基于嵌入式硬盘指示灯的可见光通信系统

荣新驰; 王超; 任嘉伟; 汪涛; 朱义君

doi:doi:10.3788/AOS202040.1806004

光学学报, 2020, 40 (18): 1806004, 网络出版: 2020-09-02

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Visible Light Communication System Based on Embedded Hard Drive Indicator

论文大纲

荣新驰王超 ^*任嘉伟汪涛朱义君

作者单位

战略支援部队信息工程大学, 河南郑州 450001

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摘要

研究了基于发光二极管(LED)指示灯的可见光通信系统。在发送端,采用嵌入式个人电脑的硬盘指示灯,搭建硬件实验平台,采集数据并进行统计分析,得到信号模型的参数。在接收端,采用单光子雪崩二极管(SPAD)作为接收机,以提高接收机的灵敏度,扩展系统的通信距离。针对时钟漂移问题,提出一种脉冲宽度长-短键控(PWLSK)调制方案来代替传统的开关键控(OOK)方案,并通过硬件实验进行了验证。实验结果表明,在实验条件下,OOK调制方案的误码率(BER)始终无法降至10 -4以下,难以满足通信需求。并且在仿真实验中,OOK调制对环境光的强度更敏感,只有在环境光小于1 lx时才能降至10 -5以下。而PWLSK调制方案则可以在环境光强度更高的复杂环境下降低BER。所提方案可以实现即时消息、文件或语音信号的传输。

Abstract

In this article, we study the visible light communication system based on light-emitting diode(LED)indicator. In the transmitter, we employ the hard drive indicator of an embedded personal computer to build a hardware experimental platform. We statistically collect and analyze data to obtain the parameters of the signal model. In the receiver, we employ the single-photon avalanche diode (SPAD) as the receiver to improve the sensitivity of the receiver and extend the communication distance of the system. To solve the problem of clock drift, we propose a pulse width long-short keying (PWLSK) modulation scheme to replace the traditional on-off keying (OOK) scheme; we verify the scheme by hardware experiments. The experimental results show that under the experimental conditions, the bit error rate (BER) of the OOK modulation scheme can not be reduced to below 10 ^-4, which is difficult to meet the communication requirements. Additionally, simulation experiments show that the OOK modulation is more sensitive to ambient light intensity, and can be reduced to 10 ^-5 only when the ambient light intensity is less than 1 lx, while PWLSK modulation scheme can reduce its BER in complex environments with higher ambient light intensity. Based on the above analysis, the proposed scheme can realize the transmission of instant message, file, or voice signal.

1 引言

近年来,作为补充射频技术的一种新的通信方案,基于发光二极管(LED)的可见光通信(VLC)引起了人们广泛的关注。VLC系统具有频谱宽、安全性高、节能环保等优点,可用于室内高速无线通信、室内导航、室内定位等诸多领域^[1-6]。

事实上,除了用于室内照明的普通LED灯具,大量的LED光源分布在电脑、手机等电子终端设备的显示屏、指示灯中。一般情况下,这些LED光源通常只是用作状态指示器,用来指示设备的当前状态,如开机、读取数据或系统错误。然而一些实验结果也表明,这些LED指示灯也可以创造性地作为一些典型的VLC系统的发射端^[7-8]。

当前,几乎所有的电子设备上可发光的元器件都已经开始被用作通信系统的发射端。文献[ 9]将一个液晶显示屏用作通信发射机,文献[ 10]则利用键盘指示灯来发送光学信号,而在文献[ 11]中,硬盘(HDD)状态灯也被用于通信系统的发射端,在文献[ 12]中,显示器上的LED灯也被用于通信。而关于可发光元器件实际的调制方式,目前主要采用的方式仍为开关键控(OOK)。文献[ 13]尝试采用二进制频移键控(B-FSK)代替OOK。文献[ 14]同时使用了一排路由器状态指示灯,并提出了一些联合调制方案来提高有效性。然而,在对实际采集到的单灯信号进行统计后发现,由于只能采用间接控制的方式进行调制,信号存在严重的时钟漂移问题,即使采用可靠性最好的OOK调制,仍不能将误码率(BER)降低到10^-4以下,难以满足通信需求。为了满足发射光照度微弱的条件,本文将广泛应用于光子计数的单光子雪崩二极管(SPAD)器件作为接收机。与传统的加性高斯白噪声模型不同,SPAD接收机的输出服从准泊松分布,其统计模型在文献[ 15]中有详细的分析论证。而在实验层面,文献[ 16]和[17]分别使用SPAD设计了在远程水下和室外的VLC系统,利用实际的现场可编程门阵列(FPGA)上的一个红色LED状态指示灯对远程VLC系统进行了分析。

