于正永 董進(jìn) 祖楚 周佳偉

摘要：提出一種基于ISIM仿真器的無線管理型可見光通信（VLC）導(dǎo)覽系統(tǒng)模擬仿真及分析方法。首先分析了無線管理型VLC導(dǎo)覽系統(tǒng)所采用的關(guān)鍵技術(shù)，其次運用ISIM仿真環(huán)境模擬仿真了該系統(tǒng)下行鏈路導(dǎo)覽功能和上行鏈路無線管理的動態(tài)修改過程，正確實現(xiàn)了無線導(dǎo)覽功能和驗證了該系統(tǒng)具有可見光識別（VLID）重置、設(shè)備亮度調(diào)節(jié)、信號強(qiáng)度控制、系統(tǒng)復(fù)位無線管理功能，最后與現(xiàn)有無線導(dǎo)覽系統(tǒng)進(jìn)行了對比分析。

關(guān)鍵詞：ISIM； 無線管理型； VLC； 導(dǎo)覽系統(tǒng)； 設(shè)計

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）07-0244-05

目前，無線導(dǎo)覽系統(tǒng)主要采用全球定位系統(tǒng)（GPS）、射頻識別技術(shù)（RFID）、無線局域網(wǎng)技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)或者紅外技術(shù)等，由于這些系統(tǒng)在一定程度上存在設(shè)備復(fù)雜度較高、電磁輻射和干擾、定位精度受限、交互模式較為單一、局域性應(yīng)用受限等方面不足。本文針對上述不足，設(shè)計仿真一種具有無線管理功能的VLC導(dǎo)覽系統(tǒng)，其具有系統(tǒng)布放方便、復(fù)雜度低、成本低、精確度高；不存在額外的電磁輻射，安全性高，綠色環(huán)保；無電磁干擾，使得白光發(fā)光二極管（LED）可見光通信系統(tǒng)尤其適用于醫(yī)院、飛機(jī)和空間站等對電磁干擾有嚴(yán)格限制的場合；LED信號光源發(fā)射功率高，光源發(fā)射的是與自然光完全相似的非相干可見光，作為無害的綠色光源，一般無需限制其發(fā)射功率；可見光頻段不存在其他無線通信技術(shù)中必須面對的頻率資源有限和分配問題，是未來室內(nèi)無線導(dǎo)覽領(lǐng)域產(chǎn)品的發(fā)展方向，科技、經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)效益較為明顯。

1系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

VLC技術(shù)將識別碼序列和照明控制技術(shù)結(jié)合起來，對LED光源進(jìn)行調(diào)制，使LED發(fā)射出帶調(diào)制信號的可見光，帶有光電二極管（PD）的終端接收光信號之后進(jìn)行跨阻放大器（TIA）放大、濾波、解調(diào)等處理，最終生成驅(qū)動FPGA的數(shù)字信號，主要采用以下三個關(guān)鍵技術(shù)：

1.1 VLID編碼技術(shù)

光通信系統(tǒng)中常常使用非歸零（NRZ）、曼徹斯特（Manchester）等編解碼方式，VLID編碼方式簡單有效，可充分滿足本文系統(tǒng)的通信需求。本設(shè)計中的LED首先要具有照明功能，要保證照明穩(wěn)定。同時LED還要作為VLC信號發(fā)送器件，這就需要使用合理的編解碼技術(shù)，產(chǎn)生連續(xù)的、穩(wěn)定的和0、1比例恒定的編碼序列，使其不會出現(xiàn)明顯的閃爍。其次合理的冗余碼和校驗碼可以保證系統(tǒng)具有錯誤檢查能力，可有效避免誤碼情況，提高通信的穩(wěn)定性和可靠性。此外，所有接收到的數(shù)據(jù)幀必須通過校驗位的校驗，否則當(dāng)做錯包進(jìn)行丟棄。

1.2抗干擾技術(shù)

室內(nèi)的自由空間中會同時存在多個光源，信號傳輸時會引入很多干擾信號。具體包括：

一是由于室內(nèi)LED單元燈作為照明光源分布在不同空間位置，導(dǎo)致了不同的傳輸延遲，從而不可避免地產(chǎn)生碼間干擾（ISI），但由于室內(nèi)光源一般有效照射范圍不大，且可通過LED的合理布局減小光程差的影響。

