于正永 董進 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導覽系統(tǒng)所采用的關鍵技術，其次運用ISIM仿真環(huán)境模擬仿真了該系統(tǒng)下行鏈路導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)了無線導覽功能和驗證了該系統(tǒng)具有可見光識別（VLID）重置、設備亮度調(diào)節(jié)、信號強度控制、系統(tǒng)復位無線管理功能，最后與現(xiàn)有無線導覽系統(tǒng)進行了對比分析。

關鍵詞：ISIM； 無線管理型； VLC； 導覽系統(tǒng)； 設計

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

目前，無線導覽系統(tǒng)主要采用全球定位系統(tǒng)（GPS）、射頻識別技術（RFID）、無線局域網(wǎng)技術、藍牙技術或者紅外技術等，由于這些系統(tǒng)在一定程度上存在設備復雜度較高、電磁輻射和干擾、定位精度受限、交互模式較為單一、局域性應用受限等方面不足。本文針對上述不足，設計仿真一種具有無線管理功能的VLC導覽系統(tǒng)，其具有系統(tǒng)布放方便、復雜度低、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、飛機和空間站等對電磁干擾有嚴格限制的場合；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)無線導覽領域產(chǎn)品的發(fā)展方向，科技、經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益較為明顯。

1系統(tǒng)關鍵技術分析

VLC技術將識別碼序列和照明控制技術結(jié)合起來，對LED光源進行調(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鍵技術：

1.1 VLID編碼技術

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，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，否則當做錯包進行丟棄。

1.2抗干擾技術

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，如果用于導覽的照明設備比較密集，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）合理的設置管理員設備上的光接收機上的有效閾值。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)中的所有設備VLC有效傳輸距離。

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

4）在管理員設備解析VLID時引入信息保護機制，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進行導覽動作，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

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)制深度關系到VLC信號強度以及LED的光譜偏移特性；脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術則不會有上述限制從而廣泛地應用在現(xiàn)有的照明設備調(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，但在無線導覽這個特定應用環(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 下行鏈路導覽功能的模擬仿真

在本系統(tǒng)的下行鏈路中，VLID廣播設備通過光發(fā)射機周期性的向自由空間廣播VLID，當導覽設備進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的ID，再通過串口通信向多媒體設備發(fā)送操作請求，從而實現(xiàn)無線導覽的功能，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)自動導覽功能的可行性。在仿真環(huán)境中，將VLID廣播設備TX同終端設備的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，設置如表1所示的仿真條件。

VLID廣播設備周期性的發(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的ID（0x01），再通過串口通信向多媒體設備發(fā)送操作請求（0x000001），符合設計期望，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導覽系統(tǒng)要求VLID廣播設備能夠接收并響應上行鏈路的數(shù)據(jù)請求，根據(jù)指令集動態(tài)修改VLID廣播設備的相關系統(tǒng)配置，從而達到預設的無線管理功能，其運行過程如圖6所示，即終端設備中的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廣播設備中，光接收機解調(diào)、TIA放大之后產(chǎn)生數(shù)字信號給FPGA進一步的解碼、校驗，VLC幀處理模塊將根據(jù)系統(tǒng)指令集解析得到進一步的操作指令，響應并修改VLID廣播設備的相關配置信息。

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)限的無線管理設備TX同VLID廣播設備的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)送設備的ID，提升網(wǎng)絡設備的可維護性。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)送設備上內(nèi)置的密鑰進行檢驗，以提高網(wǎng)絡的安全性。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管理類型幀和復位類型幀的請求，期望將VLID廣播設備的VLID由默認值0x01替換為0x07，再將VLID復位為默認參數(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，用于遠程修改廣播設備的照明亮度。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。廣播設備接收到該類型幀時，將重置內(nèi)設的PWN參數(shù)，進而調(diào)節(jié)PWN占空比，從而實現(xiàn)遠程控制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信號強度管理類型幀測試

當指令集中類型位等于5時，該幀表示為VLC信號強度管理類型，用于調(diào)整VLC信號強度。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信號強度。廣播設備接收到該類型幀時，將重置內(nèi)設的VLC信號強度參數(shù)，進而改變8比特輸出信號值，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后達到調(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備VLC信號強度，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 復位管理類型幀測試

當指令集中類型位等于6時，該幀表示為復位類型，用于對VLID廣播設備進行無線遠程復位操作。VLID廣播設備一旦接收到該類型幀，F(xiàn)PGA內(nèi)部將產(chǎn)生一個約10ms的軟復位操作，使得內(nèi)置的VLID、VLC強度、PWM參數(shù)以及密鑰等配置信息恢復為出廠狀態(tài)。具體仿真條件如表5所示，復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（由于該幀為復位類型的，CRC校驗通過后立刻被復位為初始值，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復位為初始值。

3與現(xiàn)有無線導覽系統(tǒng)的對比

相比于現(xiàn)有的采用GPS、RFID、WLAN、藍牙以及紅外等傳輸方式的無線導覽系統(tǒng)來說，無線管理型VLC導覽系統(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)有的照明設備進行改造，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，不需額外架設線路。所以說VLC是一種節(jié)能環(huán)保的技術。

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)未使用光學天線情況，傳輸距離不到1.5m；本系統(tǒng)在使用50mm光學天線的情況下，最大有效傳輸距離可以達到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廣播設備和導覽設備均僅具有下行鏈接功能，而本文系統(tǒng)中VLID廣播設備、導覽設備以及無線管理設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廣播設備到導覽設備單一的下行鏈路，當需要添加、移除、修改廣播設備時，只能通過硬件開關或者串口通信對其進行修改，由于照明設備通常固定在天花板或者墻壁等位置，將給系統(tǒng)的維護帶來很大的不便，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)點對點遠程管理VLID廣播設備，使系統(tǒng)具有VLID重置、照明設備亮度調(diào)節(jié)、信號強度控制、系統(tǒng)復位等無線管理能力，極大地提高了無線導覽系統(tǒng)的可維護性和可擴展性。

4 結(jié)束語

本文基于ISIM仿真器設計仿真了一種具有無線管理功能的VLC導覽系統(tǒng)，通過模擬仿真驗證了該系統(tǒng)的下行鏈路導覽功能，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、設備亮度調(diào)節(jié)、信號強度控制、系統(tǒng)復位四個方面的無線管理功能，最后與現(xiàn)在的導覽系統(tǒng)進行了對比說明。

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