基于可见光通信技术的全双工以太网通信系统设计

doi:10.12263/DZXB.20210244

电子学报 ›› 2022, Vol. 50 ›› Issue (1): 45-53.DOI: 10.12263/DZXB.20210244

• 无线光通信及其组网技术 • 上一篇下一篇

基于可见光通信技术的全双工以太网通信系统设计

卢霆威¹, 王泽平¹, 刘梦¹, 刘青青², 陈兵³, 林岳¹, 吴挺竹¹, 陈忠¹

^1.厦门大学电子科学与技术学院，福建厦门 361005
^2.中国移动通信集团福建有限公司厦门分公司，福建厦门 361005
^3.福建越众科技发展有限公司，福建福州 350000

收稿日期:2021-02-05 修回日期:2021-06-11 出版日期:2022-01-25 发布日期:2022-01-25
作者简介:卢霆威男，1997年11月出生，福建三明人.现为厦门大学大学电子科学与技术学院在读硕士生.主要研究方向为可见光通信技术. E-mail：33320191150296@stu.xmu.edu.cn
吴挺竹（通信作者）男，1985年12月出生，福建宁德人.现为厦门大学电子科学与技术学院副教授，研究生导师.主要研究方向为可见光通信技术、Micro-LED全彩化显示等. E-mail：wutingzhu@xmu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11904302);厦门市重大科技项目(3502Z20191015)

Full-Duplex Indoor Ethernet Communication System Based on Visible Light Communication

LU Ting-wei¹, WANG Ze-ping¹, LIU Meng¹, LIU Qing-qing², CHEN Bing³, LIN Yue¹, WU Ting-zhu¹, CHEN Zhong¹

^1.School of Electronic Science and Engineering，Xiamen University，Xiamen，Fujian 361005，China
^2.Xiamen Branch of China Mobile Communications Group Fujian Co. ，Ltd. ，Xiamen，Fujian 361005，China
^3.Fujian Yue Zhong Science and Technology Development Co. ，Ltd. ，Fuzhou，Fujian 350000，China

Received:2021-02-05 Revised:2021-06-11 Online:2022-01-25 Published:2022-01-25

摘要/Abstract

摘要：

利用可见光通信技术来传输以太网信号能够克服传统无线通信速率低、频谱资源紧张、使用场景受限等缺点.针对传统的可见光通信系统难以实现高速以太网通信的问题，本文设计了满足以太网技术要求的全双工可见光通信系统.系统主要包括以太网接口处理电路、差分转单端、单端转差分电路、光源驱动电路、光电检测电路，上、下行链路都采用可见光通信技术对以太网信号进行透明传输，无须调制即可实现高速以太网通信.经测试，本系统可在通信距离为10 m的情况下实现100 Mbps以太网的全双工通信.

关键词: 可见光通信, 以太网, 激光传输, 全双工通信, 硬件电路

Abstract:

Using visible light communication technology to transmit Ethernet signals can overcome the disadvantages of traditional wireless communication, such as low communication rate, tight spectrum resources and restricted application scenarios. Aiming at the problem that the traditional visible light communication system is difficult to realize the bidirectional Ethernet communication, this paper designs a full duplex visible light communication system to meet the technical requirements of Ethernet. This system mainly includes Ethernet extraction circuit, differential to single-ended circuit, single-ended to differential circuit, drive circuit and photoelectric detection circuit. Visible light communication technology is used to transmit Ethernet signals transparently in the both uplink and downlink of the system, which can realize high-speed communication without modulation. The experimental results show that the system can realize 100Mbps Ethernet full duplex communication under the condition of 10 meters communication distance.

Key words: visible light communication, Ethernet, laser transmission, full duplex communication, hardware circuit

中图分类号:

TN929.14

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.

LU Ting-wei, WANG Ze-ping, LIU Meng, LIU Qing-qing, CHEN Bing, LIN Yue, WU Ting-zhu, CHEN Zhong. Full-Duplex Indoor Ethernet Communication System Based on Visible Light Communication[J]. Acta Electronica Sinica, 2022, 50(1): 45-53.

