本發(fā)明涉及可見光通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種全雙工的可見光通信系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

可見光通信技術(shù)是一種將電信號(hào)調(diào)制到可見光上的一種通信方法。它采用led作為光源，光電探測設(shè)備進(jìn)行檢測。led發(fā)出的攜帶調(diào)制信號(hào)的非相光，在自由空間進(jìn)行傳輸后，在光電探測器端進(jìn)行信號(hào)檢測，并恢復(fù)出原始電號(hào)。由于led光源具有較高的光效、低功耗和較長的使用壽命，已經(jīng)作為新的光源在照明領(lǐng)域逐漸普及。結(jié)合led器件的可見光通信技術(shù)，一方面發(fā)揮了led的照明優(yōu)勢，同時(shí)將通信的功能與照明相融合，在科學(xué)界掀起了研究的熱潮，同時(shí)吸引了工業(yè)界的廣泛關(guān)注。

目前，國內(nèi)外對(duì)可見光通信的研究大多集中于如何提高通信系統(tǒng)的傳輸速率，以及傳輸速率和傳輸距離之間的關(guān)系等問題。在應(yīng)用可見光通信適應(yīng)室內(nèi)的一些應(yīng)用方面具有局限性。當(dāng)中的問題在于，系統(tǒng)中的led大多作為發(fā)送光源，提供單向下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，而實(shí)際的通信系統(tǒng)，不僅需要下行鏈路，同時(shí)還必須提供上行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，否則無法形成交互通信。國內(nèi)外針對(duì)此問題進(jìn)行了研究，且已有相關(guān)的研究和技術(shù)方案。

文獻(xiàn)1-3利用無線通信的方式作為與下行可見光通信鏈路相對(duì)應(yīng)的上行鏈路，這樣的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用已經(jīng)成熟的wifi等無線通信方式，輔助可見光通信系統(tǒng)的運(yùn)行，但是仍然需要兩套完全不同的通信方式構(gòu)成混合的通信系統(tǒng)。

文獻(xiàn)4采用了紅外和led可見光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)傳輸，充分利用了通信應(yīng)用中普遍存在的數(shù)據(jù)上下行帶寬需求不對(duì)稱的特點(diǎn)，能夠確保雙向通信傳輸質(zhì)量。但是這仍然是采用兩套完全不同的通信方式完成完整的通信系統(tǒng)構(gòu)建。

文獻(xiàn)5提出了上行和下行均為可見光通信的通信系統(tǒng)，其上行通信鏈路中的led發(fā)射端的工作峰值波長與下行通信鏈路中的led發(fā)射端的工作峰值波長相差20-100nm，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)下載和上傳數(shù)據(jù)信息，避免信號(hào)串?dāng)_，提升系統(tǒng)容量。這是一種上下行粗波分復(fù)用的方案，文獻(xiàn)6采用同樣的思路，但是在上行鏈路中采用了反射型光調(diào)制器。

文獻(xiàn)7提出了一種半雙工時(shí)分rgb-led模組雙向可見光通信的方法及系統(tǒng)，具有低復(fù)雜度與低成本的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該方案是一種上下行時(shí)分復(fù)用的方案，收發(fā)器僅為一個(gè)led，在加載不同電壓時(shí)，分別表現(xiàn)出光源特性和光電探測器的特性，該設(shè)計(jì)降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本。但是該系統(tǒng)是半雙工的通信，因此，只能發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)，不能同時(shí)發(fā)送并接收數(shù)據(jù)。在許多實(shí)際應(yīng)用中，仍然需要一種全雙工的可見光通信方案。

參考文獻(xiàn)：

1發(fā)明人：a·約維契奇，j·李，t·j·理查德森等，專利名稱：用于使用可見光通信信令結(jié)合無線式無線電信令的通信方法和裝置，申請(qǐng)人：高通股份有限公司，申請(qǐng)?zhí)枺?01380062869.2。

2發(fā)明人：張?jiān)阼?，吳亮，黨建，余旭濤，專利名稱：一種基于無線接入點(diǎn)的可見光通信系統(tǒng)，申請(qǐng)人：東南大學(xué)，申請(qǐng)?zhí)枺?01310354985.3。

