基于大功率照明LED灯的可见光接入网通信系统的制作方法

本实用新型涉及可见光通信技术领域和无线网络通信领域，特别是一种基于大功率照明LED灯的可见光接入网通信系统。

背景技术：

由于互联网时代中无线网络流量的急剧增长，对无线通信容量提出了新的挑战，而射频通信的无线电频谱资源非常紧张，日渐稀缺。可见光作为无线通信的一种方式，拥有巨大的频谱资源，且随着LED照明行业的发展，LED的效率提升、价格降低，LED正在成为照明的主力。所以利用照明LED进行可见光通信应对无线流量需求成为一个可行的选择。

同时，LED可见光通信利用可见光进行数据传输的本质使得它相较于射频通信在电磁干扰和使用者安全方面有着天然的优势，这使其能够用于对于电磁要求较高的场所(如医院、飞机等)。而在联网方面，可见LED光通信可以直接以LED照明灯作为基站，相较于射频通信和红外通信而言，省去了额外建立基站和布线的成本，在有LED照明的场所就可以建立LED可见光通信网，这使得LED可见光通信有着可以被广泛发展的基础。

另一方面，以太网已经成为当今局域网最广泛使用的标准，以太网的基础设施也已经比较普遍和完善。利用LED可见光通信系统实现网络设备接入以太网，实现网络设备的无线联网功能，既可以缓解射频无线通信的频谱资源紧张问题，也能够充分利用以太网的现有设施提供一种便捷、高速和应用场合广泛的通信方法。

因此，需要一种能够利用充分现有以太网设施和照明设施的系统，它不仅能实现可见光通信，并能将可见光通信系统和以太网系统高效连接，实现有线以太网信号经由照明可见光传输，实现网络设备向以太网的可靠无线光接入。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题：利用照明LED构建可见光通信系统，并实现可见光通信系统与现有以太网系统的融合，实现网络设备的无线光联网。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：包括两个可见光通信系统单元，分别是接入端适配器和客户端适配器，利用它们轻松实现将网络终端设备通过可见光无线连接以太网。

所述的接入端适配器，包括以电信号依次连接的以太网接口电路、下行信号编码模块、下行信号调制模块、下行LED照明兼通信信号驱动模块、下行照明LED，以及以电信号依次连接的上行光电信号转换模块、上行数字信号恢复模块、上行信号解调模块、上行信号解码模块、多址接入模块。

上述的接入端适配器，其中：

所述的下行信号调制模块和上行信号调制模块，对编码后的网络信号进行基带调制，包括符号映射、OFDM调制和D/A转换；

所述的下行信号解调模块和上行信号解调模块，对经过可见光通信系统传输的信号进行基带解调，包括同步、IQ解调、信道均衡、解映射操作；

所述的下行信号编码模块和上行信号编码模块，对网络信号进行加扰、加前导序列、信道编码和交织编码操作；

所述的下行信号解码模块和上行信号解码模块，对经过可见光通信系统传输后的网络信号进行解扰码、去前导序列、信道解码和解交织操作，以提取出MAC层网络信号。

上述的接入端适配器，其中：

所述的下行LED照明兼通信信号驱动模块和上行LED通信信号驱动模块以直流偏置电路和交流信号电路为核心，将数据信号以交流调制方式加载到LED，既实现LED的照明功能，又将数据信号加载到照明LED灯上，而且最大限度地利用了大功率LED的物理调制带宽；

所述的下行数字信号恢复模块和上行数字信号恢复模块分别对下行PD和上行PD探测到的微弱电信号进行放大、滤波、A/D转换、判决恢复出数字电信号；下行光电转换模块和上行光电转换模块中，分别设有下行光电探测器(PD)和上行PD，其中下行PD和上行PD前均置有不同颜色的滤波片，并且每个上行PD前的滤波片留有有效的带宽间隔，避免下行链路和上行链路之间、上行链路和上行链路之间产生干扰，实现可见光通信的波分复用，从而实现在可见光LED光谱范围内可接入更多客户端。

所述的客户端适配器，包括以电信号依次连接的设备接口、下行信号解码模块、下行信号解调模块、下行数字信号恢复模块、下行光电转换模块，以及以电信号依次连接的上行LED通信信号驱动模块、上行信号调制模块、上行信号编码模块。

上述的客户端适配器，其中：

所述的下行信号调制模块和上行信号调制模块，对编码后的网络信号进行基带调制，包括符号映射、OFDM调制和D/A转换；

所述的下行信号解调模块和上行信号解调模块，对经过可见光通信系统传输的信号进行基带解调，包括同步、IQ解调、信道均衡、解映射操作；

所述的下行信号编码模块和上行信号编码模块对网络信号进行加扰、加前导序列、信道编码和交织编码操作；

所述的下行信号解码模块和上行信号解码模块，对经过可见光通信系统传输后的网络信号进行解扰码、去前导序列、信道解码和解交织操作，以提取出MAC层网络信号。

上述的客户端适配器，其中：

所述的下行LED照明兼通信信号驱动模块和上行LED通信信号驱动模块以直流偏置电路和交流信号电路为核心，将数据信号以交流调制方式加载到LED，既实现LED的照明功能，又将数据信号加载到照明LED灯上，而且最大限度地利用了大功率LED的物理调制带宽；

