(nèi)。核實后，接入點處 于不同空間位置的LED可以分別向多個視場內(nèi)的終端、每個終端多路地發(fā)送光信號。發(fā)送信 號的LED分配主要依據(jù)各接收終端之間的相對位置、LED的分布密度、接入點與終端的距離、 終端圖像傳感器的分辨率、各信道質(zhì)量評估結(jié)果以及不同終端對數(shù)據(jù)速率的要求。比如最基 本的原則可以是就近分配，使通信視線不存在交叉。這種分配方案由接入點的接收機提供部 分依據(jù)。接收機的成像系統(tǒng)可以確定各個終端的相對位置，依此首先劃分LED的大概分配區(qū) 域，使其不存在信道視線的交叉，然后根據(jù)雙方的信息交互，最終確定LED的分配區(qū)域和參 與數(shù)量，并可根據(jù)變化隨時調(diào)整。當接入點利用一組LED向一個終端傳送多路數(shù)據(jù)時，串行的數(shù)據(jù)首先轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)據(jù)， 各并行數(shù)據(jù)速率的大小根據(jù)信道估計的質(zhì)量確定。數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)的編碼并形成攜帶同步信息 以及LED身份信息的數(shù)據(jù)幀，經(jīng)調(diào)制后發(fā)送。同樣，當接入點利用另外一組LED向另外一個 終端發(fā)送多路數(shù)據(jù)時，也經(jīng)過這樣的變換。終端通過光電傳感器陣列的各個光電探測像元接收接入點發(fā)送的光信號。接入點的發(fā)送 LED與終端上的探測器之間的空間幾何位置關(guān)系通過光學成像系統(tǒng)決定了每個發(fā)送LED和光 電探測器上每個探測像元之間的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)接入點與終端之間距離和角度(LED陣列平 面與終端上成像平面之間的角度)的不同， 一個LED可能的響應(yīng)像元有多個。因此，終端的 控制單元首先選擇有效的響應(yīng)像元(即LED照射到的像元)區(qū)域并進行抽樣，然后將它們的 信號合并成一路輸出。這是對應(yīng)一個LED的輸出信號。而對應(yīng)一個終端的多個并行LED信號 輸出，經(jīng)過并-串轉(zhuǎn)換后最終被合并成一個數(shù)據(jù)流。下行通信時如果接入點和終端之間的相對位置發(fā)生移動，那么將導致發(fā)送端的LED單元和接收端的光電探測器響應(yīng)像元之間對應(yīng)關(guān)系發(fā)生變化。這種變化是在三維空間的變化，但最終體現(xiàn)可以看作是LED的在終端圖像傳感器上的成像位置轉(zhuǎn)移和終端LED在接入點圖像傳感器上的位置轉(zhuǎn)移。當LED的成像位置轉(zhuǎn)移時，其響應(yīng)像元的輸出跟著轉(zhuǎn)移，終端/接入點的控制器將識別并跟蹤這種轉(zhuǎn)移，及時切換數(shù)據(jù)流，保持其連續(xù)性。假定接入點收發(fā)器是固定的，接入點對終端移動的判別可以采用圖像的運動匹配方法和對數(shù)據(jù)流中攜帶身份的識別進行確定。而終端對自身轉(zhuǎn)移的判別首先可以利用內(nèi)置的加速度傳感器觸發(fā)移動識別程序并估計移動的方向和量，然后根據(jù)LED陣列的圖像運動或定位LED的光信號的移動進行精確匹 配，最后使用LED發(fā)送信號中攜帶的同步信息、身份信息及數(shù)據(jù)序列的標記信息等確認。上行通信時，終端利用自身的LED向接入點發(fā)送光信號，根據(jù)上行數(shù)據(jù)速率的要求，這 個LED可以是單元LED，也可以是陣列式的LED。如同下行通信時終端設(shè)備上的光接收單元， 接入點的面陣光電探測器的像元也通過光學成像系統(tǒng)分別響應(yīng)來自不同位置的終端的LED光 信號。終端LED的光信號中包含了終端的身份信息，以便接入點識別。對整個系統(tǒng)而言，當這樣構(gòu)成上下行通信鏈路后，就具備了實時交互的能力，接入點和 終端雙方即可根據(jù)一定的支撐協(xié)議實時交換數(shù)據(jù)并根據(jù)控制指令實時調(diào)整各自的狀態(tài)，比如 LED的分配、數(shù)據(jù)速率控制、切換判斷和數(shù)據(jù)跟蹤等。


