采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信装置及方法
【专利摘要】采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信装置及方法属于无线通信技术领域。现有技术限于一用户端。本发明之装置其特征在于，可转动置顶端和用户端均有多个；多个可转动置顶端分别由光纤与光纤交换及系统综合控制器连接，光纤交换及系统综合控制器由入户光纤与外网连接；用户端连接有用户光纤；所述可转动置顶端上还安装有摄像头。本发明之方法其特征在于，在同一室内，参与通信的可转动置顶端和用户端均有多个；可转动置顶端上的摄像头始终处于工作状态；当用户设备与某一用户端的用户光纤相连时，用户端光源发光，被多个可转动置顶端上的摄像头同时摄录后获得黑白图像，由光纤交换及系统综合控制器据此指令获得该最小灰度值黑白图像的可转动置顶端与该用户端通信。
【专利说明】
采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信装置及方法，属于无线通信技术领域。
【背景技术】
[0002]当下最为流行的短距离无线通信如室内无线通信是W1-Fi。然而，W1-Fi属于电磁波通信，即使最新版的802.1lac,其频率也仅为5Ghz，这就意味着通信带宽有限，进而限制通信速率的提高。L1-Fi由于属于光波通信，可达到lOGb/s的数据传输速率，突破了 W1-Fi7Gb/s的数据传输速率上限。如果光源采用激光器，而不是LED，数据传输速率能够很容易超出100Gb/so
[0003]L1-Fi通信装置的核心部分包括置顶端和用户端，置顶端由入户光纤与外网连接，用户端由用户光纤与用户设备如电脑连接。置顶端、用户端均由光源及其驱动芯片以及光敏接收器组成。以信号下行传输为例，在置顶端驱动芯片发出的驱动电信号的控制下，光源如LED高速闪烁发光，肉眼觉察不到这种高速闪烁，按明、暗交替变化的形式将通信信号加载到光波上而形成二进制编码，快速传输后由用户端光敏接收器接收，经过解码将由光波传输的信号经用户光纤传送给用户设备，完成一个方向的无线通信。
[0004]然而，L1-Fi无线通信其先天不足在于，光波载波直线传播，当在置顶端和用户端之间存在障碍物时，光波载波被遮挡，L1-Fi无线通信被阻断。当用户设备在室内变换位置，或者有多个用户设备同时与单一置顶端通信时，出现障碍物遮挡的情况就会出现，无线通信的可靠性因此而受到影响。这是L1-Fi无线通信技术领域面临的技术难题，在现有技术领域围绕该技术难题出现了一些解决方案。
[0005]申请号为201410401349.6的一件中国专利申请公开了一项名称为“兼顾照明和通信可靠性的室内LED灯阵列的布置方法”的方案，该方法利用室内空间参数建立三维空间模型，通过求解待优化的目标函数来优化LED灯阵列在天花板平面上的布局，确保LED灯阵列中的每个LED灯彼此间同步工作，最终解决L1-Fi无线通信的障碍物遮挡问题。然而，LED灯阵列中不同LED灯发出的信号会相互干扰;再有，若要获得更好的效果，需要在室内布置更多的LED灯，增加了系统的复杂度和成本。
[0006]申请号为201410555565.6的一件中国专利申请公开了一项名称为“电力线和可见光融合的通信方法及系统”的方案，该方案采用在室内布置多个LED通信终端(置顶端)的形式解决光通信的遮挡问题，其创新点在于每个LED灯之间采用电力通信技术连接，即信号加载到电力线上传输，以实现各个LED通信终端同步工作。然而，不同LED通信终端发出的信号也会相互干扰;并且，目前电力线通信的最大带宽仅为100M，这一环节会成为该室内无线通信的瓶颈。
[0007]申请号为201510163596.1的一件中国专利申请公开了一项名称为“基于可转动的LED发射端的室内三维定位系统及方法”的方案，该方案通过计算接收的功率之间的差值提取定位信息，依据定位信息转动单一 LED光通信终端的光束角度来解决光通信的遮挡问题。然而，该方案在实际应用中若仅采用单一通信终端转动的方式，总会存在通信盲区。
[0008]所述各项已知技术用户端为一个，也就是在一个室内空间只有一个用户端，不论哪项方案只为一个用户端服务。
【发明内容】
[0009]本发明旨在提供一种室内可见光通信方案，在实现高速率可见光通信并解决障碍物遮挡问题的前提下，避免不同LED灯发出的信号相互干扰，在一个室内空间允许多个用户端同时使用，且系统结构不会因此而变得复杂，为此，我们发明了一种采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信装置及方法。
