一种可见光定位辅助的多用户光通信系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种可见光定位辅助的多用户光通信系统及方法，所述通信系统包括微基站和用户接收机；所述微基站包括安装板，所述安装板的底面中部设有可见光定位器，所述安装板的底面围绕可见光定位器设有若干个自动跟踪光通信装置；所述可见光定位器通过串行总线与多个自动跟踪光通信装置连接；所述可见光定位器向覆盖区域循环广播微基站ID和自动跟踪光通信装置的当前工作状态数据；用户接收机向可见光定位器发送自身3D位置坐标和用户身份标识；所述可见光定位器指定离用户最近且空闲的自动跟踪光通信装置与用户接收机建立通信链路。本发明专利技术可有效解决光通信的点到面或立体空间的辐射通信质量差、误码率高的瓶颈问题。误码率高的瓶颈问题。误码率高的瓶颈问题。

【技术实现步骤摘要】
一种可见光定位辅助的多用户光通信系统及方法


[0001]本专利技术属于可见光通信
，具体涉及一种可见光定位辅助的多用户光通信系统及方法。

技术介绍

[0002]可见光通信(Visible Light Communication，VLC)由于具有频谱无须授权、高安全保密性、400～800THz的超宽频谱和无电磁辐射等优点，被业界认为是无线个人局域网(Wireless Personal AreaNetwork,WPAN)通讯技术的一个替代技术，有望在下一代6G、7G甚至8G通信场景中得到广泛的应用。目前，VLC的发射器件主要采用发光二极管(Light EmittedDiode，LED)、激光二极管(LaserDiode，LD)和最新研发的超辐射二极管(SLD)，接收器件通常采用光电二极管(PIN)、雪崩二极管(APD)和图像传感器等。
[0003]通常，LED采用自发辐射模式，发出的光为非相干光，光谱宽，发射方向为全向发射，总输出功率可以较高，然而由于发射角度大，因此光功率密度低。LD采用放大受激辐射模式，发出的光为相干光，光谱窄，发射方向指向性强，输出功率可以较高，光功率密度高。目前，实验验证的VLC系统的主要结构仍然为点对点通信，如果采用LED，则需要在LED前端加装一个聚光透镜，用来形成平行光束，同时在接收端加装一个凸透镜，使光汇聚在光电检测器(Photo Detector，PD)的表面上。这样做的好处是有效提高了LED的光功率密度，使得接收机的信噪比大大提升，从而大大降低通信的误码率，进而提高通信质量。
[0004]然而，这种点对点VLC系统如果应用在实际的WPAN场景中会面临一些瓶颈性问题。通常，在WPAN场景中，一个微基站会同时为多个用户服务，因此要求如同WiFi一样，能够实现一个点到面、甚至点到立体空间的全向辐射通信，而VLC微基站如果采用LED，虽然也能够实现点对面的覆盖，但是LED辐射功率密度低，导致PD接收到的信号微弱，信噪比低，影响通信质量。此时为了提高通信质量，我们只能增加LED的辐射光功率，但是这会直接导致基站的耗能过大，同时照明过亮，用户体验差。如果VLC微基站采用LD，由于其方向性强，我们可以采用毫瓦级的LD实施点对点通信，可有效节省能耗。但是问题在于，如何与地面上的随机位置用户建立实时的点对点通信链路是一瓶颈问题。
[0005]如公开号为CN113162688A的中国专利公开了一种可见光双向通信与定位系统，包括第一通信节点和第二通信节点，第一通信节点包括定位光源、第一通信光源、PIN/APD探测器模组以及驱动第一通信光源和PIN/APD探测器模组转动的第一驱动装置组件；第二通信节点包括复合接收机、第二通信光源和驱动第二通信光源转动的第二驱动装置；复合接收机用于接收定位光源和第一通信光源的信号，复合接收机包括多个探测器；PIN/APD探测器模组用于接收第二通信光源的信号。系统通过两个通信节点能够实现可见光波段内两个通信节点同时上传和下载数据，并能够实现定位跟踪功能，以实现两个通信节点即使发生相对运动也能保持第一通信光源与复合接收机以及第二通信光源与PIN/APD探测器模组的对准，保证通信质量。该专利能够实时定位跟踪节点的位置信息，实现两个通信节点的实时对准，保证了可见光通信的可靠性和稳定性。
