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基于手机摄像头的可见光通信关键技术研究

张振山  
【摘要】:随着移动互联网和物联网技术的蓬勃发展,移动终端和物联网设备的数量呈爆炸式增长,给现有无线通信技术在频谱资源、功耗和成本等方面带来巨大的挑战。可见光通信具有频谱资源丰富且无需授权认证即可使用、成本低廉、无射频干扰、保密性强和对人体无害等优点,可以解决现有无线通信技术面临的频谱资源、功耗和成本等方面的挑战。在可见光通信中,利用手机摄像头作为系统的接收机可以显著地降低系统的成本和复杂度,同时使系统具有良好的可移动性,在未来室内定位与导航、密钥授权认证等领域,基于手机摄像头的可见光通信具有良好的应用前景。由于该技术的研究起步较晚,在实际应用之前,尚有一些关键性问题亟待解决。为此,本论文确立本研究课题,对基于手机摄像头可见光通信的关键技术展开深入研究。本论文针对基于手机摄像头可见光通信系统的传统信号解调方案中存在的一些关键问题展开深入研究,包括列灰度值随机噪声较大、列灰度值波动较大以及鲁棒性较低等;此外,详细分析和比较了视距光学相机通信(Line of Sight-Optical Camera Communication,LOS-OCC)和非视距光学相机通信(Non-Line of Sight-Optical Camera Communication,NLOS-OCC)系统的性能。值得注意的是,LOS-OCC和NLOS-OCC分别指利用视距链路光信号和非视距链路光信号的基于手机摄像头的可见光通信。本论文的主要研究内容和创新点如下:(1)提出了低随机噪声的列灰度值选择方案。用于信号解调而选择的列灰度值具有严重的随机噪声干扰,影响系统的性能。针对这一问题,本论文提出了低随机噪声的列灰度值选择方案。实验结果显示,本论文提出的列灰度值选择方案选择的列灰度值具有极低的随机噪声干扰。(2)提出了降低灰度值波动的算法。用于信号解调而选择的列灰度值波动严重,使得灰度值点不能均匀分布在阈值曲线两侧,影响灰度值转化为逻辑值的正确率,进而影响系统的性能。针对这一问题,本论文提出了移动指数平均(Moving Exponential Average,MEA)算法和指数转化(Exponential Transform,ET)算法来降低灰度值的波动。实验结果显示,MEA和ET算法均能有效地降低灰度值的波动,显著地提高系统的传输速率和传输距离。(3)提出了抗灰度值波动的阈值方案。传统的多项式拟合阈值方案不能抗灰度值波动,且计算复杂度高,严重影响系统的性能。针对该问题,本论文提出了基于分段多项式拟合的阈值方案、基于权重移动平均阈值方案和基于条纹边界像素的阈值方案。实验结果显示,与传统的多项式拟合阈值方案相比,本论文提出的这三种抗灰度值波动的阈值方案可以显著地改善系统的性能。(4)提出了基于图像处理的信号解调方案。传统的信号解调方案只利用灰度图像中的一列灰度值数据进行信号解调,导致系统性能的鲁棒性不高。针对这一问题,本论文提出了鲁棒性较高的基于图像处理的信号解调方案。该信号解调方案利用灰度图像的所有灰度值进行信号解调,具有较高的系统性能鲁棒性。实验结果显示,基于图像处理的信号解调方案是可行的,并能实现较好的系统性能。(5)分析和比较了LOS-OCC和NLOS-OCC系统的性能。目前,基于手机摄像头可见光通信的研究主要集中在LOS-OCC;然而,在实际应用中,LOS-OCC和NLOS-OCC是同时存在。针对这一问题,本论文系统深入地分析和比较了LOS-OCC和NLOS-OCC系统的性能。实验结果显示,与LOS-OCC系统相比,NLOS-OCC系统能获得较好的系统性能。综上所述,本论文提出了改善基于手机摄像头可见光通信系统性能的多种关键技术,包括低随机噪声的列灰度值选择方案、降低灰度值波动的算法、抗灰度值波动的阈值方案以及鲁棒性较高的基于图像处理的信号解调方案;此外,系统全面地分析和比较了LOS-OCC和NLOS-OCC系统的性能。本论文的研究成果为基于手机摄像头可见光通信的研究和应用打下了坚实的基础。


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