基于VLC的无线导览系统

 项目背景及可行性分析

1、项目名称、项目的主要内容及目前的进展情况

项目名称：基于VLC的无线导览系统

项目的主要内容：

无线导览系统能为用户方便地提供个性化的高质量服务和资讯，在大型场馆、复杂环境下具有很高的实用价值。随着无线通信技术的发展，先后出现了基于红外通信、射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)、无线局域网、超声波、可见光等不同通信方式的导览系统，其中可见光通信(Visible Light Communication，VLC)技术是一种新型的使用可见光作为信息载体的短距离高速无线通信方式。半导体发光二极管(Light Emitting Diode，LED)具有高速点灭的发光响应特性，将大功率、高亮度的LED光源用作无线光通信链路的可行性已得到验证。和目前较常采用的射频通信技术相比，VLC技术在电磁辐射、发射功率、电源管理等方面具有很大的优势。因此，可同时兼顾照明和通信功能的VLC技术正获得越来越多的关注和应用。

目前的进展情况：本团队利用FPGA开发套件及可见光发射机、接收机搭建一个采用Manchester编解码和OOK调制方式的最简无线导览系统，并以通过测试，验证了系统的可行性。后续需要实现FPGA同多媒体播放器的通信，并在播放器上实现完整的无线导览功能。

2、项目关键技术的论述;

关键技术包括可见光识别(Visible Light Identification，VLID)的编码方式、自由空间引入的干扰、亮度调控技术、终端中的电平判决器设计，多媒体播放器的自动导览技术等。

3、技术成熟性和可靠性论述：

基于半导体LED可见光的无线通信可分为室外通信和室内通信两大类应用场合,其中室内通信阐释如下。

室内LED可见光无线通信技术主要应用在室内无线宽带接入网中。日本杏林大学的田中和索尼计算机科学研究所的Haruyama等人在2000年提出了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统。他们以Gfeller和Bapst的室内光传输信道为传输模型，将信道分为直接信道和反射信道两部分，并认为LED光源满足Lambertian照射形式，且以强度调制直接检测(Intensity Modulation-Direct Detection, IM-DD)为光调制形式进行了建模仿真，获得了数据率、误码率以及接收功率等之间的关系，认为当传送数据率在10 Mbps以下的系统是可行的，码间干扰(ISI)和多径效应是影响系统性能的两大因素。2001年，田中等人在原来的基础上分别采用OOK_RZ调制方式与OFDM调制方式对系统进行了仿真，结果表明：当传送数据率在100Mbps以下时这两种调制技术都是可行的，当数据率大于100Mbps时，OFDM调制技术优于OOK-RZ调制技术。

2002年，Tanaka和Komine研究组具体分析了LED可见光无线通信系统中的噪声模型、信道模型、光源属性、室内不同位置的信噪比分布等因素，求出了系统所需的LED单元灯的基本功率要求，并分别以OOK-RZ、OOK-NRZ、m-PPM调制方式进行仿真分析，得到了不同条件下的误码率大小;同年又提出了一套结合电力线载波通信和LED可见光通信的数据传输系统，以SC—BPSK调制方式进行了系统仿真，结果表明：系统在数据率为1 Mbps条件下是可行的。同年，Komine等研究了由墙壁反射引起的多径效应对LED可见光无线系统造成的影响，分别以OOK、2-PPM、4-PPM、8-PPM调制方式进行仿真，结果表明：8-PPM调制方式性能最佳。在数据率小于60 Mbps，接收视场角小于50度的条件下，采用8-PPM调制方式可有效克服墙壁反射引起的多径效应。

2008年西门子开发出在100 Mbit/s带宽下使用可见光传输数据的新技术，采用白光LED产生的可见光进行室内传输达到100 Mbit/s数据传输率，可用于补充现有的无线局域网的实现方法。西门子的研究人员采用数字调制的方案，白光LED作为发射机，图像检波器作为接收机来实现这一传输。出于高端技术的保密要求，该公司并没有提供白光LED，图像检波和调制技术的细节。数据信号在实验室条件下传输超过了一米的距离。不过，因为这项数据传输技术需要在直接可视的前提条件下进行，所以还不能取代现有基于射频的无线局域网技术。但是，考虑到无线通信频带越来越短缺的背景，基于可见光的传输技术对家庭无线网络实现将是一个很好的补充。为了保证通视性可以将双工收发器嵌入到天花板的照明灯上。该项研究与欧盟委员会根据欧盟框架计划7(FP7)共同创办的OMEGA项目一起进行。

2008年美国自然科学基金启动了“智能照明”(Smart Lighting)项目，其后5年间总投资将超过1.85亿美元，涉及美国逾30所院校的研究人员，包括纽约Rensselaer理工学院、波士顿大学、新墨西哥大学及韩国、台湾的部分大学。“智能照明”项目旨在研究新的固态照明技术来实现快速生物成像，新的通信模式，有效的显示技术和安全交通等;通过研制具有独特性质的新材料，从而创造出可以可完全调控的新型照明器件和系统。该项目所带来的创新技术将使固态照明具有更多的功能且更易制造。另外，IEEE也正在进行将可见光无线通信技术纳入个域网(PAN)的标准制订工作组IEEE P802.15的范围之内。目前国内这方面的实验研究非常罕见(在CNKI中以LED,无线通信或无线光通信等作为关键词未能搜索到直接相关的技术文献)，尚只有关于该技术的一些评价和讨论，远没有形成与国外同行相竞争的局面。

