可見光通信的研究

白光發(fā)光二極管（LED）面世后，發(fā)光效率逐步提高，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步從顯示擴(kuò)展到照明。與傳統(tǒng)的照明設(shè)備相比，白光LED具有驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種綠色環(huán)保的照明器件，被視為第四代節(jié)能環(huán)保型照明設(shè)備[1].由圖1可以看出，LED在全球照明市場(chǎng)中所占據(jù)的比重正逐年遞增。據(jù)專業(yè)人士預(yù)測(cè)，隨著白光LED照明技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，到2021年，LED將占據(jù)以上的全球商用照明燈泡市場(chǎng)份額[2-3].

由于白光LED具有很高的響應(yīng)靈敏度，因此可以被用于進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)通信。可見光通信（VLC）就是在白光LED技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的新型的無(wú)線光通信技術(shù)。

室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)示意圖如圖2所示。在可見光通信系統(tǒng)中，白光LED具有通信與照明的雙重功能，由于LED的調(diào)制速率非常高，人眼完全感覺不到其閃爍?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)可利用室內(nèi)白光LED照明設(shè)備代替無(wú)線局域網(wǎng)基站，其通信速度可達(dá)每秒數(shù)十兆至數(shù)百兆，只要在室內(nèi)燈光照到的地方，就可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的高速數(shù)據(jù)傳輸；可見光通信系統(tǒng)具有安全性高的特點(diǎn)，室內(nèi)的信息不會(huì)外泄漏到室外；由于不使用無(wú)線電波通信，在對(duì)電磁信號(hào)敏感的環(huán)境中可以自由使用該系統(tǒng)。除此之外，與傳統(tǒng)的射頻通信以及紅外無(wú)線光通信技術(shù)相比，可見光通信還具有對(duì)人體安全、頻率資源豐富等優(yōu)點(diǎn)。

1可見光通信的研究現(xiàn)狀

1.1國(guó)際上的相關(guān)研究現(xiàn)狀

由于可見光通信技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景，它在未來(lái)通信領(lǐng)域中占有重要的地位和價(jià)值，因此很多研究機(jī)構(gòu)和電信運(yùn)營(yíng)公司加入到無(wú)線光通信的研究領(lǐng)域中來(lái)，特別是日本、歐洲、美國(guó)等國(guó)家在可見光通信的領(lǐng)域已經(jīng)投入了大量的人力、物力以及財(cái)力。

可見光通信的研究最早在日本開展。早在2000年，中川研究室的等人就對(duì)基于白光的可見光通信信道進(jìn)行了初步的數(shù)學(xué)分析和仿真計(jì)算，分析了白光作為室內(nèi)照明和通信光源的可能性[4].2002年，中川研究室的研究人員又對(duì)可見光通信系統(tǒng)展開了具體的分析，包括光源屬性、信道模型、噪聲模型、室內(nèi)不同位置的信噪比分布等[5].2003年，在中川正雄的倡導(dǎo)下，日本可見光通信聯(lián)合體成立，并吸引了一大批研究單位及企業(yè)參與，包括NEC、Sony、Toshiba、等。VLCC關(guān)于可見光通信的研究范圍比較寬廣，根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景可分為室內(nèi)移動(dòng)通信、可見光定位、可見光無(wú)線局域網(wǎng)接入、交通信號(hào)燈通信、水下可見光通信等。

在可將光通信研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大的成就，例如Samsung公司展出過(guò)工作距離為1 m的雙向可見光通信系統(tǒng)；中川研究室還開發(fā)了基于可見光通信的超市定位及導(dǎo)航系統(tǒng)，而且是面向商業(yè)化的產(chǎn)品。

歐洲的OMEGA計(jì)劃也對(duì)可見光通信展開了深入的研究。OMEGA計(jì)劃由歐洲的20多家大學(xué)科研單位和企業(yè)組成，它的目標(biāo)是發(fā)展出一種全新的能夠提供寬帶和高速服務(wù)的室內(nèi)接入網(wǎng)路。OMEGA計(jì)劃計(jì)劃把可見光通信技術(shù)列為重要的高速接入技術(shù)之一，并且已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。2009年，牛津大學(xué)的‘Brien等人利用均衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)了100 Mbit/s的通信速率[8]；2010年，他們又利用多輸入多輸出和正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了220 Mbit/s的傳輸速率[9].2010年在OMEGA計(jì)劃的年會(huì)上展出的室內(nèi)可將光通信演示系統(tǒng)的通信速率達(dá)到了100 Mbit/s，該系統(tǒng)利用房間天花板上的16個(gè)白光LED通信，完成了4路高清視頻的實(shí)時(shí)廣播。在2010年1月，德國(guó)Heinrich Hertz實(shí)驗(yàn)室的科研人員創(chuàng)造了可見光通信速率的世界紀(jì)錄，他們利用普通商用的熒光白光LED搭建的可見光通信系統(tǒng)達(dá)到了513 Mbit/s的通信速率，并且他們通過(guò)分析認(rèn)為該系統(tǒng)的通信速率還有提升的空間，可達(dá)到甚至1 000 Mbit/s [10].2011年，實(shí)驗(yàn)室的科研人員又利用色光三原色（RGB）型白光LED以及密集波分復(fù)用（WDM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了的通信速率[11].

