基于ISIM仿真器的无线管理型VLC导览系统设计

于正永 董进 祖楚 周佳伟

摘要：提出一种基于ISIM仿真器的无线管理型可见光通信（VLC）导览系统模拟仿真及分析方法。首先分析了无线管理型VLC导览系统所采用的关键技术，其次运用ISIM仿真环境模拟仿真了该系统下行链路导览功能和上行链路无线管理的动态修改过程，正确实现了无线导览功能和验证了该系统具有可见光识别（VLID）重置、设备亮度调节、信号强度控制、系统复位无线管理功能，最后与现有无线导览系统进行了对比分析。

关键词：ISIM； 无线管理型； VLC； 导览系统； 设计

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）07-0244-05

目前，无线导览系统主要采用全球定位系统（GPS）、射频识别技术（RFID）、无线局域网技术、蓝牙技术或者红外技术等，由于这些系统在一定程度上存在设备复杂度较高、电磁辐射和干扰、定位精度受限、交互模式较为单一、局域性应用受限等方面不足。本文针对上述不足，设计仿真一种具有无线管理功能的VLC导览系统，其具有系统布放方便、复杂度低、成本低、精确度高；不存在额外的电磁辐射，安全性高，绿色环保；无电磁干扰，使得白光发光二极管（LED）可见光通信系统尤其适用于医院、飞机和空间站等对电磁干扰有严格限制的场合；LED信号光源发射功率高，光源发射的是与自然光完全相似的非相干可见光，作为无害的绿色光源，一般无需限制其发射功率；可见光频段不存在其他无线通信技术中必须面对的频率资源有限和分配问题，是未来室内无线导览领域产品的发展方向，科技、经济、社会、生态效益较为明显。

1系统关键技术分析

VLC技术将识别码序列和照明控制技术结合起来，对LED光源进行调制，使LED发射出带调制信号的可见光，带有光电二极管（PD）的终端接收光信号之后进行跨阻放大器（TIA）放大、滤波、解调等处理，最终生成驱动FPGA的数字信号，主要采用以下三个关键技术：

1.1 VLID编码技术

光通信系统中常常使用非归零（NRZ）、曼彻斯特（Manchester）等编解码方式，VLID编码方式简单有效，可充分满足本文系统的通信需求。本设计中的LED首先要具有照明功能，要保证照明稳定。同时LED还要作为VLC信号发送器件，这就需要使用合理的編解码技术，产生连续的、稳定的和0、1比例恒定的编码序列，使其不会出现明显的闪烁。其次合理的冗余码和校验码可以保证系统具有错误检查能力，可有效避免误码情况，提高通信的稳定性和可靠性。此外，所有接收到的数据帧必须通过校验位的校验，否则当做错包进行丢弃。

1.2抗干扰技术

室内的自由空间中会同时存在多个光源，信号传输时会引入很多干扰信号。具体包括：

一是由于室内LED单元灯作为照明光源分布在不同空间位置，导致了不同的传输延迟，从而不可避免地产生码间干扰（ISI），但由于室内光源一般有效照射范围不大，且可通过LED的合理布局减小光程差的影响。

二是漫反射光引入的码间干扰，由于漫反射引入的光功率很小，只有在高通信速率时ISI才会对系统造成严重影响，对于10Mbits/s以下的OOK系统影响不大。

三是相邻的采用不同识别码的LED阵列在光照交叉区域不可避免地产生的干扰。在室内空间中，如果用于导览的照明设备比较密集，可能会出现VLC有效传输范围重合的问题，如图1所示。

有以下四种方法可以解决上述问题：

1）合理布局室内VLID广播设备，在保证照明的同时尽量避免相互之间出现信号交叉。

2）合理的设置管理员设备上的光接收机上的有效阈值。过小的阈值会增加自由空间中背景噪声对光接收采集VLC信号的干扰，过大的阈值会减小整个系统中的所有设备VLC有效传输距离。

3）可以利用VLC信号强度管理机制，对各个设备的VLC信号强度进行合理配置，具体来说，FPGA设备根据内设的VLC信号强度大小，改变LED的调制深度，从而灵活的改变VLID广播设备的有效传输范围，解决不同识别码信号交叉的问题。

4）在管理员设备解析VLID时引入信息保护机制，在一定的时间窗口内必须接收到同一个VLID，否则不触发PAD进行导览动作，同时产生信息通知管理员发生了数据交叉情况。

1.3 亮度调控技术

在VLC系统中，亮度调控有调制深度和脉宽调制两种方式。LED的调制深度关系到VLC信号强度以及LED的光谱偏移特性；脉冲宽度调制（PWM）技术则不会有上述限制从而广泛地应用在现有的照明设备调节方法中。虽然在VLC中，PWM会较大幅度降低通信的传输速率，但在无线导览这个特定应用环境下，VLID广播速率并不是主要的考虑因素，因而采用PWM作为导览系统亮度控制是一种可行的方法。