二是漫反射光引入的碼間干擾，由于漫反射引入的光功率很小，只有在高通信速率時ISI才會對系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，對于10Mbits/s以下的OOK系統(tǒng)影響不大。

三是相鄰的采用不同識別碼的LED陣列在光照交叉區(qū)域不可避免地產(chǎn)生的干擾。在室內(nèi)空間中，如果用于導(dǎo)覽的照明設(shè)備比較密集，可能會出現(xiàn)VLC有效傳輸范圍重合的問題，如圖1所示。

有以下四種方法可以解決上述問題：

1）合理布局室內(nèi)VLID廣播設(shè)備，在保證照明的同時盡量避免相互之間出現(xiàn)信號交叉。

2）合理的設(shè)置管理員設(shè)備上的光接收機(jī)上的有效閾值。過小的閾值會增加自由空間中背景噪聲對光接收采集VLC信號的干擾，過大的閾值會減小整個系統(tǒng)中的所有設(shè)備VLC有效傳輸距離。

3）可以利用VLC信號強(qiáng)度管理機(jī)制，對各個設(shè)備的VLC信號強(qiáng)度進(jìn)行合理配置，具體來說，F(xiàn)PGA設(shè)備根據(jù)內(nèi)設(shè)的VLC信號強(qiáng)度大小，改變LED的調(diào)制深度，從而靈活的改變VLID廣播設(shè)備的有效傳輸范圍，解決不同識別碼信號交叉的問題。

4）在管理員設(shè)備解析VLID時引入信息保護(hù)機(jī)制，在一定的時間窗口內(nèi)必須接收到同一個VLID，否則不觸發(fā)PAD進(jìn)行導(dǎo)覽動作，同時產(chǎn)生信息通知管理員發(fā)生了數(shù)據(jù)交叉情況。

1.3 亮度調(diào)控技術(shù)

在VLC系統(tǒng)中，亮度調(diào)控有調(diào)制深度和脈寬調(diào)制兩種方式。LED的調(diào)制深度關(guān)系到VLC信號強(qiáng)度以及LED的光譜偏移特性；脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)則不會有上述限制從而廣泛地應(yīng)用在現(xiàn)有的照明設(shè)備調(diào)節(jié)方法中。雖然在VLC中，PWM會較大幅度降低通信的傳輸速率，但在無線導(dǎo)覽這個特定應(yīng)用環(huán)境下，VLID廣播速率并不是主要的考慮因素，因而采用PWM作為導(dǎo)覽系統(tǒng)亮度控制是一種可行的方法。

調(diào)制信號的脈沖寬度周期決定了VLID廣播幀發(fā)送間隔和LED閃爍頻率。周期越長意味著單位時間內(nèi)發(fā)送的VLID廣播幀的個數(shù)越少；但這個周期時間是有限制的，它必須保證有足夠長的時間發(fā)送識別碼序列，同時應(yīng)控制LED的閃爍頻率在人眼接受范圍內(nèi)。

2 系統(tǒng)仿真與分析

2.1 下行鏈路導(dǎo)覽功能的模擬仿真

在本系統(tǒng)的下行鏈路中，VLID廣播設(shè)備通過光發(fā)射機(jī)周期性的向自由空間廣播VLID，當(dāng)導(dǎo)覽設(shè)備進(jìn)入有效照射范圍之后將自動檢測調(diào)制信號并根據(jù)指令集解析得到相應(yīng)的ID，再通過串口通信向多媒體設(shè)備發(fā)送操作請求，從而實現(xiàn)無線導(dǎo)覽的功能，其運行過程框圖如圖2所示。

使用ISE的ISIM仿真環(huán)境模擬下行鏈路運行的過程，驗證系統(tǒng)自動導(dǎo)覽功能的可行性。在仿真環(huán)境中，將VLID廣播設(shè)備TX同終端設(shè)備的RX直接互連，從而繞過下行鏈路中的自由空間以及光電轉(zhuǎn)換電路等，其運行過程框圖如圖3所示。

使用Xilinx ISE12.3編譯環(huán)境下，設(shè)置如表1所示的仿真條件。

VLID廣播設(shè)備周期性的發(fā)送VLID廣播幀（即pinDataInPut出現(xiàn)“毛刺”的時刻），廣播周期約為10ms，其周期性廣播波形圖如圖4所示。