[0010]本发明之采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信装置包括可转动置顶端和用户端，其特征在于，所述可转动置顶端和用户端均有多个;多个可转动置顶端分别由光纤与光纤交换及系统综合控制器连接，光纤交换及系统综合控制器由入户光纤与外网连接；用户端连接有用户光纤;所述可转动置顶端上还安装有摄像头。
[0011]本发明之采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信方法在可转动置顶端和用户端之间双向无线通信，其特征在于，在同一室内，参与通信的可转动置顶端和用户端均有多个;可转动置顶端上的摄像头始终处于工作状态；当用户设备与某一用户端的用户光纤相连时，用户端光源发光，被多个可转动置顶端上的摄像头同时摄录后获得黑白图像，这些黑白图像被分别通过光纤传输给光纤交换及系统综合控制器，此时光纤交换及系统综合控制器向各个可转动置顶端的转动机构发送控制信号使可转动置顶端转动，直到来自各个可转动置顶端上的摄像头的黑白图像灰度值都达到最小值，此时，再由光纤交换及系统综合控制器在这些灰度已达到最小值的黑白图像中进一步确定最小灰度值黑白图像，指令获得该最小灰度值黑白图像的可转动置顶端与该用户端通信;如果再有用户设备与某一用户端的用户光纤相连时，按上述过程在剩余可转动置顶端中确定一个可转动置顶端与该用户端通信。
[0012]本发明其技术效果如下所述。由于本发明在同一室内采用多个可转动置顶端，实现空间全覆盖，通信无死角，即使在某一可转动置顶端与某一用户端之间存在障碍物，也不会妨碍可见光无线通信。虽然采用多个可转动置顶端，但是，最终是一对一通信，也就是一个可转动置顶端与一个用户端通信，而且是在优化后以最佳角度、在最短通信距离内通信，将不同可转动置顶端以及不同用户端之间的干扰降到最低，同时实现了在一个室内空间多个用户端同时以可见光无线方式通信，在这一前提下，系统结构不算复杂。
[0013]每个用户端独享带宽，因此，并不会因多个用户端同时以可见光无线方式通信而导致通信速率的下降。例如，当设置5个可转动置顶端时，可容纳的最大用户端为5个，若单路可见光无线通信的带宽均为100M，则在同一室内每个用户端均可独自占有100M的通信带宽，彼此之间没有干扰。
[0014]只要用户端数小于等于可转动置顶端数，所有用户端即可正常通信，而不必配置过多的置顶端。本发明采用全光纤连接，信号传输速率远大于电力线，可完全发挥可见光通信的速率优势，没有电力线通信存在的速率瓶颈。
【附图说明】
[0015]图1是本发明之采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信装置总体结构及工作状态示意图，该图同时作为摘要附图。图2是本发明之采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信装置中的可转动置顶端结构及工作状态示意图。图3是本发明之采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信装置中的光纤交换及系统综合控制器结构及工作状态示意图。
【具体实施方式】
[0016]本发明之采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信装置包括可转动置顶端I和用户端2，如图1所示，所述可转动置顶端I和用户端2均有多个，例如5个可转动置顶端1，2个用户端2。多个可转动置顶端I分别由光纤3与光纤交换及系统综合控制器4连接，光纤交换及系统综合控制器4由入户光纤5与外网连接。用户端2连接有用户光纤6。所述可转动置顶端I上还安装有摄像头7，如图2所示。
[0017]在所述可转动置顶端I中，如图2所示，由方位转台8、底座9上、俯仰转台10构成可转动置顶端I的转动机构，方位转台8安装在底座9上，俯仰转台10安装在方位转台8上;摄像头7、光源11、光敏接收器12安装在俯仰转台10上。光源11由I?4个LED及其驱动芯片担当；所述LED为蓝光LED，以确保具有足够高的调制速率，或者是由多种颜色的LED组成波分复用阵列，以进一步提升通信带宽。光源11的照射扇面与摄像头7的成像视场相重合，以最大限度增加可转动置顶端I的跟踪对准精度，提高通信稳定性。
