一种面向光学相机通信系统的数据帧结构

doi:10.12263/DZXB.20200886

电子学报 ›› 2021, Vol. 49 ›› Issue (10): 1873-1880.DOI: 10.12263/DZXB.20200886

所属专题：无线光通信及其组网技术

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一种面向光学相机通信系统的数据帧结构

白勃¹, 苏博², 李静磊¹, 柯熙政³

^1.西安电子科技大学通信工程学院, 陕西西安 710071
^2.西安电子科技大学空间科学与技术学院, 陕西西安 710071
^3.西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西西安 710048

收稿日期:2020-08-15 修回日期:2020-11-20 出版日期:2021-11-30
- 作者简介:
- 白勃（通信作者）男,1985年7月出生,陕西咸阳人.现为西安电子科技大学通信工程学院副教授、硕士生导师.主要研究方向为无线光通信、无线定位技术.E-mail:bbai@xidian.edu.cn
  苏博男,1982年4月出生，陕西西安人.现为西安电子科技大学空间科学与技术学院副教授、硕士生导师.主要研究方向为无线通信技术.E-mail:bsu@xidian.edu.cn
  李静磊男,1985年9月出生，河南洛阳人.现为西安电子科技大学通信工程学院讲师、硕士生导师.主要研究方向为无线通信技术.E-mail:jlli@xidian.edu.cn
  柯熙政男,1962年10月出生，陕西临潼人.现为西安理工大学自动化与信息工程学院教授、博士生导师.主要研究方向为无线光通信技术.E-mail:xzke@263.net
- 基金资助:
- 国家自然科学基金 (61801356); 陕西省重点研发计划课题 (2020ZDLGY05-02); 2020年度中央高校基本科研业务费创新创业专项 (14)

Data Frame Structure for Optical Camera Communication System

BAI Bo¹, SU Bo², LI Jing-lei¹, KE Xi-zheng³

^1.School of Telecommunications Engineering, Xidian University, Xi’an, Shaanxi 710071, China
^2.School of Aerospace Science and Technology, Xidian University, Xi’an, Shaanxi 710071, China
^3.School of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an, Shaanxi 710048, China

Received:2020-08-15 Revised:2020-11-20 Online:2021-11-30 Published:2021-10-25
- Supported by:
- National Natural Science Foundation of China (61801356); Subject of Key Research and Development Project of Shanxi Province (2020ZDLGY05-02); Innovation and Entrepreneurship Project of Fundamental Research Funds for the Central Universities in 2020 (14)

摘要/Abstract

摘要：

针对光学相机通信（Optical Camera Communication，OCC）链路收发两端不同步和相机帧间间隔等因素引起OCC链路数据丢失的问题，本文在分析相机接收机卷帘快门工作机制的基础上，研究了光电二极管(Light Emitting Diode，LED)-相机OCC链路的基本工作原理，以及相机像素行数、像素行读取时间、拍摄帧速率、拍摄角度姿态等因素对OCC链路数据传输速率、链路丢帧率等参数的影响，并针对OCC链路的特点，设计了一种新型的适用于OCC链路的数据帧结构.通过对比分析发现，使用该数据帧的OCC链路，可以有效地解决收发端不同步和相机帧间间隔引起的OCC链路数据丢失的问题，优于常用的交错Hamming码和Raptor码帧结构.最后，本文设计搭建了相关的OCC链路测试平台，通过对比数字仿真结果和实际测量结果，验证了理论分析的有效性.

关键词: 光学相机通信, 可见光通信, 数据帧结构, 卷帘快门, 数据传输速率, 丢帧率

Abstract:

Aiming to fix the data loss problem of optical camera communication (OCC) data link resulted from the lack of sync between the camera and the LED signal lamp, as well as the gap time between every two consecutively captured pictures, the fundamental principle of LED-camera based OCC data link, camera parameters like pixel row number, pixel read out time, frame rate and shooting angle are analyzed in detail in this paper. Based on the characteristics of the OCC data link, a new data frame structure is proposed in this paper. When compared to the related data frame structure like interleaved Hamming coding and Raptor coding, the proposed date frame structure has a higher data transmission rate, and has the capability to fix both the inter-frame and intra-frame data loss problems. Numerical and measurement results both prove the validity of the theoretical analysis, finally.

Key words: optical camera communication, visible light communication, data frame structure, rolling shutter, data transmission rate, frame loss rate

中图分类号:

N929.1

白勃, 苏博, 李静磊, 柯熙政. 一种面向光学相机通信系统的数据帧结构[J]. 电子学报, 2021, 49(10): 1873-1880.

BAI Bo, SU Bo, LI Jing-lei, KE Xi-zheng. Data Frame Structure for Optical Camera Communication System[J]. Acta Electronica Sinica, 2021, 49(10): 1873-1880.