除了日本和歐洲的科研單位，美國(guó)的UC-Light[12]也是進(jìn)行可見光通信研究的重要機(jī)構(gòu)。UC-Light依托于加州大學(xué)的4所分校和1個(gè)美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，其研究人員的研究背景涉及建筑學(xué)、無(wú)線通信、網(wǎng)絡(luò)、照明、光學(xué)、器件等領(lǐng)域。UC-Light成立的目的是開發(fā)一種基于LED照明的高速通信和定位系統(tǒng)。

1.2中國(guó)的研究現(xiàn)狀

中國(guó)的可見光通信研究起步相對(duì)較晚，與國(guó)際相比仍然落后很多，尚沒有比較成熟的商用化的可見光通信系統(tǒng)。近年來(lái)，在國(guó)家大力支持的背景下，中國(guó)的可見光通信研究也逐步取得了一定的進(jìn)步，在可見光通信理論、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)仿真、實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作等方面取得了一些成果。

北京大學(xué)在2006年首次提出了基于廣角鏡頭的超寬視角可見光信號(hào)接收方案，并進(jìn)行了一系列的理論和實(shí)驗(yàn)工作。此外，在LED的調(diào)制驅(qū)動(dòng)、LED陣列的布局優(yōu)化以及高靈敏度接收等方面進(jìn)行了一定的研究，并在可見光通信與無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）的融合接入中的物理層、鏈路層和傳輸層等方面開展了探索研究。在年的Intel杯大學(xué)生嵌入式系統(tǒng)大賽中，北京大學(xué)的參賽作品（基于白光的照明及綜合信息發(fā)布系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)了5個(gè)頻道的廣播，在6 m的工作距離下實(shí)現(xiàn)了3 Mbit/s的通信速率，該系統(tǒng)在大賽中榮獲二等獎(jiǎng)。

1.3可見光通信的標(biāo)準(zhǔn)化工作

由于可見光通信有著廣闊的前景，IEEE在2003年開始并最終于年發(fā)布了可見光通信的標(biāo)準(zhǔn)。這是VLC的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，包含了3個(gè)物理層類型，分別對(duì)應(yīng)于低中高速數(shù)據(jù)傳輸。但是，由于缺少LED照明部門的參與，并沒有給出可見光通信最終的標(biāo)準(zhǔn)。

在日本，VLCC也為可見光通信的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行了很多年的努力。近年來(lái)，國(guó)際紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（IrDA）和在可見光通信的標(biāo)準(zhǔn)化工作中開展了一系列的合作。2009年它們?cè)贗rDA標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上發(fā)布了第一個(gè)可見光通信標(biāo)準(zhǔn)，在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下，現(xiàn)有的IrDA光學(xué)模塊可以在經(jīng)過(guò)改造后被用于可見光通信的數(shù)據(jù)傳輸。

2可見光通信的應(yīng)用領(lǐng)域

可見光通信由于具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，因此在很多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

（1）照明與通信

白光LED可以同時(shí)被用于照明與通信，因此信息可以在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行廣播[14]，并同時(shí)滿足照明的需求。此外，可見光通信還可以實(shí)現(xiàn)手持終端之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，由于發(fā)散角較小，因此可以有效地降低傳輸損耗，實(shí)現(xiàn)高速通信。

（2）視覺信號(hào)與數(shù)據(jù)傳輸

信號(hào)燈在航海和地面交通等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，它通過(guò)顏色的變化來(lái)給人們提供信號(hào)，而將數(shù)據(jù)通信與信號(hào)燈相結(jié)合則可以為交通管理提供更好的安全性和可靠性。目前，基于可見光通信的信號(hào)燈已有若干演示系統(tǒng)，如將數(shù)據(jù)由交通燈傳遞給汽車[15]，或?qū)?shù)據(jù)在汽車與汽車之間傳遞等。

（3）顯示與數(shù)據(jù)通信

陣列常常被用于信息顯示，如廣告牌、信息板等。若將相應(yīng)的信息調(diào)制到這些LED陣列上，則可便捷地將數(shù)據(jù)傳遞給用戶手持終端[16].

