船艙可見光無線通信技術的應用

王旭東， 吳 楠， 曠亞和， 盧圣睿

(大連海事大學 船舶導航系統國家工程研究中心，遼寧 大連 116026)

船艙可見光無線通信技術的應用

王旭東， 吳 楠， 曠亞和， 盧圣睿

(大連海事大學 船舶導航系統國家工程研究中心，遼寧 大連 116026)

針對現有船艙通信采用有線傳輸方式存在線路鋪設復雜、維護成本高的問題，采用無線傳輸方式存在強干擾、通信屏蔽的問題等，提出一種將可見光無線通信技術應用于船艙通信的解決方案。將白光LED發出的可見光作為信源，采用四進制脈沖位置調制實現信息的光載波調制，接收端配置光電轉換器件實現光載波信號接收解調以獲取信息。試驗表明，設計系統實現了單鏈路9.6 Kibit/s的傳輸速率及3 m范圍內無差錯傳輸的性能，適用于船艙低速率信息的傳輸。

船舶工程；可見光通信；船艙通信；白光LED；脈沖位置調制

在光無線通信領域，日本科學家[1]于2000年提出利用可見光LED實現通信的思想。LED因使用壽命長、功耗低、發熱少、對人類沒有危害而廣泛應用于照明場合，被認為是21世紀的主要照明光源。[2]由于LED的調制速率非常高，故將信號調制到白光LED上進行傳輸，可獲得較高的數據傳輸速率，且能實現通信與照明雙重功能。[3]該技術能實現以極小的附加代價使LED燈傳送高速率的信號，因此發展前景十分廣闊，現已成為多國研究的熱點。

針對船艙通信，應用網絡技術對保障航運安全、改善勞動環境、提高勞動效率而言具有重要意義。[4]傳統的船艙通信通常采用有線的方式將網絡中的各個設備相互連接起來，對于船載局域網來說，網絡布線成本高、維護困難，而且船艙內的高溫、高濕、強腐蝕以及劇烈振動等環境因素很容易損壞已鋪設的電纜，導致系統無法正常工作。鑒于此，提出將無線網絡技術應用于船艙通信網的設想[5]。

與紅外技術、藍牙技術及其他射頻無線通信技術相比，可見光通信技術能完全避免射頻接入，無需無線電頻譜證，因此在射頻信號微弱甚至沒有射頻信號的地方(如船艙等地)比較適用。此外，船艙中的可見光資源非常豐富，具有大量的信號接入點，且無輻射，因此在艙室內運用可見光通信技術具有極大的研究價值。同時，可借助船舶已有的電力線完成船艙可見光通信，無需任何室內布線，不必破壞原有的裝修，工程實施起來簡單方便，既可大幅降低投資成本，又可加快工程進度。

提出一種可見光LED船艙無線信息傳輸設計方案，將可見光LED作為信源，采用四進制脈沖位置調制實現信息的光載波調制，接收端配置光電轉換器件以實現光載波信號接收解調。將增強型單片機作為系統的核心控制器，用以實現信息處理、光強調制、光載波接收解調等功能。利用該系統可將信息通過LED發出的白光無線傳輸到各個艙室，從而為保證船舶安全、增加乘客互動、推送信息服務提供良好的網絡平臺。

1 可見光通信原理

可見光通信技術的原理為：利用LED 器件能夠快速切換、易調制的特點對信號進行調制，發出人眼無法察覺到的高速調制光載波信號，使其在空氣中自由傳播，然后利用光電二極管(PD)等光電轉換器件接收光載波信號，解調并獲得信息。[6]

由光發射機和光接收機組成的可見光通信系統模型見圖1[7]。發送機的調制器負責將上位機傳來的數據調制成適合光源傳輸的信號。TX前端負責依據所傳輸的比特流改變光源的發光強度，將信號調制到光載波上。在接收端，光電二極管通過直接檢測技術將光載波轉換為電信號。RX前端含有濾波器和放大器，經過濾波和放大后的模擬信號再由A/D轉換器轉換成數字信號。接收機中的解調器處理這些數字信號并解調出發送端發來的數據。

