基于LED的近距离点对点高速双向数据传输移动终端的制作方法

本发明属于LED可见光无线通信技术领域，具体涉及一种基于LED的近距离点对点高速双向数据传输移动终端。

背景技术：

1880年，美国科学家贝尔利用他发明的光电话进行了实验，通话距离达到了200米，该实验的成功为使用可见光进行信息传输开辟了早期思路。将用于照明领域的可见光，来实现语音与数据业务的可见光通信系统，这方面的研究是随着近20年来白光LED灯的大规模照明应用而逐渐形成的。随着经济的快速发展，人们对能源提供与高速实时信息服务两个方面的迫切需求日益增加；一方面，LED灯具有安全高效、绿色环保、低功耗、发热低、体积小、寿命长等优势，所以目前高亮度发光二极管LED的应用，已经从早期的显示领域完全扩展到了当前的照明领域和灯光美化领域，并被称为新世纪的照明技术；另一方面，LED还具备响应灵敏度高、调制性能好、发射功率大，支持多波段光束波分复用、信息不易泄露、无电磁辐射且无需无线频谱认证等等突出性能与优点，所以，基于LED发光二极管的可见光无线通信技术的研究与应用，正在快速发展中。虽然，目前有采用蓝牙等技术进行的近距离无线低速数据通信的应用实例，但是蓝牙设备具有功耗高、信息传输速率相对低、通信距离短、易受干扰、易泄密安全性不够好等缺点^[1]。其它近距离无线通信技术还有Wi-Fi局域网技术、RFID射频技术、UWB超宽带技术、ZIGBEE传感器技术等。这些技术都属于微波或射频通信领域，具有商家或用户设备成本较高、不易安装、需要使用无线电波产生一定辐射、信息传输易泄露安全性能较差等缺点。

对于采用LED发光二极管来传输信号的通信系统，早在2000年以前，就有研究人员提出利用LED发出的光来进行通信的设想，并付诸于实验系统。其中具有代表性的是香港大学的Grantham Pang于1999年的实现方案，其实验小组搭建并演示了基于可见光LED的低速语音信号传输装置。当时这些设想方案提出时，LED在照明领域还没有得到广泛运用，对LED可见光通信的诸多关键技术也没有实现一定的研究，所以其影响力有限。

2000年，日本KEIO(庆应义塾)大学M.Nakagawa教授的研究团队提出了白光LED实现室内可见光接入的方案，并针对室内可见光通信信道进行建模与计算，实现了10Mbps室内可见光通信的接入方案，这一成果被视为可见光通信（VLC）领域具有影响力的开创性研究工作。2001年庆应义塾大学的其他研究人员研究了利用交通灯进行可见光通信，并对系统的调制方式、所需的信噪比以及通信速率等特性进行了分析总结。2004年，M.Nakagawa教授研究团队对LED室内可见光通信系统的可行性进一步分析，对光源进行建模，仿真了在多盏LED灯照射下室内光照分布、信道冲激响应，并对有直射情况下的室内信噪比分布、信号间干扰等参数进行了研究；并在此研究基础上，指出了接收端视场角足够小并且传输距离足够近的情况下，可见光通信的信号速率可望达到G比特数量级，该系统能够作为下一代近距离高速无线通信系统的选择方案。2008年，德国海因里希研究所提出利用可见光与红外通信组成家庭局域网的设想，从理论上对其可行性进行了研究与论证，并通过采用DMT（离散多音调制）调制方法，达到了300Mbps的通信系统传输速率。2012年，通过采用RGB三色LED和DMT调制方式，室内实现了单个LED 800Mbps 的通信速率。美国政府于2008年10月开启资助一项名为“智慧照明(smart-lighting)”的计划,专门研究可见光通信技术,希望通过可见光光束（Light Beam）实现无线设备与LED照明设备之间的通信,该计划共投资一亿八千万美元，为期10年,有超过30所大学的研究人员参与。2013至2014年，据报道，英国思克莱德大学和爱丁堡大学的研究者将新型LED用于可见光系统进行了实验，通信系统的速率先后达到了1.5Gbps和3Gbps，这为高速可见光通信系统的实现奠定了坚实的基础。