這種顯示與通信相結(jié)合的系統(tǒng)在機(jī)場(chǎng)、博物館等場(chǎng)所有著巨大的應(yīng)用前景。

（4）室內(nèi)定位

傳統(tǒng)的衛(wèi)星定位方法很難實(shí)現(xiàn)室內(nèi)移動(dòng)用戶的精確定位，而可見光通信則可以將用戶的位置信息通過(guò)照明設(shè)施來(lái)進(jìn)行傳遞，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的室內(nèi)定位。目前，基于可見光通信的諸多室內(nèi)定位方案已經(jīng)被提出[17]，日本的VLCC則已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于超市環(huán)境下的室內(nèi)定位實(shí)驗(yàn)。

3可見光通信的研究趨勢(shì)

雖然可見光通信具有巨大的應(yīng)用前景，但在實(shí)用過(guò)程中還有很多關(guān)鍵問(wèn)題需要解決。目前限制可見光通信發(fā)展的主要因素有：受限的調(diào)制帶寬、LED器件的非線性效應(yīng)、可見光通信室內(nèi)信道的多徑效應(yīng)等等。因此，為了實(shí)現(xiàn)可見光通信高速的數(shù)據(jù)傳輸，以下幾個(gè)方面已經(jīng)成為了可見光通信的研究趨勢(shì)。

（1）高調(diào)制帶寬的LED光源

目前商用白光LED的調(diào)制帶寬有限，只有約3~50 MHz.這是因?yàn)榘坠釲ED設(shè)計(jì)的初衷是用于照明，而并非用于通信，其結(jié)電容很大，限制了調(diào)制帶寬。因此，在保證大功率輸出的前提下，開發(fā)出具有更高調(diào)制帶寬的LED光源，將極大地促進(jìn)可見光通信的發(fā)展。

（2）LED的大電流驅(qū)動(dòng)和非線性效應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)

在可見光通信系統(tǒng)中，LED的工作電流較大，需要進(jìn)行大電流驅(qū)動(dòng)，而LED的非線性效應(yīng)則會(huì)使可見光信號(hào)發(fā)生畸變。因此在實(shí)際使用中需要合理地控制偏置電壓、信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍、信號(hào)帶寬等參數(shù)，并且根據(jù)的非線性傳輸曲線的特征有意識(shí)地對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行預(yù)畸變處理等等，以提高調(diào)制效率，提升傳輸容量。

（3）光源的布局優(yōu)化

在可見光通信系統(tǒng)中，白光光源需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明和通信的雙重功能，而單個(gè)LED的發(fā)光強(qiáng)度比較小，因此在實(shí)際系統(tǒng)中光源應(yīng)采用多個(gè)LED組成的陣列。LED陣列的布局是影響可見光通信系統(tǒng)性能的重要因素之一。一方面，為了滿足室內(nèi)照明的要求，首先要考慮室內(nèi)照明度的分布；另一方面，為了保證通信的性能，還需要考慮室內(nèi)信噪比的分布，避免盲區(qū)和陰影的出現(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)，LED的數(shù)目越大，室內(nèi)的照明度越高，系統(tǒng)接受到的光信號(hào)的功率也越大，但由不同路徑造成的符號(hào)間干擾也越嚴(yán)重。因此，在對(duì)可見光通信系統(tǒng)的研究中，應(yīng)對(duì)LED陣列進(jìn)行合理的布局。

此外，對(duì)于不同的室內(nèi)環(huán)境，如何迅速地建立光功率與信噪比分布模型，實(shí)現(xiàn)快速的智能布局也是可見光通信研究中需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

（4）光學(xué)MIMO技術(shù)

與射頻系統(tǒng)相似，通過(guò)采用多個(gè)發(fā)射和接收單元的并行傳輸可以提高可見光通信的性能。此外需要指出的是，一個(gè)典型的室內(nèi)照明方案需要采用白光LED陣列來(lái)滿足一定的照明度，這恰好使MIMO技術(shù)更具有吸引力。

（5）光學(xué)OFDM技術(shù)

為了在有限帶寬的條件下實(shí)現(xiàn)高速傳輸速率，OFDM成為了一個(gè)極具吸引力的高頻譜效率的調(diào)制技術(shù)。OFDM技術(shù)為信道色散提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方法，而且可以完全在數(shù)字域?qū)嵤?，它將信道的可用帶寬劃分為許多個(gè)子信道，利用子信道間的正交性實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用，并可以在子載波上通過(guò)對(duì)比特和功率的分配來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸對(duì)信道條件的調(diào)節(jié)適應(yīng)。由于降低了子載波的傳輸速率，延長(zhǎng)了碼元周期，因此具有優(yōu)良的抗多徑效應(yīng)性能；此外OFDM還可以使不同用戶占用互不重疊的子載波集，從而實(shí)現(xiàn)下行鏈路的多用戶傳輸。