针对这些问题,本文建立了一个包含HDD LED状态指示灯和SPAD检测器的VLC实验系统,并建立信号统计模型。针对模型中出现的时钟漂移问题,提出了一种有效的脉宽长-短键(PWLSK)调制方案。在已有信号模型参数的基础上,对参数进行优化设计,给出选择调制参数时的一般准则。最后,将优化后的方案应用于实验系统,验证了信号模型的正确性和方案的优越性。此类系统的优势主要有三点:指示灯在大多数网络设备中普遍存在,推广性强;系统不需要额外的硬件开销,安装简单,使用方便;提供了一种新的信息交换方式,不仅可以成为电缆和射频传输方式的重要替代品,而且也迎合了“万物互联”的发展趋势,这也是未来6G发展的核心理念。

2 实验系统建立与信号模型分析

通过调制一个HDD LED指示灯来快速地发送有用的信息,这个指示灯被SPAD接收机收集,并被一个示波器观察。然后,通过统计分析给出信号模型。

2.1 基于HDD指示灯的SPAD实验系统设置

搭建的实验系统如图1所示。首先在发射端, 通过个人电脑(PC)的操作系统(Windows XP)来控制HDD指示灯明暗闪烁。系统中的HDD指示灯实际上就是一个普通的LED指示灯,功率在10 mW左右。实验于16:00左右在黑暗的走廊里进行。SPAD接收机距离发射端10 m左右。通过照度计(Z-10,EVERFINE远方公司)测量SPAD周围的环境光强度,一般不超过20 lx。为了更好地收集微弱信号和尽可能地扩展可用的通信距离,在接收机前端利用一个定制的光学接收系统来聚光,并将商用SPAD器件(SPCM-AQRH-15-FC,Excelitas Technologies Sensors公司)作为通信接收机。信号光和环境光都进入SPAD转换成电信号,SPAD器件与示波器(DSO9064A,Agilent Infiniium公司)连接,用于观测采集到的信号。在非协作通信的情况下,SPAD只能采取主动淬灭的方式。如果信号是经过编码的,还需要在接收到的信号和上位机之间插入一个FPGA来解码。

图 1. 基于HDD指示灯的SPAD-VLC实验系统。(a)实验示意图;(b)实验链路示意图

Fig. 1. Experimental system of SPAD-VLC based on HDD indicator. (a) Schematic of experiment; (b) schematic of experimental link

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2.2 嵌入式指标系统的统计信号模型

HDD指示灯本质上也是一个小的LED灯,它在硬盘驱动器处于工作状态时被点亮。它由主板的芯片组直接控制。其任务是控制指示灯来产生有用的信号,但没有可用的通用应用程序接口来驱动软件点亮HDD指示灯,因此,只能通过控制硬盘进行“读”或“写”的特定操作来间接地控制指示灯。而指示灯发光的时长取决于读取或写入硬盘的数据块的大小。从理论上讲,读取或写入一个大小为S的数据块将在T_on的时间内点亮HDD指示灯,而在T_off的时间内,无硬盘读写操作将导致指示灯休眠T_off时间。

如表1所示,指示灯发光的持续时间似乎与数据块的S有关。显然,当PC读取不同大小的数据块时,所需的时间不同。对实验系统采集到的大量信号进行统计分析,结果如表2所示。

