一种基于VLC+WiFi的车载协同通信系统与通信方法

技术领域

本发明涉及可见光通信技术、移动通信技术以及智慧交通的交叉学科技术，具体是一种基于VLC+WiFi的车载协同通信系统与通信方法。

背景技术

近年来，道路交通事故频发，给人民生命安全和社会经济带来了巨大损失，为了解决汽车交通安全等问题，智慧交通系统应运而生，智慧交通系统是利用物联网、车联网技术将道路上所有的单元互联，使互联单元可以进行通讯、信息处理、发送传递，在智慧交通中，“车”通常说的是有可以进行通讯、处理以及信息发送的载体，“路边单元”通常是说道路上的各种兼具照明功能的设备，像红绿灯、路灯。在智慧交通中，最基本的功能单元为V2V(Vehicle to Vehicle，简称V2V)，它可以实现不同通信范围或者视野范围内的各个车辆进行无线通信、能够帮助车辆实时的获取路况信息，并且与其他车辆分享信息，同时还能够提供交通调度和路线规划等服务，其次，V2I(Vechicle to Infrastructure，简称V2I)功能将路边基础设施与车辆通信融合起来，通过路边固定基础设施的超远距离通信，来实现交通路况信息的传递，也是智慧交通中重要的一部分。

无线局域网经过几十年的发展，已经从室内区域的个人电脑、移动手持设备发展至室外区域，有着抗干扰能力强、传输距离远、移动稳定性强等优势，但随着人们对下载速度的需求日益提高，以及射频信号基站的铺设成本和功率消耗变大、WiFi在传输速率、功率分配以及节能环保方面的不足也日益凸显。

显然，异构网络融合是未来网络架构的一个重要发展趋势，随着移动互联网的发展，人们对室内无线接入技术的要求越来越高，未来的网络架构必然会融合多种优势互补的接入网络。可见光无线通信VLC(Visible Light Communication，简称VLC)系统集照明和通信于一体，具有传输速率高、安全保密性强、不占用频谱资源和部署简单快速的特性，在车辆网车辆通信、道路指示灯通信、家庭信息智能控制方面都有良好的应用前景，但由于VLC采用视距传输方式，遮挡干扰和光路重叠使VLC缺乏移动性支持。而WiFi具有稳定的移动性管理，将WiFi与VLC网络结合，即构建VLC-WiFi异构无线接入网络，当车辆间可以正常可见光通信时，光信号可以提供高速的数据传输速率；当车辆在行进中移动、异物遮挡等造成光信号断路时，选择接入WiFi信号，或通过带有中继转发装置的车辆进行中继协同转发，可以更好地发挥各自网络性能，使得通信质量达到最佳。

发明内容

本发明的目的是针对现有车载可见光通信技术的不足，而提供一种基于VLC+WiFi的车载协同通信系统与通信方法。这种通信系统部署快速、组合方式多样且绿色环保。这种方法能提高通信的传输速率和稳定性。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于VLC+WiFi的车载协同通信系统，包括通过无线通信连接的发射端、中继转发装置和接收端，所述发射端设有顺序连接的信号输入单元、加导频单元、调制单元、第一上变频单元、第一WiFi模块、第一LED驱动电路单元；所述中继转发装置包括顺序连接的第二WiFi模块、第一主放大电路单元、第一下变频单元、第一解调单元、重新调制单元、第二上变频单元、第二LED驱动电路单元；所述接收端包括顺序连接的光电转换电路单元、滤波电路单元、第二主放大电路单元、第二下变频单元、第二解调单元、去导频单元、信号输出单元，所述系统设置于道路中的每辆汽车和每个路边单元中，每辆汽车、每个路边单元中任意两者之间均可直接通信或通过中继转发装置实现通信。

所述信号输入单元采用CH340G芯片将需要传输的文字、音频或视频数据输入至发射端中。

所述加导频单元是对输入的信号进行加导频。

所述调制单元对字符传输采用OOK调制的方式，工作的原理是通过单极性不归零码进行控制，OOK是把载波的幅度取作0和1，通过载波进行幅度上下的改变，这样就能够将数字信息进行传输，表达式为公式(1)所示：

式中k

所述第一上变频单元是将调制过后的信号进行上变频。

所述第一LED驱动电路单元的作用是由于信号经过调制单元调制后，调制信号非常微弱不足以驱动LED发亮，所以先经过放大模块进行放大，然后加载到LED灯上使其发亮并进行通信。