圖1是可見光空分多址通信的原理示意圖。 一個LED陣列通過成像光學系統(tǒng)在圖像傳感 器上成像，只要角分辨率足夠大，在空間上就能夠確定發(fā)送端LED單元在接收端圖像傳感器 上的獨立對應(yīng)關(guān)系，圖像傳感器上不同像元的輸出就能夠區(qū)分不同LED發(fā)送的光。成像是空 分傳輸?shù)幕A(chǔ)，這種發(fā)/收對應(yīng)關(guān)系使多址多路傳輸成為可能。圖2是本發(fā)明實現(xiàn)一種網(wǎng)絡(luò)通信的示意圖。頂部可定義為接入點(AP)的設(shè)備主要包括 光發(fā)射單元、接收單元以及對接入點的數(shù)據(jù)進行分配的服務(wù)器或者連接上層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。下 面是3個便攜終端。圖3是LED陣列成像示意圖之一， 一個終端的視場內(nèi)有3個LED陣列。圖4是LED陣列成像示意圖之二， 一個終端的視場內(nèi)有1個LED陣列，不同的LED發(fā)射 不同的信號，起不同的作用。圖5是光接收單元的結(jié)構(gòu)圖，具有照相和通信雙重功能。圖6是數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和光信號的調(diào)制波形。圖7示意4個LED在一個圖像探測器上成像時其大小與對應(yīng)的像元關(guān)系，可能有幾十個 像元響應(yīng)了一個LED的光，選擇抽樣輸出。圖8是接入點和終端之間建立光通信的基本協(xié)議。圖9是控制圖像傳感器輸出的主要過程。
具體實施方式
本發(fā)明的一個具體實施方案是一個室內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)，參見圖2，它包括置于房頂?shù)目梢姽?接入點設(shè)備和3個具有光收發(fā)功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。光接入點由接入服務(wù)器或者網(wǎng)關(guān)2-1、傳輸 線纜2-2、 LED光發(fā)送陣列2-3-1/2/3及其控制器2-5-1/2/3、光接收單元2-4-1/2及其控制 器2-6-1/2組成。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是三個便攜終端設(shè)備2-7-1/2/3。終端設(shè)備2-7-1/2/3以光為通 信媒介通過光接入點接入到服務(wù)器或者網(wǎng)關(guān)2-1連接到外網(wǎng)絡(luò)，這樣的網(wǎng)絡(luò)可能是互聯(lián)網(wǎng)或 者專網(wǎng)。處于同一接入點覆蓋范圍的終端如何實現(xiàn)可見光的空分多址通信，在圖1中展示了它的 基本工作原理。假設(shè)1-1是置于室內(nèi)頂部的LED發(fā)光陣列，它共有M個LED (1-1-1， l-l-M) 構(gòu)成一個面陣，LED可以是白光照明LED或者是發(fā)布信息用的單色(R、 G、 B) LED。光學系 統(tǒng)1-2是一攝影光學系統(tǒng)，包括輔助衰減/濾光片組1-2-1和透鏡組1-2-2。處于光學系統(tǒng)視 場內(nèi)的物體，在這里是天花板及其上的LED陣列，將成像于置于其后的圖象傳感器l-3上。 圖像傳感器是類似廣泛使用的CCD圖像傳感器或者CMOS圖像傳感器的面陣光電探測陣列，由 眾多探測像元構(gòu)成，比如1024X1024元，每一個探測像元即是一個獨立的光電探測器。在圖 1中示出的圖像傳感器(1-3)上共有N個(卜3-1到1-3-N)像元。