[0006]然而，该专利虽然能够实现点对点的通信，且能够实现定位跟踪功能，但其实现定位的原理与本申请存在较大差别。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是针对现有技术存在的VLC微基站与随机位置上的多个用户的点对点通信链路连接问题，提供一种可见光定位辅助的多用户光通信系统及方法，该系统能够同时为多个用户提供宽带传输服务，相互干扰小，具有较好的应用价值。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0009]一种可见光定位辅助的多用户光通信系统，包括VLC微基站和用户接收机；所述VLC微基站包括安装板，所述安装板的底面中部设有可见光定位器，所述安装板的底面围绕可见光定位器设有若干个自动跟踪光通信装置；所述可见光定位器通过串行总线与多个自动跟踪光通信装置连接，从而实现主从设备的双向通信，其中可见光定位器为主设备，自动跟踪光通信装置为从设备；所述可见光定位器向覆盖区域循环广播VLC微基站ID和自动跟踪光通信装置的当前工作状态数据；所述用户接收机向可见光定位器发送自身3D位置坐标和用户身份标识；所述可见光定位器根据用户的3D位置坐标和身份标识，指定离用户最近且空闲的自动跟踪光通信装置与用户接收机建立通信链路。
[0010]具体地，所述可见光定位器包括安装座、散热器和正N棱台，N≥3，且N∈Z
+
；所述正N棱台通过散热器安装在安装座上，所述安装座安装在安装板的底面中部；所述安装座内设有控制模块、LED驱动调制模块和红外接收模块，所述LED驱动调制模块、红外接收模块分别与控制模块连接；所述散热器的周围设有若干个第一红外接收管，所述第一红外接收管与红外接收模块连接；所述正N棱台的N+1个面上均设有线路基板，每个所述线路基板上均设有一个LED灯，所述LED灯通过线路基板与LED驱动调制模块连接；所述第一红外接收管用于接收用户发送的3D位置坐标信息；所述LED驱动调制模块用于驱动不同朝向的LED灯发出不同频率的频移键控开关信号；所述控制模块用于处理接收到的红外信号以及生成LED驱动信号。
[0011]具体地，所述自动跟踪光通信装置包括底座，所述底座上安装有依次连接的水平旋转伺服机构、俯仰旋转伺服机构和光束投射器；所述底座内设有数据处理单元、驱动单元和通信信号处理单元，所述驱动单元、通信信号处理单元分别与数据处理单元连接；所述通信信号处理单元引出有以太网端口和光纤端口；所述以太网端口连接到室内的光纤猫上，或者光纤端口连接室内光纤；这两个网络端口连接公网或移动通信网。所述光束投射器的输出端设有光发射器件和第二红外接收管，所述光发射器件、第二红外接收管分别与数据处理单元连接；所述光发射器件用于下行链路宽带数据的发送，所述第二红外接收管用于上行链路宽带数据的接收；所述驱动单元用于驱动水平旋转伺服机构和俯仰旋转伺服机构调整光束投射器的水平方向和俯仰角度；所述数据处理单元用于处理可见光定位器发送的数据，并生成目标追踪信号给驱动单元。
[0012]具体地，所述用户接收机包括信号处理模块、与所述信号处理模块连接的光电二极管、红外发射管和测距探头；所述光电二极管用于接收可见光定位器和自动跟踪光通信装置发射的光信号；所述红外发射管用于向可见光定位器和自动跟踪光通信装置发送红外信号；所述测距探头用于测量自身的高度数据；所述信号处理模块用于处理、接收信号，并
