CN102790645B - 基于多路可见光通信的加解扰系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种基于多路可见光通信的加解扰系统和方法，该加解扰系统在发射端采用串并变换器将原始信号变换为多路信号，采用随单位时间变化的伪码信号对各路信号解扰后同时以可见光信号的形式发送；接收端接收各路可见光信号并解扰，对各路解扰后的信号经过串并变换器，得到原始信号。以使可见光信号在通信时保证安全性的同时，提高传输速率。

Description

基于多路可见光通信的加解扰系统和方法

【技术领域】

本发明涉及光子物联网技术领域，具体的，涉及一种基于多路可见光通信的加解扰系统和方法。

【背景技术】

可见光通信是一种在LED技术上发展起来的新兴的、短距离高速无线光通信技术。可见光通信的基本原理就是利用发光二极管（LED）比荧光灯和白炽灯切换速度快的特点，通过LED光源的高频率闪烁来进行通信，有光代表1，无光代表0，发出高速的光信号，再经过光电转换而获得信息。无线光通信技术因为其数据不易被干扰和捕获，光通信设备制作简单且不宜损坏或消磁，可以用来制作无线光加密钥匙。与微波技术相比，无线光通信有相当丰富的频谱资源，这是一般微波通信和无线通信无法比拟的；同时可见光通信可以适用任何通信协议、适用于任何环境；在安全性方面，其相比传统的磁性材料，无需担心消磁问题，更不必担心通信内容被人窃取；无线光通信的设备架设灵活便捷，且成本低廉，适合大规模普及应用。

物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。物联网指的是将无处不在的末端设备和设施，通过各种无线或有线的长距离或短距离通讯网络实现互联互通，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面等管理和服务功能，实现对设备的高效、节能、安全、环保的“管、控、营”一体化。传统的物联网一般通过各种无线或有线的通讯网络实现互联互通，采用传统的通信技术。传统的物联网一般通过各种无线或有线的通讯网络实现互联互通，采用传统的通信技术。

现有技术中，将可见光通信应用于物联网中，俗称光子物联网。光子物联网利用发光二极管LED发出频闪信号，作为光子物联网的无线传播的媒介，经过近距离传播后，再经过光电转换而获得信息。可见光的指向性高，不能穿透障碍物，比使用无线通信方式的物联网具有更高的安全性。目前光子物联网已经存在一些单路的可见光通信加密与解密系统，这种系统在发射端只使用一个可见光发光器，在接收端只使用一个可见光接收器。通过这种可见光通信的加密与解密系统，能使利用高速摄像机进行拍摄并复制出的频闪光信号失效，无法被接收端进行识别，可以有效地杜绝安全隐患。

这种单路的可见光通信加密与解密系统由于只有一个可见光发光器和一个可见光接收器，并且发光器的闪烁频率受限于驱动电路或发光器本身，当驱动电路无法提供更快的“开-关”频率时，可见光发光器发出的可见光的传输速率也会受到限制。

【发明内容】

本发明的目的在于所要解决的技术问题是提供一种基于多路可见光通信的加解扰系统和方法，能够在保证安全性的同时，提高可见光信号的传输速率。

为解决上述技术问题，本发明一实施例提供了一种基于多路可见光通信的加解扰系统，包括加扰系统和解扰系统，所述加扰系统包括第一串并变换器、随单位时间变化状态机状态的第一伪码发生器、至少两个与所述串并变换器和伪码发生器连接的编码器、以及与每个编码器对应连接的发射单元；

所述解扰系统包括与所述发射单元设置的接收单元、随单位时间变化状态机状态的第二伪码发生器、与第二伪码发生器和每个可见光接收单元对应连接的译码器、以及与每个译码器连接的第二串并变换器。