所述的下行数字信号恢复模块和上行数字信号恢复模块分别对下行PD和上行PD转换的微弱电信号进行放大、滤波、A/D转换、判决恢复出数字电信号；

所述的下行光电转换模块和上行光电转换模块中，分别设有下行光电探测器(PD)和上行PD，其中下行PD和上行PD前均置有不同颜色的滤波片，并且每个上行PD前的滤波片留有有效的带宽间隔，避免下行链路和上行链路之间、上行链路和上行链路之间产生干扰，实现可见光通信的波分复用，从而实现在可见光LED光谱范围内可接入更多客户端。

本实用新型可见光接入网通信系统，其中：以太网接口电路输出的网络信号进入下行信号编码模块，信号编码模块对网络信号进行加扰、加前导序列、信道编码和交织编码操作；编码输出信号进入下行信号调制模块，在信号调制模块中进行符号映射、OFDM调制和D/A转换，信号调制模块输出的基带调制信号进入下行LED照明兼通信信号驱动模块；下行LED照明兼通信信号驱动模块将调制后的网络信号和直流偏置信号一起加载到下行LED上，LED发出带有通信信息的照明光；上行传输的光信号在上行PD处进行光电转换；输出的模拟电信号进入上行数字信号恢复模块，在数字信号恢复模块中进行放大、滤波、A/D转换和判决，输出恢复出的数字电信号；恢复判决出的数字电信号进入上行信号解调模块，在信号解调模块中对数字电信号进行同步、IQ解调、信道均衡、解映射操作；解调输出信号进入上行信号解码模块，在信号解码模块中进行解扰码、去前导序列、信道解码和解交织操作；解码输出信号进入多址接入模块，多址接入模块通过时分复用方法控制解码输出信号进入以太网接口电路，在以太网接口电路进行速率适配和形式变换，恢复出MAC层网络信号输入到以太网中。

本实用新型提供的可见光接入网通信系统，其用于多用户接入方式，采用时分与波分混合复用技术，实现高速网络的可见光多用户接入网络。

本实用新型系统应用时，可以将以太网、接入端适配器、客户端适配器和网络设备连接起来，实现了多个网络设备同时通过可见光以无线的方式接入到以太网中；该系统可以利用现有照明LED装置和以太网设施，具有实施难度低、构造简单的特点，相对于射频无线通信还有无电磁干扰、安全性好的优势。

本实用新型与现有技术相比具有以下的主要的优点：

1.为网络设备接入以太网提供了一种射频无线接入之外的方法，既充分利用了现有照明LED，保证照明效果的同时实现无线光联网，也不会产生射频无线中的电磁干扰，是飞机、医院等特殊场合实现无线通信切实可行的一种方法。

2.接入端适配器只需要连上一根网线，便可以支持多个设备的无线接入，免除了多用户通过有线上网所需要的复杂连接。按本实用新型方案，实际验证了同时接入四路终端设备，用5瓦照明LED灯，在5米距离内，可完成高清视频点播、文件传输、网页浏览等网络综合业务。

3.客户端适配器可以移动，满足用户移动上网的需求，同时客户端适配器的设备接口电路可以根据设备接口的差异进行不同定制，容许各种接口的设备使用该系统。

4.接入端适配器和客户端适配器都实现了收发模块的一体化，支持全双工通信。

附图说明

图1是本实用新型实施例的整体结构和系统组成示意图。

图2是本实用新型中接入端适配器的以太网接口电路的实施例示意图。

图3是本实用新型中信号编码模块内部结构示意图。

图4是本实用新型中信号调制模块内部结构示意图。

图5是本实用新型中驱动模块内部结构示意图。

图6是本实用新型中数字信号恢复模块内部结构示意图。

图7是本实用新型中信号解调模块内部结构示意图。

图8是本实用新型中信号解码模块内部结构示意图。

图9是上下行光链路波分复用多用户接入方式示意图。

具体实施方式

本实用新型公开了一种基于大功率照明LED灯的可见光接入网通信系统，其包括与以太网系统连接的可见光通信系统单元—接入端适配器和客户端适配器。接入端适配器通过双绞线与以太网相连。客户端适配器可移动，通过设备接口与网络终端设备相连。接入端和客户端适配器之间通过可见光无线链路通信。接入端适配器只需要连上一根网线，便可以支持多个连接在客户端适配器上的网络终端设备的无线光接入。客户端适配器的设备接口电路可以根据设备接口的差异进行不同定制，容许各种接口的设备使用该系统。

