用于可見光通信系統中時鐘自動調整的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種用于自動調整可見光通信系統中的時鐘的方法，該可見光通信系統包括接收端和至少一個發射端。該方法包括：接收來自該至少一個發射端中的第一發射端的可見光信號；根據接收自該第一發射端的該可見光信號確定該第一發射端的時鐘變化參數和該接收端的時鐘變化參數；根據該第一發射端的該時鐘變化參數和該接收端的該時鐘變化參數確定該第一發射端的時鐘快慢因子；以及根據該第一發射端的該時鐘快慢因子每隔預定時間更新接收端本地存儲的該第一發射端的該時鐘信息。
【專利說明】用于可見光通信系統中時鐘自動調整的方法和裝置
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種可見光通信系統，尤其涉及自動調整可見光通信系統中的時鐘。
【背景技術】
[0002] 可見光通信技術是一種在LED技術上發展起來的新型無線光通信技術。通過LED 光源的高頻率閃爍來進行通信，有光代表1，無光代表〇,可見光通信的傳輸速率最高達每 秒千兆。可見光通信有著相當豐富的頻譜資源，這是包括微波通信在內的一般無線通信無 法比擬的。同時，可見光通信可以適用任何通信協議、適用于任何環境，并且可見光通信的 設備架設靈活便捷、成本低廉，適合大規模普及應用。
[0003] 可見光通信系統利用可見光進行近距離通信，可見光的指向性高，不能穿透障礙 物，比使用無線通信方式具有更高的安全性。目前已有一些可見光通信系統開始應用，如光 子物聯網中的門禁系統等。這種門禁系統利用可見光進行單向傳輸。發射端中的身份（ID) 信息通過脈沖調制和電光轉換，變成可見光信號被發射出去。接收端將接收到的可見光信 號轉化為電信號，從中獲得發射端的ID信息，并將其發送至門禁控制器進行ID權限判斷， 確定是否打開門鎖。
[0004]為了使可見光通信更安全，防止高速攝像機進行拍攝以復制同樣頻閃的光信號來 獲得打開門鎖的ID權限，這種門禁系統還可采用同步方式對發射端和接收端分別進行加 密和解密。換言之，用于加密和解密的密鑰分別在發射端和接收端隨時間進行同步變化。
[0005]實踐中，用于加密和解密的密鑰分別在發射端和接收端隨各自的時鐘系統進行變 化。由于每個時鐘系統所用的晶振的頻率都存著一定的誤差。當可見光通信系統中的發射 端和接收端的晶振頻率存在誤差時，隨著運行的時間越長，收發兩端時鐘系統的誤差就越 大，從而導致收發兩端的系統時間不能進行同步變化，進而使得收發兩端的加密和解密密 鑰也不能同步。以標準時間為參照，可能發射端的時鐘系統走的慢，接收端的時鐘系統走的 快，或反之。在發射端慢、接收端快的情形中，當發射端的狀態機還處于狀態N時，可能接收 端的狀態機已經跳變至狀態N+1。此時，接收端解密可見光信號所用的密鑰與發射端加密所 用的密鑰不一致，導致接收端不能正確地進行解密。此外，在門禁系統中，還存在多個發射 端對應一個接收端的情況，同步問題將變得更為困難，而采用更高精度的晶振元件，則會帶 來成本的上升。
[0006] 本領域亟需一種自動調整光通信系統中的時鐘的方法。
【發明內容】
[0007] 以下給出一個或多個方面的簡要概述以提供對這些方面的基本理解。此概述不是 所有構想到的方面的詳盡綜覽，并且既非旨在指認出所有方面的關鍵性或決定性要素亦非 試圖界定任何或所有方面的范圍。其唯一的目的是要以簡化形式給出一個或多個方面的一 些概念以為稍后給出的更加詳細的描述之序。
[0008] 根據本發明的一方面，提供了一種用于自動調整可見光通信系統中的時鐘的方 法，該可見光通信系統包括接收端和至少一個發射端。該方法包括：接收來自該至少一個發 射端中的第一發射端的可見光信號；根據接收自該第一發射端的該可見光信號確定該第一 發射端的時鐘變化參數和該接收端的時鐘變化參數；根據該第一發射端的該時鐘變化參數 和該接收端的該時鐘變化參數確定該第一發射端的時鐘快慢因子；以及根據該第一發射端 的該時鐘快慢因子每隔預定時間更新接收端本地存儲的該第一發射端的時鐘信息。
[0009] 在一實例中，該第一發射端的時鐘變化參數是指對應于該第一發射端的系統時間 的單位時間實際經歷的標準時間，以及該接收端的時鐘變化參數是指對應于該接收端的系 統時間的該單位時間實際經歷的標準時間，其中所實際經歷的標準時間都是以該接收端的 晶振的系統周期為單位來計量的。