优选的，所述加扰系统还包括：

连接于编码器与发射单元之间的调制器；对应的，

所述解扰系统还包括：

连接于所述可见光接收单元与译码器之间的解调器。

其中，所述第一伪码发生器与所述第二伪码发生器的结构相同；所述第一伪码发生器与所述第二伪码发生器的状态机同步、工作频率相同或存在整数倍的关系。

为解决上述技术问题，本发明另一实施例还提供了一种基于多路可见光通信的加解扰方法，包括：

发射端对原始信号进行串并变换，获得至少两路信号；采用随单位时间变化的第一伪码信号对各路信号进行加扰，获得扰码信号；以可见光信号的形式将各路扰码信号发送出去；

接收端接收各路扰码信号，并采用第二伪码信号对各路扰码信号进行解扰，获得译码信号；对各路译码信号进行串并变换获得原始信号。

优选的，所述以可见光信号的形式将各路扰码信号发送出去之前，还包括：

发射端对各路扰码信号进行调制；相应的，

所述接收端接收各路扰码信号之后，还包括：

接收端对接收的各路扰码信号进行解调。

其中，所述各路信号的频率与所述第一伪码信号的频率相同或存在整数倍的关系；所述第一伪码信号与所述第二伪码信号的频率、且起止相位相同。

优选的，所述方法还包括：

接收端对获得的所述原始数据信号进行鉴权，若通过鉴权，控制与所述接收端连接的功能单元动作。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：由于发射端同时采用多路发射可见光信号，而在接收端也同时使用多路接收单元，与单路的加解扰系统相比，信道容量能成倍地增加，从而提高了传输速率；此外，多路可见光通信的加解扰系统对通信数据进行加扰与解扰，能够防范高速摄像机进行拍摄复制光信号，能够提高光子物联网的安全性。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1，实施例一提供的基于多路可见光通信的加扰系统结构示意图；

图2，实施例一提供的基于多路可见光通信的解扰系统结构示意图；

图3，实施例二提供的基于多路可见光通信的加扰系统结构示意图；

图4，实施例二提供的基于多路可见光通信的解扰系统结构示意图；

图5，实施例三提供的基于多路可见光通信的加解扰方法流程图。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

首先，为了本领域的技术人员更容易理解本发明的技术方案，下面对本发明的技术方案进行简要介绍：

本发明提供了一种光子物联网中多路可见光通信的加解扰系统。这种系统在发射端同时使用多个可见光发光单元，而在接收端也同时使用多个接收单元。与单路的加解扰系统相比，多路的系统的信道容量能成倍地增加，其传输速率是单路系统的N倍，这里N为正整数，取决于多路系统所使用的发光单元和接收单元的个数。此外，多路可见光通信的加解扰系统也能对通信数据进行加扰与解扰，能够防范高速摄像机进行拍摄复制光信号，能够提高光子物联网的安全性。

实施例一、

是本发明实施例一提供的一种基于多路可见光通信的加解扰系统，该加解扰系统包括加扰系统100和解扰系统200。

参见图1，是基于多路可见光通信的加扰系统结构示意图，加扰系统100包括第一串并变换器11，第一串并变换器11的输入端用于接收原始数据（基带数据），输出端为至少两个，具体的个数由实际需求确定。其中,原始数据时一种数字序列信号,在此也称为基带数据。原始数据进入第一串并变换器11，进行串并变换，成为多路信号，目的是将串行数据变为并行处理，能大大提高无线信道容量，提高传输速率。如一个串行的基带二进制数据10010101，若采用单路调制的发射机，按调制每个比特需要一个码片的时间计算，则全部发送完毕需要8个码片时间；如果采用一个8路的调制发射机，进行串并变换后，每一路只对其中一个比特进行调制，则全部发射出去只需要一个码片时间。由此可见，8路的加扰发射机的传输速率为单路加扰发射机的8倍。

第一串并变换器11的每路输出端对应连接有编码器12。编码器12的另一端连接有状态机随单位时间变化的第一伪码发生器13。第一伪码发生器13的频率与每一路基带信号的频率相同或保持整数倍的关系，输出随单位时间变化的伪码信号，如在某一个时间段内，伪码发生器处于状态1，产生1011001这样的一个二进制数字伪码信号，经过一段时间后，伪码发生器会处于状态2，产生0110011这样的一个二进制数字伪伪码信号，如此不断变化。伪码信号与串并变换器11输出的信号共同作为编码器12的输入信号，编码器12对输入的伪码信号和原始信号进行编码加扰，输出扰码信号。

每个编码器12对应连接有发射单元14，用于采用可见光信号的形式发送扰码信号。每个编码器12可以与发射单元14一一对应连接，也可以每个编码器12对应多路发射单元14，根据具体需求设置。发射单元14可以是LED灯。

参见图2，是基于多路可见光通信的解扰系统结构示意图，该解扰系统200包括至少两个可见光接收单元21，用于接收发射单元14发出的表征扰码信号的可见光信号，即接收对应波长的可见光信号，并将接收的可见光信号转换为电信号。

每路可见光接收单元21的输出端连接有译码器22。译码器22分别与第二伪码发生器23和第二串并变换器24连接。每路译码器22采用第二伪码发生器23输出的随单位时间变化的伪码信号对接收的扰码信号进行解扰，解扰后的信号经过第二串并变换器24进行串并变换，输出原始信号（即基带数据）。

其中，第二伪码发生器23与第一伪码发生器13的构造一致，并随单位时间而进行同步的变化；第二伪码发生器23产生的伪码信号的码型的起止相位与第一伪码发生器13产生的伪码信号的码型的起止相位相同。

实施例二、

参见图3，是本发明实施例二提供的基于多路可见光通信的加扰系统结构示意图，该加扰系统相对于实施例一，还包括：加扰系统100还包括连接于编码器12与发射单元14之间的调制器15，用于对编码器12输入的扰码信号进行调制。

