基于无线可见光通信的室内双向通信系统设计

湖北省武钢三中 张熔轩

1.引言

身处在快节奏的信息时代，通信，已经成为生活中必不可少的单元之一。然而，现在的通信网络越来越不能满足人们对通信服务的需求。多样化的通信场景和层出不穷的应用数据传输需求促使人们探索更为先进的通信技术和网络技术，促进了人们在通信技术上的更新换代。

有调研显示，人们的通信需求很大一部分发生在室内，因此，想办法提升室内通信网络的通信容量变得十分关键和紧迫。当我们把视线转移到室内通信场景中时，我们不仅仅需要的是现有WIFI网络的一枝独秀，更需要去寻找更多可以利用的能够传递信息的媒介和频谱资源，以便分担WIFI 的压力，让通信技术更加多样化，做到更快捷，更简洁。随着可见光通信器件的不断进步和可见光通信理论的不断成熟，基于LED的无线可见光通信逐渐进入人们的视野，成为了研究热点。生活中分布着无处不在的室内可见光光源，可见光频段具有大量的未被开发使用的无线频谱资源，因此基于无线可见光通信实现室内超高速数据传输已经逐渐成为现实。

2000年，日本的科研人员首次提出可见光通信概念并进行研究，开启了一个新的有趣的研究方向[1]。2014年，有科研人员利用多色光LED，配合使用滤光片，在一定距离内实现了5.6 Gbps的高速通信[2]。当然，室内无线可见光通信仍然存在若干需要被克服的问题，其中，上行链路的实现是最重要的问题之一。学术界有很多上行链路的实现方法，如红外光、射频、可见光等[2]，但这些实现方法传输距离有限，与现实中的应用场景脱节严重，还是处于实验室验证阶段。

本研究论文针对无线可见光通信在室内应用中缺少有效的上行链路这个痛点，结合其独特的应用场景，提出一种双向无线可见光通信系统的设计，其创新点有以下几个方面：

（1）提出利用基于成像的无线可见光通信技术实现上行链路，实现LED的照明、显示和通信等多种功能的复用，大大拓展了系统功能和性价比。

（2）详细介绍了系统上下行链路的实现方法，也就是说，在我们的系统设计中，下行链路的实现利用了基于非成像的无线可见光传输技术,采用照明LED作为发射器，采用光电二极管作为接收器，实现高速下行数据传输；上行链路的实现利用了基于成像的无线可见光传输技术，采用移动终端的LED显示器作为发射器，采用摄像头作为接收器成帧捕捉图像光信息，打通上行链路，保证了双向通信功能。

（3）深入分析了这种混合式设计的优点，结合无线可见光通信的应用场景，进一步突出了该设计的合理性和有效性，为产业界选择设计方案提供了有益的参考。

2.系统设计

如图1所示为本文所设计的室内无线可见光通信系统的系统框图，与现在的家用WiFi类似，分为接入点和用户设备两种节点类型。该系统框图中，接入点与天花板上的照明光源集成在一起，用可见光信号传递从接入点到用户设备的可见光下行数据，用简易摄像头捕捉从用户设备传递到接入点的可见光上行数据；用户设备可以是手机或者平板电脑等设备，为了实现双向可见光通信的功能，用户设备需要扩展安装光检测模块检测从接入点发下来的下行可见光信号，还需要在LED屏中集成光发送模块，用屏幕的背景光向接入点传输上行数据。下面，我们详细介绍系统的设计细节。

图1

2.1 下行链路设计

下行链路的发送端采用照明用LED灯，要想让LED灯正常发光，需要对携带信息的已经经过了编码和调制的电信号进一步处理，才能正常驱动LED，将电信号转变为光信号发射出去。首先，使用一种功率放大器，意在将微弱电压信号转化为电流信号，并且希望能放大信号，驱动LED发光。再通过直流偏置器，为交变信号添加直流偏置，保证亮度，实现照明通信两用。最后使用LED发光二极管传出，完成整个下行发送过程。

下行链路的接收端采用PIN光电二极管进行感光，PIN光电二极管能将接受到的光强信号转化成对应的电流信号，而且PIN光电二极管具有线性度好，接收面积大，造价低廉等优势。然后经跨阻放大器将电流信号转换成电压信号并放大，便于后面的数字信号处理电路收到具有一定幅度的电压数字信号。为了消除信号在传输过程中产生的畸变，还需要通过一个高速比较器对信号进行处理，恢复成规则的二进制数字信号，交给后面的数字信号处理芯片进行解调和解码，继而完成下行链路的接收过程。