在我国,可见光通信的研究起步比较晚，但发展形势良好。2006年,西安理工大学的丁德强等人开始介绍可见光通信的原理，并对可见光通信关键技术进行了初步研究。同年，暨南大学的胡国永等人提出并分析了白光LED的室内无线通信系统,指出了白光LED进行照明的同时也能够承载通信信号，构建室内无线数据网络。2013年,复旦大学研究团队通过任意波形发生器(AWG)生成ACO-OFDM信号,分别加载到不同颜色的LED芯片上进行可见光通信传输,证明了总传输频率可以达到几百兆赫兹。2013年4月，我国“十二五”国家863计划“可见光通信系统关键技术研究”主题项目会在郑州召开，会议主要关注可见光通信关键技术的研究，为这一新型绿色信息技术的产业化奠定了基础。该项目会在加速国内可见光通信技术发展与产业化应用方面发挥了重要作用，同时，也表明了我国的可见光通信从前期的简单理论分析与仿真阶段，逐步迈向了复杂调制方法下的实际高速传输的实验与应用阶段。从2008年至今，江苏大学光电子通信研究所的朱娜、江晓明等人，对LED可见光语音通信与数据通信系统进行了研究，在室内、在交通灯上、及在矿井内等多个应用场合进行了理论计算分析与实验产品开发，公开发表了数篇研究性论文，申请并授权了数项国内发明专利。

目前，在移动互联网数据传输需求日益增加的应用背景下，如何既保证信息通信安全，又能实现好友间的大文件大数据点对点快速互传，并进一步实现真正的便携式存储，是一系列非常严峻和值得关注的课题。比如，在智能手机（及其他智能移动终端）的运用中：首先，智能手机具备一定的大文件存储功能，而如何实现大文件点对点快速安全的通信传输与信息共享，目前在底层通信方面，能使用的方法只有两大类。第一类为有线传输，在有线传输实现大数据共享的情况下，无论是通过USB方式传输，还是通过有线网口传输，都存在着：线缆携带不方便、只能通过局域网传输容易造成信息泄漏、点对点传输需要经过两次甚至多次的拷贝与转发、USB等接口对于G比特级大文件大数据传输速率很低耗时很长等诸多问题与限制。第二类为无线传输，正如背景技术部分第一段所述，近距离无线信息传输技术主要有蓝牙、Wi-Fi局域网、RFID射频、UWB超宽带、ZIGBEE无线传感器等，这些技术都归属于微波或射频通信，具有：商家与用户成本较高、转发设备不易安装、需要使用无线电波造成电磁辐射、信息安全性能较差、数据传输速率低、Wi-Fi无线局域网需要流量费用等诸多缺点。

基于LED的高灵敏度调制特性与点对点自由空间光通信的特性，LED/PD通信系统具有近距离收发大数据信号的强大能力，可以构建一种新兴的短距离高速无线通信系统。中国专利CN103490812B公开了一种基于可见光的手机近场通信系统及方法，物理层数据发送端由现有移动设备的可见光显示屏幕与光线传感器及其他辅助电路构成，通过用于显示的移动终端LED屏幕的区域亮度变化，来调制传输要发送的数据，接收端也由移动终端LED屏幕与光线传感器及辅助电路接收。由于目前的移动终端屏幕较大，其用于显示的亮度功率又较小，还会出现LED屏幕的低功率显示光散射干扰严重，亮度变化的等级难以快速分辨等问题，所以该方法可以使用在移动支付、手机配对等低比特率信息交互的情况下，但在百兆以上得准光纤通信速率的光强弱调制下，很难区分实际的高速接收信号，不能实现近距离G比特率高速可见光无线数据传输。

技术实现要素：

本发明的目的在于，克服现有技术存在的缺陷，提供一种能够实现近距离点对点高速传输数据的高速双向数据传输移动终端。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于LED的近距离点对点高速双向数据传输移动终端，所述近距离点对点高速双向数据传输移动终端包括：