调制信号的脉冲宽度周期决定了VLID广播帧发送间隔和LED闪烁频率。周期越长意味着单位时间内发送的VLID广播帧的个数越少；但这个周期时间是有限制的，它必须保证有足够长的时间发送识别码序列，同时应控制LED的闪烁频率在人眼接受范围内。

2 系统仿真与分析

2.1 下行链路导览功能的模拟仿真

在本系统的下行链路中，VLID广播设备通过光发射机周期性的向自由空间广播VLID，当导览设备进入有效照射范围之后将自动检测调制信号并根据指令集解析得到相应的ID，再通过串口通信向多媒体设备发送操作请求，从而实现无线导览的功能，其运行过程框图如图2所示。

使用ISE的ISIM仿真环境模拟下行链路运行的过程，验证系统自动导览功能的可行性。在仿真环境中，将VLID广播设备TX同终端设备的RX直接互连，从而绕过下行链路中的自由空间以及光电转换电路等，其运行过程框图如图3所示。

使用Xilinx ISE12.3编译环境下，设置如表1所示的仿真条件。

VLID广播设备周期性的发送VLID广播帧（即pinDataInPut出现“毛刺”的时刻），广播周期约为10ms，其周期性广播波形图如图4所示。

终端设备在接收到VLID广播帧后经过时钟同步、采样、解码、校验后根据指令集解析得到相应的ID（0x01），再通过串口通信向多媒体设备发送操作请求（0x000001），符合设计期望，如图5所示。同样，经验证发现pinDataOutPut输出0/1占空比为50%，正常的VLID广播功能不受任何影响，VLID广播帧耦合PWM亮度调制完全符合设计期望。

2.2 上行链路无线管理功能的模拟仿真

无线管理型VLC导览系统要求VLID广播设备能够接收并响应上行链路的数据请求，根据指令集动态修改VLID广播设备的相关系统配置，从而达到预设的无线管理功能，其运行过程如图6所示，即终端设备中的APP通过UART发送串口指令给FPGA，FPGA在正确收到指令后根据串口指令集解析出操作类型和操作数据，进而产生数据帧封装请求给VLC发送模块。VLC发送模块根据操作类型和系统指令集进行封装、编码等操作，将无线管理类型数据帧发送给LED驱动模块并发送到自由空间中；在VLID广播设备中，光接收机解调、TIA放大之后产生数字信号给FPGA进一步的解码、校验，VLC帧处理模块将根据系统指令集解析得到进一步的操作指令，响应并修改VLID广播设备的相关配置信息。

本文使用ISE的ISIM仿真环境模拟系统无线管理动态修改过程，验证VLC导览系统无线管理功能的可行性。在仿真环境中，将具有管理员权限的无线管理设备TX同VLID广播设备的RX直接互连，从而绕过上行链路中的自由空间以及光电转换电路等。同时简化终端设备产生数据帧的过程（UART速率较慢），直接通过驱动程序产生发送数据帧的操作请求，其运行过程如图7所示。

2.2.1 VLID管理类型帧测试

当指令集中类型位等于2时，该帧表示为VLID管理类型，用于重置VLID发送设备的ID，提升网络设备的可维护性。该类型帧的指令位由密钥位、新VLID长度位、新VLID数据位组成。指令位的前16比特为密钥位。VLID管理帧所携带的密钥将与VLID发送设备上内置的密钥进行检验，以提高网络的安全性。新VLID长度位表示新VLID的有效长度，该数据位长度为4比特。新VLID位的值为重置设备的新ID，其长度由新VLID长度位的值决定。具体仿真条件如表2所示。

在仿真中分别激励产生VLID管理类型帧和复位类型帧的请求，期望将VLID广播设备的VLID由默认值0x01替换为0x07，再将VLID复位为默认参数。无线管理类型帧的仿真结果如图8所示。

从图8中可以看出，在TX端的clockCore时钟域里产生一次类型（adminTxType）等于2，数据位（adminTxData）等于7的请求后，在RX端收到经曼彻斯特编码后的串行数据（pinDataInput），RX端采样时钟频率为串行数据的8倍，经采样、解码后的得到帧数据（dataIn）为0x2FFFF107B0，在完整的接受数据后通过CRC校验，最终根据系统指令集产生对VLID配置的写操作（vlidWrEn）并将VLID修改为0x07。

2.2.2 亮度管理类型帧测试

当指令集中类型位等于4时，该帧表示为亮度管理类型，用于远程修改广播设备的照明亮度。亮度数据位长度为4比特，有效值为0～10，分别表示0%～100%照明亮度。广播设备接收到该类型帧时，将重置内设的PWN参数，进而调节PWN占空比，从而实现远程控制LED照明亮度的功能。具体仿真条件如表3所示，亮度管理类型帧的仿真结果如图9所示。

