可见光通信在物联网方向的应用与方案设计

张琪，费光荣，朱文真

（湖南中移通信技术工程有限公司，长沙 410003）

可见光通信在物联网方向的应用与方案设计

张琪，费光荣，朱文真

（湖南中移通信技术工程有限公司，长沙 410003）

本文对可见光通信系统在物联网中的应用进行了探讨，提出了一个基于MIMO VLC系统的数字化医院物联网传送解决方案。该方案能够充分利用可见光通信的优势，在数字化医院内实现高速、无电磁干扰以及可靠传送。

可见光通信；物联网；数字化医院；多输入多输出

可见光通信（VLC）是利用LED等可见光源以肉眼感觉不到的高速明暗闪烁来传输数字信息的一种通信方式。VLC作为一种新兴的通信方式，与传统的射频通信（RF）和其它无线光通信方案相比，具有安全保密性好、发射功率高、无需无线电频谱证等优点，所以现在逐渐成为无线通信中一个研究热点。将可见光通信理念应用于物联网，可以充分利用可见光通信的优势，在物联网的室内通信以及室外可见光范围之内通信发挥巨大的作用。

1 可见光通信在物联网中的应用

物联网发展的终极目标是实现万物互联，在拥有了先进的感知技术以及智能处理技术的前提之下，物与物之间信息之间的交流还需要得到更加可靠的保证。

物联网现在面临的场景主要可以分为两大类。

（1）高速率、低时延、高可靠性的场景需求，如需要高速率的实时高清视频监控的医院、安防类等设施；需要低时延的智能交通、智能信号指示等场景。需要高可靠性的智能电网、智能工业等场景应用。

（2）海量连接、低速率、对时延不敏感的场景需求，需要智能家居、智能农业、环境监测等场景应用。

可见光通信相比于其它的传输手段，拥有其独特的技术优势。

（1） 可见光对人体无伤害，发射功率再高都非常安全。

（2）可以实现极高的传输速率，目前最高速率已经可以达到10Gbit/s。

（3）不产生电磁干扰，可应用于对电磁干扰限制严格的机场、医院等场合。

（4）通信安全可靠，保密性强。

（5）发射功率高，不受限制。无线红外通信采用的红外线电磁波对人眼会造成伤害，其发射功率越高伤害则越大，相比之下，VLC采用的可见光对人体来说非常安全，其发射功率不受限制。

（6）散射角很大，易实现多发多收。

鉴于可见光通信其自身独特的优势，可将其运用于未来物联网所需的高速率、低时延、高可靠性的场景，如对电磁干扰严格限制的机场、医院，需要低时延、高可靠性的智能交通和水下通信等场景。

2 数字化医院物联网传送方案的可行性分析与设计

2.1 物联网医院场景需求分析

物联网医院主要是采用视频、音频、温度、光感等传感器，将医院中的高清语音、高清图像、现场环境等实时信息进行采集后，高速地传送到医院物联网服务器，并由医院云计算处理中心进行实时的监测、分析、处理病房及手术室中的现场情况。

医院， 尤其是手术室等区域仪器仪表繁多，情况复杂，对电磁波有着严苛的要求，而且由于需要将手术室内的高清影像进行实时的传送，对数据的传输速率也有很高的要求（不小于6 Mbit/s）。当前如蓝牙、ZigBee、Wi-Fi等传统的无线传输方式，已经不能满足手术室这种特殊环境下的严苛要求，而室内可见光通信技术有着不产生电磁干扰、传输速率高、可使用MIMO技术等显著优势，可以完全满足手术室的场景需求。

2.2 MIMO VLC实验系统原理

本文所采用的是可见光成像式接收机的MIMO系统。如图1所示，系统采用LED阵列作为发射端，信号经过特定的调制后加载到LED阵列上，同时以多路光通道的形式发射出去。信号在传输过程中经过特定的光学透镜，经过光电探测器（PIN）接收到的信号还要经过放大电路（AMP）对信号进行放大，放大后的信号接入DSP进行运算和处理，最终恢复出发射端的原始数据。

2.3 MIMO系统接收端恢复原理

假设发送模块由NT个发射机组成，接收模块由NR个接收机组成，每个发射机发出的信号都能被每个接收机接收到。第i个发射机到第j个接收机之间的增益用hij表示。那么，就能形成用来表示从发射端到接收端的增益H矩阵，H矩阵如下：