本实用新型利用现有照明LED装置和以太网设施，实现基于大功率LED照明灯的可见光无线接入网，可同时提供照明与网络接入通信，具有实施难度低、构造简单的特点，相对于射频无线通信还有高效节能、无电磁干扰、安全性好的优势。

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但并不限定本实用新型。

本实用新型提供的基于大功率照明LED灯的可见光接入网通信系统，其结构如图1所示：主要部分是两个可见光通信系统单元，即接入端适配器和客户端适配器。利用接入端适配器和客户端适配器可以轻松实现将网络终端设备通过可见光无线连接以太网。

所述接入端适配器，包括以电信号依次连接的以太网接口电路、下行信号编码模块、下行信号调制模块、下行LED照明兼通信信号驱动模块、下行照明LED，以及以电信号依次连接的上行光电信号转换模块、上行数字信号恢复模块、上行信号解调模块、上行信号解码模块、多址接入模块。

所述客户端适配器，包括以电信号依次连接的设备接口、下行信号解码模块、下行信号解调模块、下行数字信号恢复模块、下行光电转换模块，以及以电信号依次连接的上行LED通信信号驱动模块、上行信号调制模块、上行信号编码模块。

上述两单元中，其下行信号调制模块和上行信号调制模块对编码后的网络信号进行基带调制，包括符号映射、OFDM调制和D/A转换。下行信号解调模块和上行信号解调模块对经过可见光通信系统传输的信号进行基带解调，包括同步、IQ解调、信道均衡、解映射操作。

上述两单元中，其下行信号编码模块和上行信号编码模块对网络信号进行加扰、加前导序列、信道编码和交织编码操作，下行信号解码模块和上行信号解码模块对经过可见光通信系统传输后的网络信号进行解扰码、去前导序列、信道解码和解交织操作，以提取出MAC层网络信号。

上述两单元中，其下行LED照明兼通信信号驱动模块和上行LED通信信号驱动模块以直流偏置电路和交流信号电路为核心，将数据信号以交流调制方式加载到LED，既实现LED的照明功能，又将数据信号加载到照明LED灯上，而且最大限度地利用了大功率LED的物理调制带宽。其下行数字信号恢复模块和上行数字信号恢复模块分别对下行PD和上行PD探测到的微弱电信号进行放大、滤波、A/D转换、判决恢复出数字电信号。

上述两单元中，下行光电转换模块和上行光电转换模块中，分别设有下行PD和上行PD。其中下行PD和上行PD前置有不同颜色的滤波片，并且每个上行PD前的滤波片留有有效的带宽间隔，避免下行链路和上行链路之间、上行链路和上行链路之间产生干扰，实现可见光通信的波分复用，从而实现在可见光LED光谱范围内可接入更多客户端。

所述接入端适配器中下行照明LED采用白光照明大功率LED，兼做照明和通信作用。所述客户端适配器中上行LED按波分复用要求，采用不同光谱的LED，既防止信号间的干扰，又保证多客户终端接入。实现多网络设备终端访问以太网，一方面是在下行链路中采用统计时分复用的广播方式，将所有用户的数据通过下行照明LED广播到所有客户端适配器；另一方面是在上行链路中，采用时分复用和波分复用混合复用技术，即每个网络设备终端采用不同时隙和不同波长与接入端适配器连接。

所述接入端适配器中，下行传输的以太网信号在以太网接口电路进行网络MAC层信号的提取和速率适配，如图2所示。

以太网接口电路输出的网络信号进入下行信号编码模块，信号编码模块对网络信号进行加扰、加前导序列、信道编码和交织编码操作，如图3所示。编码输出信号进入下行信号调制模块，在信号调制模块中进行符号映射、OFDM调制和D/A转换，信号调制模块输出的基带调制信号进入下行LED照明兼通信信号驱动模块，如图4所示。下行LED照明兼通信信号驱动模块将调制后的网络信号和直流偏置信号一起加载到下行LED上，LED发出带有通信信息的照明光。上行传输的光信号在上行PD处进行光电转换，如图5所示。输出的模拟电信号进入上行数字信号恢复模块，在数字信号恢复模块中进行放大、滤波、A/D转换和判决，输出恢复出的数字电信号，如图6所示。恢复判决出的数字电信号进入上行信号解调模块，在信号解调模块中对数字电信号进行同步、IQ解调、信道均衡、解映射操作，如图7所示。解调输出信号进入上行信号解码模块，在信号解码模块中进行解扰码、去前导序列、信道解码和解交织操作，如图8所示。解码输出信号进入多址接入模块，多址接入模块通过时分复用方法控制解码输出信号进入以太网接口电路，在以太网接口电路进行速率适配和形式变换，恢复出MAC层网络信号输入到以太网中。

