船舱可见光无线通信技术的应用

王旭东， 吴 楠， 旷亚和， 卢圣睿

(大连海事大学 船舶导航系统国家工程研究中心，辽宁 大连 116026)

船舱可见光无线通信技术的应用

王旭东， 吴 楠， 旷亚和， 卢圣睿

(大连海事大学 船舶导航系统国家工程研究中心，辽宁 大连 116026)

针对现有船舱通信采用有线传输方式存在线路铺设复杂、维护成本高的问题，采用无线传输方式存在强干扰、通信屏蔽的问题等，提出一种将可见光无线通信技术应用于船舱通信的解决方案。将白光LED发出的可见光作为信源，采用四进制脉冲位置调制实现信息的光载波调制，接收端配置光电转换器件实现光载波信号接收解调以获取信息。试验表明，设计系统实现了单链路9.6 Kibit/s的传输速率及3 m范围内无差错传输的性能，适用于船舱低速率信息的传输。

船舶工程；可见光通信；船舱通信；白光LED；脉冲位置调制

在光无线通信领域，日本科学家[1]于2000年提出利用可见光LED实现通信的思想。LED因使用寿命长、功耗低、发热少、对人类没有危害而广泛应用于照明场合，被认为是21世纪的主要照明光源。[2]由于LED的调制速率非常高，故将信号调制到白光LED上进行传输，可获得较高的数据传输速率，且能实现通信与照明双重功能。[3]该技术能实现以极小的附加代价使LED灯传送高速率的信号，因此发展前景十分广阔，现已成为多国研究的热点。

针对船舱通信，应用网络技术对保障航运安全、改善劳动环境、提高劳动效率而言具有重要意义。[4]传统的船舱通信通常采用有线的方式将网络中的各个设备相互连接起来，对于船载局域网来说，网络布线成本高、维护困难，而且船舱内的高温、高湿、强腐蚀以及剧烈振动等环境因素很容易损坏已铺设的电缆，导致系统无法正常工作。鉴于此，提出将无线网络技术应用于船舱通信网的设想[5]。

与红外技术、蓝牙技术及其他射频无线通信技术相比，可见光通信技术能完全避免射频接入，无需无线电频谱证，因此在射频信号微弱甚至没有射频信号的地方(如船舱等地)比较适用。此外，船舱中的可见光资源非常丰富，具有大量的信号接入点，且无辐射，因此在舱室内运用可见光通信技术具有极大的研究价值。同时，可借助船舶已有的电力线完成船舱可见光通信，无需任何室内布线，不必破坏原有的装修，工程实施起来简单方便，既可大幅降低投资成本，又可加快工程进度。

提出一种可见光LED船舱无线信息传输设计方案，将可见光LED作为信源，采用四进制脉冲位置调制实现信息的光载波调制，接收端配置光电转换器件以实现光载波信号接收解调。将增强型单片机作为系统的核心控制器，用以实现信息处理、光强调制、光载波接收解调等功能。利用该系统可将信息通过LED发出的白光无线传输到各个舱室，从而为保证船舶安全、增加乘客互动、推送信息服务提供良好的网络平台。

1 可见光通信原理

可见光通信技术的原理为：利用LED 器件能够快速切换、易调制的特点对信号进行调制，发出人眼无法察觉到的高速调制光载波信号，使其在空气中自由传播，然后利用光电二极管(PD)等光电转换器件接收光载波信号，解调并获得信息。[6]

由光发射机和光接收机组成的可见光通信系统模型见图1[7]。发送机的调制器负责将上位机传来的数据调制成适合光源传输的信号。TX前端负责依据所传输的比特流改变光源的发光强度，将信号调制到光载波上。在接收端，光电二极管通过直接检测技术将光载波转换为电信号。RX前端含有滤波器和放大器，经过滤波和放大后的模拟信号再由A/D转换器转换成数字信号。接收机中的解调器处理这些数字信号并解调出发送端发来的数据。

图1 可见光通信模型

对于光直射链路来说，信号由LED发出，经船舱室内空间传输后到达接收机，船舱内空间信道的直流增益[8]为

(1)

式(1)中：m为朗伯体辐射参数，表示光源波束的方向性；A为光电二极管的检测面积；Dd为发送端和接收端的距离；Ψ为光信号的入射角度；φ为LED发光角度；Ts(Ψ)为光学透镜的透过率；g(Ψ)为光集中器的集光能力；Ψc为接收器的视角。光集中器的集光能力g(Ψ)可表示为

(2)

式(2)中：n为折射系数。

设发射光功率为Pt，则接收光功率Pr可表示为

Pr=H(0)×Pt

(3)

