基于VLC的無線導覽系統

項目背景及可行性分析

1、項目名稱、項目的主要內容及目前的進展情況

項目名稱：基于VLC的無線導覽系統

項目的主要內容：

無線導覽系統能為用戶方便地提供個性化的高質量服務和資訊，在大型場館、復雜環境下具有很高的實用價值。隨著無線通信技術的發展，先后出現了基于紅外通信、射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)、無線局域網、超聲波、可見光等不同通信方式的導覽系統，其中可見光通信(Visible Light Communication，VLC)技術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。半導體發光二極管(Light Emitting Diode，LED)具有高速點滅的發光響應特性，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證。和目前較常采用的射頻通信技術相比，VLC技術在電磁輻射、發射功率、電源管理等方面具有很大的優勢。因此，可同時兼顧照明和通信功能的VLC技術正獲得越來越多的關注和應用。

目前的進展情況：本團隊利用FPGA開發套件及可見光發射機、接收機搭建一個采用Manchester編解碼和OOK調制方式的最簡無線導覽系統，并以通過測試，驗證了系統的可行性。后續需要實現FPGA同多媒體播放器的通信，并在播放器上實現完整的無線導覽功能。

2、項目關鍵技術的論述;

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

3、技術成熟性和可靠性論述：

基于半導體LED可見光的無線通信可分為室外通信和室內通信兩大類應用場合,其中室內通信闡釋如下。

室內LED可見光無線通信技術主要應用在室內無線寬帶接入網中。日本杏林大學的田中和索尼計算機科學研究所的Haruyama等人在2000年提出了利用LED照明燈作為通信基站進行信息無線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LED光源滿足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，田中等人在原來的基礎上分別采用OOK_RZ調制方式與OFDM調制方式對系統進行了仿真，結果表明：當傳送數據率在100Mbps以下時這兩種調制技術都是可行的，當數據率大于100Mbps時，OFDM調制技術優于OOK-RZ調制技術。

2002年，Tanaka和Komine研究組具體分析了LED可見光無線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載波通信和LED可見光通信的數據傳輸系統，以SC—BPSK調制方式進行了系統仿真，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可見光無線系統造成的影響，分別以OOK、2-PPM、4-PPM、8-PPM調制方式進行仿真，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年西門子開發出在100 Mbit/s帶寬下使用可見光傳輸數據的新技術，采用白光LED產生的可見光進行室內傳輸達到100 Mbit/s數據傳輸率，可用于補充現有的無線局域網的實現方法。西門子的研究人員采用數字調制的方案，白光LED作為發射機，圖像檢波器作為接收機來實現這一傳輸。出于高端技術的保密要求，該公司并沒有提供白光LED，圖像檢波和調制技術的細節。數據信號在實驗室條件下傳輸超過了一米的距離。不過，因為這項數據傳輸技術需要在直接可視的前提條件下進行，所以還不能取代現有基于射頻的無線局域網技術。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對家庭無線網絡實現將是一個很好的補充。為了保證通視性可以將雙工收發器嵌入到天花板的照明燈上。該項研究與歐盟委員會根據歐盟框架計劃7(FP7)共同創辦的OMEGA項目一起進行。

2008年美國自然科學基金啟動了“智能照明”(Smart Lighting)項目，其后5年間總投資將超過1.85億美元，涉及美國逾30所院校的研究人員，包括紐約Rensselaer理工學院、波士頓大學、新墨西哥大學及韓國、臺灣的部分大學。“智能照明”項目旨在研究新的固態照明技術來實現快速生物成像，新的通信模式，有效的顯示技術和安全交通等;通過研制具有獨特性質的新材料，從而創造出可以可完全調控的新型照明器件和系統。該項目所帶來的創新技術將使固態照明具有更多的功能且更易制造。另外，IEEE也正在進行將可見光無線通信技術納入個域網(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驗研究非常罕見(在CNKI中以LED,無線通信或無線光通信等作為關鍵詞未能搜索到直接相關的技術文獻)，尚只有關于該技術的一些評價和討論，遠沒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與仿生研究所融合通信實驗室一部分，實驗室內有較完備的常規可見光通信分析測量儀器以及豐富的射頻通信技術開發經驗，已具備開展本項目開發任務所需要的實驗支撐條件。