表 1. 系统操作对应的时间

Table 1. Corresponding time of system operations

OS operation	HDD LED state
Read/write	LED-ON for T_on(S)
Sleep	LED-OFF for T_off

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表 2. 读取不同大小数据块时所需时间的统计结果

Table 2. Statistical result of time required for reading data blocks with different sizes

Size of datablock	Mean time of‘1’/μs	Standarddeviation(SD) of ‘1’	Mean timeof ‘0’/μs	SD of ‘0’
512 bit	16.99	2.081031255	46.00	7.39
1 Kbit	22.26	0.992079378	45.00	6.51
2 Kbit	25.69	0.923113752	49.87	6.33
4 Kbit	29.02	2.492730863	151.01	47.52
8 Kbit	43.59	8.237449243	167.75	34.18
16 Kbit	72.94	9.207778145	233.91	34.56
32 Kbit	132.97	14.416490390	405.52	52.65
64 Kbit	252.56	19.134171000	526.45	47.55
128 Kbit	485.37	20.323264890	903.53	105.49
256 Kbit	1194.79	40.334883100	1849.08	215.64
512 Kbit	2522.98	78.288233400	3319.68	280.03
1 Mbit	4884.80	115.300698300	6149.43	300.75
2 Mbit	24692.01	2021.909583000	19701.97	5526.06
4 Mbit	42324.28	3244.816692000	41420.29	9187.67
8 Mbit	80702.07	3852.408366000	71546.44	7384.11

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从表2可以看出,读取特定大小的数据块时所需时间仍然具有随机性,这就会出现随机时钟漂移和定时同步错误的问题。传统OOK调制方案的结果如图2(a)所示,预设同步头,在同步头中间尝试传输训练序列“1010110010011100”,可以看到,由于时钟漂移问题,两个“0”的信号持续时间可能比单个“0”的持续时间更短,这导致的错码将严重影响系统的通信性能。

3 信号设计与理论分析

这一部分给出PWLSK的理论分析和数学模型。选择合适的雪崩次数在单比特信号持续时间内的决策统计量,并给出BER的计算公式。选择几组数据块分别用来传输“0”和“1”,并对各组的BER进行测试和比较。

图 2. 传统OOK调制和PWLSK调制对比。(a)时钟漂移问题示意图;(b)波形示意图

Fig. 2. Comparison between traditional OOK modulation and PWLSK modulation. (a) Schematic of clock drift; (b) schematic of waveform

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3.1 脉冲宽度长-短键调制的信号方案

通过改变数据块的大小来间接控制指示灯发光的持续时间(T_on)。图2(b)为设计的调制方案示意图。首先,选择两种不同大小的数据块,当需要传输“1”时,程序将命令硬盘读取较大的数据块1次,用时t₁;然后,HDD指示灯将等待时间t₂,直到下一个位出现。类似地,当需要传输“0”时,程序将命令HDD指示灯读取较小的数据块1次,用时t₃,并等待时间t₄。信号产生过程的流程如图3所示。

图 3. 信号产生过程的流程图

Fig. 3. Flow chart of signal generation process

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对于LED发射机,读取不同大小数据块所需时间的平均值和方差已经在表2中给出。因此,该方案的主要问题是选择适当大小(S₀和S₁)的数据块。经过详细地观察,有几种现象。

1) 0位和1位所需的平均时间会随着数据块大小的增加而增加。如图4(a)所示,除了数据块大小大于1 Mbit之外,其他情况下平均时间的增长趋势是近似线性的,这是因为最大数据块是1 Mbit。当读取大小超过1 Mbit时,数据块大小已经超过电脑的寄存器大小,一次取址操作已经不够了。而多次取地址的操作将使消耗的时间不再呈线性关系,需要更长的时间,这就降低了效率。考虑到通信的有效性,不再讨论大于1 Mbit的数据块。

