基于VLC的無線導(dǎo)覽系統(tǒng)

項(xiàng)目背景及可行性分析

1、項(xiàng)目名稱、項(xiàng)目的主要內(nèi)容及目前的進(jìn)展情況

項(xiàng)目名稱：基于VLC的無線導(dǎo)覽系統(tǒng)

項(xiàng)目的主要內(nèi)容：

無線導(dǎo)覽系統(tǒng)能為用戶方便地提供個(gè)性化的高質(zhì)量服務(wù)和資訊，在大型場(chǎng)館、復(fù)雜環(huán)境下具有很高的實(shí)用價(jià)值。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，先后出現(xiàn)了基于紅外通信、射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，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(Visible Light Communication，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(Light Emitting Diode，LED)具有高速點(diǎn)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(yàn)證。和目前較常采用的射頻通信技術(shù)相比，VLC技術(shù)在電磁輻射、發(fā)射功率、電源管理等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。因此，可同時(shí)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(jìn)展情況：本團(tuán)隊(duì)利用FPGA開發(fā)套件及可見光發(fā)射機(jī)、接收機(jī)搭建一個(gè)采用Manchester編解碼和OOK調(diào)制方式的最簡(jiǎn)無線導(dǎo)覽系統(tǒng)，并以通過測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。后續(xù)需要實(shí)現(xiàn)FPGA同多媒體播放器的通信，并在播放器上實(shí)現(xiàn)完整的無線導(dǎo)覽功能。

2、項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)的論述;

關(guān)鍵技術(shù)包括可見光識(shí)別(Visible Light Identification，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(jì)，多媒體播放器的自動(dòng)導(dǎo)覽技術(shù)等。

3、技術(shù)成熟性和可靠性論述：

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(chǎng)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。日本杏林大學(xué)的田中和索尼計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所的Haruyama等人在2000年提出了利用LED照明燈作為通信基站進(jìn)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(rèn)為L(zhǎng)ED光源滿足Lambertian照射形式，且以強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(Intensity Modulation-Direct Detection, IM-DD)為光調(diào)制形式進(jìn)行了建模仿真，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(rèn)為當(dāng)傳送數(shù)據(jù)率在10 Mbps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。2001年，田中等人在原來的基礎(chǔ)上分別采用OOK_RZ調(diào)制方式與OFDM調(diào)制方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明：當(dāng)傳送數(shù)據(jù)率在100Mbps以下時(shí)這兩種調(diào)制技術(shù)都是可行的，當(dāng)數(shù)據(jù)率大于100Mbps時(shí)，OFDM調(diào)制技術(shù)優(yōu)于OOK-RZ調(diào)制技術(shù)。

2002年，Tanaka和Komine研究組具體分析了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(jìn)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SC—BPSK調(diào)制方式進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，結(jié)果表明：系統(tǒng)在數(shù)據(jù)率為1 Mbps條件下是可行的。同年，Komine等研究了由墻壁反射引起的多徑效應(yīng)對(duì)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(jìn)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60 Mbps，接收視場(chǎng)角小于50度的條件下，采用8-PPM調(diào)制方式可有效克服墻壁反射引起的多徑效應(yīng)。

2008年西門子開發(fā)出在100 Mbit/s帶寬下使用可見光傳輸數(shù)據(jù)的新技術(shù)，采用白光LED產(chǎn)生的可見光進(jìn)行室內(nèi)傳輸達(dá)到100 Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸率，可用于補(bǔ)充現(xiàn)有的無線局域網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方法。西門子的研究人員采用數(shù)字調(diào)制的方案，白光LED作為發(fā)射機(jī)，圖像檢波器作為接收機(jī)來實(shí)現(xiàn)這一傳輸。出于高端技術(shù)的保密要求，該公司并沒有提供白光LED，圖像檢波和調(diào)制技術(shù)的細(xì)節(jié)。數(shù)據(jù)信號(hào)在實(shí)驗(yàn)室條件下傳輸超過了一米的距離。不過，因?yàn)檫@項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)需要在直接可視的前提條件下進(jìn)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(duì)家庭無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)將是一個(gè)很好的補(bǔ)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(xiàng)研究與歐盟委員會(huì)根據(jù)歐盟框架計(jì)劃7(FP7)共同創(chuàng)辦的OMEGA項(xiàng)目一起進(jìn)行。