3發(fā)明人：戎璐，專利名稱：可見光通信vlc相關(guān)設(shè)備及方法，申請(qǐng)人：華為技術(shù)有限公司，申請(qǐng)?zhí)枺?01480077983.7。

4發(fā)明人：權(quán)進(jìn)國，劉彬，金爽，專利名稱：一種基于可見光通信的非對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)及傳輸方法，申請(qǐng)人：清華大學(xué)深圳研究生院，申請(qǐng)?zhí)枺?01610396716.7。

5發(fā)明人：滕東東，劉立林，王鋼，孫振坤，專利名稱：一種雙向傳輸?shù)目梢姽馔ㄐ叛b置，申請(qǐng)人：中山大學(xué)，申請(qǐng)?zhí)枺?01610256029.5。

6發(fā)明人：劉武，楊超，楊奇，專利名稱：一種基于反射的可見光通信系統(tǒng)和方法，申請(qǐng)人：武漢郵電科學(xué)研究院，申請(qǐng)?zhí)枺?01410582633.8。

7發(fā)明人：李上賓，徐正元，專利名稱：半雙工時(shí)分rgb-led模組雙向可見光通信的方法及系統(tǒng)，申請(qǐng)人：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，申請(qǐng)?zhí)枺?01610200828.0。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)方法的不足，提供了一種全雙工可見光通信系統(tǒng)及方法，屬于可見光通信基礎(chǔ)通信系統(tǒng)領(lǐng)域，在可見光通信技術(shù)構(gòu)成通信系統(tǒng)時(shí)均可以采用。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，提出了如下通信方法：

可見光通信系統(tǒng)的鏈路包含上行(終端到接入端的數(shù)據(jù)傳輸)和下行(接入端到終端的數(shù)據(jù)傳輸)，均采用led可見光通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；采用時(shí)分復(fù)用的方式將時(shí)間分成三類時(shí)間切片，其中時(shí)間切片1進(jìn)行上行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸，時(shí)間切片2為保護(hù)時(shí)間，時(shí)間切片3進(jìn)行下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸；時(shí)間切片1和時(shí)間切片3之間分配時(shí)間切片2，用來減少時(shí)分復(fù)用可見光通信系統(tǒng)上下行通信之間的信號(hào)干擾，時(shí)間切片2的時(shí)間數(shù)值可以根據(jù)上下行通信之間的干擾情況來確定。當(dāng)上下行通信之間干擾嚴(yán)重，并導(dǎo)致誤碼率升高時(shí)，選擇時(shí)間數(shù)值較大的時(shí)間切片2；當(dāng)上下行通信之間干擾較小，即誤碼率較低時(shí)，選擇時(shí)間數(shù)值較小的時(shí)間切片2。該方法的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

進(jìn)一步的，時(shí)間切片2的時(shí)間數(shù)值可以按照如下方法確定：時(shí)間切片2的時(shí)間數(shù)值等于終端到接入端視距傳輸情況下的傳播時(shí)延。

進(jìn)一步的，時(shí)間切片2的時(shí)間數(shù)值還可以按照如下方法確定：

時(shí)間切片2的時(shí)間數(shù)值等于可見光信道單位沖擊響應(yīng)的平均延遲τ0與一個(gè)比值b的乘積；平均延遲τ0可以通過如下定義獲得：

其中，h(t)為可見光通信信道的單位沖擊響應(yīng)，它包含了復(fù)雜的室內(nèi)反射等因素的影響。

當(dāng)b＝1時(shí)，時(shí)間切片2的時(shí)間數(shù)值等于可見光信道單位沖擊響應(yīng)的平均延遲；

當(dāng)b＞1時(shí)，時(shí)間切片2的時(shí)間數(shù)值大于可見光信道單位沖擊響應(yīng)的平均延遲，上下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間將會(huì)減少，通信效率下降，但是保護(hù)時(shí)間增加有助于減小系統(tǒng)上下行的誤碼率；

當(dāng)b＜1時(shí)，時(shí)間切片2的時(shí)間數(shù)值小于可見光信道單位沖擊響應(yīng)的平均延遲，上下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間將會(huì)增加，通信效率提高，但是保護(hù)時(shí)間減小會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)上下行的誤碼率增加；

b的數(shù)值可以根據(jù)上下行通信之間的干擾情況來確定。

進(jìn)一步的，在時(shí)間切片1或者時(shí)間切片3中，可以采用00k調(diào)制的方式傳輸數(shù)據(jù)，也可以采用其它高階調(diào)制的電信號(hào)來傳輸數(shù)據(jù)，以此提升通信系統(tǒng)的容量。