終端設(shè)備在接收到VLID廣播幀后經(jīng)過時鐘同步、采樣、解碼、校驗后根據(jù)指令集解析得到相應(yīng)的ID（0x01），再通過串口通信向多媒體設(shè)備發(fā)送操作請求（0x000001），符合設(shè)計期望，如圖5所示。同樣，經(jīng)驗證發(fā)現(xiàn)pinDataOutPut輸出0/1占空比為50%，正常的VLID廣播功能不受任何影響，VLID廣播幀耦合PWM亮度調(diào)制完全符合設(shè)計期望。

2.2 上行鏈路無線管理功能的模擬仿真

無線管理型VLC導(dǎo)覽系統(tǒng)要求VLID廣播設(shè)備能夠接收并響應(yīng)上行鏈路的數(shù)據(jù)請求，根據(jù)指令集動態(tài)修改VLID廣播設(shè)備的相關(guān)系統(tǒng)配置，從而達(dá)到預(yù)設(shè)的無線管理功能，其運行過程如圖6所示，即終端設(shè)備中的APP通過UART發(fā)送串口指令給FPGA，F(xiàn)PGA在正確收到指令后根據(jù)串口指令集解析出操作類型和操作數(shù)據(jù)，進(jìn)而產(chǎn)生數(shù)據(jù)幀封裝請求給VLC發(fā)送模塊。VLC發(fā)送模塊根據(jù)操作類型和系統(tǒng)指令集進(jìn)行封裝、編碼等操作，將無線管理類型數(shù)據(jù)幀發(fā)送給LED驅(qū)動模塊并發(fā)送到自由空間中；在VLID廣播設(shè)備中，光接收機(jī)解調(diào)、TIA放大之后產(chǎn)生數(shù)字信號給FPGA進(jìn)一步的解碼、校驗，VLC幀處理模塊將根據(jù)系統(tǒng)指令集解析得到進(jìn)一步的操作指令，響應(yīng)并修改VLID廣播設(shè)備的相關(guān)配置信息。

本文使用ISE的ISIM仿真環(huán)境模擬系統(tǒng)無線管理動態(tài)修改過程，驗證VLC導(dǎo)覽系統(tǒng)無線管理功能的可行性。在仿真環(huán)境中，將具有管理員權(quán)限的無線管理設(shè)備TX同VLID廣播設(shè)備的RX直接互連，從而繞過上行鏈路中的自由空間以及光電轉(zhuǎn)換電路等。同時簡化終端設(shè)備產(chǎn)生數(shù)據(jù)幀的過程（UART速率較慢），直接通過驅(qū)動程序產(chǎn)生發(fā)送數(shù)據(jù)幀的操作請求，其運行過程如圖7所示。

2.2.1 VLID管理類型幀測試

當(dāng)指令集中類型位等于2時，該幀表示為VLID管理類型，用于重置VLID發(fā)送設(shè)備的ID，提升網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可維護(hù)性。該類型幀的指令位由密鑰位、新VLID長度位、新VLID數(shù)據(jù)位組成。指令位的前16比特為密鑰位。VLID管理幀所攜帶的密鑰將與VLID發(fā)送設(shè)備上內(nèi)置的密鑰進(jìn)行檢驗，以提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。新VLID長度位表示新VLID的有效長度，該數(shù)據(jù)位長度為4比特。新VLID位的值為重置設(shè)備的新ID，其長度由新VLID長度位的值決定。具體仿真條件如表2所示。

在仿真中分別激勵產(chǎn)生VLID管理類型幀和復(fù)位類型幀的請求，期望將VLID廣播設(shè)備的VLID由默認(rèn)值0x01替換為0x07，再將VLID復(fù)位為默認(rèn)參數(shù)。無線管理類型幀的仿真結(jié)果如圖8所示。

從圖8中可以看出，在TX端的clockCore時鐘域里產(chǎn)生一次類型（adminTxType）等于2，數(shù)據(jù)位（adminTxData）等于7的請求后，在RX端收到經(jīng)曼徹斯特編碼后的串行數(shù)據(jù)（pinDataInput），RX端采樣時鐘頻率為串行數(shù)據(jù)的8倍，經(jīng)采樣、解碼后的得到幀數(shù)據(jù)（dataIn）為0x2FFFF107B0，在完整的接受數(shù)據(jù)后通過CRC校驗，最終根據(jù)系統(tǒng)指令集產(chǎn)生對VLID配置的寫操作（vlidWrEn）并將VLID修改為0x07。