产生调制信号。
[0013]与上述光通信系统对应的，本专利技术还提出了一种可见光定位辅助的多用户光通信方法，包括以下步骤：
[0014]S1，可见光定位器朝其覆盖区域循环广播VLC微基站ID和自动跟踪光通信装置的当前工作状态标识数据；
[0015]S2，用户接收机接收到VL本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可见光定位辅助的多用户光通信系统，其特征在于，包括微基站和用户接收机；所述微基站包括安装板，所述安装板的底面中部设有可见光定位器，所述安装板的底面围绕可见光定位器设有若干个自动跟踪光通信装置；所述可见光定位器通过串行总线与多个自动跟踪光通信装置连接；所述可见光定位器向覆盖区域循环广播微基站ID和自动跟踪光通信装置的当前工作状态数据；所述用户接收机向可见光定位器发送自身3D位置坐标和用户身份标识；所述可见光定位器根据用户的3D位置坐标和身份标识，指定离用户最近且空闲的自动跟踪光通信装置与用户接收机建立通信链路。2.根据权利要求1所述的一种可见光定位辅助的多用户光通信系统，其特征在于，所述可见光定位器包括安装座、散热器和正N棱台，N≥3，且N∈Z
+
；所述正N棱台通过散热器安装在安装座上，所述安装座安装在安装板的底面中部；所述安装座内设有控制模块、LED驱动调制模块和红外接收模块，所述LED驱动调制模块、红外接收模块分别与控制模块连接；所述散热器的周围设有若干个第一红外接收管，所述第一红外接收管与红外接收模块连接；所述正N棱台的N+1个面上均设有线路基板，每个所述线路基板上均设有一个LED灯，所述LED灯通过线路基板与LED驱动调制模块连接；所述第一红外接收管用于接收用户发送的3D位置坐标信息；所述LED驱动调制模块用于驱动LED灯发出不同频率的频移键控开关信号；所述控制模块用于处理接收到的红外信号以及生成LED驱动信号。3.根据权利要求1所述的一种可见光定位辅助的多用户光通信系统，其特征在于，所述自动跟踪光通信装置包括底座，所述底座上安装有依次连接的水平旋转伺服机构、俯仰旋转伺服机构和光束投射器；所述底座内设有数据处理单元、驱动单元和通信信号处理单元，所述驱动单元、通信信号处理单元分别与数据处理单元连接；所述光束投射器的输出端设有光发射器件和第二红外接收管，所述光发射器件、第二红外接收管分别与数据处理单元连接；所述光发射器件用于下行链路宽带数据的发送，所述第二红外接收管用于上行链路宽带数据的接收；所述驱动单元用于驱动水平旋转伺服机构和俯仰旋转伺服机构调整光束投射器的水平方向和俯仰角度；所述数据处理单元用于处理可见光定位器发送的数据，并生成目标追踪信号给驱动单元。4.根据权利要求1所述的一种可见光定位辅助的多用户光通信系统，其特征在于，所述用户接收机包括信号处理模块、与所述信号处理模块连接的光电二极管、红外发射管和测距探头；所述光电二极管用于接收可见光定位器和自动跟踪光通信装置发射的光信号；所述红外发射管用于向可见光定位器和自动跟踪光通信装置发送红外信号；所述测距探头用于测量自身的高度数据；所述信号处理模块用于处理、接收信号，并产生调制信号。5.一种快速估算用户接收机3D位置坐标的方法，基于权利要求2所述的一种可见光定位辅助的多用户光通信系统，其特征在于，包括以下步骤：第一步，计算出正交矩阵B＝A
T
A；其中：
α
i,j
表示来自第i颗LED与第j颗LED灯的光强比例值，即其中I
i
和I<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李正鹏，罗倩倩，李智，
申请(专利权)人：湖北文理学院，
类型：发明
国别省市：