对于本设计方案，表1给出了所选器件的关键参数。

表1 系统器件关键参数

2 船舱可见光无线通信的技术方案

2.1船舱可见光无线通信的组成

系统的总体设计框架见图2，船舱顶部安装有LED灯阵列、光电二极管和控制单元，其中：LED灯阵列用来照明和发射信号；光电二极管用来感知用户端发来的光信号的变化，从而捕捉到用户端传来的信息；控制单元在下行链路工作时用来处理信息并将其调制到LED灯上进行发送，在上行链路工作时用来处理舱顶的光电二极管接收到的信息。

图2 船舱可见光无线通信系统结构框架

对于船舶各舱室，可在船员或乘客的床头安装同样的LED灯、光电检测二极管及信号接收器。与安装在舱顶的LED灯相比，安装在床头的LED灯的发射面积应该小一些，其并不用来照明，只作为信号发射器。用户端的信号接收器能够解调床头的光电二极管接收到的信号，实现信息传输(视频播放、语音广播)功能。在传输速率满足一定要求的条件下，该设施可以方便人们进行视频活动。

由于上行链路和下行链路的实现原理基本一样，因此主要介绍单条链路的实现过程，将各条链路分为发送端部分和接收端部分，并对系统各部分进行较为详细的说明。

2.2发送端设计

发送端的结构见图3。信号发送操作步骤为：首先将信号源的数据经串口模块输入到微控制器；然后在微控制器中对信号进行处理，将处理完的信号经过D/A转换后输入到缓冲放大模块和主放大模块；最后将其调制到LED灯上。

图3 发送端结构

1) 信号源通过PC机或各种移动终端设备得到，实现信息发送功能。

2) 串口模块由1个USB至UART的桥接控制器芯片及其外围电路组成，不仅能将数据从上位机传输到微控制器，而且可利用USB接口为整个发送端供电。本系统需要3.3 V和5 V 2个电源，分别为信号处理模块和LED灯模块供电。

3) 微控制器模块采用一款增强型单片机。该单片机具有10位的DAC和ADC、4个16位定时器/计数器和1个增强型UART串口。利用该单片机的丰富资源，可在很大程度上减少外围电路，缩小系统体积，降低系统成本。

利用微控制器实现船舱可见光通信的强度调制——直接检测功能。为避免所传输的信号长连“0”或长连“1”时照明出现明显闪烁的问题，数据调制采用脉冲位置调制(Pulse Position Modulation, PPM)方式。相较于其他调制技术，PPM技术功率效率高，尽管需要更多的带宽，但对于光无线通信而言，尤其是在视距光链路(LOS)较强时，带宽并不是最主要的考虑依据。[9]本系统在具体实现时，采用的是4PPM调制，调制信号波形图见图4。可以看出，PPM的基本思想是根据脉冲位置的不同来表示二进制码元信息。

图4 4PPM信号波形图

微控制器除了接收桥接芯片传输过来的数据、对数据进行4PPM调制以外，还计算数据的校验值、将处理后的信号通过D/A转换后输出到下一级。

4) 两级放大模块中含有1个缓冲放大电路和1个主放大电路。缓冲放大电路的作用是提高负载能力，隔离前后级电路干扰。主放大电路用来对信号进行30倍放大，既可保证每个LED工作在额定功率下，又能使LED阵列以较大功率工作，增强传输距离和信号传输的可靠性。

5) 对于可见光通信，光源必须同时具备照明和通信2种功能。作为照明设备，必须具有亮度高、散热低、功耗低、辐射范围广等优点；作为通信设备，则需具备使用寿命长、可靠性高、调制性能好、响应灵敏度高等优点。[10]结合以上2方面，目前主要使用的是发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。LED主要应用于室内环境，在系统设计中通过优化LED调制驱动电路，可最大限度地利用已经商品化的白光LED实现高速数据传输[11]；LD由于具有高指向性波束，一般用于室外环境[9]。因此，船舱通信作为可见光通信技术的室内应用，采用的光源是白光LED。

LED模块采用电压驱动方式，设计方案将4个1 W白光LED并联，并由串口模块引出的5 V电源单独供电。每个LED灯串联一个小电阻以消除LED灯的正向电压的不均匀性。当使用外部电源时，也可将LED灯串联起来进行光发送，这样可使每个LED工作在最大功率下。不过该做法会提高发射功率，需要外接散热片，且采用串联发送的方法，一个LED损坏将导致整个发送端不能正常工作。因此，本系统发送端选择LED并联的连接模式。

2.3接收端设计

接收端的结构框图见图5，主要由7部分组成。光电二极管首先接收发送端发来的光强变化信号，并将其转化成相应的电信号；为方便后一级的信号处理，跨阻放大、低通滤波和主放大3部分对接收的信号进行放大和滤波，并将处理后的信号送入微控制器进行信号解调；最后将解调的信号送入串口模块，信息将在PC机上显示出来。