2.2.2 亮度管理類型幀測試

當(dāng)指令集中類型位等于4時，該幀表示為亮度管理類型，用于遠(yuǎn)程修改廣播設(shè)備的照明亮度。亮度數(shù)據(jù)位長度為4比特，有效值為0～10，分別表示0%～100%照明亮度。廣播設(shè)備接收到該類型幀時，將重置內(nèi)設(shè)的PWN參數(shù)，進(jìn)而調(diào)節(jié)PWN占空比，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制LED照明亮度的功能。具體仿真條件如表3所示，亮度管理類型幀的仿真結(jié)果如圖9所示。

從圖9中可以看出，在TX端的clockCore時鐘域里產(chǎn)生一次類型（adminTxType）等于4，數(shù)據(jù)位（adminTxData）等于2的請求后，在RX端收到經(jīng)曼徹斯特編碼后的串行數(shù)據(jù)（pinDataInput），RX端采樣時鐘頻率為串行數(shù)據(jù)的8倍，經(jīng)采樣、解碼后的得到幀數(shù)據(jù)（dataIn）為0x4FFFF2BB，在完整的接受數(shù)據(jù)后通過CRC校驗，最終根據(jù)系統(tǒng)指令集產(chǎn)生類型（checkerToRamType）為4、操作數(shù)據(jù)（checkerToRamId）為0x2的操作請求（checkerToRamIdValid），并將PWM由0xa修改為0x2。

2.2.3信號強(qiáng)度管理類型幀測試

當(dāng)指令集中類型位等于5時，該幀表示為VLC信號強(qiáng)度管理類型，用于調(diào)整VLC信號強(qiáng)度。信號數(shù)據(jù)位長度為4比特，有效值為0～15，分別表示0%～100%的VLID信號強(qiáng)度。廣播設(shè)備接收到該類型幀時，將重置內(nèi)設(shè)的VLC信號強(qiáng)度參數(shù)，進(jìn)而改變8比特輸出信號值，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后達(dá)到調(diào)節(jié)LED調(diào)制深度的功能。通過該數(shù)據(jù)幀，可以靈活的配置不同設(shè)備VLC信號強(qiáng)度，有效解決光源密集的室內(nèi)空間中出現(xiàn)VLC交叉干擾的難題。具體仿真條件如表4所示，信號強(qiáng)度管理類型幀的仿真結(jié)果如圖10所示。

從圖10中可以看出，在TX端的clockCore時鐘域里產(chǎn)生一次類型（adminTxType）等于5，數(shù)據(jù)位（adminTxData）等于5的請求后，在RX端收到經(jīng)曼徹斯特編碼后的串行數(shù)據(jù)（pinDataInput），RX端采樣時鐘頻率為串行數(shù)據(jù)的8倍，經(jīng)采樣、解碼后的得到幀數(shù)據(jù)（dataIn）為0x5FFFF573，在完整的接受數(shù)據(jù)后通過CRC校驗，最終根據(jù)系統(tǒng)指令集產(chǎn)生類型（checkerToRamType）為5、操作數(shù)據(jù)（checkerToRamId）為0x5的操作請求（checkerToRamIdValid），并將signalPower由0xa修改為0x5。

2.2.4 復(fù)位管理類型幀測試

當(dāng)指令集中類型位等于6時，該幀表示為復(fù)位類型，用于對VLID廣播設(shè)備進(jìn)行無線遠(yuǎn)程復(fù)位操作。VLID廣播設(shè)備一旦接收到該類型幀，F(xiàn)PGA內(nèi)部將產(chǎn)生一個約10ms的軟復(fù)位操作，使得內(nèi)置的VLID、VLC強(qiáng)度、PWM參數(shù)以及密鑰等配置信息恢復(fù)為出廠狀態(tài)。具體仿真條件如表5所示，復(fù)位管理類型幀的仿真結(jié)果如圖11所示。

