摘 要： LED照明與可見光通信技術相結合，構建出基于LED的可見光無線通信系統(tǒng)。本文介紹了白光LED的光源特性，分析了均衡技術可以克服LED較低調制帶寬和提高信噪比的特性。詳細介紹了不同調制體制的高速可見光無線通信系統(tǒng)，并比較了它們的優(yōu)缺點，最后介紹了高速可見光通信系統(tǒng)的組網，通過對通信鏈路和系統(tǒng)信道模型進行分析討論，指出了照明設計和接收機設計時應考慮的因素。
關鍵詞： 高速可見光通信系統(tǒng)；LED光源；均衡技術；調制體制；組網
0 引言
基于LED的可見光通信(Visible Light Communication，VLC)作為一種照明和光通信結合的新型模式推動了一種拓寬頻譜資源、綠色節(jié)能、可移動的接入方式的發(fā)展和技術進步，給傳統(tǒng)接入網技術帶來了巨大的考驗。
LED可見光無線通信分室外通信和室內通信兩大類。室內LED可見光無線通信技術主要利用室內LED照明燈作為通信基站進行信息無線傳輸?shù)氖覂韧ㄐ畔到y(tǒng)。室外LED可見光無線通信技術目前主要應用在智能交通系統(tǒng)(ITS)中，出現(xiàn)了LED交通燈與汽車前后LED燈之間構成的交通燈至汽車和汽車前燈至汽車尾燈這兩類可見光通信系統(tǒng)[1]。
可見光無線通信系統(tǒng)開啟了VLC寬帶接入網物理層的基礎問題的初步研究。通過關鍵技術研究和建立高速光通信系統(tǒng)掌握了可見光通信的信道特性、鏈路設計、發(fā)射驅動電路技術組網技術等一系列理論及工程實踐技術。當今，可見光通信技術的研究在短短十幾年間得到了迅猛的發(fā)展。從幾十兆比特每秒到500 Mb/s再到吉比特每秒傳輸速率不斷提升，從低階調制到高階調制，從離線到實時，從點對點到MIMO，技術發(fā)展一日千里[2]。
1 LED光源特性及均衡技術
可見光通信利用白光LED（WLED）作為信源 。連續(xù)光譜的白光不可能從單一的LED芯片獲得，白光LED的實現(xiàn)途徑大致分為兩種[3]：一種是利用熒光粉吸收LED芯片發(fā)出的較短波長的光（如藍光、紫外光），激發(fā)出較長波長的光（紅、藍、綠、黃光），吸收光譜與激發(fā)光譜有重疊部分。通過多色光的混合得到白光。另一種是利用三基色原理，將發(fā)射紅、綠、藍光的LED芯片集成封裝在一起按比例混合得到白光。這種方法需要一定的電子電路來控制這些光色的混合比例而得到白光。
當要通過增加調制速率來實現(xiàn)高速通信時，由于LED 的響應特性等決定了可見光通信系統(tǒng)的調制帶寬，直接關系到數(shù)據傳輸速率的大小，導致可見光通信系統(tǒng)將難以實現(xiàn)這種高速通信。LED光源中較低的調制帶寬問題，在基于LED的光無線通信系統(tǒng)中是影響系統(tǒng)性能優(yōu)化的主要因素。但均衡技術可以有效地擴展帶寬，通過在發(fā)送和接收設備中采用均衡技術，并在接收端窄帶濾光，可以提高調制速度。
均衡分為發(fā)射端預均衡和接收端后均衡 ，從實現(xiàn)方式又可以分為模擬均衡和數(shù)字均衡 。模擬預均衡有兩種方式，見圖1(a)。一種是使用電感與LED串聯(lián)的方式，降低LED 的容抗；另一種是使用電阻、電容并聯(lián)的方式降低低頻信號通過比例，提高高頻信號通過比例。模擬預均衡結構簡單，但參數(shù)隨器件變化。數(shù)字預均衡利用信號處理方式可以自動調整發(fā)射波形，如圖1(b)。預均衡前后頻譜和誤比特率對比如圖2。
接收端藍光響應的幅頻特性可以用一階函數(shù)近似，模擬均衡可以采用簡單的一階RC電路，如圖3(a)，均衡前后信道幅頻響應如圖3(b)，均衡前信道3 dB帶寬約為15 MHz，均衡后提高到約80 MHz。