2) 对于第1位的标准差(SD),除了512 bit的数据块对应的SD之外,其他规模数据块的SD值都在随数据块规模的增大而增加。当选择足够小的数据块时,读取所需的时间可能变得更加随机,这是因为读取一定大小的数据块时需要一些额外的开销,比如对原始数据的寻址、移动指针、在PC中传递指令等。这些操作虽然需要的时间较短,但仍会给通信系统引入随机的定时误差,尤其当数据块很小,读取数据块的时间可以与误差时间比拟时。此外,当数据块尺寸太小时,信号持续时间太短,这也有可能使其信号在较短的持续时间内由于激发的雪崩次数过少而被淹没在环境光中,从而发生漏检问题。总而言之,考虑到通信的可靠性,数据块大小并非越小越好。因此,将选择不小于1 Kbit的数据块。

3) 指示灯不发光的持续时长的标准差总是大于信号发光的持续时间的标准差。信号不发光时引入的定时误差总是更大一些。这是因为在控制指示灯发光时,PC的硬盘将读取特定大小的数据块而消耗一段相对稳定的时间。但是当指示灯不发光时, 硬盘没有接收到任何指令,不会进行任何操作。而这时操作系统的调度算法则可以将进程切换到其他应用中来执行,从而增加需要时间的标准差。

图 4. 信号参数统计结果。(a)数据块大小与平均时间的线性度分析;(b) 4 Kbit数据块分布拟合

Fig. 4. Statistical results of signal parameters. (a) Linearity analysis for data block size and mean time; (b) distribution fitting of data block with size of 4 Kbit

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此外,对所提调制方式中的参数t_i,i=1,2,3,4进行分布拟合。由于受大量独立的、不可描述的因素影响,假设时间服从高斯分布来简化模型。同时考虑到时间的非负性约束,最终将分布类型确定为截断的高斯分布,截断值为a(本文中为0)。以4 Kbit数据块大小为例,拟合结果如图4(b)所示,结果与统计数据吻合度较高。

3.2 PWLSK的理论性能分析

t_i的概率密度函数(PDF)为

\begin{array}{l} f (t_{i} : μ_{i}, σ_{i}, a) = \\ \{\begin{array}{l} \frac{\frac{1}{σ_{i}} φ (\frac{t_{i} - μ_{i}}{σ_{i}})}{1 - Φ (\frac{a - μ_{i}}{σ_{i}})} & t_{i} > a \\ 0 & t_{i} \leq a \end{array}, (1) \end{array}

式中:φ(·)为均值为0、方差为1的标准正态分布的PDF;Φ(·)为标准正态分布的累积分布函数;μ_i和σ_i分别为均值和标准差。实际上,由于SPAD的环境光和饱和效应,SPAD接收到的波形并不理想,如图 5所示。

图 5. PWLSK调制的实际波形

Fig. 5. Actual waveform modulated by PWLSK

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SPAD的数学模型见文献[ 15]。由于死时间效应,在时间 $t$ 内探测到的光子数量存在一个上限 $k_{\max}$ 。当 $k_{\max}$ 和平均到达率λ为常数时,输出为

\begin{array}{l} P_{k} (k | k_{\max}, λ) = \\ \{\begin{array}{l} e^{- λt}, & k = 0 \\ \overset{k}{\sum_{i = 0}} ψ (i, λ_{k}) - \overset{k - 1}{\sum_{i = 0}} ψ (i, λ_{k - 1}), & 0 < k < k_{\max} \\ 1 - \overset{k_{\max} - 1}{\sum_{i = 0}} ψ (i, λ_{k_{\max} - 1}), & k = k_{\max} \\ 0, & k > k_{\max} \end{array}, (2) \end{array}

式中: $λ_{k} = λ (t - kτ), λ_{k - 1} = λ [t - (k - 1) τ], τ$ 为SPAD的死时间。因此,λt为在t持续时间内到达SPAD接收机的平均光子数。但是,由于饱和效应,在t时间内SPAD探测到的光子数不会超过 $k_{\max} = [\frac{t}{τ}],$ 其中[x]表示比x大的最小整数。