客户端适配器中，下行传输的光信号在下行PD处进行光电转换得到模拟电信号，输入到下行数字信号恢复模块，在如图6所示的数字信号恢复模块中进行放大、滤波、A/D转换和判决，输出的数字电信号进入下行解调模块，在如图7所示的解调模块中对数字电信号进行同步、IQ解调、信道均衡、解映射操作，解调得到的数字信号进入下行信号解码模块，在如图8所示的解码模块中进行解扰码、去前导序列、信道解码和解交织操作。经过解码后得到的网络信号，在设备接口电路中进行信号形式转换和速率适配，通过标准设备接口进入网络设备，完成下行链路的传输。上行方向，网络设备通过标准设备接口输入网络信号，经过设备接口电路的速率和形式的转换后，进入上行信号编码模块，在如图3所示的信号编码模块对网络信号进行加扰、加前导序列、信道编码和交织编码操作，编码输出的信号进入上行信号调制模块。在如图4所示的信号调制模块中进行符号映射、OFDM调制和D/A转换。如图5所示的驱动模块提供直流偏置信号和调制输出信号，加载到上行LED上，上行LED发出带有通信信号的可见光。

多用户接入方式，在上行光链路采用波分复用技术，实现可见光多用户接入网络。如图9所示。

本实用新型将以太网、接入端适配器、客户端适配器和网络设备连接起来，实现了多个网络设备同时通过可见光以无线的方式接入到以太网中。该系统可以利用现有照明LED装置和以太网设施，具有实施难度低、构造简单的特点，相对于射频无线通信还有无电磁干扰、安全性好的优势。

本实用新型研制的可见光接入网络通信系统，数据传输带宽100Mbps，通信距离达到5米以上，单基站通信覆盖范围接收端可达5平方米以上，达到工程实际应用要求，综合技术性能指标在同类系统中处于领先。

本实用新型提供的基于大功率照明LED灯的可见光接入网通信系统，其工作过程如下：

可见光无线通信的实现过程是，下行方向上，与以太网相连的接入端适配器将以太网信号进行速率适配和形式转换处理，使网络信号能够有效调制到下行LED灯上，并能在可见光通信系统中实现可靠传输。经过可见光通信系统传输后的网络信号，被客户端配器的下行光探测器(PD)探测到并进行光电转换，从而进入客户端配器。客户端配器对接收到的网络信号进行恢复、判决、解调、解码后，进行信号形式转换和速率适配，以满足不同网络设备接口信号传输的要求，最后经过网络设备接口进入网络终端，完成下行信号的传输。

下行链路采用的是广播方式，多个设备共享一个下行链路，各个设备对于下行链路的接入方法是统计时分复用。各个设备都会接收到所有的广播信号，根据接收到的广播信号中的目的地址信息来确定是否接收该广播信号。多设备共享一个下行链路，简化了下行链路的搭建，避免了多下行链路之间的干扰。下行链路的下行LED采用的是白光照明LED，在实现照明的同时进行可见光通信。下行链路的下行PD前均设有蓝光滤波装置，以防止受到上行光信号的干扰。

上行方向上，与网络设备相连的客户端配器，将设备发出的网络信号进行信号形式的转换和速率适配，使得网络信号以适合LED物理特性的最佳形式去调制上行LED，并实现在照明LED可见光通信系统中的可靠传输。接入端配器的上行光探测器(PD)对接收到的上行可见光进行光电转换得到电信号，电信号经过接入端适配单元的恢复、判决、解调、解码等操作后得到有效网络信号，最后经过信号形式转换和速率适配，在多址接入模块的控制下通过以太网接口回到以太网，完成上行信号的传输。

上行链路采用的是星形网络拓扑，各个网络设备通过光链路共同接入一个接入端适配器。各路上行信号在多址接入模块的控制下，采用时分复用的方法进入以太网接口电路，获得上行信道的访问权。上行LED采用不同色光的LED，并且在上行PD前设有相应颜色的滤波片,实现各上行光链路的互不干扰传输。

本实用新型提供的基于大功率照明LED灯的可见光接入网通信系统，具有以下特点：

1.在大功率LED照明灯的基础上，融合了网络接入通信功能，同时实现了照明与可见光通信功能，且通信系统利用了照明电源，节省了能源，实现了绿色照明与环保通信。

2.在可见光通信系统上，采用时分与波分混合复用技术，实现了高速网络的多客户终端接入，有效地拓展了大功率LED的光谱利用率，在大功率照明LED有限的调制带宽上，提升了频谱利用率，简化了系统，降低了成本。

3.采用数据流控制与信号转换技术，实现了高速数据网络与大功率照明LED光链路的适配，成功实现了大功率照明LED可见光通信的工程应用。