从图9中可以看出，在TX端的clockCore时钟域里产生一次类型（adminTxType）等于4，数据位（adminTxData）等于2的请求后，在RX端收到经曼彻斯特编码后的串行数据（pinDataInput），RX端采样时钟频率为串行数据的8倍，经采样、解码后的得到帧数据（dataIn）为0x4FFFF2BB，在完整的接受数据后通过CRC校验，最终根据系统指令集产生类型（checkerToRamType）为4、操作数据（checkerToRamId）为0x2的操作请求（checkerToRamIdValid），并将PWM由0xa修改为0x2。

2.2.3信号强度管理类型帧测试

当指令集中类型位等于5时，该帧表示为VLC信号强度管理类型，用于调整VLC信号强度。信号数据位长度为4比特，有效值為0～15，分别表示0%～100%的VLID信号强度。广播设备接收到该类型帧时，将重置内设的VLC信号强度参数，进而改变8比特输出信号值，经DA转换后达到调节LED调制深度的功能。通过该数据帧，可以灵活的配置不同设备VLC信号强度，有效解决光源密集的室内空间中出现VLC交叉干扰的难题。具体仿真条件如表4所示，信号强度管理类型帧的仿真结果如图10所示。

从图10中可以看出，在TX端的clockCore时钟域里产生一次类型（adminTxType）等于5，数据位（adminTxData）等于5的请求后，在RX端收到经曼彻斯特编码后的串行数据（pinDataInput），RX端采样时钟频率为串行数据的8倍，经采样、解码后的得到帧数据（dataIn）为0x5FFFF573，在完整的接受数据后通过CRC校验，最终根据系统指令集产生类型（checkerToRamType）为5、操作数据（checkerToRamId）为0x5的操作请求（checkerToRamIdValid），并将signalPower由0xa修改为0x5。

2.2.4 复位管理类型帧测试

当指令集中类型位等于6时，该帧表示为复位类型，用于对VLID广播设备进行无线远程复位操作。VLID广播设备一旦接收到该类型帧，FPGA内部将产生一个约10ms的软复位操作，使得内置的VLID、VLC强度、PWM参数以及密钥等配置信息恢复为出厂状态。具体仿真条件如表5所示，复位管理类型帧的仿真结果如图11所示。

从图11中可以看出，在TX端的clockCore时钟域里产生一次类型（adminTxType）等于6的请求后，在RX端收到经曼彻斯特编码后的串行数据（pinDataInput），RX端采样时钟频率为串行数据的8倍，经采样、解码后的得到帧数据（dataIn）为0x6FFFF1A8（由于该帧为复位类型的，CRC校验通过后立刻被复位为初始值，图11中0xA8值持续非常短的时间），在完整的接受数据后通过CRC校验，在RX内部softReset和resetCore信号拉高，VLID复位为初始值。

3与现有无线导览系统的对比

相比于现有的采用GPS、RFID、WLAN、蓝牙以及红外等传输方式的无线导览系统来说，无线管理型VLC导览系统具有以下三个方面的优势：

第一、绿色环保。VLC的发光频段主要分布于红外线和可见光频段，这部分频段对人体的健康影响非常小，是安全环保的绿色发光频段。

第二、节能环保。VLC只需要对现有的照明设备进行改造，可以安装在任何需要照明的地点，而且VLC耗费的能量主要是用于照明的，可以说VLC基本不需要额外消耗能量，所以说它非常节能。而且VLC可以使用原有照明供电线路，不需额外架设线路。所以说VLC是一种节能环保的技术。

第三、高功率。由于VLC发出的信号光波可以同时具有照明功能，所以通常不会限制VLC的发射功率，只要不影响照明环境，VLC可以采用高功率发射信号。

从性能指标来说，主要区别在以下几个方面：

首先，一般来说采用大功率LED的可见光通信系统未使用光学天线情况，传输距离不到1.5m；本系统在使用50mm光学天线的情况下，最大有效传输距离可以达到3.5m；若采用小功率LED，由于其出射角度小，传输距离要更长些。

其次，多数可见光通信系统为单向传输，VLID广播设备和导览设备均仅具有下行链接功能，而本文系统中VLID广播设备、导览设备以及无线管理设备均具有全双工功能。

此外，现有的可见光通信系统仅具有VLID广播设备到导览设备单一的下行链路，当需要添加、移除、修改广播设备时，只能通过硬件开关或者串口通信对其进行修改，由于照明设备通常固定在天花板或者墙壁等位置，将给系统的维护带来很大的不便，本文创建VLC上行链路，实现全双工通信，通过定义系统通信指令集，实现点对点远程管理VLID广播设备，使系统具有VLID重置、照明设备亮度调节、信号强度控制、系统复位等无线管理能力，极大地提高了无线导览系统的可维护性和可扩展性。

4 结束语

本文基于ISIM仿真器设计仿真了一种具有无线管理功能的VLC导览系统，通过模拟仿真验证了该系统的下行链路导览功能，并模拟仿真上行链路无線管理的动态修改过程，验证了该系统具有VLID重置、设备亮度调节、信号强度控制、系统复位四个方面的无线管理功能，最后与现在的导览系统进行了对比说明。

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