圖1 可見光通信模型

對于光直射鏈路來說，信號由LED發出，經船艙室內空間傳輸后到達接收機，船艙內空間信道的直流增益[8]為

(1)

式(1)中：m為朗伯體輻射參數，表示光源波束的方向性；A為光電二極管的檢測面積；Dd為發送端和接收端的距離；Ψ為光信號的入射角度；φ為LED發光角度；Ts(Ψ)為光學透鏡的透過率；g(Ψ)為光集中器的集光能力；Ψc為接收器的視角。光集中器的集光能力g(Ψ)可表示為

(2)

式(2)中：n為折射系數。

設發射光功率為Pt，則接收光功率Pr可表示為

Pr=H(0)×Pt

(3)

對于本設計方案，表1給出了所選器件的關鍵參數。

表1 系統器件關鍵參數

2 船艙可見光無線通信的技術方案

2.1船艙可見光無線通信的組成

系統的總體設計框架見圖2，船艙頂部安裝有LED燈陣列、光電二極管和控制單元，其中：LED燈陣列用來照明和發射信號；光電二極管用來感知用戶端發來的光信號的變化，從而捕捉到用戶端傳來的信息；控制單元在下行鏈路工作時用來處理信息并將其調制到LED燈上進行發送，在上行鏈路工作時用來處理艙頂的光電二極管接收到的信息。

圖2 船艙可見光無線通信系統結構框架

對于船舶各艙室，可在船員或乘客的床頭安裝同樣的LED燈、光電檢測二極管及信號接收器。與安裝在艙頂的LED燈相比，安裝在床頭的LED燈的發射面積應該小一些，其并不用來照明，只作為信號發射器。用戶端的信號接收器能夠解調床頭的光電二極管接收到的信號，實現信息傳輸(視頻播放、語音廣播)功能。在傳輸速率滿足一定要求的條件下，該設施可以方便人們進行視頻活動。

由于上行鏈路和下行鏈路的實現原理基本一樣，因此主要介紹單條鏈路的實現過程，將各條鏈路分為發送端部分和接收端部分，并對系統各部分進行較為詳細的說明。

2.2發送端設計

發送端的結構見圖3。信號發送操作步驟為：首先將信號源的數據經串口模塊輸入到微控制器；然后在微控制器中對信號進行處理，將處理完的信號經過D/A轉換后輸入到緩沖放大模塊和主放大模塊；最后將其調制到LED燈上。

圖3 發送端結構

1) 信號源通過PC機或各種移動終端設備得到，實現信息發送功能。

2) 串口模塊由1個USB至UART的橋接控制器芯片及其外圍電路組成，不僅能將數據從上位機傳輸到微控制器，而且可利用USB接口為整個發送端供電。本系統需要3.3 V和5 V 2個電源，分別為信號處理模塊和LED燈模塊供電。

3) 微控制器模塊采用一款增強型單片機。該單片機具有10位的DAC和ADC、4個16位定時器/計數器和1個增強型UART串口。利用該單片機的豐富資源，可在很大程度上減少外圍電路，縮小系統體積，降低系統成本。

利用微控制器實現船艙可見光通信的強度調制——直接檢測功能。為避免所傳輸的信號長連“0”或長連“1”時照明出現明顯閃爍的問題，數據調制采用脈沖位置調制(Pulse Position Modulation, PPM)方式。相較于其他調制技術，PPM技術功率效率高，盡管需要更多的帶寬，但對于光無線通信而言，尤其是在視距光鏈路(LOS)較強時，帶寬并不是最主要的考慮依據。[9]本系統在具體實現時，采用的是4PPM調制，調制信號波形圖見圖4。可以看出，PPM的基本思想是根據脈沖位置的不同來表示二進制碼元信息。

圖4 4PPM信號波形圖

微控制器除了接收橋接芯片傳輸過來的數據、對數據進行4PPM調制以外，還計算數據的校驗值、將處理后的信號通過D/A轉換后輸出到下一級。

4) 兩級放大模塊中含有1個緩沖放大電路和1個主放大電路。緩沖放大電路的作用是提高負載能力，隔離前后級電路干擾。主放大電路用來對信號進行30倍放大，既可保證每個LED工作在額定功率下，又能使LED陣列以較大功率工作，增強傳輸距離和信號傳輸的可靠性。