進(jìn)一步的，時(shí)間切片1和時(shí)間切片3可以分配為一個(gè)符號(hào)所占用的時(shí)間，也可以分配為多個(gè)符號(hào)所占用的時(shí)間。

進(jìn)一步的，時(shí)間切片1和時(shí)間切片3的時(shí)間數(shù)值可以分配為相等，也可以根據(jù)上下行的數(shù)據(jù)傳輸量之比，按比例分配時(shí)間切片1和時(shí)間切片3的時(shí)間數(shù)值，達(dá)到上下行帶寬的靈活分配。

一種可見光通信系統(tǒng)，其特征在于，包括以下組成部分，其結(jié)構(gòu)如圖3所示：

接入端可見光收發(fā)模塊，包含下行通信的led發(fā)射模塊(第一led模組)和上行通信的可見光接收模塊(第二接收模塊)；

接入端信號(hào)處理單元，用來處理上行鏈路接收的信息，或者對(duì)下行鏈路的發(fā)送信息進(jìn)行預(yù)處理；

終端可見光收發(fā)模塊，包含上行通信的led發(fā)射模塊(第二led模組)和下行通信的可見光接收模塊(第一接收模塊)；

終端信號(hào)處理單元，用來處理下行鏈路接收的信息，或者對(duì)上行鏈路的發(fā)送信息進(jìn)行預(yù)處理；

在下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸中，第一led模組作為數(shù)據(jù)發(fā)送端，第一接收模塊作為數(shù)據(jù)接收端；并將調(diào)制信號(hào)通過第一驅(qū)動(dòng)模塊加載到led上，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送；再經(jīng)由第一接收模塊完成數(shù)據(jù)信號(hào)的接收；

在上行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸中，第二led模組作為數(shù)據(jù)發(fā)送端，第二接收模塊作為數(shù)據(jù)接收端；并將調(diào)制信號(hào)通過第二驅(qū)動(dòng)模塊加載到led上，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送；再經(jīng)由第二接收模塊完成數(shù)據(jù)信號(hào)的接收。

進(jìn)一步的，考慮終端的類型，終端可以是移動(dòng)終端，也可以是固定終端；終端的數(shù)目可以是一個(gè)或者多個(gè)；移動(dòng)終端的類型可以是手機(jī)、筆記本或者平板電腦等設(shè)備。

進(jìn)一步的，考慮光源的類型，led可以是rgb-led，也可以是藍(lán)光led與熒光粉構(gòu)成的白光led，或者是紫光led與熒光粉構(gòu)成的白光led。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)信號(hào)傳輸帶寬的需求，選擇合適的光源。

進(jìn)一步的，接入端可以連接其它類型的網(wǎng)絡(luò)，使得可見光通信能夠兼容光纖通信或者3g、4g、5g移動(dòng)接入方式。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供的全雙工時(shí)分復(fù)用通信系統(tǒng)能夠滿足大多數(shù)通信系統(tǒng)對(duì)全雙工的要求，同時(shí)，在兼顧通信效率的前提下，能夠有效的降低上下行通信過程中上行傳輸對(duì)下行傳輸?shù)母蓴_，以及下行傳輸對(duì)上行傳輸?shù)母蓴_，提高上下行接收信號(hào)的質(zhì)量。與此同時(shí)，本系統(tǒng)還考慮到利用高階調(diào)制擴(kuò)充系統(tǒng)容量的問題，可以根據(jù)通信系統(tǒng)對(duì)容量的需求，選擇使用。

附圖說明：

圖1：文獻(xiàn)7中半雙工時(shí)分rgb-led模組雙向可見光通信的方案。

圖2：本發(fā)明提出的上下行通信方法結(jié)構(gòu)圖。

圖3：本發(fā)明提出的上下行全雙工可見光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用發(fā)明的技術(shù)手段、發(fā)明特征，以及達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實(shí)施方式，進(jìn)一步闡述本發(fā)明?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