所述第一WiFi模块的作用是当选用WiFi通信模式时，将信号加载至WiFi模块，发送出WiFi信号。

所述第二WiFi模块当选用WiFi通信模式时，该模块将接收发送端所发送的WiFi信号并加载输入至电路中处理。

所述第一主放大电路单元接收到的信号由于在传输过程中会引起不同程度的衰落损耗，需要进行放大电路放大为可用信号。

所述第一下变频单元将信号进行下变频。

所述第一解调单元将信号进行与发射端相对应的解调，字符传输信号采用OOK解调，音频和视频传输信号采用光强度解调。

所述重新调制单元将信号经过处理转发成WiFi信号，对解调后的信号进行重新调制。

所述第二上变频单元将调制过后的信号进行上变频。

所述第二LED驱动电路单元由于通过调制后，调制信号非常微弱不足以驱动LED发亮，所以先将其通过放大模块进行放大，然后加载到LED灯上使其发亮并进行通信。

所述光电转换电路单元用于接收光源发送的光信号，通过光电检测器将光信号转变为模拟电路信号。

所述滤波电路单元通过滤波电路单元，将信号中的噪声等无用信号滤除。

所述第二主放大电路单元接收到的信号由于在传输过程中会引起不同程度的衰落损耗，需要进行放大电路放大为可用信号。

所述第二下变频单元将放大后的信号进行下变频。

所述第二解调单元将信号进行与发射端相对应的解调，字符传输信号采用OOK解调，音频和视频传输信号采用光强度解调。

所述去导频单元对输出的信号进行去导频。

所述信号输出单元将接收端接收到的信号，通过CH340G芯片和串口软件在车载终端显示器上显示相应的字符、音频或视频信号。

一种基于VLC+WiFi的车载协同通信系统的通信方法，包括上述基于VLC+WiFi的车载协同通信系统，所述方法如下步骤：

1)车辆与车辆间无障碍物遮挡可直接通信即可见光通信时，过程为：

1-1)发射端所在车辆通过车载的发射端的信号输入单元输入需要传送的字符信息、音频或视频；

1-2)步骤1)输入的字符信息、音频或视频经过加导频单元为信号调制做准备；

1-3)信号进入调制单元，字符信号进行OOK调制、音频和视频信号进行模拟信号的光强度调制；

1-4)调制过后的信号依次通过第一上变频单元和第一LED驱动电路单元，将信号加载至发送端所在车辆上的LED，采用LED高频闪烁发光发送光脉冲信号；

1-5)接收端所在车辆收到的光脉冲信号经过接收端的光电转换电路单元将光脉冲信号变成模拟信号在电路中传输；

1-6)模拟信号经过滤波电路单元、第二主放大电路单元和第二下变频单元进入第二解调单元；

1-7)第二解调单元将字符信号采用OOK解调、音频和视频信号进行光强度解调；

1-8)步骤7)解调后的信号经过去导频单元、信号输出单元后在车载终端上显示接收到的相应字符、或播放接收到的音频和视频；

2)车辆与车辆间有障碍物遮挡不能直接通信即VLC+WiFi的中继协同通信时，过程为：

2-1)同步骤1-1)；

2-2)同步骤1-2)；

2-3)同步骤1-3)；

2-4)调制过后的信号依次通过第一上变频单元和第一WiFi模块，使信号加载为WiFi信号，通过第一WiFi模块发送出WiFi信号；

2-5)在车载的中继转发装置中，第二WiFi模块接收发射端发送过来的WiFi信号，并将WiFi信号转换成模拟信号加载至电路中；

2-6)模拟信号依次通过第一主放大电路单元、第一下变频单元进入第一解调单元；

2-7)第一解调单元将字符信号采用OOK解调、音频和视频信号进行光强度解调；

2-8)步骤解调后的信号经过重新调制单元，字符信号进行OOK调制、音频和视频信号进行模拟信号的光强度调制，为下一步从WiFi信号转换成可见光信号做准备；

2-9)重新调制过后的信号依次通过第一上变频单元、第二LED驱动电路单元，将信号加载至中继转发转置所在车辆或路边单元上的LED，采用LED高频闪烁发光发送光脉冲信号；

2-10)同1-5)；

2-11)同1-6)；

2-12)同1-7)；

2-13)同1-8)。

本技术方案中道路中的每辆汽车、每个路边单元都具备发送、接收和中继协同转发的能力，每个路边单元之间的位置相对固定且稳定，可构建稳定的VLC或WiFi组网，通过可见光通信，每个路边单元可与道路车辆通信，汽车的前灯与尾灯也可与前后车进行可见光通信，每个路边单元与不在灯照范围内的车辆进行通信，也可以作为中继端，帮助无法相互通信的车辆进行转发通信，或广播群发所有车辆。