假设发射端的信号矩阵为Test，接收端的信号矩阵为R，则R=Test×H，容易推出Test=R×H-1，即只要知道信道H矩阵和接收端的信号矩阵R，通过DSP的相关运算就能求得发射端的信号矩阵Test。

2.4 MIMO VLC实验系统平台介绍

图2构建了基于成像式接收机的4×4 MIMO可见光通信实验系统。系统发射端由4只Cree XLamp XP-G Q5 型白光LED（每个LED的发射功率可达100 mW）照明灯组成，4只白光LED组成一个2×2的60 cm×60 cm的正方形发光阵列，系统的原始信号由单片机MSP430进行调制，将原本的串行信号调制成NRZ-OOK码的形式从4路发射端并行发出，同时以4路光通道的形式发射出去。而接收端则由成像凸透镜、探测器阵列、放大电路以及DSP处理器4部分构成。成像透镜使用凸透镜，其焦距为2.5 cm，直径为4 cm。探测器阵列由4个BPW34型号的PIN光电探测器组成，探测器阵列的接收面积为1 cm2，相邻探测器间距为0.1 cm。放大电路采用运放LF353进行信号放大。DSP则采用Texas Intruments (TI)公司研制的TMS320F28335型浮点DSP。

图1 成像式接收机的MIMO系统示意图

图2 基于MIMO可见光通信实验系统

考察在模拟医院手术室大小的房间（L：7 m；W：7 m；H：2.5 m），处于弱自然光的条件下，系统传输速率随传输距离的变化关系及系统误码率随系统传输速率的变化关系：传输距离变化范围[1，14] m，系统传输速率变化范围[200，500] Mbit/s；实验结果如图3所示。

图3 系统传输速率随传输距离变化曲线图

由实验结果可发现，当传输距离为1 m时，系统传输速率可达到450 Mbit/s左右，随着传输距离的增加，系统传输速率会显著下降，当达到手术室极限距离14 m时，系统传输速率仍能达到200 Mbit/s。

系统传输速率变化范围[1，14] m，系统误码率BER变化范围[E-5，E-2]；实验结果如图4所示。

由实验结果可发现，当系统传输速率在330 Mbit/s以下时，系统平均误码率稳定在10-5量级左右。当传输速率超过350 Mbit/s时，系统误码率会显著增加。原始误码率只要低于3.8×10-3就可以采用前向纠错通过冗余编码来纠错，大幅度改善误码率。

图4 系统平均误码率随传输速率变化曲线图

2.5 基于MIMO VLC系统的数字化手术室物联网传送方案设计

综合前面所述，本方案拟采用VLC 系统构建一个物联网手术室传送方案，将手术室内的高清视频信号、高清语音信号、实时监测信号传送到医院云计算处理中心。

本方案在每个病房（手术室）安装4个白光LED（每个LED的发射功率可达100 mW）手术室上照灯、4个隐藏式LED吊顶灯、1个VLC通信分站来实现手术室里的信息交互（VLC通信分站到室外有线部分采用6类屏蔽双绞线，传输速率可达到500 Mbit/s）。

2.5.1 上行链路

发射端：手术室中通过各个视频、音频、信息等传感器将手术室中的场景信号、监护仪器信号、医疗影像设备信号等收集、压缩、编码，并存储转存于LED手术室上照灯，信号经过基于成像式接收机的4×4 MIMO可见光通信实验系统进行发射。

接收端：4个位于手术室吊顶的隐藏式LED吊顶作为接收端，接收端接收到发射端发射的可见光信号，经过光电探测器（PIN）接收到的信号经过放大电路（AMP）对信号进行放大，将信号传输到VLC通信分站，统一通过以太网关将信息上传于医院物联网服务器，进行的实时监控和分析，并可以在云计算智能终端进行分析并实时反馈最佳指令。

图5 基于MIMO VLC系统的数字化医院物联网传送方案

2.5.2 下行链路

发射端：云计算智能终端将处理的指令整合，以太网关将反馈的信息指令通过以太网线传送到相应的手术室VLC通信分站，信号经过基于成像式接收机的4×4 MIMO可见光通信实验系统，通过4个隐藏式LED吊顶灯进行发射。

接收端：4个LED手术室上照灯作为接收端，接收端接收到发射端发射的可见光信号，经过光电探测器（PIN）接收到的信号经过放大电路（AMP）对信号进行放大，并通过接收终端进行计算和处理，最终通过传感器反馈到值班的医护人员。具体的设计方案如图5所示。