[0018]在所述光纤交换及系统综合控制器4中，如图3所示，光纤3接入GTX/GTP通信单元，GTX/GTP通信单元分别与最优算法控制单元、均衡电路、控制电路、数据处理电路电连接;最优算法控制单元还分别与图像处理单元、校正电路电连接；图像处理单元还分别与数据处理电路、校正电路、均衡电路电连接;控制电路还分别与数据处理电路、校正电路电连接;入户光纤5接入数据处理电路。
[0019]本发明之采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信方法在可转动置顶端I和用户端2之间双向无线通信，如图1所示，在同一室内，参与通信的可转动置顶端I和用户端2均有多个。可转动置顶端I上的摄像头7始终处于工作状态。当用户设备13与某一用户端2的用户光纤6相连时，用户端2光源发光，被多个可转动置顶端I上的摄像头7同时摄录后获得黑白图像，这些黑白图像被分别通过光纤3传输给光纤交换及系统综合控制器4，此时光纤交换及系统综合控制器4向各个可转动置顶端I的转动机构发送控制信号使可转动置顶端I转动，直到来自各个可转动置顶端I上的摄像头7的黑白图像灰度值都达到最小值，此时，再由光纤交换及系统综合控制器4在这些灰度已达到最小值的黑白图像中进一步确定最小灰度值黑白图像，指令获得该最小灰度值黑白图像的可转动置顶端I与该用户端2通信。如果再有用户设备13与某一用户端2的用户光纤6相连时，按上述过程在剩余可转动置顶端I中确定一个可转动置顶端I与该用户端2通信。
[0020]所述可转动置顶端I上的摄像头7初始状态为垂直向下。
[0021]所述光纤交换及系统综合控制器4的工作过程如下所述，如图3所示，光纤3将来自可转动置顶端I的通信数据、图像数据传输给GTX/GTP通信单元;为不同用户端2服务的可转动置顶端I由最优算法控制单元、控制电路分配，使各个用户端2均有最优的可转动置顶端与其匹配;GTX/GTP通信单元将来自不同可转动置顶端I的图像数据分别送到均衡电路、控制电路和数据处理电路；均衡电路对所述图像数据进行预处理后传入图像处理单元，由图像处理单元根据图像灰度提取用户端2与可转动置顶端I之间的距离信息，根据用户端2在摄像头7视场中的位置提取用户端2在室内空间的位置信息，将所得距离信息和位置信息传输给最优算法控制单元进行最优选择;校正电路根据图像处理单元和控制电路反馈的信息对最优算法控制单元的运算结果进行校正与补偿;控制电路根据来自GTX/GTP通信单元的图像信息对校正电路和数据处理电路进行控制;数据处理电路根据图像处理单元输出的反馈信息和控制电路的控制指令分别对入户光纤5和来自GTX/GTP通信单元的通信数据进行处理，匹配当前传输协议。
[0022]最优算法控制单元做出最优选择的过程如下所述，建立最优分配规则控制函数，函数由可转动置顶端I的摄像头7摄录的用户端2的距离信息和位置信息加权组成;在最优判别中，将不同可转动置顶端I中的摄像头7摄录的不同用户端2的距离信息和位置信息分别带入到所述最优分配规则控制函数中，若用户端2数不唯一，则需要将每个用户端2的距离信息和位置信息带入，计算不同组合情况下的最优分配规则控制函数值，选取函数值最大的组合作为最优选择;通过更改距离信息和位置信息的权重系数，以及用户端2的权重系数来设定不同用户端2的优先级。
【主权项】
1.一种采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信装置，包括可转动置顶端和用户端，其特征在于，所述可转动置顶端和用户端均有多个;多个可转动置顶端分别由光纤与光纤交换及系统综合控制器连接，光纤交换及系统综合控制器由入户光纤与外网连接；用户端连接有用户光纤;所述可转动置顶端上还安装有摄像头。2.根据权利要求1所述的采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信装置，其特征在于，在所述可转动置顶端(I)中，由方位转台(8)、底座(9)上、俯仰转台(10)构成可转动置顶端(I)的转动机构，方位转台(8)安装在底座(9)上，俯仰转台(10)安装在方位转台(8)上;摄像头(7)、光源(11)、光敏接收器(12)安装在俯仰转台(1)上。3.根据权利要求2所述的采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信装置，其特征在于，光源(II)由I?4个LED及其驱动芯片担当；所述LED为蓝光LED，或者是由多种颜色的LED组成波分复用阵列。4.