图/表 18

图1 本文全双工可见光通信链路

图2 光源驱动电路

图3 单级升压电路

图4 多级倍压电路

图5 高速I-V转换电路

图6 以太网信号提取电路

图7 差分转单端电路

图8 单端转差分电路

图9 集成后的PCB版图以及实物图

图10 系统集成封装后的成品图

图11 系统所用激光器的光谱与频率响应

图12 系统性能测试链路

图13 整体系统频率响应

图14 系统不同传输速率下的眼图情况

图15 系统不同传输速率下的误码率情况

图16 基于可见光的室内全双工以太网通信实验平台

图17 采用网线直连方式以及本文系统连网方式上网时，设备的上传、下载网速测试结果对比

图18 输入系统前后的以太网信号对比

参考文献 20

1	迟楠, 胡昉辰, 周盈君. 高速可见光通信技术的挑战与展望[J]. 中兴通讯技术, 2019, 25(5): 56-61.
	CHI N, HU F C, ZHOU Y J. The challenges and prospects of high-speed visible light communication technology[J]. ZTE Technology Joural, 2019, 25(5): 56-61. (in Chinese)
2	CHEN H S W, HUANG Y M, CHANG Y H, et al. High-bandwidth green semipolar (20-21) InGaN/GaN micro light-emitting diodes for visible light communication[J]. ACS Photonics, 2020, 7(8): 2228-2235.
3	CHEN H S W, SHEN C C, WU T, et al. Full-color monolithic hybrid quantum dot nanoring micro light-emitting diodes with improved efficiency using atomic layer deposition and nonradiative resonant energy transfer[J]. Photonics Research, 2019, 7(4): 416-422.
4	KANG C H, DURSUN I, LIU G, et al. High-speed colour-converting photodetector with all-inorganic CsPbBr3 perovskite nanocrystals for ultraviolet light communication[J]. Light: Science & Applications, 2019, 8(1): 94.
5	CHEN Z L, LIU Z Q, WEI T B, et al. Improved epitaxy of AlN film for deep-ultraviolet light-emitting diodes enabled by graphene[J]. Advanced Materials, 2019, 31(23): 8.
6	KONTHOUJAM J, SINGH, HUANG Y M, et al. Micro-LED as a promising candidate for high-speed visible light communication[J]. Applied Sciences-Basel, 2020, 10(20): 7384.
7	LIU J, WANG J, SUN X, et al. InGaN-based quantum well superluminescent diode monolithically grown on Si[J]. ACS Photonics, 2019, 6(8): 2104-2109.
8	MINOTTO A, HAIGH P A, LUKASIEWICZ L G, et al. Visible light communication with efficient far-red/near-infrared polymer light-emitting diodes[J]. Light: Science & Applications, 2020, 9(1): 11.
9	TIAN P, CHEN H, WANG P, et al. Absorption and scattering effects of Maalox, chlorophyll, and sea salt on a micro-LED-based underwater wireless optical communication[J]. Chinese Optics Letters, 2019, 17(10): 61-68.
10	母一宁, 杜月, 李野, 等. 空间光通信用复合波导阳极微通道光电倍增管[J]. 电子学报, 2016, 44(11): 2812-2816.
	MU Y N, DU Y, LI Y, et al. Complex waveguide anode micro-channel plate-photomultiplier tube(MCP-PMT) for space optical communication[J]. Acta Electronica Sinica, 2016, 44(11): 2812-2816. (in Chinese)
11	迟楠, 石蒙, 哈依那尔, 等. LiFi:可见光通信技术发展现状与展望[J]. 照明工程学报, 2019, 30(1): 1-9.
	CHI N, SHI M, HAYI N E, et al. LiFi: Development status and prospects of visible light communication technology[J]. China Illuminating Engineering Journal, 2019, 30(1): 1-9. (in Chinese)
12	KOMINE T, HARUYAMA S, NAKAGAWA M. A study of shadowing on indoor visible-light wireless communication utilizing plural white LED lightings[J]. Wireless Personal Communications, 2005, 34(1-2): 211-225.
13	KIRAVUO T, SARELA M, MANNER J. A survey of ethernet LAN security[J]. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 2013, 15(3): 1477-1491.
14	雷维嘉, 周洋. MIMO全双工双向通信系统平均保密和速率的优化[J]. 电子学报, 2020, 48(6): 1041-1051.
	LEI W J, ZHOU Y. The optimization of average secrecy sum rate for MIMO full duplex two-way communication systems[J]. Acta Electronica Sinica, 2020, 48(6): 1041-1051. (in Chinese)
15	杨玉峰, 蒋明争, 张颖, 等. 基于单光源的全双工可见光通信系统设计[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(1): 78-86.
	YANG Y F, JIANG M Z, ZHANG Y,et al. Design of Full Duplex Visible Light CommunicationSystem Bassed on Single Light Source[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2019, 56(1): 78-86. (in Chinese)
16	CI H N, CHANG H L, WANG R Y, et al. Enhancement of heat dissipation in ultraviolet light-emitting diodes by a vertically oriented graphene nanowall buffer layer[J]. Advanced Materials, 2019, 31(29): 8.
17	LIU X, LIN R, CHEN H, et al. High-bandwidth InGaN self-powered detector arrays toward MIMO visible light communication based on micro-LED arrays[J]. ACS Photonics, 2019, 6(12): 3186-3195.
18	BONI A, PIERAZZI A, VECCHI D. LVDS I/O interface for Gb/s-per-pin operation in 0.35-/spl mu/m CMOS[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2001, 36(4): 706-711.
19	LIN W Y, CHEN C Y, LU H H, et al. 10m/500Mbps WDM visible light communication systems[J]. Optics Express, 2012, 20(9): 9919-9924.
20	HUANG X, WANG Z, SHI J, et al. 1.6 Gbit/s phosphorescent white LED based VLC transmission using a cascaded pre-equalization circuit and a differential outputs PIN receiver[J]. Optics Express, 2015, 23(17): 22034-22042.