图/表 12

参考文献 13

1	姜珊,胡贵军,王海燕,等. 基于彩色二维条码流的Display-to-Camera通信系统[J]. 电子学报, 2016, 44(4): 767－774.
	JiangS, HuG J, WangH Y, et al. Colorful 2D code streaming for display-to-camera communication system[J]. Acta Electronica Sinica, 2016, 44(4): 767－774. (in Chinese)
2	NguyenT, IslamA, YamazatoT, et al. Technical issues on IEEE 802.15.7m image sensor communication standardization[J]. IEEE Communications Magazine, 2018, 56(2):213－218.
3	ChowC, ChenC, ChenS. Visible light communication using mobile-phone camera with data rate higher than frame rate[J]. Optics Express, 2015, 23(20): 26080－26085.
4	IEEE 802.15.7-2018, IEEE Standard for Local and metropolitan area networks-Part 15.7 Short-Range Optical Wireless Communications[S].
5	BaiB, SuB, NanC,et al. A high precision positioning method based on high speed camera and visible light[A]. 2017 Asia Communications and Photonics Conference[C]. New York, USA: IEEE, 2017. 1－3.
6	ItohS, TakaiI, SarkerM S Z, et al. A CMOS image sensor for 10Mb/s 70m-range LED based spatial optical communication[A]. 2010 IEEE International Solid-State Circuits Conference[C]. New York, USA: IEEE, 2010. 1－3.
7	ChenC W, ChowC W, LiuY, et al. Efficient demodulation scheme for rolling-shutter-patterning of CMOS image sensor based visible light communications[J]. Optics Express, 2017, 25(20): 24362－24367.
8	NguyenD T, ParkY. Data rate enhancement of optical camera communications by compensating inter-frame gaps[J]. Optics Communications, 2017, 394:56－61.
9	YangF, LiS N, YangZ, et al. Spatial multiplexing for non-line-of-sight light-to-camera communications[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2019, 18(11): 2660－2671.
10	YangY B, HaoJ, LuoJ. CeilingTalk: Lightweight indoor broadcast through LED-camera communication[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2017, 16(12):3308－3319.
11	HaoJ, YangY, LuoJ, et al. CeilingCast: Energy efficient and location-bound broadcast through LED-camera communication[A]. IEEE Infocom 2016 35th Annual IEEE International Conference on Computer Communications[C]. New York, USA: IEEE, 2010. 1－9.
12	LeN, LeT, NguyenT, et al. Synchronization issue for optical camera communications[A]. 2015 7th International Conference on Ubiquitous and Future Networks[C]. New York, USA: IEEE, 2015. 1－5.
13	GuanW P, WuY X, XieC Y, et al. Performance analysis and enhancement for visible light communication using CMOS sensors[J]. Optics Communications, 2018, 401:531－551.

系统参数	取值
相机像素行数 N_ROW	1080
像素行读取时间 T_read	6.45us
拍摄帧速率 R_frame	30fps
相机曝光时间T_exp	200us
相机径向扭曲参数 k	［0.031862， -0.101764］
相机切向扭曲参数 p	［-0.001285， 0.001716］
像素宽度W_pixel	1.22um
成像透镜焦距 f	3mm
LED面板灯直径 S	10cm
LED 面板灯额定电压	12V
LED面板灯额定功率	3W
调制频率 R_bit	5kHz
收发两端距离 D	20cm

系统参数	取值
相机像素行数 N_ROW	1080
像素行读取时间 T_read	6.45us
拍摄帧速率 R_frame	30fps
相机曝光时间T_exp	200us
相机径向扭曲参数 k	［0.031862， -0.101764］
相机切向扭曲参数 p	［-0.001285， 0.001716］
像素宽度W_pixel	1.22um
成像透镜焦距 f	3mm
LED面板灯直径 S	10cm
LED 面板灯额定电压	12V
LED面板灯额定功率	3W
调制频率 R_bit	5kHz
收发两端距离 D	20cm

手机品牌	手机型号	前置相机分辨率	拍摄帧速率	行像素读取时间（us）	拍摄帧间隔时间（ms/%）
苹果	iPhone 6 plus	1920×1080	30.00	21.42	10.20/30.60
苹果	iPhone 5s	1920×1080	29.98	20.65	11.03/33.10
苹果	iPhone 4s	1920×1080	29.87	24.38	7.04/21.03
HTC	New One	1920×1080	29.94	29.08	12.79/38.30
三星	Galaxy S4	1920×1080	29.93	25.53	5.84/17.48

手机品牌	手机型号	前置相机分辨率	拍摄帧速率	行像素读取时间（us）	拍摄帧间隔时间（ms/%）
苹果	iPhone 6 plus	1920×1080	30.00	21.42	10.20/30.60
苹果	iPhone 5s	1920×1080	29.98	20.65	11.03/33.10
苹果	iPhone 4s	1920×1080	29.87	24.38	7.04/21.03
HTC	New One	1920×1080	29.94	29.08	12.79/38.30
三星	Galaxy S4	1920×1080	29.93	25.53	5.84/17.48

[1]	李世银, 鲁姗妹, 马帅, 张凡, 徐子涵, 王洪梅, 李宗艳, 熊海良. 有限字符输入DCO-OFDMA系统的资源分配算法研究[J]. 电子学报, 2022, 50(3): 574-584.
[2]	左婷, 王法松, 张建康, 李睿. 室内可见光通信系统中基于压缩感知的空移键控信号检测方法[J]. 电子学报, 2022, 50(1): 36-44.
[3]	卢霆威, 王泽平, 刘梦, 刘青青, 陈兵, 林岳, 吴挺竹, 陈忠. 基于可见光通信技术的全双工以太网通信系统设计[J]. 电子学报, 2022, 50(1): 45-53.
[4]	张芳鑫, 王法松, 李睿, 左婷. GSSK‑VLC系统中基于SVM的LED选择算法[J]. 电子学报, 2021, 49(7): 1400-1405.
[5]	金建力, 路慧敏, 陈丹阳, 况荡, 于彤军, 王建萍. 一种抗可见光蜂窝网小区间干扰的光学发射天线设计[J]. 电子学报, 2021, 49(10): 1975-1981.
[6]	姜珊, 胡贵军, 王海燕, 李莉. 基于彩色二维条码流的Display-to-Camera通信系统[J]. 电子学报, 2016, 44(4): 767-774.
[7]	吴国福;窦强;温俊;宋磊;窦文华. P2P流媒体系统最大数据传输速率研究[J]. 电子学报, 2012, 40(3): 459-465.

一种面向光学相机通信系统的数据帧结构

Data Frame Structure for Optical Camera Communication System

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图/表 12

参考文献 13

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