5) 對于可見光通信，光源必須同時具備照明和通信2種功能。作為照明設備，必須具有亮度高、散熱低、功耗低、輻射范圍廣等優點；作為通信設備，則需具備使用壽命長、可靠性高、調制性能好、響應靈敏度高等優點。[10]結合以上2方面，目前主要使用的是發光二極管(LED)和激光二極管(LD)。LED主要應用于室內環境，在系統設計中通過優化LED調制驅動電路，可最大限度地利用已經商品化的白光LED實現高速數據傳輸[11]；LD由于具有高指向性波束，一般用于室外環境[9]。因此，船艙通信作為可見光通信技術的室內應用，采用的光源是白光LED。

LED模塊采用電壓驅動方式，設計方案將4個1 W白光LED并聯，并由串口模塊引出的5 V電源單獨供電。每個LED燈串聯一個小電阻以消除LED燈的正向電壓的不均勻性。當使用外部電源時，也可將LED燈串聯起來進行光發送，這樣可使每個LED工作在最大功率下。不過該做法會提高發射功率，需要外接散熱片，且采用串聯發送的方法，一個LED損壞將導致整個發送端不能正常工作。因此，本系統發送端選擇LED并聯的連接模式。

2.3接收端設計

接收端的結構框圖見圖5，主要由7部分組成。光電二極管首先接收發送端發來的光強變化信號，并將其轉化成相應的電信號；為方便后一級的信號處理，跨阻放大、低通濾波和主放大3部分對接收的信號進行放大和濾波，并將處理后的信號送入微控制器進行信號解調；最后將解調的信號送入串口模塊，信息將在PC機上顯示出來。

圖5 接收端結構框圖

1) 光電二極管是一個將光信號轉變為電信號的元器件，工作在反向電壓下：沒有光照時，反向電流極其微弱，稱為暗電流；有光照時，反向電流會迅速增大，稱為光電流。光電二極管產生的信號(光電流強度)正比于接收到的光功率強度，這就可以把光信號轉換為電信號，成為光電傳感器件。對于可見光通信系統，光電二極管需滿足檢測面積大、靈敏度高、響應速率快、噪聲低、可靠性高的性能。在可見光通信系統的設計中，較多使用PIN光電二極管和APD光電二極管，本系統將PIN光電二極管作為光檢測器件。

2) 光電二極管將接收到的光信號轉換為微弱的光電流，因此在接收端的放大濾波模塊要對接收到的信號進行放大，以便后級電路處理。信號首先經過跨阻放大器將電流轉換為電壓，并對信號進行微放大。但是，由自然光和熒光燈等帶來的噪聲也會隨有用信號的放大而放大，因此該模塊在主放大前還有濾波器來濾除噪聲的干擾。

3) 微控制器模塊采用的是與發送端相同的一款增強型單片機，負責信道估計、時鐘同步、對輸入的信號進行A/D轉換和4PPM解調。單片機中的定時器控制A/D采樣頻率，計算PPM波的位置，解調出信號。另外，該模塊還要對接收到的信號進行檢錯，如果接收到的檢驗碼和接收到的數據的校驗值不同，則丟棄該組數據，重新接收。

4) 串口模塊與發送端串口模塊的功能基本一致。

5) PC機作為數據接收端，也可采用其他移動終端設備。

2.4光源布局

LED在應用于船艙通信時，需要同時具有照明和通信雙重功能，而單個LED的發光強度比較小，因此還應根據船艙的大小、構造來考慮陣列光源的布局。光源布局需考慮組成白光LED陣列光源的內部LED的排列、室內LED的整體布局(包括個數及整體分布)。通過這2個方面的合理安排，使得船艙內不會因LED光強過暗而產生信號收不到的死角(通信盲區)，也不會因LED過多而產生碼間干擾。[12]國內外已有很多文獻介紹光源布局的相關理論并進行了計算機仿真，其結果可供系統設計時參考。