從圖11中可以看出，在TX端的clockCore時鐘域里產(chǎn)生一次類型（adminTxType）等于6的請求后，在RX端收到經(jīng)曼徹斯特編碼后的串行數(shù)據(jù)（pinDataInput），RX端采樣時鐘頻率為串行數(shù)據(jù)的8倍，經(jīng)采樣、解碼后的得到幀數(shù)據(jù)（dataIn）為0x6FFFF1A8（由于該幀為復(fù)位類型的，CRC校驗通過后立刻被復(fù)位為初始值，圖11中0xA8值持續(xù)非常短的時間），在完整的接受數(shù)據(jù)后通過CRC校驗，在RX內(nèi)部softReset和resetCore信號拉高，VLID復(fù)位為初始值。

3與現(xiàn)有無線導(dǎo)覽系統(tǒng)的對比

相比于現(xiàn)有的采用GPS、RFID、WLAN、藍(lán)牙以及紅外等傳輸方式的無線導(dǎo)覽系統(tǒng)來說，無線管理型VLC導(dǎo)覽系統(tǒng)具有以下三個方面的優(yōu)勢：

第一、綠色環(huán)保。VLC的發(fā)光頻段主要分布于紅外線和可見光頻段，這部分頻段對人體的健康影響非常小，是安全環(huán)保的綠色發(fā)光頻段。

第二、節(jié)能環(huán)保。VLC只需要對現(xiàn)有的照明設(shè)備進(jìn)行改造，可以安裝在任何需要照明的地點，而且VLC耗費的能量主要是用于照明的，可以說VLC基本不需要額外消耗能量，所以說它非常節(jié)能。而且VLC可以使用原有照明供電線路，不需額外架設(shè)線路。所以說VLC是一種節(jié)能環(huán)保的技術(shù)。

第三、高功率。由于VLC發(fā)出的信號光波可以同時具有照明功能，所以通常不會限制VLC的發(fā)射功率，只要不影響照明環(huán)境，VLC可以采用高功率發(fā)射信號。

從性能指標(biāo)來說，主要區(qū)別在以下幾個方面：

首先，一般來說采用大功率LED的可見光通信系統(tǒng)未使用光學(xué)天線情況，傳輸距離不到1.5m；本系統(tǒng)在使用50mm光學(xué)天線的情況下，最大有效傳輸距離可以達(dá)到3.5m；若采用小功率LED，由于其出射角度小，傳輸距離要更長些。

其次，多數(shù)可見光通信系統(tǒng)為單向傳輸，VLID廣播設(shè)備和導(dǎo)覽設(shè)備均僅具有下行鏈接功能，而本文系統(tǒng)中VLID廣播設(shè)備、導(dǎo)覽設(shè)備以及無線管理設(shè)備均具有全雙工功能。

此外，現(xiàn)有的可見光通信系統(tǒng)僅具有VLID廣播設(shè)備到導(dǎo)覽設(shè)備單一的下行鏈路，當(dāng)需要添加、移除、修改廣播設(shè)備時，只能通過硬件開關(guān)或者串口通信對其進(jìn)行修改，由于照明設(shè)備通常固定在天花板或者墻壁等位置，將給系統(tǒng)的維護(hù)帶來很大的不便，本文創(chuàng)建VLC上行鏈路，實現(xiàn)全雙工通信，通過定義系統(tǒng)通信指令集，實現(xiàn)點對點遠(yuǎn)程管理VLID廣播設(shè)備，使系統(tǒng)具有VLID重置、照明設(shè)備亮度調(diào)節(jié)、信號強(qiáng)度控制、系統(tǒng)復(fù)位等無線管理能力，極大地提高了無線導(dǎo)覽系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

4 結(jié)束語

本文基于ISIM仿真器設(shè)計仿真了一種具有無線管理功能的VLC導(dǎo)覽系統(tǒng)，通過模擬仿真驗證了該系統(tǒng)的下行鏈路導(dǎo)覽功能，并模擬仿真上行鏈路無線管理的動態(tài)修改過程，驗證了該系統(tǒng)具有VLID重置、設(shè)備亮度調(diào)節(jié)、信號強(qiáng)度控制、系統(tǒng)復(fù)位四個方面的無線管理功能，最后與現(xiàn)在的導(dǎo)覽系統(tǒng)進(jìn)行了對比說明。

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