可見光通信的研究
來(lái)源:中興通訊技術(shù)
作者:陳特 劉璐 胡薇薇
摘要: 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。
Abstract:
Key words :
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。可見光通信系統(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。
?。?)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。
?。?)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)用過程中還有很多關(guān)鍵問題需要解決。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)鍵問題。
(4)光學(xué)MIMO 技術(shù)
與射頻系統(tǒng)相似,通過采用多個(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??梢姽獠ǘ挝挥?80~780 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“ 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。可見光通信在全球已經(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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