1-7示意了圖像傳感器(1-3) 上LED陣列(卜l)的所成的像。類似1-8的方格代表一個像元，即一個光電探測器，而1-9-1 到l-9-M則分別是LED陣列(1-1)中各個LED (1-1-1到1-1-M)對應(yīng)的像?？梢钥吹剑?對于成像系統(tǒng)只要LED之間的視角足夠大，在圖像傳感器上的響應(yīng)像元對每一個LED都是不 同的，如此便可建立LED與探測器像元之間獨立的、不相混淆的對應(yīng)關(guān)系。通過選擇不同像 元的輸出，那么就可以得到不同LED發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。如果分配不同的LED發(fā)送不同的數(shù)據(jù)， 就可以實施多路/多址通信。圖1所示的多址多路通信原理正是圖2所示通信網(wǎng)絡(luò)能夠工作的基礎(chǔ)。這里每個LED陣 列(2-3-1/2/3)由50個LED構(gòu)成5X10的面陣，其面陣結(jié)構(gòu)如圖4中的4-3。發(fā)送端的LED 陣列(2-3-1/2/3)受控于各自的控制器(2-5-1/2/3)。控制器能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況確定各個 LED的功能，選擇用于向不同終端發(fā)送數(shù)據(jù)的LED。 LED的功能根據(jù)具體應(yīng)用場景可以動態(tài)地 或固定地分為幾類僅作為照明用，無通信功能；作為定位標志的LED,發(fā)送特定的信號， 比如特定周期性的光信號，輔助終端接收機實時確認相對位置；通信用的LED,每一個都有 特定的身份號碼，能夠按照規(guī)定的調(diào)制方式發(fā)出光信號。在本實施方案中，光信號采用混合調(diào)制的方式，即在一個數(shù)據(jù)幀中，不同的內(nèi)容，或者 不同功能的光信號使用不同的調(diào)制方式。圖6中的6-l是數(shù)據(jù)幀格式的一種示例。其中同步 信息用以使接收機獲取數(shù)據(jù)的幀同步位置。同步數(shù)據(jù)采用如圖6-2所示的64bit多進制PPM (脈位調(diào)制)偽隨機序列編碼方案，以保證同步信息獲取的準確性。6-2中的每一個脈沖間隔按照持續(xù)時間不同分別代表2位信息00、 10、 10、 11。 ID號代表著發(fā)送端的身份編碼以及 其它相關(guān)的信息，比如屬于何種LED (或者終端)。功能標志區(qū)標記發(fā)送方的功能，比如傳輸 的是定位信息還是數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)區(qū)攜帶有效的數(shù)據(jù)，可以采用PWM多進制的編碼以提高調(diào)制效 率。6-3示出了一種P^l調(diào)制方式，每一位脈沖代表2bit的數(shù)據(jù)信號，按照寬度的不同分別 表示OO、 01、 10、 ll數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)幀序列編號表示本幀數(shù)據(jù)在同一數(shù)據(jù)流中的排位。光接收單元2-4-1/2及其控制器2-6-1/2的功能是接收不同終端的上行光信號，確定終 端的相對位置。光接收單元(2-4-1/2)由攝影光學系統(tǒng)、圖像傳感器構(gòu)成。由于成像并非其 主要功能，因此圖像分辨率不需要太高，比如取128X 128即可?？刂破?2-6-1/2)在照相 模式下，負責成像信號的處理和成像以及終端位置信息的提取，在通信模式下，負責對圖像 傳感器信號的取樣、合并等，輸出有效的通信光信號，并迸行解調(diào)、解碼后得到接收的數(shù)據(jù) 流。這樣的功能和終端的光接收機相似。網(wǎng)絡(luò)中假定的3個不同終端設(shè)備，其中2個是多功能移動電話(2-7-1/3)、 l個是便攜 電腦(2-7-2)。終端設(shè)備均具有光信號收發(fā)功能。