本项目组作为中科院苏州纳米技术与仿生研究所融合通信实验室一部分，实验室内有较完备的常规可见光通信分析测量仪器以及丰富的射频通信技术开发经验，已具备开展本项目开发任务所需要的实验支撑条件。

VLC链路系统：

自主研发的可见光链路，实现了基于小功率LED(300mW)的无线数据传输，最大传输距离3m，最高通信速率40Mbps，远远满足室内无线导览系统的需要。

基于Xilinx平台开发的编解码系统：

本项目组成员已经在该平台上成功进行了实现了使用FPGA软件构建最简编码、解码系统的设计。了解该芯片的主要功能，熟悉核心代码，这是本项目实施的核心技术保障。

主要参数及指标：

Communication frequency

12.2 KHz

Data sequence send cycle

2.62 ms

Number of data sequence transmission

16'H0007

Codec

Manchester

Original code

8'b10100111

Baud rate

9600

三、项目实施方案

1、方案基本功能框图及描述

图1给出了一个基于VLC技术的无线导览系统示意图。对油画《蒙娜丽莎的微笑》附近区域内天花板或墙壁上的LED照明灯具进行改造，使其发射的可见光中包含按照一定方式调制的特定的识别码，以实现点对点、点对多点的数据广播功能。当持有移动终端的用户进入有效光照区域时，带有光电二极管探测器(PD)的终端将直接接收带识别码的可见光信号，经过解调、解码、信息比对等处理，实现自动为用户播放该油画的多媒体资料的无线导览功能。在该系统中，可见光发射机通过使用单片机、数字信号处理(DSP)、FPGA等微处理器建立服务;发送不同识别码的LED之间相互独立、不存在彼此通信的关系，这样既可以充分满足信号调制的功能，又可极大地降低整个系统布局的复杂度。

图1 基于可见光通信技术的无线导览系统

1.1 VLID的编码方式

目前，可见光识别(Visible Light Identification，VLID)有几种编码方式，如在光通信领域普遍采用的8B\10B、Non-Return to Zero (NRZ)、Manchester等简单有效的编码方式，可充分满足本无线导览系统的通信需求。可见光作为通信的手段之外，另一个主要作用在于其原始的照明功能。LED作为照明灯首先必须保证照明的稳定性，因此需要一组连续的、稳定的和0、1比例恒定的编码序列，使其不会出现明显的闪烁。其次，合理的冗余码可以保证系统有一定的错误检查能力，可有效避免误码情况。当终端接收到识别码序列后，只要在事先约定的识别码表中对比冗余位是否与标签位(被识别物的有效编号)匹配，即可有效减少错误的发生。同时，考虑到实际系统中被识别物的数量，只需简单修改标签位长度即可满足系统要求。

图2 发射机以及编码器流程图

1.2 亮度调控

在VLC系统中，通常采用脉宽调制和改变调制深度这两种方法调节LED的亮度。

发射端的调制深度关系到信号的有效广播范围以及LED的光谱偏移特性，且会对接收端信号的信噪比产生较大影响;脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)技术则广泛应用在测量、通信、功率控制与变换的许多领域中。虽然在VLC中，PWM会显著降低通信时的传输速率，但在无线导览这个特定应用环境下，可见光标签的发送速率并不是主要的考虑因素，因而单一地采用PWM是VLC系统亮度控制的一种可行方法。

假定采用周期为1 ms的脉宽调制信号为载波，识别码序列为'10101010101010'，频率1 MHz，PWM为空时发送数据包。三种不同的PWM输出信号值如图3所示，其中(a)显示的PWM输出占空比为80%，即信号在1个单位周期的80%时间内有输出，另外20%的时间为关闭，(b)和(c)则分别显示占空比为50%和20%时的PWM输出模拟信号值。加上发送识别码时的功率，单位周期内实际功率值分别约为80.7%、50.7%和20.7%。脉冲宽度调制信号的周期时间越长，意味着单位时间内发送的数据包个数越少;但这个周期时间是有限制的，它必须保证有足够长的时间发送识别码序列，同时应控制LED的闪烁频率在人眼接受范围内。

图3 三种不同的脉冲宽度调制输出信号

1.3解码器

通过微处理器对接收到的数字信号进行解码。解码流程如图3所示：首先根据识别信息发射部件中的编码方式将数字信号还原成原码，再对比识别码表，如果存在该识别码序列号，则进一步对比识别码和冗余码表，如果匹配则单独将识别码发送给多媒体终端。识别码表和冗余码表为事先约定好的码表，存储在微处理器的存储单元中。发送方式可以是串口通信，也可以是USB。

1.4多媒体信息的自动播放

如图4所示，多媒体终端中通过软件编程实现对通信端口的侦听，当接收到经微处理器解码后发送的识别码，将自动播放与识别码对应的多媒体资料。

图4 移动终端流程框图

2、需要的开发平台

(1)实现本方案所需要的基本功能、功能、接口：

平台上具有串口或USB

平台上含DRAM或SRAM存储器。

平台上具有DDR技术

平台上具有彩色LCD

(2)所需要的目标FPGA开发平台，简述为什么需要此平台。

目标平台为Xilinx Spartan-3开发平台，原因如下：本项目属于无线光通信和多媒体通信领域，可以用在无线导览、多媒体播放等领域，需要硬件处理平台具有较高的处理速度和丰富的逻辑资源。

(3)还需要相应的JTAG调试和开发工具。

4、系统最终要达到的性能指标

多个不同VLID发射机：至少2台;

多媒体移动终端一台

数据转换误码率：10-12;

经编解码以及可见光链路后，输出信号应与原码保持一致;

工作温度-20°～60°(待定)。