2.6 MIMO VLC系统的数字化手术室物联网传送系统性能分析

图6是可见光通信与其它主流室内无线通信传输方式在传输速率方面变化情况的比较（均处于弱自然光的室内情况）。

图6 VLC与其他室内主流无线通信技术的比较

由上述的仿真结果可以看出，本系统在模拟手术室内的极限传输距离14 m时，仍能达到200 Mbit/s的传输速率，性能要远远优于Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee等主流室内无线通信技术，采用标准H.264 MainProfile压缩算法的高清网络摄像机，单路视频要达到1080 P全实时传送时(30 fps)，需要的网络带宽至少要在4 Mbit/s以上，而本系统速率达到200 Mbit/s，能满足一个医院至少50路高清视频信号同时完成实时传送。此时的误码率为10-5量级，原始误码率只要低于3.8×10-3，我们就可以采用前向纠错通过冗余编码来纠错，大幅度改善误码率，完全能满足数字化手术室的要求。

3 结论

本文通过对可见光通信系统与物联网的分析，对可见光通信在物联网中的应用进行了详细探讨。同时设计了一个基于MIMO VLC系统的数字化医院手术室物联网传送方案，此方案利用了可见光通信无电磁干扰、传输速度快、可使用MIMO等技术优势，并充分考虑医院这一特定场景进行个性化设计，可以满足数字化手术室对电磁辐射、传输速率的要求。后续将在医院进行试搭建并进一步优化，同时为其它应用场景提出具体的解决方案。

News

看Qorvo如何应对下一代物联网产品的发展

5月10日，Wi-Fi之父、Qorvo低功耗无线事业部总经理Cees Links以“Internet of Things——The Next Wave of Connectivity”为主题，与媒体分析了下一代物联网的发展趋势，并就Qorvo如何向物联网领域进军做了详细介绍。

从早期的开关控制灯、遥控器控制电视，到利用温控器控制空调、空调接到温控器的信号后自动调整温度，并将调整的结果反馈给温控器，物联网正从以往的“单向反馈”一步步走向“双向反馈”。这个由控制器、执行器、传感器、外部数据库等组成的全套管理控制系统，构成了真正的物联网。Cees Links认为，物联网并非简单的将物体相连，而是一种智能化的管理系统，而智能化管家式的服务是物联网的真正定义和发展前景。有了完整的物联网管理系统，才能够实现远程控制和管理，即使人不在家里，也无须担心门没关、水管漏水等问题的发生。

在新一代的物联网管理系统中，Qorvo的物联网产品解决了数据覆盖范围及大数据、远距离传输的问题，同时提供系统化的智能管家服务，支持Wi-Fi、ZigBee&Thread、Bluetooth、NB-IoT等通用型开放式的行业标准，在保证产品性能的前提下，通过减小器件尺寸、将产品做到“小而美”，进而解决物物互连时可能需要用到繁琐和庞大的器件带来的麻烦与不便。

在本次沟通会上，Cees Links分享了Qorvo物联网产品的成功案例，包括在美国与 COMCAST的遥控器、机顶盒以及Wi-Fi产品，在欧洲与博世合作各种各样的传感器产品，以及在中国与ZTE、TCL推出关于老人看护和智能家居的解决方案等。对于智能家居的愿景，他认为智能家居将把所有终端连接到网络中，并为消费者提供管家式的服务。

最后，Cees Links表示，经济的增长和物联网的增长密切相关，物联网可以帮助我们实现更多更大的价值，起到越来越多的作用。虽然，目前物联网还处于概念阶段，但我们相信，物联网将带来下一波浪潮，在我们的家庭、生活、工作当中起到至关重要的作用。

（漆惠)

Discussion and application of IoT in visible light communication

ZHANG Qi , FEI Guang-rong, ZHU Wen-zhen
(Hu'nan Zhong Yi Communication Technology Engineering Co., Ltd., Changsha 410003, China)

Based on analysis on visible light communication system, the internet of things and the application of VLC in IoT, this treatise proposes a solution method of digital hospital transmission based on MIMO VLC system. This well designed scheme achieves high-speed, non-electromagnetic interference and reliable transmission in the digital hospital via visible light transmission.

VLC; IoT; digital hospital; MIMO

TP393

A

1008-5599（2017）06-0081-05

2017-02-14