根据该模型,不同光子强度(λ)和不同最大光子数(k_max)下光子数的均值和方差如图6所示。经过大量的实验测试,发现死时间大约为20 ns。

图 6. 光子的均值和方差。(a)均值;(b)方差

Fig. 6. Mean value and variance value of photons. (a) Mean value; (b) variance value

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由于死时间τ远远小于t_i,可以近似认为t_i可以被τ整除,即 $k_{i, \max} = \frac{t_{i}}{τ} \in N^{*}, N^{*}$ 表示正整数集,由此得到

\begin{array}{l} P (k_{i, \max} : μ_{i}, σ_{i}, a) = \\ \{\begin{array}{l} \frac{\frac{1}{σ_{i}} φ (\frac{k_{i, \max} \times τ - μ_{i}}{σ_{i}})}{1 - Φ (\frac{a - μ_{i}}{σ_{i}})}, & k_{i, \max} > a / τ \\ 0, & k_{i, \max} \leq a / τ \end{array} 。 (3) \end{array}

假设每个符号的起始时间和结束时间都可以被精确地检测到,并且采用了逐符号的检测方法。当λ=λ₀时,指示灯不发光,对应t₂和t₄,当λ=λ₁时,指示灯发光,对应t₁和t₃。因此根据全概率公式,可以分别得到发送“0”和“1”时的平均雪崩次数P₀(k)和P₁(k):

\begin{array}{l} P_{0} (k) = \sum_{k_{3, \max}} P (k_{3, \max}) \times P_{k} (k | k_{3, \max}, λ_{1}) \otimes \\ \sum_{k_{4, \max}} P (k_{4, \max}) \times P_{k} (k | k_{4, \max}, λ_{0}), (4) \\ P_{1} (k) = \sum_{k_{1, \max}} P (k_{1, \max}) \times P_{k} (k | k_{1, \max}, λ_{1}) \otimes \\ \sum_{k_{2, \max}} P (k_{2, \max}) \times P_{k} (k | k_{2, \max}, λ_{0}), (5) \end{array}

式中: $\otimes$ 为卷积符号。令指示灯一次发光周期内的雪崩次数为判决统计量,如果发送“0”与“1”比特的先验概率相等,则最佳检测门限为P₀(k)与P₁(k)的交点:

k^{*} \in \{k | P_{0} (k) = P_{1} (k)\} 。 (6)

因此可以得到BER为

P_{e} = \frac{1}{2} [\overset{\infty}{\sum_{k = k^{*}}} P_{0} (k) + \overset{k^{*} - 1}{\sum_{k = 0}} P_{1} (k)], (7)

式中:k^*为最佳检测门限值。还可以计算出平均数据率为

R_{b} = \frac{1}{p_{1} (\bar{t_{1}} + \bar{t_{2}}) + p_{0} (\bar{t_{3}} + \bar{t_{4}})} = \frac{2}{\overset{4}{\sum_{i = 1}} \bar{t_{i}}}, (8)

式中: $\bar{t_{i}}$ 为读取每个数据块的平均时间; $p_{1} (\cdot)$ 为指示灯发光时SPAD接收机的雪崩概率; $p_{0} (\cdot)$ 为指示灯不发光时SPAD的雪崩概率。

3.3 PWLSK的参数优化

在实验系统中,参数λ表示每秒进入SPAD接收机的平均光子数,SPAD接收的有效面积约为2.5×10^-10 m²。实验中使用红光,波长为700 nm。当环境光强为20 lx时,根据普朗克公式可以计算出λ=1.76×10⁷ s^-1。换句话说,当指示灯不发光时,平均每秒有1.76×10⁷光子进入SPAD接收机的表面。同样地,当指示灯发光时,可以推算出进入到SPAD接收机表面的光子数约为10⁹ s^-1。因此,在以下的仿真中,均假定λ₀=1.76×10⁷ s^-1,λ₁=10⁹ s^-1。因此,所提方案只需要优化数据块的参数,可以从两个方面来评价数据块的性能,即较快的平均数据速率和较低的BER。通过仿真,从1 Kbit到512 Kbit遍历数据块,总共得到45个选择。