参见图4，是本发明实施例二提供的基于多路可见光通信的解扰系统结构示意图，该解扰系统200相对于实施例一，还包括：连接于可见光接收单元21与译码器22之间的解调器25，用于对可见光接收单元21接收的可见光信号进行解调。

实施例三、

参见图5，是本发明实施例三提供的一种基于多路可见光通信的加解扰方法流程图，该加解扰方法包括：

S301：发射端对原始信号进行串并变换，获得至少两路并行的信号。

例如，采用8路通信系统，原始信号（基带信号）为一个32位比特的二进制串行数字序列11000101011110000011011011010110，按8比特为1组，将其分为4路信号，分别为11000101，01111000，00110110和11010110。

S302：发射端采用随单位时间变化的第一伪码信号对每路信号进行加扰，获得扰码信号。

假设在T1单位时间内第一伪码信号为1101。在第一个码片时间内，第一组原始信号（基带信号）11000101经过串并变换后，每一个比特输出到对应的一路编码器中，如第一个比特在第一路，第二个比特在第二路，…第八个比特在最后一路；同时，第一伪码信号的第一个比特为1。在第二个码片时间内，第二组基带信号01111000也是每一个比特输出到对应的每一路编码器中，而第一伪码信号的第二个比特为1。以此类推，在4个码片时间内，对基带数据和伪码信号进行编码，即对它们进行异或的过程表如下：

表1  T1单位时间内编码过程表

从表1可知，T1时间内进行编码调制后，发射器按码片时间的先后顺序共输出4组数据，分别为00111010，10000111，00110110和00101001，其中每一组中的每一个比特对应着其中一路的发光单元，“1”代表对应的LED亮，“0”代表对应的LED熄灭；或者“0”代表对应的LED亮，“1”代表对应的LED熄灭。将上面先发发出的4组扰码信号合并后，可以看出合并后的扰码信号与原始信号11000101011110000011011011010110不相同，对原始基带数据起到了一定的加密作用。此外，如果用单路的可见光通信系统，调制发射32比特的基带信号需要32个码片时间，而采用本发明所举例的8路可见光通信系统，只需要4个码片时间，传输速率提高了8倍。

相隔一段时间后，假设所处的时间段为T2,第一伪码信号变为0110，假设原始信号不变，则在4个码片时间内，基带数据和第一伪码信号编码的过程表如表2所示：

表2  T2单位时间内编码过程表

从表2可知，T2时间内进行卷积编码调制后，发射器按码片时间的先后顺序共输出4组数据，分别为11000101，10000111，11001001和11010110，它们合并后与原始信号不相同，并且与T1时间内输出的扰码信号也不同，同样起到了加密作用。

S303：发射端分别对每路扰码信号进行调制，获得调制信号。

S304：发射端以可见光信号将每路调制信号发送出去。

例如，发射端通过多个LED同时发出多路波长各不同的可见光信号。

S305：接收端对发射端发射的每路可见光信号进行接收，并转化为数字信号。

例如，发射端发射的多路波长各不同的可见光信号经空中短距离传播后，接收端有相对应波长的可见光收单元进行接收，在T1时刻，接收端在4个码片时间内共收到4组与发射端发出的相同的信号，分别为00111010，10000111，00110110和00101001。

S306：接收端对接收的每路数字信号进行解调，获得各路解调信号。

S307：接收端采用随单位时间变化的第二伪码信号对各路解调信号进行译码，或者各路译码信号。

例如，在第一个码片时间内，将收到00111010，这时接收端中每一路对应其中一个比特。第二伪码信号与第一伪码信号相同，都是1101，第一个码片时间对应比特1，第二个码片时间对应比特1，第三个码片时间对应比特0，第四个码片时间对应比特1。在4个码片时间内，接收到的加扰信号和第二伪码译码，即对它们进行异或的过程表如下：

表3  T1单位时间内译码过程表

从表3可知，T1时间内译码在第一个码片时间内输出的译码信号为11000101，第二个码片时间内输出的译码信号为01111000，第三个码片时间内输出的译码信号为00110110，第四个码片时间内的输出的译码信号为11010110。

当时间到达T2时间内时，可见光接收机在4个码片时间内共收到4组与发射机发出的相同的数据，这时收到的数据发生了变化，变为了11000101，10000111，11001001和11010110。在第一个码片时间内，收到的是11000101，这时接收器中每一路对应其中一个比特，…在第4个码片时间内，收到的是11010110。而此时，第二伪码信号变为0110，在第1个码片时间产生比特0，第二个码片时间产生比特1，…第4个码片时间产生比特0。在4个码片时间内，接收到的加扰信号和伪码信号译码，即对它们进行异或的过程表如下：