本技术方案采用可见光通信(VLC)和WiFi通信相结合，构建异构网络，发挥两网络各自优势，有效提升了传输速率，并且当在道路中由于车辆在行进中移动、异物遮挡等造成光信号断路时，可通过WiFi信号以及中继转发装置继续保持通信进行，大大提高了发送与接收性能。

这种通信系统部署快速、组合方式多样且绿色环保。这种方法能提高通信的传输速率和稳定性。

附图说明

图1为实施例的系统结构示意图；

图2实施例中VLC+WiFi的车载协同通信系统道路应用场景示意图；

图3为实施例中可见光通信系统结构示意图；

图4为实施例中可见光通信系统道路应用场景示意图；

图5为实施例中VLC+WiFi的中继协同通信结构示意图；

图6为实施例中VLC+WiFi的中继协同通信系统道路应用场景示意图。

图中，1.发射端 1-1.信号输入单元 1-2.加导频单元 1-3.调制单元 1-4.第一上变频单元 1-5.第一WiFi模块 1-6.第一LED驱动电路单元 2.中继转发装置 2-1.第二WiFi模块 2-2.第一主放大电路单元 2-3.第一下变频单元 2-4.第一解调单元 2-5.重新调制单元 2-6.第二上变频单元 2-7.第二LED驱动电路单元 3.接收端 3-1.光电转换电路单元3-2.滤波电路单元 3-3.第二主放大电路单元 3-4.第二下变频单元 3-5.第二解调单元3-6.去导频单元 3-7.信号输出单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1，图2，一种基于VLC+WiFi的车载协同通信系统，包括通过无线通信连接的发射端1、中继转发装置2和接收端3，所述发射端设有顺序连接的信号输入单元1-1、加导频单元1-2、调制单元1-3、第一上变频单元1-4、第一WiFi模块1-5、第一LED驱动电路单元1-6；所述中继转发装置2包括顺序连接的第二WiFi模块2-1、第一主放大电路单元2-2、第一下变频单元2-3、第一解调单元2-4、重新调制单元2-5、第二上变频单元2-6、第二LED驱动电路单元2-7；所述接收端3包括顺序连接的光电转换电路单元3-1、滤波电路单元3-2、第二主放大电路单元3-3、第二下变频单元3-4、第二解调单元3-5、去导频单元3-6、信号输出单元3-7，所述系统设置于道路中的每辆汽车和每个路边单元中，每辆汽车、每个路边单元中任意两者之间均可直接通信或通过中继转发装置2实现通信。

所述信号输入单元1-1采用CH340G芯片将需要传输的文字、音频或视频数据输入至发射端中；

所述加导频单元1-2是对输入的信号进行加导频，本例加导频单元1-2选用芯片STM32F103C8T6。

所述调制单元1-3对字符传输采用OOK调制的方式，工作的原理是通过单极性不归零码进行控制，OOK是把载波的幅度取作0和1，通过载波进行幅度上下的改变，这样就能够将数字信息进行传输，表达式为公式(1)所示：

式中k

所述第一上变频单元1-4是将调制过后的信号进行上变频，本例第一上变频单元1-4选用芯片STM32F103C8T6。

所述第一LED驱动电路单元1-6的作用是由于信号经过调制单元1-3调制后，调制信号非常微弱不足以驱动LED发亮，所以先经过放大模块进行放大，然后加载到LED灯上使其发亮并进行通信，本例第一LED驱动电路单元1-6选用S9013三极管放大电路。

所述第一WiFi模块1-5的作用是当选用WiFi通信模式时，将信号加载至WiFi模块，发送出WiFi信号，本例第一WiFi模块1-5选用ESP8266-12E。

所述第二WiFi模块2-1当选用WiFi通信模式时，该模块将接收发送端所发送的WiFi信号并加载输入至电路中处理，本例第二WiFi模块2-1选用ESP8266-12E。

所述第一主放大电路单元2-2接收到的信号由于在传输过程中会引起不同程度的衰落损耗，需要进行放大电路放大为可用信号，本例第一主放大电路单元2-2选用S9013三极管放大电路。

所述第一下变频单元2-3将信号进行下变频，本例第一下变频单元2-3选用芯片STM32F103C8T6。

所述第一解调单元2-4将信号进行与发射端相对应的解调，字符传输信号采用OOK解调，音频和视频传输信号采用光强度解调，本例第一解调单元2-4选用芯片STM32F103C8T6。

