项目名称： 照明+无源双向可见光通信关键技术

Key technologies of passive bidirectional visible light communication

申报单位： 西安理工大学

综合介绍或申报理由：

“国家半导体照明工程”实施以来，半导体照明产业迅猛发展，除了为照明行业自身注入活力，还带动了LED相关领域研究的深入开展，可见光通信技术应运而生。研究发现使用LED在进行照明的同时，利用内半导体调制特性进行信息传递，这或可解决无线通信中日益严峻的频谱问题。但由于目前一些技术瓶颈的存在，距离可见光通信走出实验室，“飞入寻常百姓家”，尚需时日。

众所周知，光具有单向传输特性，整个可见光通信系统层面面临的最主要挑战在于建立一个稳定的上行反馈链路。业内有提出使用射频进行上行反馈的方案，也有使用无线激光进行反馈链路的方案，还有使用其他频率或者颜色的可见光信号进行上行反馈链路创建的方案。但这些方案均有一些不同程度的“先天不足”。比如射频反馈的引入，破坏了可见光通信无电磁干扰的先天优势，比如无线激光反馈的引入导致对系统的安全性存疑。但这些方案还有一个共同的缺陷在于需要单独引入从信源产生到信宿接受的一整套设备来单独构建反馈链路。

该申报项目提出的“照明+无源双向可见光通信关键技术”是在不改变原有照明结构的基础上，通过直接对照明LED信号调制进行下行光链路通信，利用“离焦型猫眼”逆向调制器件对接收到的照明光源进行调制加载上行信息，实现可见光系统的上行通信，进而实现无源双向可见光通信。

项目宣传视频： https://v.youku.com/v_show/id_XNTA1NzE0NTE1Ng==.html

主要技术参数：

参数名称 参数值 单位
LED型号 CREE Xlamp-Q5
主动端光电探测器型号 PDA-10A
逆向端光电探测器型号 S5972
下行链路调制格式 DQPSK
上行链路调制格式 FDMA
参数名称 参数值 单位
偏置电流 500 mA
调制电流 100 mA
光束发散角 15 °
主动端透镜焦距 50 mm
逆向端透镜焦距 50 mm
压电陶瓷片直径 27 mm
通信距离 2.0-3.0 m
下行链路通信速率 10.0 Mbps
上行链路通信速率 16.0 Kbps

与国内外同类产品或同类技术的比较情况：

2011年波士顿大学的TDC Little等人提出了将WI-FI与可见光通信系统相结合的方案，使用WI-FI作为可见光通信系统中的上行链路，下行的可见光链路通信速率达到10Mbps，上行射频的通信速率达到30Mbpsp。
2014年英国Dobroslav Tsonev等人在使用调制带宽为60MHz的砷化镓发光二极管上，采用OFDM的调制方式，结合预均衡技术和自适应数据加载技术，在单个LED发光二极管上首次实现使通信速率达到了3Gbit/s。
2014年意大利Cossu等展示了将可见光与红外波段组成的混合通信方案，该方案中可见光作为下行链路，红外光作为上行链路的波分双工通信系统，上下行链路均采用离散多音频调制（DMT）技术，在2m的距离上实现了400Mb/s的双工通信。
2015年长春理工大学张鹏等人提出了一种使用双波长发射方式的全双工通信系统，使用两种不同波段的激光分别作为正向链路和逆向链路的通信光源，两种光信号间互不干扰，提高了逆向链路的通信速率。
2015年解放军理工大学徐智勇等人提出一种采用单光源全双工的逆向调制系统，将逆向传输信号加载到下行光信号的包络上，利用包络检波技术从返回信号的幅度中检测出上行链路信号，该系统的询问端调制速率为2.048Mbit/s，逆向端的调制速率为2.0Kbit/s。