图5 接收端结构框图

1) 光电二极管是一个将光信号转变为电信号的元器件，工作在反向电压下：没有光照时，反向电流极其微弱，称为暗电流；有光照时，反向电流会迅速增大，称为光电流。光电二极管产生的信号(光电流强度)正比于接收到的光功率强度，这就可以把光信号转换为电信号，成为光电传感器件。对于可见光通信系统，光电二极管需满足检测面积大、灵敏度高、响应速率快、噪声低、可靠性高的性能。在可见光通信系统的设计中，较多使用PIN光电二极管和APD光电二极管，本系统将PIN光电二极管作为光检测器件。

2) 光电二极管将接收到的光信号转换为微弱的光电流，因此在接收端的放大滤波模块要对接收到的信号进行放大，以便后级电路处理。信号首先经过跨阻放大器将电流转换为电压，并对信号进行微放大。但是，由自然光和荧光灯等带来的噪声也会随有用信号的放大而放大，因此该模块在主放大前还有滤波器来滤除噪声的干扰。

3) 微控制器模块采用的是与发送端相同的一款增强型单片机，负责信道估计、时钟同步、对输入的信号进行A/D转换和4PPM解调。单片机中的定时器控制A/D采样频率，计算PPM波的位置，解调出信号。另外，该模块还要对接收到的信号进行检错，如果接收到的检验码和接收到的数据的校验值不同，则丢弃该组数据，重新接收。

4) 串口模块与发送端串口模块的功能基本一致。

5) PC机作为数据接收端，也可采用其他移动终端设备。

2.4光源布局

LED在应用于船舱通信时，需要同时具有照明和通信双重功能，而单个LED的发光强度比较小，因此还应根据船舱的大小、构造来考虑阵列光源的布局。光源布局需考虑组成白光LED阵列光源的内部LED的排列、室内LED的整体布局(包括个数及整体分布)。通过这2个方面的合理安排，使得船舱内不会因LED光强过暗而产生信号收不到的死角(通信盲区)，也不会因LED过多而产生码间干扰。[12]国内外已有很多文献介绍光源布局的相关理论并进行了计算机仿真，其结果可供系统设计时参考。

3 试验结果

系统发送端和接收端的实物图见图6。图6(b)接收板的PD在该PCB板的背面，这样在进行通信试验时系统能够方便地安装在测试架上。测试时，发送板安装在屋顶上，屋顶距地高度为3.5 m，接收板安装在试验桌上，试验桌距地约0.7 m。

(a)发送端(b)接收端

图6 系统实物图

将一块串口模块的一端连接到PC机上，另一端连接到发送板上；将另一块串口模块的一端连到PC机，另一端连到接收板上；打开串口调试助手软件，点击打开端口按钮，分别见图7(a)和图7(b)。在发送端首先通过串口调制助手发送一个空格符，然后单片机会传来“Welcome to Dalian Maritime University visible light communication system.”的提示语。在出现“please input the TX datagt;”的字符后，将待发送的信息输入到发送区，并点击发送数据按钮进行发送。

将光电二极管放置在白光LED的照射范围内(本试验设定的传输距离为3 m)，接收端的串口调试助手就能显示发送端发来的数据。

(a) 发送信息界面

(b) 接收信息界面

用示波器观察发送端和接收端的信号波形图见图8。图8(a)显示的是发送端单片机发出的经过4PPM调制后的信号波形，图8(b)显示的是进入接收端单片机之前的信号波形。可以看出，接收端波形较发送端波形有大约1.5个波的跳变，因此在接收端解调计算脉冲位置时要留出相应的跳变时间。

本系统的传输子载波采用38.4 kHz的频率，由示波器波形也可以看出，子载波周期约为26 μs。一个时隙时长为8个子载波的周期，即208 μs。由于系统采用4PPM调制，一个时隙传输2 bit信息，故传输1 bit信息所用时间为104 μs，计算得到系统的比特传输速率为9.6 Kibit/s。

(a) 发送端信号

(b) 接收端信号

4 结 语

可见光通信作为一种新兴的无线光通信技术, 已成为光无线通信领域中的一个新的增长点。由于船舱是密闭的，适合应用可见光通信技术，且现有的网络条件尚待提高，因此室内可见光技术在船舱中的应用前景非常可观。此项技术不仅可以应用于船舶监控网，提高航运安全，而且可以为船舶上的船员和乘客提供多样化的娱乐服务，增加船舶公司的经济效益，非常值得深入研究。

本文提出了船舱光无线通信系统的一种设计方案，完成了单条链路可见光无线通信系统，室内环境下实现了9.6 Kibit/s信息速率、3 m范围内无差错传输的性能。未来的研究将致力于提高数据的传输速率，并将数字语音、数字视频技术加入该系统。通过系统的不断完善，能真正将其应用于船舱通信，改善船员和乘客的海上生活。

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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

国家自然科学基金(61371091)；辽宁省引进海外研发团队项目(辽外专函[2012]26号)

王旭东(1967—)，男，黑龙江哈尔滨人，教授，博士，从事光无线通信技术研究。E-mail：wxd@dlmu.edu.cn

1000-4653(2014)04-0001-05

U675.79

A