根据VLC的无线导览体系

项目布景及可行性剖析

1、项目名称、项目的首要内容及现在的展开状况

项目名称：依据VLC的无线导览体系

项目的首要内容：

无线导览体系能为用户方便地供给个性化的高质量服务和资讯，在大型场馆、杂乱环境下具有很高的实用价值。跟着无线通讯技能的展开，先后呈现了依据红外通讯、射频辨认(Radio Frequency Identification，RFID)、无线局域网、超声波、可见光等不同通讯办法的导览体系，其间可见光通讯(Visible Light Communication，VLC)技能是一种新式的运用可见光作为信息载体的短间隔高速无线通讯办法。半导体发光二极管(Light Emitting Diode，LED)具有高速点灭的发光呼应特性，将大功率、高亮度的LED光源用作无线光通讯链路的可行性已得到验证。和现在较常选用的射频通讯技能比较，VLC技能在电磁辐射、发射功率、电源办理等方面具有很大的优势。因此，可一同统筹照明和通讯功用的VLC技能正取得越来越多的重视和运用。

现在的展开状况：本团队运用FPGA开发套件及可见光发射机、接纳机树立一个选用Manchester编解码和OOK调制办法的最简无线导览体系，并以经过测验，验证了体系的可行性。后续需求完成FPGA同多媒体播映器的通讯，并在播映器上完成完好的无线导览功用。

2、项目关键技能的论说;

关键技能包括可见光辨认(Visible Light Identification，VLID)的编码办法、自由空间引进的搅扰、亮度调控技能、终端中的电平判定器规划，多媒体播映器的主动导览技能等。

3、技能老练性和可靠性论说：

依据半导体LED可见光的无线通讯可分为室外通讯和室内通讯两大类运用场合,其间室内通讯阐释如下。

室内LED可见光无线通讯技能首要运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讨所的Haruyama等人在2000年提出了运用LED照明灯作为通讯基站进行信息无线传输的室内通讯体系。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，并以为LED光源满意Lambertian照耀办法，且以强度调制直接检测(Intensity Modulation-Direct Detection, IM-DD)为光调制办法进行了建模仿真，取得了数据率、误码率以及接纳功率等之间的联系，以为当传送数据率在10 Mbps以下的体系是可行的，码间搅扰(ISI)和多径效应是影响体系功用的两大要素。2001年，田中等人在本来的基础上别离选用OOK_RZ调制办法与OFDM调制办法对体系进行了仿真，结果表明：当传送数据率在100Mbps以下时这两种调制技能都是可行的，当数据率大于100Mbps时，OFDM调制技能优于OOK-RZ调制技能。

2002年，Tanaka和Komine研讨组具体剖析了LED可见光无线通讯体系中的噪声模型、信道模型、光源特点、室内不同方位的信噪比散布等要素，求出了体系所需的LED单元灯的根本功率要求，并别离以OOK-RZ、OOK-NRZ、m-PPM调制办法进行仿真剖析，得到了不同条件下的误码率巨细;同年又提出了一套结合电力线载波通讯和LED可见光通讯的数据传输体系，以SC—BPSK调制办法进行了体系仿真，结果表明：体系在数据率为1 Mbps条件下是可行的。同年，Komine等研讨了由墙面反射引起的多径效应对LED可见光无线体系构成的影响，别离以OOK、2-PPM、4-PPM、8-PPM调制办法进行仿真，结果表明：8-PPM调制办法功用最佳。在数据率小于60 Mbps，接纳视场角小于50度的条件下，选用8-PPM调制办法可有用战胜墙面反射引起的多径效应。

2008年西门子开发出在100 Mbit/s带宽下运用可见光传输数据的新技能，选用白光LED发生的可见光进行室内传输到达100 Mbit/s数据传输率，可用于弥补现有的无线局域网的完成办法。西门子的研讨人员选用数字调制的计划，白光LED作为发射机，图画检波器作为接纳机来完成这一传输。出于高端技能的保密要求，该公司并没有供给白光LED，图画检波和调制技能的细节。数据信号在试验室条件下传输超越了一米的间隔。不过，由于这项数据传输技能需求在直接可视的条件条件下进行，所以还不能替代现有依据射频的无线局域网技能。可是，考虑到无线通讯频带越来越缺少的布景，依据可见光的传输技能对家庭无线网络完成将是一个很好的弥补。为了确保通视性能够将双工收发器嵌入到天花板的照明灯上。该项研讨与欧盟委员会依据欧盟结构计划7(FP7)一同兴办的OMEGA项目一同进行。

2008年美国自然科学基金启动了“智能照明”(Smart Lighting)项目，这以后5年间总投资将超越1.85亿美元，触及美国逾30所院校的研讨人员，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”项目旨在研讨新的固态照明技能来完成快速生物成像，新的通讯形式，有用的显现技能和安全交通等;经过研制具有共同性质的新材料，然后创造出能够可彻底调控的新式照明器材和体系。该项目所带来的立异技能将使固态照明具有更多的功用且更易制作。别的，IEEE也正在进行将可见光无线通讯技能归入个域网(PAN)的规范制定工作组IEEE P802.15的规模之内。现在国内这方面的试验研讨十分稀有(在CNKI中以LED,无线通讯或无线光通讯等作为关键词未能查找到直接相关的技能文献)，尚只要关于该技能的一些点评和评论，远没有构成与国外同行相竞赛的局势。