[0010] 在一實例中，該第一發射端的時鐘快慢因子為對應于該接收端的系統時間的該單 位時間實際經歷的標準時間與對應于第一發射端的系統時間的該單位時間實際經歷的標 準時間之比。
[0011] 在一實例中，該預定時間是該接收端的系統時間的預定時間，每隔該預定時間，該 接收端本地存儲的該第一發射端的該時鐘信息的誤差為該預定時間減去該第一發射端的 時鐘快慢因子與該預定時間的乘積，其中更新該接收端本地存儲的該第一發射端的該時鐘 信息包括用本地存儲的該第一發射端的該時鐘信息減去該誤差。
[0012] 在一實例中，該單位時間為接收自該第一發射端的該可見光信號的一個光脈沖的 標稱持續時間，該標稱持續時間等于該可見光信號的標稱波特率的倒數。
[0013] 在一實例中，對應于該第一發射端的系統時間的該單位時間實際經歷的標準時間 是在該接收端處測量接收自該第一發射端的該可見光信號的一個光脈沖的持續時間得到 的并以該接收端的晶振的系統周期為單位記為M?T2SgE，以及對應于該接收端的系統時間 的該單位時間實際經歷的標準時間被計算為?f2fi@) ?T2S^，其中為該可見光 信號的一個光脈沖的標稱持續時間，4_?為該接收端的晶振的標稱頻率，以及T2ME為該接 收端的晶振的系統周期。
[0014] 在一實例中，在該接收端處測量接收自該第一發射端的該可見光信號的一個光脈 沖的持續時間包括：將接收自該第一發射端的該可見光信號轉換成數字信號；以及從該數 字信號的一個脈沖的高電平或低電平開始以該接收端的晶振的系統周期進行計時直至該 高電平或低電平結束。
[0015] 在一實例中，將接收自第一發射端的可見光信號轉換成數字信號包括：通過光電 二極管將該可見光信號轉換成電脈沖信號，當該光電二極管通過的電流值高于門限值時輸 出高電壓電平，以及當該光電二極管通過的電流值低于該門限值時輸出低電壓電平。該門 限值是根據預定數學模型至少由接收端與第一發射端之間的距離來決定的。
[0016] 在一實例中，該方法還包括：在后續每一次接收到來自該第一發射端的可見光信 號時，重復該確定該第一發射端的時鐘變化參數和該接收端的時鐘變化參數至更新所存儲 的該第一發射端的該時鐘信息的步驟。
[0017] 在一實例中，在后續每一次接收到來自該第一發射端的可見光信號時，根據所存 儲的該第一發射端的該時鐘信息來選擇對應的偽碼信號對接收到的可見光信號進行解碼。
[0018] 在一實例中，該接收端本地存儲的該第一發射端的該時鐘信息最初是在該接收端 首次接收到該第一發射端的可見光信號時存儲的并且被設為等于該接收端當時的時鐘信 肩、。
[0019] 根據本發明的另一方面，提供了一種用于自動調整可見光通信系統中的時鐘的通 信裝置，該可見光通信系統包括至少一個發射設備和該通信裝置，該通信裝置包括：接收 器，其接收來自該至少一個發射設備中的第一發射設備的可見光信號；時鐘變化參數確定 模塊，其根據接收自該第一發射設備的該可見光信號確定該第一發射設備的時鐘變化參數 和該通信裝置的時鐘變化參數；時鐘快慢因子確定模塊，根據該第一發射設備的該時鐘變 化參數和該通信裝置的該時鐘變化參數確定該第一發射設備的時鐘快慢因子；以及時鐘信 息調整模塊，其根據該第一發射設備的該時鐘快慢因子每隔預定時間更新該通信裝置本地 存儲的該第一發射設備的時鐘信息。
[0020] 根據本發明的又一方面，提供了一種通信裝置，包括：處理器，該處理器被配置成 接收來自該至少一個發射設備中的第一發射設備的可見光信號，根據接收自該第一發射設 備的該可見光信號確定該第一發射設備的時鐘變化參數和該通信裝置的時鐘變化參數，根 據該第一發射設備的該時鐘變化參數和該通信裝置的該時鐘變化參數確定該第一發射設 備的時鐘快慢因子，以及根據該第一發射設備的該時鐘快慢因子每隔預定時間更新該通信 裝置本地存儲的該第一發射設備的時鐘信息；以及耦合至該處理器的存儲器。
[0021] 根據本發明的再一方面，提供了一種設備，包括：用于接收來自至少一個發射設備 中的第一發射設備的可見光信號的裝置；用于根據接收自該第一發射設備的該可見光信號 確定該第一發射設備的時鐘變化參數和接收設備的時鐘變化參數的裝置；用于根據該第一 發射設備的該時鐘變化參數和該接收設備的該時鐘變化參數確定該第一發射設備的時鐘 快慢因子的裝置；以及用于根據該第一發射設備的該時鐘快慢因子每隔預定時間更新該接 收設備本地存儲的該第一發射設備的時鐘信息的裝置。