双向数据通信模块，用于发送和接收LED光信号；

主控模块，启动和控制数据通过LED光信号接收和发送的通信过程；

数据存储模块，用于存储接收和发送的数据；

所述双向数据通信模块包括物理层装置、MAC层装置和数据总线；所述物理层装置包括LED光信号发射端、接收端和电源；所述LED光信号发射端包括信号调制编码电路芯片、前置放大与预均衡电路、LED驱动电路和LED光源；MAC层封装的数据信号承载于数据总线，通过信号调制编码电路芯片进行载波编码调制与并串转换，编码后的信号通过前置放大与预均衡电路处理后，作为驱动电流，加载到LED驱动电路上，使LED光源发出光信号；

所述LED光信号接收端包括PD光敏探测器、PD光敏探测器电路、模数转换及信号放大与均衡电路和信号解调解码电路芯片；PD光敏探测器接收光信号，接收的信号承载于数据总线，通过PD光敏探测器电路转化为电信号，模数转换电路及信号放大与均衡电路将输出的电信号再生还原为数字信号，然后对信号进行放大与均衡滤波，最后通过信号解调解码电路芯片解码，再进行接收信号解调，并送回给接收端MAC层，恢复出发射端发送的数据；所述MAC层与PHY物理层间通过MII接口进行数据交互。

其中，所述可见光通信信道的通信距离为1cm—10cm，所述移动终端LED光信号发射端信号发射视角与LED光信号接收端信号接收视角均不超过30度。

所述LED光信号发射端的LED光源为白光LED发光二极管或发光LED阵列；其总功率不低于20毫瓦。

所述信号调制编码电路芯片和信号解调解码电路芯片选用ARM单片机芯片。

为了防止传输中出现过多0而使LED光源不发光，信号编码采用差分曼彻斯特编码，当信号为‘1’时，编码为‘10’；信号为‘0’时，编码为‘01’，避免出现长‘1’或长‘0’现象。

所述PD光敏检测器选用PIN光电二极管，接收波长范围为400nm~700nm，峰值响应波长为430nm~550nm。

所述发射端和接收端的信号放大与均衡电路采用具有自动增益控制功能的主放大器来实现信号的中间放大。

所述MAC层采用原始套接字收发MAC帧。

作为本发明的进一步改进，所述双向数据通信模块可以以外接或内置的形式安装在移动终端中，所述移动终端包括手机、平板。

所述双向数据通信模块以内置的形式安装在移动终端中，以移动终端的数据总线和网卡芯片的物理层、MAC层为通信接口，在移动终端主板的数据总线上嵌入总线调制信号的驱动电路；光源采用移动终端中用于夜间照明与辅助暗背景下拍照的发光LED灯或发光LED阵列。

本发明的移动终端能够在移动互联网的时代，实现好友点对点终端之间的快速G比特率大文件大数据的实时传输，可在1-10cm的近距离范围内实现100Mbps以上的实际传输比特率的高速数据传输，并且，通过LED可见光通信系统在近距离手机互联上的使用，逐步取代传统有线电缆与无线电磁波近距离文件传输并实现存储。由于本发明提出的策略与方法及所述物理层与上层的具体的技术实现步骤，有上述的大量的前期研究基础与广阔的实际应用场景，所以，本发明的推广与应用，将有着广阔的前景与显著的优势。

附图说明

图1是本发明移动终端结构示意图。

图2是本发明移动终端通信模块物理层原理图。

图3是LED数字基带信号信道编码后的波形结构图。

图4是LED光强弱调制和驱动电路部分结构。

图5是本发明移动终端LED光信号接收端与控制系统原理图。

图6是PD光敏探测器数字基带信号信道解码后的波形图。

图7是通过以太网线直接连接发送接收电路外接模块示意图。

图8是系统的层次结构示意图。

图9是MII接口的主要信号流程示意图。

图10是基于原始套接字（Raw Socket）的快速数据点对点传输协议方法的软件流程图。

具体实施方式

下面将结合附图说明和具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1所示，一种基于LED的近距离点对点高速双向数据传输移动终端，包括用于发送和接收LED光信号的双向数据通信模块；用于启动和控制数据通过LED光信号接收和发送的通信过程的主控模块和用于存储接收和发送的数据的数据存储模块。