本项目组作为中科院姑苏纳米技能与仿生研讨所交融通讯试验室一部分，试验室内有较齐备的惯例可见光通讯剖析丈量仪器以及丰厚的射频通讯技能开发经历，已具有展开本项目开发使命所需求的试验支撑条件。

VLC链路体系：

自主研制的可见光链路，完成了依据小功率LED(300mW)的无线数据传输，最大传输间隔3m，最高通讯速率40Mbps，远远满意室内无线导览体系的需求。

依据Xilinx渠道开发的编解码体系：

本项目组成员已经在该渠道上成功进行了完成了运用FPGA软件构建最简编码、解码体系的规划。了解该芯片的首要功用，了解中心代码，这是本项目施行的中心技能确保。

首要参数及方针：

三、项目施行计划

1、计划根本功用框图及描绘

图1给出了一个依据VLC技能的无线导览体系示意图。对油画《蒙娜丽莎的浅笑》邻近区域内天花板或墙面上的LED照明灯具进行改造，使其发射的可见光中包括依照必定办法调制的特定的辨认码，以完成点对点、点对多点的数据播送功用。当持有移动终端的用户进入有用光照区域时，带有光电二极管探测器(PD)的终端将直接接纳带辨认码的可见光信号，经过解调、解码、信息比对等处理，完成主动为用户播映该油画的多媒体材料的无线导览功用。在该体系中，可见光发射机经过运用单片机、数字信号处理(DSP)、FPGA等微处理器树立服务;发送不同辨认码的LED之间互相独立、不存在互相通讯的联系，这样既能够充沛满意信号调制的功用，又可极大地下降整个体系布局的杂乱度。

图1 依据可见光通讯技能的无线导览体系

1.1 VLID的编码办法

现在，可见光辨认(Visible Light Identification，VLID)有几种编码办法，如在光通讯范畴遍及选用的8B\10B、Non-Return to Zero (NRZ)、Manchester等简略有用的编码办法，可充沛满意本无线导览体系的通讯需求。可见光作为通讯的手法之外，另一个首要效果在于其原始的照明功用。LED作为照明灯首要有必要确保照明的安稳性，因此需求一组接连的、安稳的和0、1份额稳定的编码序列，使其不会呈现显着的闪耀。其次，合理的冗余码能够确保体系有必定的过错查看才能，可有用防止误码状况。当终端接纳到辨认码序列后，只要在事前约好的辨认码表中比照冗余位是否与标签位(被辨认物的有用编号)匹配，即可有用削减过错的发生。一同，考虑到实践体系中被辨认物的数量，只需简略修正标签位长度即可满意体系要求。

图2 发射机以及编码器流程图

1.2 亮度调控

在VLC体系中，一般选用脉宽调制和改动调制深度这两种办法调理LED的亮度。

发射端的调制深度联系到信号的有用播送规模以及LED的光谱偏移特性，且会对接纳端信号的信噪比发生较大影响;脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)技能则广泛运用在丈量、通讯、功率操控与改换的许多范畴中。虽然在VLC中，PWM会明显下降通讯时的传输速率，但在无线导览这个特定运用环境下，可见光标签的发送速率并不是首要的考虑要素，因此单一地选用PWM是VLC体系亮度操控的一种可行办法。

假定选用周期为1 ms的脉宽调制信号为载波，辨认码序列为’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，其间(a)显现的PWM输出占空比为80%，即信号在1个单位周期的80%时刻内有输出，别的20%的时刻为封闭，(b)和(c)则别离显现占空比为50%和20%时的PWM输出模拟信号值。加上发送辨认码时的功率，单位周期内实践功率值别离约为80.7%、50.7%和20.7%。脉冲宽度调制信号的周期时刻越长，意味着单位时刻内发送的数据包个数越少;但这个周期时刻是有约束的，它有必要确保有满足长的时刻发送辨认码序列，一同应操控LED的闪耀频率在人眼承受规模内。

图3 三种不同的脉冲宽度调制输出信号

1.3解码器

经过微处理器对接纳到的数字信号进行解码。解码流程如图3所示：首要依据辨认信息发射部件中的编码办法将数字信号还原成原码，再比照辨认码表，假如存在该辨认码序列号，则进一步比照辨认码和冗余码表，假如匹配则独自将辨认码发送给多媒体终端。辨认码表和冗余码表为事前约好好的码表，存储在微处理器的存储单元中。发送办法能够是串口通讯，也能够是USB。

1.4多媒体信息的主动播映

如图4所示，多媒体终端中经过软件编程完成对通讯端口的侦听，当接纳到经微处理器解码后发送的辨认码，将主动播映与辨认码对应的多媒体材料。

图4 移动终端流程框图

2、需求的开发渠道

(1)完成本计划所需求的根本功用、功用、接口：

渠道上具有串口或USB

渠道上含DRAM或SRAM存储器。

渠道上具有DDR技能

渠道上具有五颜六色LCD

(2)所需求的方针FPGA开发渠道，简述为什么需求此渠道。

方针渠道为Xilinx Spartan-3开发渠道，原因如下：本项目归于无线光通讯和多媒体通讯范畴，能够用在无线导览、多媒体播映等范畴，需求硬件处理渠道具有较高的处理速度和丰厚的逻辑资源。

(3)还需求相应的JTAG调试和开发工具。

4、体系终究要到达的功用方针

多个不同VLID发射机：至少2台;

多媒体移动终端一台

数据转化误码率：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)。