VLC鏈路系統：

自主研發的可見光鏈路，實現了基于小功率LED(300mW)的無線數據傳輸，最大傳輸距離3m，最高通信速率40Mbps，遠遠滿足室內無線導覽系統的需要。

基于Xilinx平臺開發的編解碼系統：

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

主要參數及指標：

三、項目實施方案

1、方案基本功能框圖及描述

圖1給出了一個基于VLC技術的無線導覽系統示意圖。對油畫《蒙娜麗莎的微笑》附近區域內天花板或墻壁上的LED照明燈具進行改造，使其發射的可見光中包含按照一定方式調制的特定的識別碼，以實現點對點、點對多點的數據廣播功能。當持有移動終端的用戶進入有效光照區域時，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光信號，經過解調、解碼、信息比對等處理，實現自動為用戶播放該油畫的多媒體資料的無線導覽功能。在該系統中，可見光發射機通過使用單片機、數字信號處理(DSP)、FPGA等微處理器建立服務;發送不同識別碼的LED之間相互獨立、不存在彼此通信的關系，這樣既可以充分滿足信號調制的功能，又可極大地降低整個系統布局的復雜度。

圖1 基于可見光通信技術的無線導覽系統

1.1 VLID的編碼方式

目前，可見光識別(Visible Light Identification，VLID)有幾種編碼方式，如在光通信領域普遍采用的8B10B、Non-Return to Zero (NRZ)、Manchester等簡單有效的編碼方式，可充分滿足本無線導覽系統的通信需求。可見光作為通信的手段之外，另一個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生。同時，考慮到實際系統中被識別物的數量，只需簡單修改標簽位長度即可滿足系統要求。

圖2 發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。

發射端的調制深度關系到信號的有效廣播范圍以及LED的光譜偏移特性，且會對接收端信號的信噪比產生較大影響;脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)技術則廣泛應用在測量、通信、功率控制與變換的許多領域中。雖然在VLC中，PWM會顯著降低通信時的傳輸速率，但在無線導覽這個特定應用環境下，可見光標簽的發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為空時發送數據包。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個單位周期的80%時間內有輸出，另外20%的時間為關閉，(b)和(c)則分別顯示占空比為50%和20%時的PWM輸出模擬信號值。加上發送識別碼時的功率，單位周期內實際功率值分別約為80.7%、50.7%和20.7%。脈沖寬度調制信號的周期時間越長，意味著單位時間內發送的數據包個數越少;但這個周期時間是有限制的，它必須保證有足夠長的時間發送識別碼序列，同時應控制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

通過微處理器對接收到的數字信號進行解碼。解碼流程如圖3所示：首先根據識別信息發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，則進一步對比識別碼和冗余碼表，如果匹配則單獨將識別碼發送給多媒體終端。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多媒體信息的自動播放

如圖4所示，多媒體終端中通過軟件編程實現對通信端口的偵聽，當接收到經微處理器解碼后發送的識別碼，將自動播放與識別碼對應的多媒體資料。

圖4 移動終端流程框圖

2、需要的開發平臺

(1)實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

平臺上具有彩色LCD

(2)所需要的目標FPGA開發平臺，簡述為什么需要此平臺。

目標平臺為Xilinx Spartan-3開發平臺，原因如下：本項目屬于無線光通信和多媒體通信領域，可以用在無線導覽、多媒體播放等領域，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調試和開發工具。

4、系統最終要達到的性能指標

多個不同VLID發射機：至少2臺;

多媒體移動終端一臺

數據轉換誤碼率：10-12;

經編解碼以及可見光鏈路后，輸出信號應與原碼保持一致;

工作溫度-20°～60°(待定)。