3 試驗結果

系統發送端和接收端的實物圖見圖6。圖6(b)接收板的PD在該PCB板的背面，這樣在進行通信試驗時系統能夠方便地安裝在測試架上。測試時，發送板安裝在屋頂上，屋頂距地高度為3.5 m，接收板安裝在試驗桌上，試驗桌距地約0.7 m。

(a)發送端(b)接收端

圖6 系統實物圖

將一塊串口模塊的一端連接到PC機上，另一端連接到發送板上；將另一塊串口模塊的一端連到PC機，另一端連到接收板上；打開串口調試助手軟件，點擊打開端口按鈕，分別見圖7(a)和圖7(b)。在發送端首先通過串口調制助手發送一個空格符，然后單片機會傳來“Welcome to Dalian Maritime University visible light communication system.”的提示語。在出現“please input the TX datagt;”的字符后，將待發送的信息輸入到發送區，并點擊發送數據按鈕進行發送。

將光電二極管放置在白光LED的照射范圍內(本試驗設定的傳輸距離為3 m)，接收端的串口調試助手就能顯示發送端發來的數據。

(a) 發送信息界面

(b) 接收信息界面

用示波器觀察發送端和接收端的信號波形圖見圖8。圖8(a)顯示的是發送端單片機發出的經過4PPM調制后的信號波形，圖8(b)顯示的是進入接收端單片機之前的信號波形。可以看出，接收端波形較發送端波形有大約1.5個波的跳變，因此在接收端解調計算脈沖位置時要留出相應的跳變時間。

本系統的傳輸子載波采用38.4 kHz的頻率，由示波器波形也可以看出，子載波周期約為26 μs。一個時隙時長為8個子載波的周期，即208 μs。由于系統采用4PPM調制，一個時隙傳輸2 bit信息，故傳輸1 bit信息所用時間為104 μs，計算得到系統的比特傳輸速率為9.6 Kibit/s。

(a) 發送端信號

(b) 接收端信號

4 結 語

可見光通信作為一種新興的無線光通信技術, 已成為光無線通信領域中的一個新的增長點。由于船艙是密閉的，適合應用可見光通信技術，且現有的網絡條件尚待提高，因此室內可見光技術在船艙中的應用前景非常可觀。此項技術不僅可以應用于船舶監控網，提高航運安全，而且可以為船舶上的船員和乘客提供多樣化的娛樂服務，增加船舶公司的經濟效益，非常值得深入研究。

本文提出了船艙光無線通信系統的一種設計方案，完成了單條鏈路可見光無線通信系統，室內環境下實現了9.6 Kibit/s信息速率、3 m范圍內無差錯傳輸的性能。未來的研究將致力于提高數據的傳輸速率，并將數字語音、數字視頻技術加入該系統。通過系統的不斷完善，能真正將其應用于船艙通信，改善船員和乘客的海上生活。

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CabinApplicationofVisibleLightCommunication

WANGXudong,WUNan,KUANGYahe,LUShengrui

(National Engineering Research Center of Maritime Navigation System, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

Ordinary wire or wireless communication is not always convenient for ship cabins. The former costs money for cabling and maintenance. The latter is free from cabling but often suffers from strong interferences and shielding effects of bulkheads. The visible light communication solution is developed to overcome the problems. A white LED transmitter emits optical signals in four-binary-pulse- position modulation. The receiver is equipped with a photoelectric conversion device to sense the optical signal and the demodulation device to get the information. An experimental system achieving 9.6 Kibit/s error-free transmission rate at the distance of 3 meters is built, which shows that the visible light transmission is suitable for low rate cabin communication.

ship engineering; visible light communication; cabin communication; white LED; pulse position modulation

2014-09-12

國家自然科學基金(61371091)；遼寧省引進海外研發團隊項目(遼外專函[2012]26號)

王旭東(1967—)，男，黑龍江哈爾濱人，教授，博士，從事光無線通信技術研究。E-mail：wxd@dlmu.edu.cn

1000-4653(2014)04-0001-05

U675.79

A