技术及工艺创新要点：

1.本系统使用照明光源的调制与逆调制实现了单一可见光源的双向通信，相比其他系统来说，是实现了“无源”可见光通信。对于该系统来说，下行发送和上行接收一般固定于室内天花板，对室内提供照明的同时，进行信息发送，而下行接收和上行发送则位于各类信息终端上。本系统中由主动端提供整个系统的调制光源，并进行上行数据接收，主动端包括基带信号处理模块，LED驱动电路以及光电接收电路。逆向端为信息终端，由“猫眼”逆向调制器，光电接收电路以及基带信号处理模块组成，接收下行链路信息并提供回传数据。系统的下行链路使用DQPSK调制方式，上行链路使用频分复用的ASK调制方式，采用 FPGA芯片作为主控芯片，通过在FPGA中设计了数字式DQPSK和ASK调制解调器，结合模数和数模转换硬件模块，实现DQPSK信号和ASK信号的调制与解调，整个系统通过以太网接口与外部进行通信。本系统是由上下两条通信链路构成了一套非对称全双工通信系统，即下行速率和上行通信速率不对等。单光源全双工通信系统的核心技术是在逆向端通过逆向调制器对下行链路的光信号进行二次调制，将上行信息调制到下行的光路上，再由上行接收端进行接收，成为利用下行光信号作为载波的逆向通信链路。为了能实现两条互不干扰的双工通信链路，系统中下行通信链路采用DQPSK的调制方式，上行通信链路中采用了频分复用的ASK调制方式。系统工作时，在主动端利用摄像头采集的视频数据通过视频编码后，发送给主动端FPGA接收网卡进行接收并进行调制后，发送给LED驱动电路，驱动LED发出调制光信号。逆向端接收电路接收下行光信号并转换为电信号，发送给FPGA进行解调，并将解调出的数据发送给接收端的PC机解码出视频信息。上行链路数据通过逆向端的FPGA调制后，将调制信号发送给“猫眼”逆向调制器进行调制，在主动端接收二次调制后的信号并进行处理，分离出上行链路信号并解调，恢复出上行链路数据。图1为该系统的结构框图。

2.本系统中所使用的逆向调制器为“离焦型猫眼”猫眼逆向调制器，与角锥棱镜型逆向调制器器相比，具有视场角大，结构简单的优点，适用于室内可见光通信这种光束发散角较大的通信系统。“离焦型猫眼”逆向调制器由聚焦透镜和调制反射器组成，其中调制反射器使用镀反射膜的压电陶瓷片。通过给压电陶瓷片上加上不同频率的驱动信号，控制反射膜在透镜焦平面的离焦量，影响返回光信号强度大小，实现逆向调制功能。
“离焦型猫眼”逆向调制器主要基于“猫眼效应”构建，由光学透镜、压电陶瓷片、调制驱动电路以及回波接收电路组成。

图 2“猫眼”结构的原理图
“猫眼”结构的调制原理如图1所示。发射机发出的光线使用透镜汇聚到焦平面，装有反射结构的焦平面在调制器控制下进行前后移动，将反射光在通过透镜回到同一光路位于焦平面处的反射平面在轴向偏离焦平面的情况下，这种“离焦”会引起光束后向反射回波的发散而使光束回波强度减小，也就是光束回波功率随反射面偏离焦平面的距离的增大而减小。
“猫眼”效应能够使入射光原路返回，所以“猫眼”逆向调制器具有与角反射器相同的逆向反射特性。将“猫眼”结构与调制器结合，可以构建“猫眼”逆向调制器。调制器放置于猫眼逆向反射器焦平面处，入射光束通过“猫眼”光学系统聚焦在调制器表面，从而产生受调制器控制作用的反射光。

图 3 离焦反射原理
根据焦平面处反射镜的移动方向不同，“猫眼”逆向调制器具有正向离焦和反向离焦 两种状态，正向离焦是反射镜往靠近透镜的方向振动，反向离焦的振动方向与之相反。正向和反向离焦的原理如图2所示，图（a）为正向离焦示意图，图（b）为反向离焦示意图。
“离焦型猫眼”逆向调制系统工作时，主动照明光源首先向上行调制端发送调制光束，由于白光LED的发散角度很大，在上行调制端的接收聚焦透镜和“猫眼”逆向调制器并排放置，均处于LED光源的有效照明区域内。在接收端，通过逆向调制器对下行链路的光信号进行二次调制，将上行信息调制到下行的光路上，反射回照明端，照明端的光接收机接收返回的光信号，从中分离出上行调制信号，并发送给解调器作解调，实现双工通信链路，图3为照明+无源可见光通信系统的实现结构图。

获奖、专利情况：

【1】柯熙政，雷思琛.LED可见光通信上行链路的调制系统及其建立方法，2015100560188[P],2015.

