基于VLC的無(wú)線(xiàn)導覽系統

項目背景及可行性分析

1、項目名稱(chēng)、項目的主要內容及目前的進(jìn)展情況

項目名稱(chēng)：基于VLC的無(wú)線(xiàn)導覽系統

項目的主要內容：

無(wú)線(xiàn)導覽系統能為用戶(hù)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、復雜環(huán)境下具有很高的實(shí)用價(jià)值。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，先后出現了基于紅外通信、射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、超聲波、可見(jiàn)光等不同通信方式的導覽系統，其中可見(jiàn)光通信(Visible Light Communication，VLC)技術(shù)是一種新型的使用可見(jiàn)光作為信息載體的短距離高速無(wú)線(xiàn)通信方式。半導體發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)具有高速點(diǎn)滅的發(fā)光響應特性，將大功率、高亮度的LED光源用作無(wú)線(xiàn)光通信鏈路的可行性已得到驗證。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。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(lái)越多的關(guān)注和應用。

目前的進(jìn)展情況：本團隊利用FPGA開(kāi)發(fā)套件及可見(jiàn)光發(fā)射機、接收機搭建一個(gè)采用Manchester編解碼和OOK調制方式的最簡(jiǎn)無(wú)線(xiàn)導覽系統，并以通過(guò)測試，驗證了系統的可行性。后續需要實(shí)現FPGA同多媒體播放器的通信，并在播放器上實(shí)現完整的無(wú)線(xiàn)導覽功能。

2、項目關(guān)鍵技術(shù)的論述;

關(guān)鍵技術(shù)包括可見(jiàn)光識別(Visible Light Identification，VLID)的編碼方式、自由空間引入的干擾、亮度調控技術(shù)、終端中的電平判決器設計，多媒體播放器的自動(dòng)導覽技術(shù)等。

3、技術(shù)成熟性和可靠性論述：

基于半導體LED可見(jiàn)光的無(wú)線(xiàn)通信可分為室外通信和室內通信兩大類(lèi)應用場(chǎng)合,其中室內通信闡釋如下。

室內LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)主要應用在室內無(wú)線(xiàn)寬帶接入網(wǎng)中。日本杏林大學(xué)的田中和索尼計算機科學(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(wú)線(xiàn)傳輸的室內通信系統。他們以Gfeller和Bapst的室內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L(cháng)ED光源滿(mǎn)足Lambertian照射形式，且以強度調制直接檢測(Intensity Modulation-Direct Detection, IM-DD)為光調制形式進(jìn)行了建模仿真，獲得了數據率、誤碼率以及接收功率等之間的關(guān)系，認為當傳送數據率在10 Mbps以下的系統是可行的，碼間干擾(ISI)和多徑效應是影響系統性能的兩大因素。2001年，田中等人在原來(lái)的基礎上分別采用OOK_RZ調制方式與OFDM調制方式對系統進(jìn)行了仿真，結果表明：當傳送數據率在100Mbps以下時(shí)這兩種調制技術(shù)都是可行的，當數據率大于100Mbps時(shí)，OFDM調制技術(shù)優(yōu)于OOK-RZ調制技術(shù)。

2002年，Tanaka和Komine研究組具體分析了LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信系統中的噪聲模型、信道模型、光源屬性、室內不同位置的信噪比分布等因素，求出了系統所需的LED單元燈的基本功率要求，并分別以OOK-RZ、OOK-NRZ、m-PPM調制方式進(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合電力線(xiàn)載波通信和LED可見(jiàn)光通信的數據傳輸系統，以SC—BPSK調制方式進(jìn)行了系統仿真，結果表明：系統在數據率為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對LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)系統造成的影響，分別以OOK、2-PPM、4-PPM、8-PPM調制方式進(jìn)行仿真，結果表明：8-PPM調制方式性能最佳。在數據率小于60 Mbps，接收視場(chǎng)角小于50度的條件下，采用8-PPM調制方式可有效克服墻壁反射引起的多徑效應。