如图2所示，双向数据通信模块包括信号发射端和接收端这两部分，属于两个不同的线程，各自独立运行互不影响，形成全双工通信传输系统。

发射端：LED光信号发射端包括信号调制编码电路芯片、前置放大与预均衡电路、LED驱动电路和LED光源；MAC层封装的数据信号承载于数据总线，通过信号调制编码电路芯片进行载波编码调制与并串转换，编码后的信号通过前置放大与预均衡电路处理后，作为驱动电流，加载到LED驱动电路上，使LED光源发出光信号。

发射端连接5V左右的直流电压，经过偏置稳压器件，保证在发射装置上的电压为3.3V。MAC层封装需要传输的大文件大数据的基带数字信号，进行OFDM高速子载波编码调制与并串转换，然后再将差分曼彻斯特信道编码后的信号作为驱动电流，加载到LED驱动电路上，通过LED驱动电路中的高频率三极管电路触发光源发出强弱不同的光信号，从而通过可见光信号传输相应的数据信号。为了防止传输中出现过多0而使灯不发光，采用曼切斯特编码，当信号为‘1’时，编码为‘10’；信号为‘0’时，编码为‘01’，该做法有利于系统时钟提取，提高系统的通信质量，避免出现长‘1’或长‘0’现象。专用LED灯数字基带信号信道编码后的波形结构如图3所示。

图4是LED光强弱调制和驱动电路部分结构。调制电路根据计算的LED亮灭门限电压值Vg来设计，完成照明与数据信号发射共用。当信号为‘1’时，LED两端的电压高于Vg达到正常工作电压范围，LED发亮；当信号为‘0’时，LED两端的电压低于Vg，LED熄灭。双向数据通信模块内置在手机等移动终端中时，当没有信号输入时要保证移动终端LED光源夜间正常照明，为解决此问题设计出调制电路。该电路工作流程为：当无信号时，调制电路断开、照明电路工作；而有信号时，照明电路断开、调制电路工作，如图4所示。

接收端：LED光信号接收端包括PD光敏探测器、PD光敏探测器电路、模数转换及信号放大与均衡电路和信号解调解码电路芯片；PD光敏探测器接收光信号，接收的信号承载于数据总线，通过PD光敏探测器电路转化为电信号，模数转换电路及信号放大与均衡电路将输出的电信号再生还原为数字信号，然后对信号进行放大与均衡滤波，最后通过信号解调解码电路芯片解码，再进行接收信号解调，并送回给接收端MAC层，恢复出发射端发送的数据。

如图5所示，PD光敏探测器收集LED发光二极管发出的调制了数据的光信号。光电转换模块将光信号转换成电流信号，并将电信号放大，光电检测器的输出信号，先要经过前置放大器去噪放大，再经过后级主放大器进一步放大到合适的电平值，接收信号在解码之前还要进行数据时钟恢复。再生的编码信号经解码器进行差分曼彻斯特信道解码，解码原理如图6所示。对于核心的光电检测与驱动模块与放大、均衡判决电路进一步说明如下。

1、光电检测与驱动（光接收/光电转换）

PD光敏探测器作用是把接收到的光信号转换为电流，对光电检测器的要求是高光电转换效率、低附加噪声和快速响应。本实施例中的光电检测器选择硅PIN光电二极管，接收波长范围为400nm~700nm、可滤除红外光干扰、峰值响应波长为430nm～550nm（蓝绿波段，白光LED正常工作时主要的发射波长）。

2、放大、均衡判决电路

PD光敏探测器产生的光电流比较微弱，要使信号正确判决，需要放大、均衡，经过滤波后的电信号首先经过前置放大。前置放大后的信号的输出电压一般较低，无法满足后续均衡和判决电路所需的输入电压要求，需要进一步的信号放大。在本实施例中，采用具有AGC（自动增益控制）功能的主放大器来实现信号的中间放大。