2008年美國(guó)自然科學(xué)基金啟動(dòng)了“智能照明”(Smart Lighting)項(xiàng)目，其后5年間總投資將超過1.85億美元，涉及美國(guó)逾30所院校的研究人員，包括紐約Rensselaer理工學(xué)院、波士頓大學(xué)、新墨西哥大學(xué)及韓國(guó)、臺(tái)灣的部分大學(xué)。“智能照明”項(xiàng)目旨在研究新的固態(tài)照明技術(shù)來實(shí)現(xiàn)快速生物成像，新的通信模式，有效的顯示技術(shù)和安全交通等;通過研制具有獨(dú)特性質(zhì)的新材料，從而創(chuàng)造出可以可完全調(diào)控的新型照明器件和系統(tǒng)。該項(xiàng)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(jìn)行將可見光無線通信技術(shù)納入個(gè)域網(wǎng)(PAN)的標(biāo)準(zhǔn)制訂工作組IEEE P802.15的范圍之內(nèi)。目前國(guó)內(nèi)這方面的實(shí)驗(yàn)研究非常罕見(在CNKI中以LED,無線通信或無線光通信等作為關(guān)鍵詞未能搜索到直接相關(guān)的技術(shù)文獻(xiàn))，尚只有關(guān)于該技術(shù)的一些評(píng)價(jià)和討論，遠(yuǎn)沒有形成與國(guó)外同行相競(jìng)爭(zhēng)的局面。

本項(xiàng)目組作為中科院蘇州納米技術(shù)與仿生研究所融合通信實(shí)驗(yàn)室一部分，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有較完備的常規(guī)可見光通信分析測(cè)量?jī)x器以及豐富的射頻通信技術(shù)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，已具備開展本項(xiàng)目開發(fā)任務(wù)所需要的實(shí)驗(yàn)支撐條件。

VLC鏈路系統(tǒng)：

自主研發(fā)的可見光鏈路，實(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)滿足室內(nèi)無線導(dǎo)覽系統(tǒng)的需要。

基于Xilinx平臺(tái)開發(fā)的編解碼系統(tǒng)：

本項(xiàng)目組成員已經(jīng)在該平臺(tái)上成功進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)了使用FPGA軟件構(gòu)建最簡(jiǎn)編碼、解碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。了解該芯片的主要功能，熟悉核心代碼，這是本項(xiàng)目實(shí)施的核心技術(shù)保障。

主要參數(shù)及指標(biāo)：

三、項(xiàng)目實(shí)施方案

1、方案基本功能框圖及描述

圖1給出了一個(gè)基于VLC技術(shù)的無線導(dǎo)覽系統(tǒng)示意圖。對(duì)油畫《蒙娜麗莎的微笑》附近區(qū)域內(nèi)天花板或墻壁上的LED照明燈具進(jìn)行改造，使其發(fā)射的可見光中包含按照一定方式調(diào)制的特定的識(shí)別碼，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)廣播功能。當(dāng)持有移動(dòng)終端的用戶進(jìn)入有效光照區(qū)域時(shí)，帶有光電二極管探測(cè)器(PD)的終端將直接接收帶識(shí)別碼的可見光信號(hào)，經(jīng)過解調(diào)、解碼、信息比對(duì)等處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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，可見光發(fā)射機(jī)通過使用單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理(DSP)、FPGA等微處理器建立服務(wù);發(fā)送不同識(shí)別碼的LED之間相互獨(dú)立、不存在彼此通信的關(guān)系，這樣既可以充分滿足信號(hào)調(diào)制的功能，又可極大地降低整個(gè)系統(tǒng)布局的復(fù)雜度。

圖1 基于可見光通信技術(shù)的無線導(dǎo)覽系統(tǒng)

1.1 VLID的編碼方式

目前，可見光識(shí)別(Visible Light Identification，VLID)有幾種編碼方式，如在光通信領(lǐng)域普遍采用的8B10B、Non-Return to Zero (NRZ)、Manchester等簡(jiǎn)單有效的編碼方式，可充分滿足本無線導(dǎo)覽系統(tǒng)的通信需求?？梢姽庾鳛橥ㄐ诺氖侄沃猓硪粋€(gè)主要作用在于其原始的照明功能。LED作為照明燈首先必須保證照明的穩(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(huì)出現(xiàn)明顯的閃爍。其次，合理的冗余碼可以保證系統(tǒng)有一定的錯(cuò)誤檢查能力，可有效避免誤碼情況。當(dāng)終端接收到識(shí)別碼序列后，只要在事先約定的識(shí)別碼表中對(duì)比冗余位是否與標(biāo)簽位(被識(shí)別物的有效編號(hào))匹配，即可有效減少錯(cuò)誤的發(fā)生。同時(shí)，考慮到實(shí)際系統(tǒng)中被識(shí)別物的數(shù)量，只需簡(jiǎn)單修改標(biāo)簽位長(zhǎng)度即可滿足系統(tǒng)要求。

