基于可见光通信（VLC）的无线导览系统

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：

4、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