【2】柯熙政，亢烨.可见光通信中的多维编码方法，2013106621646[P]，2013.

【3】邓莉君，柯熙政. 一种适用于大气激光通信系统的调制方法, 2012101643729[P], 2012.

【4】柯熙政，解孟其. 无线激光通信PPM调制器及其多光源序列合成的方法, 2015103591135[P],2015.

【5】柯熙政，王姣. 一种基于四象限探测器的光斑对准方法, 2016112444661[P], 2019.

【6】柯熙政，陈炜.一种大气激光通信PPM同步器，2016210731968[P], 2016.

申报单位介绍：

西安理工大学是中央与地方共建，陕西省重点建设的高水平大学，是国家中西部高等教育振兴计划——中西部高校基础能力建设工程实施院校，陕西省“国内一流大学建设高校”。2020年7月，学校成为工信部、陕西省共建高校。学校是我国西北地区水利水电、装备制造、印刷包装行业高级专门人才的重要培养基地和科研中心之一。

学校的前身是成立于1958年的北京机械学院和成立于1960年的陕西工业大学。两校的办学历史分别可以追溯至1919年由民国教育总长范源濂创办的北平市立商业补习学校和1937年成立的国立西安临时大学（土木工程学系水利组）。1972年，北京机械学院和陕西工业大学合并组建陕西机械学院，隶属第一机械工业部。1994年，学校经批准更名为西安理工大学。1998年，学校划转陕西省，管理体制调整为中央与陕西省共建，以陕西省管理为主。2002年，陕西省批准西安仪表工业学校整体并入西安理工大学。学校以1949年人民政府接管北京机械学院前身学校国立北平高级工业职业学校为校庆起始年，5月1日为校庆日。

学校建有金花、曲江、莲湖3个校区和1个大学科技园。有普通全日制本科生18000余名，博士、硕士研究生近7000名。有教职工2600余人，其中高级职称890余人。现设17个学院和1个教学部，设67个本科专业，其中10个专业为国家特色专业建设点，13个专业通过工程教育专业认证（评估），13个专业入选国家一流专业建设点，24个专业入选陕西省一流专业，16个专业为陕西省特色专业建设点，8个专业为陕西省名牌专业。设有23个本科实验教学中心，其中有3个国家级实验教学示范中心，18个省级本科高校实验教学示范中心，3个省级本科高校虚拟仿真实验教学中心。

学校坚持以学科建设为龙头，扎实推进一流学科建设，核心竞争力稳步提升。学校是我国首批获得博士、硕士、学士学位授予权的高校之一。研究生教育始于1960年，2011年成立研究生院。现有14个博士学位授权一级学科，25个硕士学位授权一级学科，6个硕士专业学位授权点，覆盖全部本科专业。现有1个国家一级重点学科（涵盖 5个二级学科），21个陕西省重点学科，12个陕西省优势学科。工程学学科、材料科学学科位列ESI全球学科排名前1%。在2017年全国第四轮学科评估中，水利工程、控制科学与工程、管理科学等3个学科进入全国前20%，材料科学与工程、机械工程、马克思主义理论学科进入全国前30%；仪器科学与技术、电子科学与技术、土木工程、环境科学与工程、工商管理学科进入全国前40%。

学校积极推进“人才强校”战略，将人才工作作为学校发展的重中之重来抓，教师队伍建设不断强化。学校成立“谢赫特曼诺奖新材料研究院”,建设院士工作室14个。有双聘院士4人。入选国家级人才6人，全国高校黄大年式教师团队1个，国家优秀青年科学基金、中国青年科技奖获得者4人，新世纪“百千万人才工程”国家级人选4人，教育部“新世纪优秀人才支持计划”8人，中科院“百人计划”3人。有全国优秀教师、全国先进工作者6人，享受国务院政府特殊津贴专家12人。入选陕西省高层次人才计划39人、“特支计划”9人、“三秦学者”创新团队2个、高校“青年杰出人才”支持计划15人。国务院学位委员会学科评议组成员1人，教育部高等学校专业教学指导委员会委员7人，省部级有突出贡献的专家、劳动模范、先进工作者、优秀教师、教学名师、师德标兵等40多人。