2008年西門(mén)子開(kāi)發(fā)出在100 Mbit/s帶寬下使用可見(jiàn)光傳輸數據的新技術(shù)，采用白光LED產(chǎn)生的可見(jiàn)光進(jìn)行室內傳輸達到100 Mbit/s數據傳輸率，可用于補充現有的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的實(shí)現方法。西門(mén)子的研究人員采用數字調制的方案，白光LED作為發(fā)射機，圖像檢波器作為接收機來(lái)實(shí)現這一傳輸。出于高端技術(shù)的保密要求，該公司并沒(méi)有提供白光LED，圖像檢波和調制技術(shù)的細節。數據信號在實(shí)驗室條件下傳輸超過(guò)了一米的距離。不過(guò)，因為這項數據傳輸技術(shù)需要在直接可視的前提條件下進(jìn)行，所以還不能取代現有基于射頻的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)。但是，考慮到無(wú)線(xiàn)通信頻帶越來(lái)越短缺的背景，基于可見(jiàn)光的傳輸技術(shù)對家庭無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現將是一個(gè)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。該項研究與歐盟委員會(huì )根據歐盟框架計劃7(FP7)共同創(chuàng )辦的OMEGA項目一起進(jìn)行。

2008年美國自然科學(xué)基金啟動(dòng)了“智能照明”(Smart Lighting)項目，其后5年間總投資將超過(guò)1.85億美元，涉及美國逾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、臺灣的部分大學(xué)。“智能照明”項目旨在研究新的固態(tài)照明技術(shù)來(lái)實(shí)現快速生物成像，新的通信模式，有效的顯示技術(shù)和安全交通等;通過(guò)研制具有獨特性質(zhì)的新材料，從而創(chuàng )造出可以可完全調控的新型照明器件和系統。該項目所帶來(lái)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(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)納入個(gè)域網(wǎng)(PAN)的標準制訂工作組IEEE P802.15的范圍之內。目前國內這方面的實(shí)驗研究非常罕見(jiàn)(在CNKI中以L(fǎng)ED,無(wú)線(xiàn)通信或無(wú)線(xiàn)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)，尚只有關(guān)于該技術(shù)的一些評價(jià)和討論，遠沒(méi)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)與仿生研究所融合通信實(shí)驗室一部分，實(shí)驗室內有較完備的常規可見(jiàn)光通信分析測量?jì)x器以及豐富的射頻通信技術(shù)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，已具備開(kāi)展本項目開(kāi)發(fā)任務(wù)所需要的實(shí)驗支撐條件。

VLC鏈路系統：

自主研發(fā)的可見(jiàn)光鏈路，實(shí)現了基于小功率LED(300mW)的無(wú)線(xiàn)數據傳輸，最大傳輸距離3m，最高通信速率40Mbps，遠遠滿(mǎn)足室內無(wú)線(xiàn)導覽系統的需要。

基于Xilinx平臺開(kāi)發(fā)的編解碼系統：

本項目組成員已經(jīng)在該平臺上成功進(jìn)行了實(shí)現了使用FPGA軟件構建最簡(jiǎn)編碼、解碼系統的設計。了解該芯片的主要功能，熟悉核心代碼，這是本項目實(shí)施的核心技術(shù)保障。

主要參數及指標：

三、項目實(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(wú)線(xiàn)導覽系統示意圖。對油畫(huà)《蒙娜麗莎的微笑》附近區域內天花板或墻壁上的LED照明燈具進(jìn)行改造，使其發(fā)射的可見(jiàn)光中包含按照一定方式調制的特定的識別碼，以實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)的數據廣播功能。當持有移動(dòng)終端的用戶(hù)進(jìn)入有效光照區域時(shí)，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(jiàn)光信號，經(jīng)過(guò)解調、解碼、信息比對等處理，實(shí)現自動(dòng)為用戶(hù)播放該油畫(huà)的多媒體資料的無(wú)線(xiàn)導覽功能。在該系統中，可見(jiàn)光發(fā)射機通過(guò)使用單片機、數字信號處理(DSP)、FPGA等微處理器建立服務(wù);發(fā)送不同識別碼的LED之間相互獨立、不存在彼此通信的關(guān)系，這樣既可以充分滿(mǎn)足信號調制的功能，又可極大地降低整個(gè)系統布局的復雜度。

