0 引言

    可见光通信（VLC）具有成本低、功耗小、安全性高、无电磁污染等优点，被视为解决当前无线频谱资源紧缺的一项新兴技术[1]。VLC技术分为2种：一种是采用单个光电二极管（PD）作为探测器，另一种是采用电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）成像器件作为接收机。基于单个PD的VLC系统通过采用均衡、正交频分复用（OFDM）、多进制正交幅度调制（MQAM）等先进调制技术，或采用多输入多输出（MIMO）结合不同的调制技术来提高数据传输速率。目前，基于单个PD的通信系统最高通信速率已经达到了Gb/s[2]。采用成像器件的VLC被称为光学相机通信（OCC），是VLC最实用的变体[3]。此外，智能设备的普及为OCC的实用化提供了极大便利。手机、笔记本电脑、行车记录仪以及其它内置摄像头的设备都可以作为OCC的接收机进行通信，大大节省了接收端的铺设成本。OCC有着诸如智能交通、室内定位、机场、医院等场所的屏幕-相机通信等应用场景[4]。

    然而，OCC也面临着诸多挑战，比如接收端相机帧率较低（一般为30 f/s或60 f/s）。在这种低帧率的限制下，OCC的传输速率只能达到每秒几十比特[5]。利用相机卷帘快门传输是突破这一上限的一种有效方案[6]。卷帘快门将信息记录为图像中的明暗条纹，可以从条纹的宽度信息中解调出原始信息，以此来获得大于相机帧率的数据传输速率。张龙等人[7]提出了一种基于三原色的红绿蓝LED（RGB-LED）的OCC实现方案，以波分复用的方式分别对R、G、B灯芯进行调制，在智能手机上实现了21.6 kb/s的信息传输。但此种基于解调条纹宽度的传输方式往往需要在接收端进行复杂的图像处理过程，增加了图像解码过程中的时间开销。另一种有效解决方案是将MIMO结构引入OCC系统中。以LED阵列作为系统的发射端，阵列上每个LED都作为一个可以被单独调制的发射机，相机图像传感器上的像素可以被视为一个高度定向的接收元素阵列。LED阵列和相机的成像平面形成多个独立的自由空间通信链路并行传输信息。孙玉凤等人[8]在以4×4LED阵列为发射端的通信系统中，实现了5 m范围内126.3 b/s的通信速率。由于只使用了单色光进行开关键控（OOK）调制，所以未能发挥彩色相机对颜色处理所带来的传输速率倍增的优势。颜色强度调制（CIM）结合MIMO的实现方式能带来传输速率的大幅度提升[4]，但由于在信道传输过程中颜色的稀释使得基于颜色灰度级的识别较困难，因此有很多学者专门进行视觉MIMO系统中颜色识别的研究。为了提升OCC系统的传输速率，本文提出一种基于彩色LED阵列的OCC系统。

3 结束语

    针对OCC系统中存在传输速率低的问题，本文提出了以彩色LED阵列为发射端、手机摄像头为接收端的OCC系统，以空间多路复用结合颜色调制的方式来提升系统的传输速率，设计了一种特殊的帧结构解决收发端同步问题，并确定了最适合本系统的发射端阵列刷新率。以透视矫正、偏转检验来适应相机视场角的变化，提升了系统稳定性；同时，探究了距离对通信误码率的影响，以2个LED组合为1个单元进行信息发送，增大了系统有效传输距离，并提出了以神经网络分类器进行LED颜色识别，提高了图像解码的准确率。下一步将研究更加先进的图像处理算法提高颜色分辨率，采用更多颜色进行信息传递，进而提高系统通信速率，并进一步探索该技术的实际应用价值。