其中發(fā)送功能由一個LED及相應(yīng)的控制電 路實現(xiàn)，接收功能由終端配備的數(shù)碼相機前端及相應(yīng)的控制電路實現(xiàn)。一般情況下我們可以假設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)中的終端以下載信息為主，因此上行信號的帶寬需求 要遠小于下行信號的帶寬需求，上行的光信號發(fā)送功能用一個LED即可承擔。如果需要上下 行對稱的帶寬，那么可以選擇陣列LED。單個LED的數(shù)據(jù)傳送是一項簡單技術(shù)，主要過程均 是常規(guī)的通信信號轉(zhuǎn)換，包括抗信道衰落與干擾的交織、編碼等，最后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為調(diào)制的 光信號后發(fā)送出去，調(diào)制的方法可以采用PWM (脈沖寬度調(diào)制)或其它方式。終端的光接收單元主要由攝影光學系統(tǒng)、圖像傳感器和控制與處理電路組成。圖5是除 光學系統(tǒng)外終端光接收部分的組成框圖。圖中5-l是面陣圖像傳感器，可以是CCD或CMOS等 圖像傳感器，假設(shè)有較高的分辨率，比如時2048X2048像元的面陣。與常規(guī)圖像傳感器不同 的是它的輸出方式可控。在通常的照相模式或攝像模式下，按照常規(guī)的格式逐行、逐幀的輸 出每一個像元的響應(yīng)信號。但是在通信模式下，圍繞它的控制電路為了在眾多的像元中提取 有效的高速光通信信號，而不使其被其它無效的像元響應(yīng)信號淹沒，只對響應(yīng)了通信LED光 的像元接通輸出。這種控制功能由數(shù)據(jù)選區(qū)與抽樣電路(5_2)實現(xiàn)。不同模式下的數(shù)據(jù)流向 由輸出電路5-3控制。如果是照相/攝像模式，那么圖像幀數(shù)據(jù)流完整地傳送到成像電路5-4。 如果是通信模式，則將抽樣輸出的數(shù)據(jù)流傳送到合并電路(5-5)，合并電路將同樣一個LED 光信號的不同響應(yīng)像元的輸出信號進行合并，如果多個LED發(fā)送相同的信號，合并電路也將 其輸出合并成一路。這樣可以減少光信道衰落、陰影等的影響。合并的方法有多種，比如可 以采用最大比值合并的方法。這種方法將多路信號按照其信噪比大小進行加權(quán)后相加，是一 種常規(guī)的合并方法。合并的信號然后送到解調(diào)/判決電路(5-6)進行解調(diào)并判決，輸出O、 1 序列的數(shù)字信號，最后再送到解碼器(5-7)解碼輸出最終的數(shù)據(jù)。圖5中的控制處理器(5-8)是整個接收電路或者整個終端的控制核心，在實現(xiàn)接收功能時，協(xié)調(diào)其它電路實現(xiàn)不同功能 的操作。下面對整個通信流程進行描述。在圖2所示通信網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)終端2-7-1的視場中僅有一個LED陣列2-3-1，終端2-7-2 的視場中包含了三個LED陣列2-3-1/2/3，而終端2-7-3的視場中僅有一個LED陣列2-3-3; 接入點的接收單元2-4-1的視場內(nèi)可以看到終端2-7-1和2-7-2，接收單元2-4-2的視場內(nèi) 可以看到終端2-7-2和2-7-3。圖3示意了 3個LED陣列在終端2-7-2圖像傳感器上的成像 情景。3-2代表了所有的背景，3-3-l/2/3代表了LED陣列2-3-1/2/3相應(yīng)的成像，其中類似 3-4的圓表示LED的像。圖4示意了一個LED陣列(2-3-1)在終端2-7-1圖像傳感器上的成 像情景，其中4-2是背景，4-3是LED的像，其中的小圓4-4代表LED。在圖8中是針對上述情形的基本通信流程，左半部分是終端的工作流程，右半部分是接 入點的工作流程。當終端需要接入通信網(wǎng)絡(luò)時，首先轉(zhuǎn)入通信模式，然后向接入點發(fā)送請求 建立通信鏈路的信號，通信信號中攜帶了自身的參數(shù)，比如ID身份號、多路接收能力等。