本发明的移动终端可作为一个完整的数据传输移动终端，和另一个移动终端进行近距离数据传输，也可将本发明移动终端的双向数据通信模块作为外置装置连接至其他终端，使终端具备利用可见光进行近距离高速数据传输的功能。对于其他终端是移动终端的情况下，在物理层器件方面，使用待连接移动终端的USB接口，接入本发明的双向数据通信模块，对于固定的PC机及PAD，利用其网口或USB口，接入本发明的双向数据通信模块；以达到大文件大数据快速传输与进一步有效存储的目的。利用固定网口外接本发明装置的结构示意图如图7所示。

本发明提出的移动终端，在物理层短距离双线程高速连接正常的前提下，还提出了涉及MAC层与软件控制应用层的相配套系统方案。系统物理层实现好友移动终端之间的近距离高速率数据流的方式传输；MAC层实现数据以帧为单位进行封装，并进行相邻设备间的端口号对接，为了剔除了臃肿的数据流量控制，提出了快速数据传输转发的方法；软件控制应用层负责建立大数据大文件之间，配合MAC层的配套原始套接字Socket的连接握手控制协议。系统的层次结构示意图如附图8所示。

在上述应用场景下的移动终端业务的MAC层与PHY物理层之间，主要采用MII接口（Medium Independent Interface，介质无关层间接口）进行数据交互，确保数据帧的收发完整性、正确性。在层间通信的过程中，MII接口涉及到的主要信号如图9所示。图中，箭头的指向表示信号的MAC层与物理层之间的传送方向。其中前缀为“TX”的信号表示MAC层向PHY层发送数据时需要用到的信号，前缀“RX”表示MAC层接收PHY层的数据时需要用到的信号。CLK表示时钟信号核实，“TX-EN”表示封装开始，“TX-ER”表示封装结束，“RX-DV”表示解封装开始，“RX-ER”表示解封装结束，“CRS”和“COL”分别作为载波监听和碰撞检测的指示信号，向MAC层反馈信道状态。MDC和MDIO信号为数据传输的双向管理信号。

本发明还提出了一种新型的基于原始套接字（Raw Socket）的快速数据点对点传输的协议方法，本方法特别适合使用在本发明装置所述的应用场景下，能够剔除了TCP/UDP的臃肿数据流量控制过程，实现在点对点双端移动终端业务的软件对接层之间数据流快速传输。因为基于UDP协议的点对点数据传输，其效率远大于TCP协议，但其缺点为由于UDP是面向无连接的方式，容易产生丢包与接收端排序混乱等问题。本发明提出了对接过程使用原始套接字raw socket，在本应用场景下的UDP的头部添加标志位，以实现自定义的软件对接层的数据结构。这样在软件对接层上，实现了接收端的排序和丢包重传。本发明所采用的UDP协议软件流程图如图10所示，具体流程如下：初始化设备后，选择需要发送的文件，获取文件信息，读取文件信息，对读取的文件信息进行数据压缩后，创建原始socket，检测接收方原始socket是否创建，如果未创建，则重复检测，如果已经创建，则自定义UDP头，开始文件发送，将文件交给相应的原始socket，检测文件是否发送完成，如果未发送完，则继续接收，并检验数据是否正确，如果数据错误，则要求重发数据，数据正确，则对接收的数据进行排序解压，后写入文件，文件发送完成后，流程结束。该软件算法舍弃了传统TCP在点对点传输中流量控制等限制传输速度的臃肿算法，既保证了数据连接的快速性，又兼顾了连接的可靠性与点对点文件传输的正确性。

本发明的移动终端可利用移动终端现有LED照明灯进行高速数据信号的无线可见光光传输，通过采用LED可见光进行底层通信与上层简约式的数据对接方法，来完成大文件大数据的实时点对点无线发送和接收，能够在生活中更大范围的，利用无处不在的智能手机与智能移动终端来传递信息与存储大文件大数据，达到照明、通信并用，实现资源的重复利用。另外，射频信号对人体有害不能无限制地增加发射功率。而LED照明光源发出的是可见光，更加绿色、安全，通信干扰少，且无需无线电频谱。所以，本系统还有安全环保、实用经济、节能易用等特点。