圖1 基于可見(jiàn)光通信技術(shù)的無(wú)線(xiàn)導覽系統

1.1 VLID的編碼方式

目前，可見(jiàn)光識別(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(mǎn)足本無(wú)線(xiàn)導覽系統的通信需求?？梢?jiàn)光作為通信的手段之外，另一個(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定性，因此需要一組連續的、穩定的和0、1比例恒定的編碼序列，使其不會(huì )出現明顯的閃爍。其次，合理的冗余碼可以保證系統有一定的錯誤檢查能力，可有效避免誤碼情況。當終端接收到識別碼序列后，只要在事先約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，即可有效減少錯誤的發(fā)生。同時(shí)，考慮到實(shí)際系統中被識別物的數量，只需簡(jiǎn)單修改標簽位長(cháng)度即可滿(mǎn)足系統要求。

圖2 發(fā)射機以及編碼器流程圖

1.2 亮度調控

在VLC系統中，通常采用脈寬調制和改變調制深度這兩種方法調節LED的亮度。

發(fā)射端的調制深度關(guān)系到信號的有效廣播范圍以及LED的光譜偏移特性，且會(huì )對接收端信號的信噪比產(chǎn)生較大影響;脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)技術(shù)則廣泛應用在測量、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(zhù)降低通信時(shí)的傳輸速率，但在無(wú)線(xiàn)導覽這個(gè)特定應用環(huán)境下，可見(jiàn)光標簽的發(fā)送速率并不是主要的考慮因素，因而單一地采用PWM是VLC系統亮度控制的一種可行方法。

假定采用周期為1 ms的脈寬調制信號為載波，識別碼序列為'10101010101010'，頻率1 MHz，PWM為空時(shí)發(fā)送數據包。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(gè)單位周期的80%時(shí)間內有輸出，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輸出模擬信號值。加上發(fā)送識別碼時(shí)的功率，單位周期內實(shí)際功率值分別約為80.7%、50.7%和20.7%。脈沖寬度調制信號的周期時(shí)間越長(cháng)，意味著(zhù)單位時(shí)間內發(fā)送的數據包個(gè)數越少;但這個(gè)周期時(shí)間是有限制的，它必須保證有足夠長(cháng)的時(shí)間發(fā)送識別碼序列，同時(shí)應控制LED的閃爍頻率在人眼接受范圍內。

圖3 三種不同的脈沖寬度調制輸出信號

1.3解碼器

通過(guò)微處理器對接收到的數字信號進(jìn)行解碼。解碼流程如圖3所示：首先根據識別信息發(fā)射部件中的編碼方式將數字信號還原成原碼，再對比識別碼表，如果存在該識別碼序列號，則進(jìn)一步對比識別碼和冗余碼表，如果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約定好的碼表，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(dòng)播放

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

圖4 移動(dòng)終端流程框圖

2、需要的開(kāi)發(fā)平臺

(1)實(shí)現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(kāi)發(fā)平臺，簡(jiǎn)述為什么需要此平臺。

目標平臺為Xilinx Spartan-3開(kāi)發(fā)平臺，原因如下：本項目屬于無(wú)線(xiàn)光通信和多媒體通信領(lǐng)域，可以用在無(wú)線(xiàn)導覽、多媒體播放等領(lǐng)域，需要硬件處理平臺具有較高的處理速度和豐富的邏輯資源。

(3)還需要相應的JTAG調試和開(kāi)發(fā)工具。

4、系統最終要達到的性能指標

多個(gè)不同VLID發(fā)射機：至少2臺;

多媒體移動(dòng)終端一臺

數據轉換誤碼率：10-12;

經(jīng)編解碼以及可見(jiàn)光鏈路后，輸出信號應與原碼保持一致;

工作溫度-20°～60°(待定)。