（6）高靈敏度的廣角接收技術(shù)

室內(nèi)光通信系統(tǒng)大多數(shù)工作在直射光條件下，當(dāng)室內(nèi)有人走動(dòng)或者在直射通道上有障礙物時(shí)，將會(huì)在接收機(jī)處形成陰影效應(yīng)，影響通信性能，甚至出現(xiàn)通信盲區(qū)，使通信無(wú)法繼續(xù)。而采用大視場(chǎng)的廣角光學(xué)接收系統(tǒng)可以解決這一問(wèn)題，其大視場(chǎng)角的特性可以保證同時(shí)接收直射和散射光信號(hào)，這樣就避免了“陰影”和“盲區(qū)”現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，室內(nèi)光通信系統(tǒng)采用MIMO技術(shù)要求接收機(jī)能夠接收到發(fā)端LED光源陣列發(fā)出的光信號(hào)，以解析出多個(gè)獨(dú)立的通信信道。這也需要接收光學(xué)系統(tǒng)具有大視場(chǎng)特性。

（7）消除碼間干擾的技術(shù)

在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中，光源通常由多個(gè)發(fā)光LED陣列組成，另外為了達(dá)到較好的照明和通信效果，防止“陰影”影響，一個(gè)房間通常要安裝多個(gè)LED光源。由于LED單元分布位置的不同以及墻面的反射、折射及散射，不可避免的產(chǎn)生碼間干擾，極大降低了系統(tǒng)的性能。自適應(yīng)均衡技術(shù)以及前面提到的OFDM技術(shù)已經(jīng)在高速無(wú)線通信中得到了廣泛的應(yīng)用。在可見光通信系統(tǒng)中，也可以采用這些方式降低符號(hào)間干擾。目前，應(yīng)用于可見光通信的均衡和OFDM技術(shù)的研究已經(jīng)成為可見光通信研究中的熱點(diǎn)。

可見光通信與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的融合接入技術(shù)目前，全球已經(jīng)開展了光纖到戶的工作，并取得很大的進(jìn)展。光纖到戶后，可為單用戶提供300 Mbit/s的下行帶寬，在此網(wǎng)絡(luò)帶寬下，目前的微波無(wú)線低頻段廣播覆蓋的頻譜資源不夠，無(wú)法滿足如此高的帶寬需求，因此，在最后10 m距離內(nèi)的高速接入將成為寬帶通信的瓶頸。可見光波段位于380~780 nm，屬于新頻譜資源。室內(nèi)可見光通信由于具有諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為了理想的短距離高速無(wú)線接入方案之一。將可見光通信系統(tǒng)與光纖到戶系統(tǒng)融合，例如，可以通過(guò)“光電—電光”的轉(zhuǎn)換將信息調(diào)制到LED光源發(fā)射到用戶終端，實(shí)現(xiàn)高速率、高保密性的無(wú)線光接入。此外，可見光通信可與電力線通信（PLC）技術(shù)相融合，利用現(xiàn)有的電力線設(shè)備傳輸信號(hào)并驅(qū)動(dòng)LED光源，將會(huì)大幅度降低成本，因此，這種技術(shù)融合在未來(lái)也將會(huì)成為可見光通信的研究趨勢(shì)。

4結(jié)束語(yǔ)

可見光通信能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)照明與通信的功能，具有傳輸數(shù)據(jù)率高，保密性強(qiáng)，無(wú)電磁干擾，無(wú)需頻譜認(rèn)證等優(yōu)點(diǎn)，是理想的室內(nèi)高速無(wú)線接入方案之一?？梢姽馔ㄐ旁谌蛞呀?jīng)成為了研究的熱點(diǎn)，特別是日本、歐洲和美國(guó)對(duì)可見光通信的研究投入了大量的人力和物力，并取得了一定的進(jìn)展。在可見光通信的研究中，高調(diào)制帶寬的LED光源、LED的大電流驅(qū)動(dòng)和非線性效應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)、光源的布局優(yōu)化、光學(xué)MIMO與技術(shù)、高靈敏度的廣角接收技術(shù)、消除碼間干擾的技術(shù)以及可見光通信與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的融合接入技術(shù)等已經(jīng)成為了研究趨勢(shì)?？梢姽馔ㄐ旁谖磥?lái)的通信領(lǐng)域中將會(huì)占據(jù)重要的地位，并將大大地推動(dòng)信息化社會(huì)的發(fā)展。

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