[0022] 根據本發明的另一方面，提供了一種計算機程序產品，其包括計算機可讀介質，該 計算機可讀介質包括：用于接收來自至少一個發射設備中的第一發射設備的可見光信號的 代碼；用于根據接收自該第一發射設備的該可見光信號確定該第一發射設備的時鐘變化參 數和接收設備的時鐘變化參數的代碼；用于根據該第一發射設備的該時鐘變化參數和該接 收設備的該時鐘變化參數確定該第一發射設備的時鐘快慢因子的代碼；以及用于根據該第 一發射設備的該時鐘快慢因子每隔預定時間更新該接收設備本地存儲的該第一發射設備 的時鐘信息的代碼。
[0023] 根據本發明的方法和裝置，接收端本地保存的發射端的時鐘信息可以及時地更 新，從而與發射端真實的時鐘信息基本一致。這對于收發兩端的通信是具有重要意義的。在 可見光信號用根據發射端的時鐘信息變化的偽碼信號進行加密的情況下，接收端可以根據 本地所存儲的該發射端的時鐘信息來選擇對應的偽碼信號以對接收到的可見光信號進行 解碼。由此選擇的偽碼序列必然與發射端處用于加密的偽碼序列是對應的，從而保證了正 確地解密。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024] 在結合以下附圖閱讀本公開的實施例的詳細描述之后，能夠更好地理解本發明的 上述特征和優點。在附圖中，各組件不一定是按比例繪制，并且具有類似的相關特性或特征 的組件可能具有相同或相近的附圖標記。
[0025] 圖1是示出了可在其中實現本發明的可見光通信系統的框圖。
[0026] 圖2是示出了可在圖1的可見光通信系統中使用的加解密方法的流程圖。
[0027] 圖3是示出了圖1的可見光通信系統中的發射端和接收端的狀態隨時間變化的示 意圖。
[0028] 圖4是示出了根據本發明的一方面的用于自動調整可見光通信系統中的時鐘的 方法的流程圖。
[0029] 圖5是示出了根據本發明的一方面的通信裝置的框圖。
[0030] 圖6是示出了根據本發明的一方面的通信裝置的框圖。
【具體實施方式】
[0031] 以下結合附圖和具體實施例對本發明作詳細描述。注意，以下結合附圖和具體實 施例描述的諸方面僅是示例性的，而不應被理解為對本發明的保護范圍進行任何限制。
[0032] 圖1示出了一種可在其中實現本發明的可見光通信系統100。可見光通信系統100 包括發射端110和接收端120。發射端110包括編碼器111以及與編碼器111相耦合的偽 碼信號發生器112。編碼器111接收原始通信數據，并采用偽碼信號發生器112產生的偽 碼信號對原始通信數據進行編碼以產生擾碼信號。由于產生的擾碼信號與原始通信數據不 同，因此起到了加密的作用。如在本文中使用的，術語"加密"和"編碼"，以及"解密"和"解 碼"可以互換地使用。原始通信數據可以是與發射端110相關聯的ID信息。編碼器111將 擾碼信號輸出至發光單元113,后者將接收到的擾碼信號以可見光的形式發送出去。發光單 元113可以是LED或其他具有發光功能的元件。發射端110可以是光子物聯網中的手持式 客戶端。
[0033] 接收端120包括用于接收發射端110發射的可見光信號、并將可見光信號轉換為 數字信號的接收單元123。解碼器121接收由接收單元123輸出的數字信號并采用偽碼信 號發生器122產生的偽碼信號對其進行解碼，以恢復出原始通信數據。在圖1所示的可見 光通信系統100中僅示出了一個發射端110,但是本領域技術人員容易領會，對應于一個接 收端120往往存在多個發射端110。
[0034] 為了使發射端110和接收端120之間的通信具有更高的安全性，防止高速攝像機 拍攝復制光信號，所以在發射端110和接收端120中都使用了隨時間變化的偽碼序列對原 始通信數據進行了加密和解密。因此，如圖1所示，偽碼信號發生器112以晶振114提供的 時鐘信號為基準根據發射端110的狀態機的狀態輸出隨時間變化的偽碼信號。相應地，接 收端120中的偽碼信號發射器122也以晶振124提供的時鐘信號為基準根據接收端120的 狀態機的狀態輸出隨時間變化的偽碼信號。