表4  T2单位时间内译码过程表

从表4可知，T2时间内译码在第一个码片时间内输出的译码信号为11000101，第二个码片时间内输出的译码信号为01111000，第三个码片时间内输出的译码信号为00110110，第四个码片时间内输出的译码信号为11010110。

S308：接收端对各路译码信号进行串并变换，获得原始信号。

例如，表3中四个码片时间内输出的译码信号进行并串变换后，得到最终的输出数据11000101011110000011011011010110，与原始信号完全相同，实现了正确的解密。表4中四个码片时间内输出的译码信号在并串变换器进行并串变换后，得到最终的输出数据11000101011110000011011011010110，与原始信号和表3输出的信号相同，从而实现了正确的解密。

至此，发射端与接收端之间完成了信号传输，在具体的实施过程中还包括如下步骤：

309：接收端对获得的原始信号进行鉴权，若通过鉴权，控制与所述接收端连接的功能单元动作。

本发明所描述的多路可见光通信的加扰和解扰系统除了能提高传输速率外，也能防止高速摄像机拍摄以获取频闪光信号。例如，在T1单位时间内，发射端在4个码片时间内所发出可见光信号即4组数字序列00111010，10000111，00110110和00101001假若被高速摄像机捕获，并进行了信号复制，然后制作成了相同的8路信号。但在其发射端制作完成时，时间上可能已经经过一单位时间，比如到了T2所在的时间，由实施例三所述的例子可知，当复制的可见光信号按每一码片单位时间进行逐组发射时，此时伪码发生器在4个码片时间内产生的伪码序列为0110。同理也是在第1个码片时间产生比特0，第二个码片时间产生比特1，…第4个码片时间产生比特0。当用复制的信号去输入到接收端时，按前面所述的方法，在4个码片时间内，复制的信号和伪码序列的异或结果如下表所示：

表5  T2单位时间复制数据的译码过程表

从表5可知，T2单位时间内复制的信号尝试译码并经过并串变换器进行并串变换后的输出数据为00111010011110001100100100101001，与原始信号11000101011110000011011011010110是不相同的，即这种被复制的信号并没有被正确地译码，是非法的信号，是不能被接收端所识别的。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于多路可见光通信的加解扰系统，其特征在于，包括加扰系统和解扰系统，所述加扰系统包括第一串并变换器、随单位时间变化状态机状态的第一伪码发生器、至少两个与所述串并变换器和伪码发生器连接的编码器、以及与每个编码器对应连接的发射单元；

所述加扰系统的发射端对原始信号进行串并变换，获得至少两路信号；采用随单位时间变化的第一伪码信号对各路信号进行加扰，获得扰码信号；以可见光信号的形式将各路扰码信号发送出去；

所述解扰系统包括与所述发射单元对应设置的至少两个接收单元、随单位时间变化状态机状态的第二伪码发生器、与第二伪码发生器和每路接收单元对应连接的译码器、以及与每个译码器连接的第二并串变换器；

所述解扰系统的接收端接收各路扰码信号，并采用第二伪码信号对各路扰码信号进行解扰，获得译码信号；对各路译码信号进行并串变换获得原始信号；

所述第一伪码发生器与所述第二伪码发生器的状态机同步、工作频率相同或存在整数倍的关系。

2.根据权利要求1 所述的系统，其特征在于，所述加扰系统还包括：连接于编码器与发射单元之间的调制器。

3.根据权利要求2 所述的系统，其特征在于，所述解扰系统还包括：连接于所述可见光接收单元与译码器之间的解调器。

4.根据权利要求1 所述的系统，其特征在于，所述第一伪码发生器与所述第二伪码发生器的结构相同。

5.一种基于多路可见光通信的加解扰方法，其特征在于，包括：发射端对原始信号进行串并变换，获得至少两路信号；采用随单位时间变化的第一伪码信号对各路信号进行加扰，获得扰码信号；以可见光信号的形式将各路扰码信号发送出去；

接收端接收各路扰码信号，并采用第二伪码信号对各路扰码信号进行解扰，获得译码信号；对各路译码信号进行并串变换获得原始信号；

所述各路信号的频率与所述第一伪码信号的频率相同或存在整数倍的关系；所述第一伪码信号与所述第二伪码信号的频率、且起止相位相同。

6.根据权利要求5 所述的方法，其特征在于，所述以可见光信号的形式将各路扰码信号发送出去之前，还包括：发射端对各路扰码信号进行调制。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述接收端接收各路扰码信号之后，还包括：接收端对接收的各路扰码信号进行解调。

8.根据权利要求5 所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：接收端对获得的所述原始数据信号进行鉴权，若通过鉴权，控制与所述接收端连接的功能单元动作。