假 定三個終端(2-7-1/2/3)都向接入點發(fā)出通信請求，那么接入點的光接收單元將通過不同的 探測像元接收到這些光信號并通過成像分析確定它們相對于各個LED陣列的位置，然后激活 所有可用的LED試探終端的接收能力和接收區(qū)域，LED按照圖6中6-1的數(shù)據(jù)格式發(fā)出特定 編碼的光，在功能標志區(qū)標示它是一種探測信號。每一個終端在接收到這些LED發(fā)送的光信 號后，將所能夠接收到的LED的ID信息反饋給接入點。接入點根據(jù)每一個終端能夠使用的 LED以及與LED的相對位置，向各個終端分配實施通信的LED。雙方確認后，即建立起通信鏈 路。本方案中，可采用的分配方式之一是終端2-7-1接收LED陣列2-3-1的部分LED信號， 終端2-7-3接收LED陣列2-3-3的部分LED信號，終端2-7-2不但接收LED陣列2-3-2的信 號，也接收來自2-3-1和2-3-3的部分LED信號以獲取更高的下行速率。現(xiàn)在以其中的一個終端為例說明光信號的接收過程。參看圖4，在終端2-7-1的圖像傳 感器上看到的是整個LED陣列2-3-1。分配給終端2-7-1的LED是其中的部分LED,如圖4中 線條X1、 X2、 Yl、 Y2之間所圍的20個LED，而X2、 X3之間的其它LED分配給了終端2-7-2。 這20個LED并沒有全部用來進行通信，其中4-4這樣的白色LED可能僅僅用來照明，4_6這 樣的4個黑色LED用來確定整個LED屏在圖像傳感器上的位置以及提供判斷發(fā)生移動的信息， 只有4-5這樣的5個灰色LED用來向終端2-7-1傳送數(shù)據(jù)信息。終端的數(shù)據(jù)接收處理流程如圖9所示。首先需要提取圖像，確認LED陣列在圖像傳感器 上的位置。這里用到圖像識別技術(shù)對LED圖像上的LED做簡單判斷、定位。如圖3中，終端 2-7-2根據(jù)圖像容易從背景中劃分出Yl、 Y2與XI、 X2， X3、 X4，以及X5、 X6之間的LED陣 列區(qū)域。在圖4中終端2-7-1也容易劃分出Yl、 Y2與XI、 X3之間的LED陣列區(qū)。初步判定 后，根據(jù)LED攜帶的光信息，做進一步的確認，排除不是和自己通信的LED。如圖4中再將區(qū)域縮小到n、 Y2與X1、 X2之間。然后根據(jù)LED攜帶的身份信息，確定單個LED的響應(yīng)位 置。在這個過程中，終端對LED的分布進行統(tǒng)計計算，判定單個LED成像大小與圖像傳感器 的單個探測像元成像區(qū)域大小之間的關(guān)系，依此來確定輸出數(shù)據(jù)的抽樣率。認定LED響應(yīng)區(qū) 域和確定輸出抽樣率是為了在輸出中排除非為自身傳送的LED光及背景光信號，避免無效數(shù) 據(jù)的泛濫。比如圖3中圖像傳感器的大部分響應(yīng)像元是背景光，如果將每一個像元的數(shù)據(jù)都 輸出后再提取有用數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)量會十分龐大，嚴重影響傳輸效率。因此預(yù)先確定有效的響 應(yīng)區(qū)域，只對劃定區(qū)域的像元有選擇地輸出，則會大大減少無效數(shù)據(jù)的干擾。圖像傳感器的分辨率一般很高，往往數(shù)百萬像素。因此一個LED在圖像傳感器上將占有 許多像元，即一個LED的光往往是由許多像元同時響應(yīng)的，如圖7所示。圖7中的7-l表示 一個圖像傳感器的局部，7-3的小方格表示一個光電探測像元對應(yīng)的響應(yīng)區(qū)域，7-2表示一個 LED光的成像情況?？梢钥吹揭粋€LED的光覆蓋了幾十個像元響應(yīng)區(qū)域，將被幾十個探測像 元響應(yīng)，信息的冗余很大。如果攝影距離再近或圖像傳感器的分辨率更高的話，響應(yīng)一個LED 的像元甚至會達到幾百個。因此對LED的響應(yīng)像元進行抽樣輸出會極大減少信號處理的負擔。 圖7中的7-4示意了一種抽樣設(shè)置，在選定的區(qū)域內(nèi)的每一個方向上以1: 5的比例等間隔抽 樣。