根据权利要求2所述的采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信装置，其特征在于，光源(11)的照射扇面与摄像头(7)的成像视场相重合。5.根据权利要求1所述的采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信装置，其特征在于，在所述光纤交换及系统综合控制器(4)中，光纤(3)接入GTX/GTP通信单元，GTX/GTP通信单元分别与最优算法控制单元、均衡电路、控制电路、数据处理电路电连接;最优算法控制单元还分别与图像处理单元、校正电路电连接；图像处理单元还分别与数据处理电路、校正电路、均衡电路电连接;控制电路还分别与数据处理电路、校正电路电连接;入户光纤(5)接入数据处理电路。6.—种采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信方法，在可转动置顶端和用户端之间双向无线通信，其特征在于，在同一室内，参与通信的可转动置顶端和用户端均有多个；可转动置顶端上的摄像头始终处于工作状态；当用户设备与某一用户端的用户光纤相连时，用户端光源发光，被多个可转动置顶端上的摄像头同时摄录后获得黑白图像，这些黑白图像被分别通过光纤传输给光纤交换及系统综合控制器，此时光纤交换及系统综合控制器向各个可转动置顶端的转动机构发送控制信号使可转动置顶端转动，直到来自各个可转动置顶端上的摄像头的黑白图像灰度值都达到最小值，此时，再由光纤交换及系统综合控制器在这些灰度已达到最小值的黑白图像中进一步确定最小灰度值黑白图像，指令获得该最小灰度值黑白图像的可转动置顶端与该用户端通信;如果再有用户设备与某一用户端的用户光纤相连时，按上述过程在剩余可转动置顶端中确定一个可转动置顶端与该用户端通?目O7.根据权利要求6所述的采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信方法，其特征在于，所述可转动置顶端(I)上的摄像头(7)初始状态为垂直向下。8.根据权利要求6所述的采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信方法，其特征在于，所述光纤交换及系统综合控制器(4)的工作过程如下所述，光纤(3)将来自可转动置顶端(I)的通信数据、图像数据传输给GTX/GTP通信单元;为不同用户端(2)服务的可转动置顶端(I)由最优算法控制单元、控制电路分配，使各个用户端(2)均有最优的可转动置顶端与其匹配;GTX/GTP通信单元将来自不同可转动置顶端I的图像数据分别送到均衡电路、控制电路和数据处理电路；均衡电路对所述图像数据进行预处理后传入图像处理单元，由图像处理单元根据图像灰度提取用户端(2)与可转动置顶端(I)之间的距离信息，根据用户端(2)在摄像头(7)视场中的位置提取用户端(2)在室内空间的位置信息，将所得距离信息和位置信息传输给最优算法控制单元进行最优选择;校正电路根据图像处理单元和控制电路反馈的信息对最优算法控制单元的运算结果进行校正与补偿;控制电路根据来自GTX/GTP通信单元的图像信息对校正电路和数据处理电路进行控制;数据处理电路根据图像处理单元输出的反馈信息和控制电路的控制指令分别对入户光纤(5)和来自GTX/GTP通信单元的通信数据进行处理，匹配当前传输协议。9.根据权利要求8所述的采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信方法，其特征在于，最优算法控制单元做出最优选择的过程如下所述，建立最优分配规则控制函数，函数由可转动置顶端(I)的摄像头(7)摄录的用户端(2)的距离信息和位置信息加权组成;在最优判别中，将不同可转动置顶端(I)中的摄像头(7)摄录的不同用户端(2)的距离信息和位置信息分别带入到所述最优分配规则控制函数中，若用户端(2)数不唯一，则需要将每个用户端(2)的距离信息和位置信息带入，计算不同组合情况下的最优分配规则控制函数值，选取函数值最大的组合作为最优选择;通过更改距离信息和位置信息的权重系数，以及用户端(2)的权重系数来设定不同用户端(2)的优先级。
【文档编号】H04B10/25GK106027149SQ201610578152
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月21日
【发明人】倪小龙, 姚海峰, 蒋余成, 刘智, 刘艺, 张红玲, 王素芬
【申请人】长春光客科技有限公司