所述重新调制单元2-5将信号经过处理转发成WiFi信号，故需要对解调后的信号进行重新调制，本例重新调制单元2-5选用芯片STM32F103C8T6。

所述第二上变频单元2-6将调制过后的信号进行上变频，本例第二上变频单元2-6选用芯片STM32F103C8T6。

所述第二LED驱动电路单元2-7由于通过调制后，调制信号非常微弱不足以驱动LED发亮，所以先将其通过放大模块进行放大，然后加载到LED灯上使其发亮并进行通信，本例第二LED驱动电路单元2-7选用AO3400三极管组合放大电路。

所述光电转换电路单元3-1用于接收光源发送的光信号，通过光电检测器将光信号转变为模拟电路信号，本例光电转换电路单元3-1选用型号为PIN光电二极管。

所述滤波电路单元3-2通过滤波电路单元，将信号中的噪声等无用信号滤除，本例滤波电路单元3-2选用芯片STM32F103C8T6。

所述第二主放大电路单元3-3接收到的信号由于在传输过程中会引起不同程度的衰落损耗，需要进行放大电路放大为可用信号，本例第二主放大电路单元3-3选用S9013三极管放大电路。

所述第二下变频单元3-4将放大后的信号进行下变频，本例第二下变频单元3-4选用芯片STM32F103C8T6。

所述第二解调单元3-5将信号进行与发射端相对应的解调，字符传输信号采用OOK解调，音频和视频传输信号采用光强度解调，本例第二解调单元3-5选用芯片STM32F103C8T6。

所述去导频单元3-6对输出的信号进行去导频，本例去导频单元3-6选用芯片STM32F103C8T6。

所述信号输出单元3-7将接收端接收到的信号，通过CH340G芯片和串口软件在车载终端显示器上显示相应的字符、音频或视频信号。

一种基于VLC+WiFi的车载协同通信系统的通信方法，包括上述基于VLC+WiFi的车载协同通信系统，所述方法如下步骤：

1)车辆与车辆间无障碍物遮挡可直接通信即可见光通信时，如图3，图4所示，过程为：

1-1)发射端1所在车辆通过车载的发射端1的信号输入单元1-1输入需要传送的字符信息、音频或视频；

1-2)步骤1)输入的字符信息、音频或视频经过加导频单元1-2为信号调制做准备；

1-3)信号进入调制单元1-3，字符信号进行OOK调制、音频和视频信号进行模拟信号的光强度调制；

1-4)调制过后的信号依次通过第一上变频单元1-4和第一LED驱动电路单元1-6，将信号加载至发送端所在车辆上的LED，采用LED高频闪烁发光发送光脉冲信号；

1-5)接收端3所在车辆收到的光脉冲信号经过接收端的光电转换电路单元3-1将光脉冲信号变成模拟信号在电路中传输；

1-6)模拟信号经过滤波电路单元3-2、第二主放大电路单元3-3和第二下变频单元3-4进入第二解调单元3-5；

1-7)第二解调单元3-5将字符信号采用OOK解调、音频和视频信号进行光强度解调；

1-8)步骤7)解调后的信号经过去导频单元3-6、信号输出单元3-7后在车载终端上显示接收到的相应字符、或播放接收到的音频和视频；

2)车辆与车辆间有障碍物遮挡不能直接通信即VLC+WiFi的中继协同通信时，如图5，图6所示，过程为：

2-1)同步骤1-1)；

2-2)同步骤1-2)；

2-3)同步骤1-3)；

2-4)调制过后的信号依次通过第一上变频单元1-4和第一WiFi模块1-5，使信号加载为WiFi信号，通过第一WiFi模块1-5发送出WiFi信号；

2-5)在车载的中继转发装置2中，第二WiFi模块2-1接收发射端1发送过来的WiFi信号，并将WiFi信号转换成模拟信号加载至电路中；

2-6)模拟信号依次通过第一主放大电路单元2-2、第一下变频单元2-3进入第一解调单元2-4；

2-7)第一解调单元2-4将字符信号采用OOK解调、音频和视频信号进行光强度解调；

2-8)步骤2-7)解调后的信号经过重新调制单元2-5，字符信号进行OOK调制、音频和视频信号进行模拟信号的光强度调制，为下一步从WiFi信号转换成可见光信号做准备；

2-9)重新调制过后的信号依次通过第一上变频单元2-6、第二LED驱动电路单元2-7，将信号加载至中继转发装置2所在车辆或路边单元上的LED，采用LED高频闪烁发光发送光脉冲信号；

2-10)同1-5)；

2-11)同1-6)；

2-12)同1-7)；

2-13)同1-8)。