圖中黑色的方塊(7-4)表示了選定的抽樣像元。這樣的抽樣比例保證了對每一個LED都 至少有一個像元是完全的響應(yīng)。屬于一個LED的每一個抽樣輸出信號首先被合并，然后再進 行判決和解調(diào)。等間隔抽樣只是一種簡便的控制圖像傳感器輸出的方法，有選擇地直接針對響應(yīng)像元的 非均勻抽樣，如果不考慮輸出控制的復(fù)雜性，將會更有效地濾除無用的光信號，進而提高數(shù) 據(jù)傳輸速率。在通信過程中，便攜終端往往會存在移動，相對于接入點LED陣列的移動將導致響應(yīng)各 個LED的對應(yīng)像元發(fā)生轉(zhuǎn)移， 一個像元上的連續(xù)數(shù)據(jù)流會被中斷。當發(fā)生這種情況時，接收 處理電路將首先檢測到定位LED的移動，即圖4中類似4-6 LED光信號的移動，這里設(shè)定為 相對易于識別的信號。通過對移位的估計，推斷其它通信LED在傳感器上的位移。最后根據(jù) 數(shù)據(jù)幀中的序列編號， 一個像元輸出的中斷的數(shù)據(jù)流，在其它像元上會得到接續(xù)。這個過程 類似于蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中移動終端與基站通信時的"小區(qū)切換"。以上述方案實施的可見光通信網(wǎng)絡(luò)，在利用圖像傳感器時，不需要約束傳感器的分辨率， 不需要設(shè)定特殊的響應(yīng)像元作通信使用，不需要固定LED發(fā)送端與接收端成像系統(tǒng)之間的空 間關(guān)系，也無須固定接收終端的位置，即可實現(xiàn)多址多路高速光通信。
權(quán)利要求
1.一種可見光LED空分多址多路通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)由下述單元組成a)帶有光發(fā)送單元和光接收單元的接入點設(shè)備；b)帶有光發(fā)送單元和光接收單元的終端設(shè)備；
2. 權(quán)利要求1中所述的接入點光發(fā)送單元，由LED陣列組成，LED的工作波段是白光 或者單色光。這些LED全部或者部分受控于其控制電路，受控部分的LED能夠根據(jù) 需要發(fā)出攜帶數(shù)據(jù)信息的調(diào)制光信號-a) 發(fā)送的數(shù)據(jù)流來自于控制電路，控制電路的數(shù)據(jù)來自于網(wǎng)絡(luò)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼， 并附加上同步信息、LED身份信息、信宿信息和所屬分組信息等形成發(fā)送數(shù)據(jù)幀;b) 向不同終端發(fā)送的數(shù)據(jù)分別由不同的LED組承擔，這些LED組在與終端協(xié)商后 由控制單元動態(tài)分配；c) 向同一終端發(fā)送數(shù)據(jù)的LED組，由一個或多個LED子組組成，子組的最小LED 數(shù)量是一，每一個子組發(fā)送的數(shù)據(jù)是相同的，各個子組發(fā)送的數(shù)據(jù)屬于同一原始 數(shù)據(jù)流的并行或者是其延遲版、轉(zhuǎn)換版；d) 在LED陣列中選擇其中3個或更多個LED作為定位LED，定位LED發(fā)送特定的 光信號，定位LED在圖像傳感器上形成參考形狀，供接收機判定相對位置的變化。
3. 權(quán)利要求l中的接入點光接收單元，由成像光學系統(tǒng)、面陣光電傳感器和相應(yīng)的控制 和信號處理電路構(gòu)成，安置在LED陣列中或其附近，負責接收終端發(fā)送的上行光信號， 受控于接入點的控制器a) 光學系統(tǒng)是一個或一組透鏡，它將遠處的物體成像到置于其后的面陣光電傳感器 上；b) 面陣光電傳感器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，在控制電路的控制下，有選擇地輸出相 應(yīng)像元的信號，再經(jīng)由信號處理電路解調(diào)、解碼等處理后輸出接收到的數(shù)據(jù)；c) 接收單元根據(jù)圖像運動估計計算終端LED在圖像傳感器上的位置移動，根據(jù)終端 LED光信號中攜帶的身份信息、同步信息以及數(shù)據(jù)序列號信息確認移動并切換像 元的輸出。