[0035] 圖2示出了一種在可見光通信系統100中使用的加解密方法的流程圖。在步驟 201，發射端110對原始通信數據與隨時間變化的第一偽碼信號進行邏輯運算以獲得擾碼 信號。原始通信數據可以是要發送的信息，例如用戶身份（ID)信息等，并且可以是一種數 字序列信號。偽碼信號可以是隨單位時間變化的數字序列，其中該單位時間可以根據需要 設置，例如，每天、每小時、每分鐘、每秒等。原始通信數據與第一偽碼信號的邏輯運算可以 是邏輯與、邏輯或、邏輯異或等，也可以是上述運算中的任意兩者或更多者的組合。
[0036] 例如原始通信數據為發射端的用戶ID，并且始終為00001101。在經過5個單位時 間T后所對應的發射端狀態N+5下，第一偽碼信號可以為10101010,則原始通信數據與第一 偽碼信號的邏輯運算，例如"異或"的過程如下表所示：
[0037]
【權利要求】
1. 一種用于自動調整可見光通信系統中的時鐘的方法，所述可見光通信系統包括接收 端和至少一個發射端，所述方法包括： 接收來自所述至少一個發射端中的第一發射端的可見光信號； 根據接收自所述第一發射端的所述可見光信號確定所述第一發射端的時鐘變化參數 和所述接收端的時鐘變化參數； 根據所述第一發射端的所述時鐘變化參數和所述接收端的所述時鐘變化參數確定所 述第一發射端的時鐘快慢因子；W及 根據所述第一發射端的所述時鐘快慢因子每隔預定時間更新所述接收端本地存儲的 所述第一發射端的時鐘信息。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一發射端的時鐘變化參數是指對應 于所述第一發射端的系統時間的單位時間實際經歷的標準時間，W及所述接收端的時鐘變 化參數是指對應于所述接收端的系統時間的所述單位時間實際經歷的標準時間，其中所述 實際經歷的標準時間都是W所述接收端的晶振的系統周期為單位來計量的。
3. 如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一發射端的時鐘快慢因子為對應于 所述接收端的系統時間的所述單位時間實際經歷的標準時間與對應于第一發射端的系統 時間的所述單位時間實際經歷的標準時間之比。
4. 如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述預定時間是所述接收端的系統時間的 預定時間，每隔所述預定時間，所述接收端本地存儲的所述第一發射端的所述時鐘信息的 誤差為所述預定時間減去所述第一發射端的時鐘快慢因子與所述預定時間的乘積，其中更 新所述接收端本地存儲的所述第一發射端的所述時鐘信息包括用本地存儲的所述第一發 射端的所述時鐘信息減去所述誤差。
5. 如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述單位時間為接收自所述第一發射端的 所述可見光信號的一個光脈沖的標稱持續時間，所述標稱持續時間等于所述可見光信號的 標稱波特率的倒數。
6. 如權利要求5所述的方法，其特征在于，對應于所述第一發射端的系統時間的所 述單位時間實際經歷的標準時間是在所述接收端處測量接收自所述第一發射端的所述可 見光信號的一個光脈沖的持續時間得到的并W所述接收端的晶振的系統周期為單位記為 M ^及對應于所述接收端的系統時間的所述單位時間實際經歷的標準時間被計算為 訂〇標稱? f2標稱）? 了2系統，其中T。標稱為所述可見光信號的一個光脈沖的標稱持續時間，f2標稱為 所述接收端的晶振的標稱頻率，W及為所述接收端的晶振的系統周期。
7. 如權利要求6所述的方法，其特征在于，在所述接收端處測量接收自所述第一發射 端的所述可見光信號的一個光脈沖的持續時間包括： 將接收自所述第一發射端的所述可見光信號轉換成數字信號；W及 從所述數字信號的一個脈沖的高電平或低電平開始直至所述高電平或低電平結束對 經歷了多少個T2 *^^進行計數，得到的數目即為M。
8. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述將接收自所述第一發射端的所述可見 光信號轉換成數字信號包括： 通過光電二極管將所述可見光信號轉換成電脈沖信號， 當所述光電二極管通過的電流值高于口限值時輸出高電壓電平，W及 當所述光電二極管通過的電流值低于所述口限值時輸出低電壓電平。
9. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述口限值是根據預定數學模型至少由所 述接收端與所述第一發射端之間的距離來決定的。
10. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括： 在后續每一次接收到來自所述第一發射端的可見光信號時，重復所述確定所述第一發 射端的時鐘變化參數和所述接收端的時鐘變化參數至更新所存儲的所述第一發射端的所 述時鐘信息的步驟。
11. 如權利要求10所述的方法，其特征在于，在后續每一次接收到來自所述第一發射 端的可見光信號時，根據所存儲的所述第一發射端的所述時鐘信息來選擇對應的偽碼信號 對接收到的可見光信號進行解碼。
12. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收端本地存儲的所述第一發射端的 時鐘信息最初是在所述接收端首次接收到所述第一發射端的可見光信號時與所述第一發 射端的標識符相關聯的存儲的并且被設為等于所述接收端當時的時鐘信息。
13. -種用于自動調整可見光通信系統中的時鐘的通信裝置，所述可見光通信系統包 括至少一個發射設備和所述通信裝置，所述通信裝置包括： 接收器，其接收來自所述至少一個發射設備中的第一發射設備的可見光信號； 時鐘變化參數確定模塊，其根據接收自所述第一發射設備的所述可見光信號確定所述 第一發射設備的時鐘變化參數和所述通信裝置的時鐘變化參數； 時鐘快慢因子確定模塊，根據所述第一發射設備的所述時鐘變化參數和所述通信裝置 的所述時鐘變化參數確定所述第一發射設備的時鐘快慢因子；W及 時鐘信息調整模塊，其根據所述第一發射設備的所述時鐘快慢因子每隔預定時間更新 所述通信裝置本地存儲的所述第一發射設備的時鐘信息。
14. 如權利要求13所述的通信裝置，其特征在于，所述第一發射設備的時鐘變化參數 是指對應于所述第一發射設備的系統時間的單位時間實際經歷的標準時間，W及所述通信 裝置的時鐘變化參數是指對應于所述通信裝置的系統時間的所述單位時間實際經歷的標 準時間，其中所述實際經歷的標準時間都是W所述通信裝置的晶振的系統周期為單位來計 量的。
15. 如權利要求14所述的通信裝置，其特征在于，所述時鐘快慢因子確定模塊將所述 第一發射設備的時鐘快慢因子確定為對應于所述通信裝置的系統時間的所述單位時間實 際經歷的標準時間與對應于第一發射設備的系統時間的所述單位時間實際經歷的標準時 間之比。
16. 如權利要求15所述的通信裝置，其特征在于，所述預定時間是所述通信裝置的系 統時間的預定時間，每隔所述預定時間，所述通信裝置本地存儲的所述第一發射設備的所 述時鐘信息的誤差為所述預定時間減去所述第一發射設備的時鐘快慢因子與所述預定時 間的乘積，所述時鐘信息調整模塊用本地存儲的所述第一發射設備的所述時鐘信息減去所 述誤差。
17. 如權利要求16所述的通信裝置，其特征在于，所述單位時間為接收自所述第一發 射設備的所述可見光信號的一個光脈沖的標稱持續時間，所述標稱持續時間等于所述可見 光信號的標稱波特率的倒數。
18. 如權利要求17所述的通信裝置，其特征在于，對應于所述第一發射設備的系統時 間的所述單位時間實際經歷的標準時間由所述時鐘變化參數模塊在所述通信裝置處測量 接收自所述第一發射設備的所述可見光信號的一個光脈沖的持續時間得到并W所述通信 裝置的晶振的系統周期為單位記為M ? ^及對應于所述通信裝置的系統時間的所述 單位時間實際經歷的標準時間由所述時鐘變化參數計算為?12^^^，其中1'。4^ 為所述可見光信號的一個光脈沖的標稱持續時間，f2--為所述通信裝置的晶振的標稱頻 率，^及12^^^為所述通信裝置的晶振的系統周期。
19. 如權利要求13所述的通信裝置，其特征在于，還包括： 解碼器，其在后續每一次接收到來自所述第一發射設備的可見光信號時，根據所存儲 的所述第一發射設備的所述時鐘信息來選擇對應的偽碼信號對接收到的可見光信號進行 解碼。
【文檔編號】H04B10/85GK104348607SQ201310323062
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年7月29日 優先權日:2013年7月29日
【發明者】不公告發明人 申請人:深圳光啟創新技術有限公司