图 7. 每种数据块选择方案对应的平均数据速率和BER

Fig. 7. Average data rate and BER of each data block selection scheme

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由于实际的BER性能受到许多不可预测因素的影响,假设BER不小于10^-9。在此基础上,建立二维坐标平面,y轴为BER,x轴为平均数据速率,如图7所示。可以看出:对于PWLSK方案,选择的数据块之间的差异越大,BER性能越好;而对于平均数据速率,数据块越小越好,当数据块大小为1 Kbit时,在相同的BER性能条件下,它总是具有最高数据速率和在相同数据速率下的最低BER。将这些点连接起来,就得到PWLSK数据块大小的优化选择方案。在非协作通信的应用场景下,受操作系统的影响,系统的可靠性较难保证。为承载不同类型的业务,以BER为限定条件来选取最优方案。由图7可知:如果将BER限制为不大于10^-4,则选择1 Kbit和16 Kbit的数据块是最优方案,该方案可以用于对音质要求不是很高的语音传输业务;如果将BER限制为不大于10^-8,则选择1 Kbit和32 Kbit的数据块是最优方案,该方案可以用于对BER要求较高的文档传输业务。

图8为OOK和PWLSK方案性能的对比。当平均数据速率大于7 Kbit/s时,虽然OOK调制方案的BER较低,但BER始终无法降至10^-4以下,难以满足通信需求。

图 8. OOK和PWLSK方案性能对比

Fig. 8. Performance comparison between OOK scheme and PWLSK scheme

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此外,为了研究环境光强对BER的影响,将λ₀从10¹ s^-1逐渐变化到10⁸ s^-1,并将λ₁固定为10⁹ s^-1。仿真结果如图9所示。

从图9可以看出,OOK方案的BER对环境光更敏感。两方案的BER均随环境光强的下降而下降,但OOK方案的BER下降较快。其原因是,在OOK调制方案中,T_off也携带了比特信息。当环境光强降低时,在T_off期间的雪崩次数急剧减少,即使存在时钟漂移问题,在同步精度较高时也不会积累太多的雪崩次数而影响其BER性能。换言之,当去掉理想同步的假设条件,OOK方案的BER也会显著增加。BER调制方案本身是不能携带定时信息的,相比之下,PWLSK方案则具有丰富的定时信息,这也可以在定时不准时辅助提高定时精度,避免由此产生的符号间干扰,从而提升BER性能。因此,虽然仿真结果显示的OOK方案在数据块大小相同的情况下具有比PWLSK方案更快的数据速率,但其较差的BER性能限制了它在环境光强度小于1 lx的绝对黑暗环境下的使用。

图 9. PWLSK和OOK方案在不同λ₀下的误码率

Fig. 9. BER of PWLSK scheme and OOK scheme under different λ₀

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4 实验验证

利用PWLSK方案对VLC信号进行调制。其实验测得的BER如表3所示。虽然它们都略低于仿真结果,但同样可以从实验结果中得出相似的结论。

最后,还设计了发送端和接收端编程接口,如图10所示,可以实现实时的消息、文件和语音信号服务。选择大小为1 Kbit和16 Kbit的数据块来分别传输“0”、“1”比特信息。由于信道和操作系统的复杂性和不稳定性,需要额外的编码和同步开销。实验平均数据速率为1.8 Kbit/s,低于仿真数据速率。

表 3. PWLSK方案的仿真BER与实验BER

Table 3. Simulated BER and experimental BER of PWLSK scheme

Size of data block	Average data rate /(bit·s^-1)	Simulated BER	Experimental BER
1 Kbit & 2 Kbit	13635	3.48×10^-1	3.89×10^-1
1 Kbit & 4 Kbit	7902	3.93×10^-2	4.36×10^-2
1 Kbit & 8 Kbit	7133	2.01×10^-2	3.84×10^-2
1 Kbit & 16 Kbit	5290	7.85×10^-5	4.97×10^-4
1 Kbit & 32 Kbit	3286	1.36×10^-9	6.62×10^-7