4. 權(quán)利要求1中所述的終端設(shè)備由光電收發(fā)單元以及主功能單元構(gòu)成，終端設(shè)備有一個 或者多個，其類型可以相同也可以不同a) 主功能單元是除去實現(xiàn)光通信外的其他功能單元，其功能可包括計算、控制、娛 樂、導航等；b) 終端中可含有能夠判別其移動的運動傳感器；C)終端設(shè)備是固定的、移動的或者游牧式的。
5. 權(quán)利要求4中所述的光電收發(fā)單元之發(fā)送單元由LED和相應(yīng)的控制電路構(gòu)成，負責發(fā) 送上行信號-a) LED的數(shù)量是一個或多個；b) LED發(fā)光的波段是白光或者單色光；c) LED發(fā)送的光是調(diào)制光，調(diào)制所發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼和轉(zhuǎn)換，攜帶有終端 的身份信息。
6. 權(quán)利要求4中所述的光電收發(fā)單元之接收單元由光學系統(tǒng)、圖像傳感器以及控制和信 息處理電路構(gòu)成，負責成像和下行數(shù)據(jù)的接收處理a) 光學系統(tǒng)由光學衰減片、濾光片、 一個或一組透鏡組成，將物體成像于圖像傳感 器上；光學系統(tǒng)受控于控制電路，可根據(jù)接收信號的質(zhì)量等調(diào)節(jié)衰減系數(shù)、濾光 片頻帶和視場大小等；b) 圖像傳感器是諸如CCD成像傳感器或CMOS成像傳感器的面陣傳感器，其響應(yīng) 波段是可見光波段，受控于控制電路，完成光電信號的轉(zhuǎn)換、儲存和輸出；C)控制電路控制成像傳感器的感光、響應(yīng)像元的選擇和輸出選擇；d) 信號處理電路在照相時接收圖像傳感器的輸出，完成對圖像的處理和顯示功能， 在通信時，首先完成對圖像的分析和數(shù)據(jù)處理；信號處理電路根據(jù)接入點LED陣 列的成像狀態(tài)、工作波段，評估最佳的發(fā)送LED選擇，待與接入點確認后實施通 信。控制電路在圖像傳感器上選擇有效的、屬于和本終端通信的光響應(yīng)區(qū)域、波 段，并對此區(qū)域的輸出進行抽樣；信號處理電路接收圖像傳感器的抽樣輸出，對 來自同一個LED或同一子組LED的多個像元輸出的信號進行分集合并、判決后 形成一路信號，對來自不同LED子組的多路信號進行并串轉(zhuǎn)換后合并成一個數(shù)據(jù) 流；e) 當通信過程中終端發(fā)生移動時，定位LED的響應(yīng)像元發(fā)生變化，運動傳感器的輸 出發(fā)生變化，控制電路啟動移動識別程序并提供運動估計參數(shù)，信號處理電路通 過圖像的運動估計及定位LED的變化、數(shù)據(jù)流內(nèi)含信息、運動傳感器輸出等確認 這種改變，實時調(diào)整響應(yīng)像元的輸出區(qū)域和抽樣，切換數(shù)據(jù)的輸出。
全文摘要
本發(fā)明是一種可見光空分多址多路通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。發(fā)送端的可見光LED陣列發(fā)送多路編碼光信號，光接收機通過其成像光學系統(tǒng)在其面陣光電探測器上形成空間分離的LED像斑，根據(jù)像斑所處位置和像斑覆蓋像元響應(yīng)信號的不同，不同的接收機選擇各自的輸出，并實現(xiàn)空間分集和移動時對光斑的跟蹤。
文檔編號H04B10/10GK101232327SQ20071004755
公開日2008年7月30日 申請日期2007年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月30日
發(fā)明者樊凌濤 申請人:華東理工大學