圖2 發(fā)射機(jī)以及編碼器流程圖

1.2 亮度調(diào)控

在VLC系統(tǒng)中，通常采用脈寬調(diào)制和改變調(diào)制深度這兩種方法調(diào)節(jié)LED的亮度。

發(fā)射端的調(diào)制深度關(guān)系到信號(hào)的有效廣播范圍以及LED的光譜偏移特性，且會(huì)對(duì)接收端信號(hào)的信噪比產(chǎn)生較大影響;脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)技術(shù)則廣泛應(yīng)用在測(cè)量、通信、功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。雖然在VLC中，PWM會(huì)顯著降低通信時(shí)的傳輸速率，但在無線導(dǎo)覽這個(gè)特定應(yīng)用環(huán)境下，可見光標(biāo)簽的發(fā)送速率并不是主要的考慮因素，因而單一地采用PWM是VLC系統(tǒng)亮度控制的一種可行方法。

假定采用周期為1 ms的脈寬調(diào)制信號(hào)為載波，識(shí)別碼序列為'10101010101010'，頻率1 MHz，PWM為空時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包。三種不同的PWM輸出信號(hào)值如圖3所示，其中(a)顯示的PWM輸出占空比為80%，即信號(hào)在1個(gè)單位周期的80%時(shí)間內(nèi)有輸出，另外20%的時(shí)間為關(guān)閉，(b)和(c)則分別顯示占空比為50%和20%時(shí)的PWM輸出模擬信號(hào)值。加上發(fā)送識(shí)別碼時(shí)的功率，單位周期內(nèi)實(shí)際功率值分別約為80.7%、50.7%和20.7%。脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的周期時(shí)間越長(zhǎng)，意味著單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)越少;但這個(gè)周期時(shí)間是有限制的，它必須保證有足夠長(zhǎng)的時(shí)間發(fā)送識(shí)別碼序列，同時(shí)應(yīng)控制LED的閃爍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(hào)

1.3解碼器

通過微處理器對(duì)接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解碼。解碼流程如圖3所示：首先根據(jù)識(shí)別信息發(fā)射部件中的編碼方式將數(shù)字信號(hào)還原成原碼，再對(duì)比識(shí)別碼表，如果存在該識(shí)別碼序列號(hào)，則進(jìn)一步對(duì)比識(shí)別碼和冗余碼表，如果匹配則單獨(dú)將識(shí)別碼發(fā)送給多媒體終端。識(shí)別碼表和冗余碼表為事先約定好的碼表，存儲(chǔ)在微處理器的存儲(chǔ)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(dòng)播放

如圖4所示，多媒體終端中通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)通信端口的偵聽，當(dāng)接收到經(jīng)微處理器解碼后發(fā)送的識(shí)別碼，將自動(dòng)播放與識(shí)別碼對(duì)應(yīng)的多媒體資料。

圖4 移動(dòng)終端流程框圖

2、需要的開發(fā)平臺(tái)

(1)實(shí)現(xiàn)本方案所需要的基本功能、功能、接口：

平臺(tái)上具有串口或USB

平臺(tái)上含DRAM或SRAM存儲(chǔ)器。

平臺(tái)上具有DDR技術(shù)

平臺(tái)上具有彩色LCD

(2)所需要的目標(biāo)FPGA開發(fā)平臺(tái)，簡(jiǎn)述為什么需要此平臺(tái)。

目標(biāo)平臺(tái)為Xilinx Spartan-3開發(fā)平臺(tái)，原因如下：本項(xiàng)目屬于無線光通信和多媒體通信領(lǐng)域，可以用在無線導(dǎo)覽、多媒體播放等領(lǐng)域，需要硬件處理平臺(tái)具有較高的處理速度和豐富的邏輯資源。

(3)還需要相應(yīng)的JTAG調(diào)試和開發(fā)工具。

4、系統(tǒng)最終要達(dá)到的性能指標(biāo)

多個(gè)不同VLID發(fā)射機(jī)：至少2臺(tái);

多媒體移動(dòng)終端一臺(tái)

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換誤碼率：10-12;

經(jīng)編解碼以及可見光鏈路后，輸出信號(hào)應(yīng)與原碼保持一致;

工作溫度-20°～60°(待定)。