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基于Li―Fi面对面快传应用与研究

基于Li―Fi面对面快传应用与研究   [摘 要]相比无线Wi-Fi接入技术的,灯光作为一种无处不在的无线通信媒介,在数据获取的便捷性、传输安全性、以及传输速度上有其独特之处,是提升工作效率的一种有效、低廉的上网方式。本文基于灯光上网Li-Fi的基本原理和现有技术,提出了一种实现数据面对面快传的可变长传输编码方法,设计了一个可抗杂光干扰的软硬件相结合的应用,不仅验证了编码方案的可行性,而且解决了杂光干扰对信息传输准确度的影响,并在进一步分析实验数据的基础上,提出了下一步的改进思路和方向。   [关键词]移动办公;灯光上网;无线通信;Li-Fi;   中图分类号:TP311 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2018)10-0235-02   1 引言   随着3G/4G移动通信技术的快速发展,移动互联网的无线接入变得越来越重要。现实生活中的灯光,作为一种无处不在的无线通信媒介,相比无线Wi-Fi技术,在数据获取的便捷性、传输安全性、以及传输速度上有其独特之处,是提升工作效率的一种有效、低廉的上网方式。“灯光上网”利用闪烁的灯光来传输数字信息,这个过程被称为可见光通信,又称为Li-Fi,以示区别目前Wi-Fi为代表的无线网络传输技术。   国际上,日本最早开始Li-Fi技术的研究,而在这个领域做得比较前沿的,则属德国物理学家哈拉尔德?哈斯。国内自2008年,开始研究室内红外通信及干扰、室外可见光短距离传输[1][2]。复旦大学计算机科学技术学院最早开始研究“灯光上网”通讯技术[3][4]。   2010年,任凤娟等比较了室内红外光LED和白光LED所受阴影效应的干扰。2011年,洛宏图等考虑到室内空间分布的复杂性和阴影效应的干扰。2013年,刘建余等对可见光数字短距离传输在室外的影响因素进行了研究。2014年,俞洋设计的可见光通信装置可在5m高度范围内进行准确有效的位置信息传输。2015年刘冰等设计了LED可见光的通讯系统,用函数信号发射器发射信号[5]。2016年,毛海涛等建立MIMO系统进行可见光传输实验时大大加强了系统的抗干扰能力。而陈晨在基于STM32的系统中对于0.5m以内可见光传输的误码率的变化进行实验[4]。2017年,赵苏晓和王辉对于室内非定向的可见光通信进行优化,考虑到了光的多径时散,更贴近现实的复杂情况。   基于灯光上网Li-Fi的基本原理和现有的研究技术,本文提出了一种实现数据面对面高速快传的编码方法和LED灯光实验方案,验证了所提出的数据面对面高速传输方法的可行性,并在分析实验数据的基础上,总结了下一步继续改进思路和研究方向。   2 LED灯光通信编码方式   现有的光通信技术采用八位二进制的编码传输原理,且为避免外界光线干扰,利用光纤作为光传导的介质。发射端编码1为亮,编码0为灭,接收端通过识别光脉冲产生的高低电平进行解码。这样的传输方式的不足:   1)误码率高:连续输出多个二进制数为1或0时,会造成发射端的持续发光或不发光,为解决误码率问题,不仅对时间同步要求极高,而且需要信息回传校验、重传机制来降低误码率,这个过程占用了大量的传输时间并降低传输速率。   2)便捷性差:光纤连接的通信,影响了面对面传输的效率,降低了移动办公的便捷性。   针对上述两个问题,提出了无线Li-Fi编码传输机制的改进方案,如图1。对于接收端误判问题,把原本的亮和灭,分别表示二进制1和0,变为单位时间内发射端闪烁次数的检测。如图1中,单位时间Δt内,闪烁9次,则接收端为9;闪烁3次,则接收端为3,这样一次可以传输8位二进制数0~255的数值。   3 LED灯光通信实验设计   3.1 实验装置   图2是利用Li-Fi面对面快传的实验装置,由一个发射端和一个接收端组成,其终端设备均为计算机。发射端和接收端的计算机上分别连接一个Arduino控制板,发射端控制板上接入一个三原色LED小灯,其发射频率由发射终端控制。接收端控制板上接入一个光电二极管,将生成的电脉冲输入接收终端计算机,计算机处理接收数据并显示结果。蓝色色光滤光片用于降低杂光干扰。   3.2 实验数据分析   实验测试了多次连续闪烁的接收情况,测试数据见表1。主要包含无杂光干扰、有杂光干扰、加滤光片的杂光干扰三种情况下的实验数据。   1)无杂光干扰:无外界杂光干扰的情况下,接收端能正确解码到发射端输入的数字。   2)有杂光干扰:在试验过程中,将系统置于相同位置,保持温度、气压、磁场、电场等因素基本不变,加入干扰光源,接收端的接收出现了对于发射端光信号无法分辨或分辨率低等问题。   3)加滤光片:上述杂光干扰问题,可通过在接收端使用滤光片的改进方案来改善。   3.3 问题和进一步改进方案   

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