1保護(hù)時(shí)間選取的問題

在本發(fā)明中，上下行時(shí)間切片之間保護(hù)時(shí)間的選取問題，即時(shí)間切片2的數(shù)值大小，是關(guān)鍵問題。本發(fā)明提供了兩種方法，第一種方法適用于可見光通信的信道情況較為簡單，主要為視距傳輸?shù)那闆r，即可見光的光源離墻面等反射面較遠(yuǎn)，或者墻面等反射體反射系數(shù)較小，對(duì)可見光的吸收較多的情況。在這種情況下，時(shí)間切片2的時(shí)間數(shù)值可以直接設(shè)定為終端到接入端視距傳輸情況下的傳播時(shí)延。假如發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離為2米，則這個(gè)時(shí)間切片為6.7ns。第二種方法適用于可見光通信的信道情況較為復(fù)雜，視距傳輸和非視距傳輸均存在的情況。例如，常規(guī)的室內(nèi)環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境中，時(shí)間切片2的時(shí)間數(shù)值可以按照如下方法設(shè)定：

時(shí)間切片2的時(shí)間數(shù)值等于可見光信道單位沖擊響應(yīng)的平均延遲τ0與一個(gè)比值b的乘積；

當(dāng)b＝1時(shí)，時(shí)間切片2的時(shí)間數(shù)值等于可見光信道單位沖擊響應(yīng)的平均延遲；

當(dāng)b＞1時(shí)，時(shí)間切片2的時(shí)間數(shù)值大于可見光信道單位沖擊響應(yīng)的平均延遲，上下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間將會(huì)減少，通信效率下降，但是保護(hù)時(shí)間增加有助于減小系統(tǒng)上下行的誤碼率；

當(dāng)b＜1時(shí)，時(shí)間切片2的時(shí)間數(shù)值小于可見光信道單位沖擊響應(yīng)的平均延遲，上下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間將會(huì)增加，通信效率提高，但是保護(hù)時(shí)間減小會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)上下行的誤碼率增加；

b的數(shù)值可以根據(jù)上下行通信之間的干擾情況來確定。

考慮到系統(tǒng)中存在時(shí)間最小分辨率的問題，因此，可以在取值時(shí)采取向上進(jìn)位的方式。例如，最小分辨率為1ns，按照我們的方法計(jì)算的結(jié)果為3.5ns時(shí)，可以選擇4ns作為時(shí)間切片2的時(shí)間數(shù)值。

2上下行通信時(shí)間分配的問題

由于時(shí)分復(fù)用具有時(shí)隙分配靈活的優(yōu)點(diǎn)，而數(shù)據(jù)通信上下行業(yè)務(wù)量又嚴(yán)重不對(duì)稱，因此可以靈活的分配時(shí)間切片1和時(shí)間切片3的時(shí)間數(shù)值。例如，上下行的數(shù)據(jù)傳輸量之比為1∶3，則可以分配時(shí)間切片1和時(shí)間切片3的時(shí)間數(shù)值分別為1符號(hào)時(shí)間和3符號(hào)時(shí)間。這樣可以防止平均分配時(shí)隙時(shí)出現(xiàn)的上行帶寬浪費(fèi)問題。

3高階調(diào)制選擇的問題

由于采用保護(hù)時(shí)間降低了通信的效率，為了增加通信的速率，本發(fā)明提出在時(shí)間切片1或者時(shí)間切片3中，可以采用ook調(diào)制的方式傳輸數(shù)據(jù)，也可以采用其它高階調(diào)制的電信號(hào)來傳輸數(shù)據(jù)，以此提升通信系統(tǒng)的容量。

例如，上行采用ook調(diào)制的方式傳輸數(shù)據(jù)，下行采用qpsk調(diào)制的方式傳輸數(shù)據(jù)，由于一個(gè)qpsk符號(hào)攜帶2bit信息，是ook調(diào)制方式的兩倍，因此，在分配帶寬時(shí)需要考慮這種因素。如果分配時(shí)間切片1和時(shí)間切片3的時(shí)間數(shù)值分別為1符號(hào)時(shí)間和2符號(hào)時(shí)間，則在這種調(diào)制方式下，上下行的數(shù)據(jù)傳輸量之比為1∶4。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征以及本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。