2.2 上行链路设计

上行链路的发送端复用移动终端的LED显示器，显示器在传输一帧图像时，LED可以很多次闪烁，即LED闪烁频率远高于手机屏幕一般的成帧速率，将信息调制在高频的闪烁中，从而不影响图像的显示。图像显示不能使用太强烈的光线，因此亮度的限制导致了上行链路不会实现太高的通信速率，但是对于下行为主的数据类型的通信来说，上行链路主要用来传输数据量不大的信令信息、内容请求信息、文本交互信息等，屏幕光的亮度所实现的可见光通信的速率足以满足上行链路的速率需求。

上行链路的接收端利用摄像头捕捉屏幕的高频闪烁，手机摄像头在获取一帧图像时实际上会进行多次快门曝光[3]，因此利用这一效应就能够抓取LED的高频闪烁，当手机快门曝光频率高于LED闪烁频率时，能够无失真地得到LED的闪烁图像，随后用数字信号处理算法获取出LED闪烁频率及传送的数据信息。

3.有益效果评估

本文采用基于成像的无线可见光通信技术实现用户终端的上行通信，配合基于非成像的无线可见光通信下行通信，最终形成了一个全可见光无线通信系统，该系统具有多种应用优势，分析如下：

首先，上下行都为可见光通信，具备可见光通信的所有优点：（1）绿色：通信照明两用，不需要额外的资源，不会对环境造成污染，也不会对人体造成大量危害；（2）高速：不受电磁信号干扰，频谱资源丰富，传输速度快，效率高；（3）安全：光线不会穿透墙壁等障碍物，因此对通信内容的窃听比较困难，具有较强的保密性。

其次，下行通信选择基于非成像的无线可见光通信，可以实现较高的下行通信速率，保证视频、VR、AR等数据型应用的速率需求。移动终端中增加光电二极管作为接收元件，功耗较低，避免了基于成像的可见光通信中，使用摄像头作为接收器耗电过大的问题，保证了移动终端的电池使用寿命。

再次，上行通信选择基于成像的无线可见光通信，虽然能够实现的传输速率有限，但足以满足上行通信业务量的速率需求，与此同时，复用移动终端常见的LED显示屏，不需添加其他的发送装置，降低了系统复杂度，实现了整个系统照明、显示、通信的多功能复用，具有很高的性价比。

最后，本文设计的双向无线可见光通信系统为全光通信系统，对于一些对射频电磁干扰比较敏感的特殊场所，比如在手术室，很多医疗检测设备必须避免受到射频电磁波信号的干扰，又比如在飞机上，射频信号会干扰飞机的导航信号，在这些场景下利用全光通信系统可以避免射频电波的干扰，满足了这些特殊场景下的通信需求。

4.总结与讨论

本文针对无线可见光通信在室内应用中缺少有效的上行链路这个痛点，结合其独特的应用场景，提出一种双向无线可见光通信系统的设计，利用基于成像的无线可见光通信技术实现上行链路，详细介绍了系统的设计细节并深入分析了该系统的优点，对产业开发、技术演进和应用具有很好的参考意义。

当然，由于研究时间和论文篇幅的限制，有关无线可见光通信更多有意思的问题还有待研究解决，如在处于背景光较强或者弱光环境下时，保持无线可见光通信性能的研究，用户终端的移动、位置旋转、障碍物遮挡等因素对无线可见光通信系统造成的影响的研究，相邻发射器所发出的无线可见光通信信号的干扰问题以及经过周围物体反射形成的多径信号干扰问题的研究。这些研究问题将作为作者后续努力的方向，继续在这个前景广阔的领域深入探索。

[1]曾庆珠.可见光通信的应用研究[J].互联网天地,2013(08):15-18.

[2]陈泉润,张涛,郑伟波,李茹,崔钊.基于白光LED可见光通信的研究现状及应用前景[J].半导体光电,2016,37(04):455-460+476.

[3]邹鑫.基于Android手机摄像头的可见光通信技术研究[D].大连海事大学,2015.