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5 结论

以独立控制的LED灯嵌入式操作系统为例,讨论所有潜在的基于LED灯嵌入式操作系统的VLC系统。为克服弱光条件下的信号检测问题,在接收端采用高灵敏度的SPAD接收机。而为了解决信号源由于无法直接受控而产生的时钟漂移问题,给出了一种PWLSK调制方案,并通过理论推导、仿真及实验验证,证明了在环境光的影响下,该方案优于传统的OOK调制方案。在此基础上,进一步分析了调制中传输“0”、“1”比特的数据块选取原则。实验表明,两个数据块大小的差异越大越好,同时发送“0”的数据块也不应太小,否则将被淹没在环境光中。

图 10. 终端界面成果展示。(a)发送端;(b)接收端

Fig. 10. Achievement exhibiting of terminal interface. (a) Sending terminal; (b) receiving terminal

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然而仍然存在一些其他问题。例如,如何提取时间信息来精确选择起始时刻和结束时刻。另外,在实际发送数据的过程中,由于操作系统调度算法,操作系统可能会随时将当前正在执行的进程切换到另一个进程,使得暂时失去对LED灯的控制,造成随机突发干扰的问题,这些问题都需要进行后续的深入讨论与研究。

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[12] SepetnitskyV, GuriM, EloviciY. Exfiltration of information from air-gapped machines using monitor's LED indicator[C]∥2014 IEEE Joint Intelligence and Security Informatics Conference, September 24-26, 2014, The Hague, Netherlands. New York: IEEE, 2014: 264- 267.

[13] ZhouZ, Zhang WM, Yang ZC, et al. ( 2017-11-09)[2020-03-23]. https:∥arxiv.org/abs/1711. 03235.

[14] GuriM, ZadovB, DaidakulovA, et al. xLED: covert data exfiltration from air-gapped networks via switch and router LEDs[C]∥2018 16th Annual Conference on Privacy, August 28-30, 2018, Belfast, UK. New York: IEEE, 2018.

[15] Sarbazi E, Safari M, Haas H. Statistical modeling of single-photon avalanche diode receivers for optical wireless communications[J]. IEEE Transactions on Communications, 2018, 66(9): 4043-4058.

[16] Ji Y W, Wu G F, Wang C, et al. Experimental study of SPAD-based long distance outdoor VLC systems[J]. Optics Communications, 2018, 424: 7-12.

[17] Wang C, Yu H Y, Zhu Y J, et al. Experimental study on SPAD-based VLC systems with an LED status indicator[J]. Optics Express, 2017, 25(23): 28783-28793.

1 引言

2 实验系统建立与信号模型分析

2.1 基于HDD指示灯的SPAD实验系统设置

荣新驰, 王超, 任嘉伟, 汪涛, 朱义君. 基于嵌入式硬盘指示灯的可见光通信系统[J]. 光学学报, 2020, 40(18): 1806004. Xinchi Rong, Chao Wang, Jiawei Ren, Tao Wang, Yijun Zhu. Visible Light Communication System Based on Embedded Hard Drive Indicator[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(18): 1806004.

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1 引言

2 实验系统建立与信号模型分析

2.1 基于HDD指示灯的SPAD实验系统设置

图 1. 基于HDD指示灯的SPAD-VLC实验系统。(a)实验示意图;(b)实验链路示意图

Fig. 1. Experimental system of SPAD-VLC based on HDD indicator. (a) Schematic of experiment; (b) schematic of experimental link

2.2 嵌入式指标系统的统计信号模型

表 1. 系统操作对应的时间

Table 1. Corresponding time of system operations

表 2. 读取不同大小数据块时所需时间的统计结果

Table 2. Statistical result of time required for reading data blocks with different sizes

3 信号设计与理论分析

图 2. 传统OOK调制和PWLSK调制对比。(a)时钟漂移问题示意图;(b)波形示意图

Fig. 2. Comparison between traditional OOK modulation and PWLSK modulation. (a) Schematic of clock drift; (b) schematic of waveform