[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]	蒋万春, 廖凯琴. 节能以太网的节能策略综述[J]. 电子学报, 2021, 49(9): 1830-1839.
[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]	孙建鹏, 刘欣, 洪应平, 何鑫, 熊继军. 基于DP83640的以太网时钟同步方法设计[J]. 电子学报, 2021, 49(5): 1033-1040.
[6]	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.
[7]	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.
[8]	冯文江, 刘国岭, 孔乾坤, 包涛涛, 唐冰蓝, 应腾达. 非正交全双工双向中继系统差错性能分析[J]. 电子学报, 2018, 46(6): 1397-1403.
[9]	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.
[10]	陈昕;周拥军;蒋文保;万剑雄. AFDX协议性能分析及调度算法研究[J]. 电子学报, 2009, 37(5): 1000-1005.
[11]	梁永生;张基宏;张乃通. IEEE标准容限内以太网转发时延的测试与分析[J]. 电子学报, 2008, 36(1): 46-50.
[12]	杨壮, 何岩, 张傲. 基于千兆以太网的无源光网络系统及其实现技术[J]. 电子学报, 2004, 32(S1): 78-81.
[13]	沈钢;魏震;蔡云泽;许晓鸣;何星;张卫东. 一种实时以太网介质访问控制协议的时延性能分析[J]. 电子学报, 2003, 31(2): 175-179.
[14]	邬海涛, 林宇, 孙亮, 程时端. WLFVC:WLAN中的分布式公平调度机制[J]. 电子学报, 2002, 30(S1): 2071-2074.

基于可见光通信技术的全双工以太网通信系统设计

Full-Duplex Indoor Ethernet Communication System Based on Visible Light Communication

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 18

参考文献 20

相关文章 14

编辑推荐

Metrics