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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

【摘要】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9.6Kibit/s的传输速率及3m

范围内无差错传输的性能,适用于船舱低速率信息的传输.

【期刊名称】《中国航海》

【年(卷),期】2014(037)004

【总页数】5页(P1-5)

【关键词】船舶工程;可见光通信;船舱通信;白光LED;脉冲位置调制

【作者】王旭东;吴楠;旷亚和;卢圣睿

【作者单位】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;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;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;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

【正文语种】中文

【中图分类】U675.79

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。

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。

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

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；Ψ为接收器的c视

角。光集中器的集光能力g(Ψ)可