3.1 脉冲宽度长-短键调制的信号方案

图 3. 信号产生过程的流程图

Fig. 3. Flow chart of signal generation process

图 4. 信号参数统计结果。(a)数据块大小与平均时间的线性度分析;(b) 4 Kbit数据块分布拟合

Fig. 4. Statistical results of signal parameters. (a) Linearity analysis for data block size and mean time; (b) distribution fitting of data block with size of 4 Kbit

3.2 PWLSK的理论性能分析

图 5. PWLSK调制的实际波形

Fig. 5. Actual waveform modulated by PWLSK

图 6. 光子的均值和方差。(a)均值;(b)方差

Fig. 6. Mean value and variance value of photons. (a) Mean value; (b) variance value

3.3 PWLSK的参数优化

图 7. 每种数据块选择方案对应的平均数据速率和BER

Fig. 7. Average data rate and BER of each data block selection scheme

图 8. OOK和PWLSK方案性能对比

Fig. 8. Performance comparison between OOK scheme and PWLSK scheme

图 9. PWLSK和OOK方案在不同λ₀下的误码率

Fig. 9. BER of PWLSK scheme and OOK scheme under different λ₀

4 实验验证

表 3. PWLSK方案的仿真BER与实验BER

Table 3. Simulated BER and experimental BER of PWLSK scheme

5 结论

图 10. 终端界面成果展示。(a)发送端;(b)接收端

Fig. 10. Achievement exhibiting of terminal interface. (a) Sending terminal; (b) receiving terminal

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1 引言

2 实验系统建立与信号模型分析

2.1 基于HDD指示灯的SPAD实验系统设置

图 1. 基于HDD指示灯的SPAD-VLC实验系统。(a)实验示意图;(b)实验链路示意图

Fig. 1. Experimental system of SPAD-VLC based on HDD indicator. (a) Schematic of experiment; (b) schematic of experimental link

2.2 嵌入式指标系统的统计信号模型

表 1. 系统操作对应的时间

Table 1. Corresponding time of system operations

表 2. 读取不同大小数据块时所需时间的统计结果

Table 2. Statistical result of time required for reading data blocks with different sizes

3 信号设计与理论分析

图 2. 传统OOK调制和PWLSK调制对比。(a)时钟漂移问题示意图;(b)波形示意图

Fig. 2. Comparison between traditional OOK modulation and PWLSK modulation. (a) Schematic of clock drift; (b) schematic of waveform

3.1 脉冲宽度长-短键调制的信号方案

图 3. 信号产生过程的流程图

Fig. 3. Flow chart of signal generation process

图 4. 信号参数统计结果。(a)数据块大小与平均时间的线性度分析;(b) 4 Kbit数据块分布拟合

Fig. 4. Statistical results of signal parameters. (a) Linearity analysis for data block size and mean time; (b) distribution fitting of data block with size of 4 Kbit

3.2 PWLSK的理论性能分析

图 5. PWLSK调制的实际波形

Fig. 5. Actual waveform modulated by PWLSK

图 6. 光子的均值和方差。(a)均值;(b)方差

Fig. 6. Mean value and variance value of photons. (a) Mean value; (b) variance value

3.3 PWLSK的参数优化

图 7. 每种数据块选择方案对应的平均数据速率和BER

Fig. 7. Average data rate and BER of each data block selection scheme

图 8. OOK和PWLSK方案性能对比

Fig. 8. Performance comparison between OOK scheme and PWLSK scheme

图 9. PWLSK和OOK方案在不同λ0下的误码率

Fig. 9. BER of PWLSK scheme and OOK scheme under different λ0

4 实验验证

表 3. PWLSK方案的仿真BER与实验BER

Table 3. Simulated BER and experimental BER of PWLSK scheme

5 结论

图 10. 终端界面成果展示。(a)发送端;(b)接收端

Fig. 10. Achievement exhibiting of terminal interface. (a) Sending terminal; (b) receiving terminal

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Fig. 9. BER of PWLSK scheme and OOK scheme under different λ₀