学校坚持以立德树人为根本，深化教育教学改革，人才培养模式不断完善。近年来，获国家教学成果奖4项，陕西省教学成果奖76项；有5门国家级精品课程、3门国家精品资源共享课、71门省级精品课程，11个省级示范性虚拟仿真实验教学项目；有国家级教学团队4个。学校人才培养质量得到广泛认可，是中国人民解放军海军后备军官选拔和培训基地，是教育部本科教学工作水平评估优秀学校、首批实施“卓越工程师教育培养计划”高校，2013年作为全国试点高校率先通过教育部本科教学工作审核评估。学校是教育部专业学位研究生教育、研究生课程建设综合改革试点单位，建有2个专业学位研究生联合培养实践全国示范性基地，8个陕西省研究生联合培养示范工作站。
学校坚持教学科研并重，基础研究与应用研究并举，科研实力与社会服务能力持续提升。学校建有9个博士后科研流动站，设有37个国家及省部级重点科研基地，其中有1个国家重点实验室，1个国家工程研究中心，2个教育部重点实验室，2个教育部工程研究中心，1个科技部推广中心，1个国家林业局重点实验室。近十年来，学校科研成果先后获得省部级以上科研奖励196项，其中国家级奖3项，本校作为首席科学家单位承担973项目、国家重大专项课题、重大仪器专项等国家重大重点项目68项，获批国家自然科学基金项目713项，获批国家社会科学基金项目39项，获国家发明专利授权1659件，获国际发明专利授权14件，科研经费到款25.24亿元，发表SCI论文3242篇。学校不断推进校地校企合作，与省内外140多家单位建立了战略合作关系，在陕西、江苏、浙江、广东、山东等地建立研究院、技术转移中心12个。

学校高度重视创新创业教育，扎实推进创新创业教育改革实践，人才培养能力全面提高。学校是全国深化创新创业教育改革示范高校、全国高校实践育人创新创业基地、教育部“大学生创新创业训练计划项目”实施高校、陕西省深化创新创业教育示范高校，有2个陕西省创新创业教育改革试点学院。学校成立了大学生创新创业教育中心，与西安浐灞生态区管委会共建“西安理工大学浐灞创新孵化中心”，双创中心下属的“西理工/工创汇”为国家级科技企业孵化器、陕西省众创空间及西安市众创空间。近年来学生在“互联网+”等全国创新创业大赛中成绩优异。

学校注重学生全面发展，不断提高学生综合素质。设有公共艺术教育中心、心理健康教育中心和陕西省大学生人文素质教育研究中心，学生在全国性“挑战杯”等学术科技竞赛和全国大学生游泳比赛、定向锦标赛、艺术展演等体育艺术活动中屡获大奖，学校被授予“全国学校艺术教育工作先进单位”，称号。与陕西省文史研究馆合作建立的“古都大讲坛”在陕西高校具有较大影响。先后17次被中宣部、教育部、团中央授予“全国大学生社会实践先进集体”。

学校积极开展国际交流与合作，不断增强国际影响力。先后与德国、日本、美国、澳大利亚、英国、新西兰、法国等20多个国家和地区的50多所院校和科研机构建立了友好合作交流关系。
学校面向全国30个省（市、区）招生，考生报考踊跃，近年来学校在全国第一志愿录取率均超过97%。本科毕业生一次性就业率位居陕西高校前列。学校先后被教育部评为“全国普通高等学校毕业生就业工作先进集体”“全国毕业生就业典型经验高校”。

长期以来，西安理工大学发扬“艰苦奋斗、自强不息”的学校精神，秉承“祖国、荣誉、责任”的校训，坚持“育人为本、知行统一”的办学理念，培养了近20万名各类专门人才，其中有多位两院院士、重要党政领导和杰出企业家，为国家和地方经济建设，特别是为国家装备制造、水利水电、印刷包装行业的发展做出了重要贡献。近年来，学校坚持以全面提高质量为核心，着力加强内涵建设，办学水平和社会声誉稳步提升。当前，学校正在为全面建设以工为主、多学科协调发展，特色鲜明的国内一流教学研究型大学的目标而努力奋斗！
（数据统计更新至2020年7月）

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