實驗證明，借助均衡技術可提高LED的調制帶寬，相應地，系統(tǒng)的誤碼率特性也得到了改善。沿著這一研究思路，適度增加均衡方案的復雜性，可以使系統(tǒng)的性能得到進一步的優(yōu)化[4]。
2 高速可見光通信系統(tǒng)
由于可見光LED是非相干光源，只能采用直接調制技術。在無線光通信中，普遍采用強度調制/直接檢測(IM/DD)系統(tǒng)。通過研究適合可見光通信的調制編碼方式和各種信號處理技術，充分利用可見光通信的光譜資源，實現(xiàn)逼近容量的高速可靠傳輸。
2.1 OOK可見光通信系統(tǒng)
傳統(tǒng)的調制方式是適合LED器件非線性特點的調制方式，如開關鍵控(OOK)等，見圖4。這一類調制方式的特點是可以通過非線性開關器件實現(xiàn)，功率效率高，電路設計簡單，不需要考慮器件的非線性。但缺點也很明顯，即調制速率較低，不能充分利用信道容量，無法根據信道條件進行自適應，此外還受信道多徑延遲的影響。為充分利用可見光頻譜資源，需要在收發(fā)兩端做均衡處理，這又帶來較高的復雜度。
2.2 OFDM高速可見光通信系統(tǒng)
另一種研究較多的調制方式是多載波調制，即基于強度調制的OFDM，它把OFDM( Orthogonal Frequency Division Multiplexing)通過對稱變換把多載波信號變換到實數(shù)域。OFDM技術在頻譜利用率和克服多徑干擾上性能很好。
多載波調制是一種線性調制，它的優(yōu)勢是可以把可用頻譜資源分成多個窄帶子載波，每個子載波都可以根據其信道條件單獨調制，這樣可以充分利用整個頻段的資源實現(xiàn)高速調制。此外，多載波調制系統(tǒng)還可以很容易地根據信道條件的變化實現(xiàn)自適應調制。因此多載波調制技術結合相應的預處理和均衡技術目前廣泛地應用于各種寬帶通信系統(tǒng)中。如圖5[4]。
然而在可見光通信系統(tǒng)中，應用OFDM調制還需要克服許多困難。比如OFDM調制多載波調制技術的劣勢在于它的發(fā)射需要保持嚴格的線性，幅度不斷變化的OFDM信號工作在大信號幅度時可能會驅動功放進入非線性區(qū)產生失真。這會極大地降低功率效率。
2.3 WDM高速可見光通信系統(tǒng)
要使系統(tǒng)容量進一步得到提升還需要采用波分復用技術（WDM），結合OFDM和均衡技術[2]，包括全光波分提取技術、自適應接收技術等。
一種WDM方案是利用三基色LED器件實現(xiàn)三通道的傳輸，數(shù)據速率可以容易實現(xiàn)三倍提升。在發(fā)射端信號調制在不同基色的LED上，通過控制施加在各個LED芯片上的電流，能夠隨意調出所需要的顏色，且色調、色溫調整靈活，色域較寬。每個信道又采用正交頻分復用技術OFDM，結合數(shù)字均衡技術實現(xiàn)最大容量。在接收端則通過選擇不同的濾鏡和PIN管可以實現(xiàn)整個光譜的波分信號提取。前端光學濾鏡和光電PIN管的感光特性組成對光信號的濾波，去除各種光噪聲，提取出有效的光信號轉換成電信號再進行后續(xù)處理和解調，從而實現(xiàn)類似光纖通信中的波分效果。見圖6。
這種傳輸方式需要解決的問題是“多路調制混合白化”問題——也即使得各路調制信號疊加之后，光的強度不要出現(xiàn)太大的波動，并且需要接近白光，以便起到照明的作用[5]。但不同LED芯片發(fā)光時的溫度特性、電流特性皆不一致，隨時間的衰減速度也不一致，易造成白光顏色的漂移，需增加光色反饋、熱老化等控制系統(tǒng)，進一步增加了成本，系統(tǒng)的可維護性也下降。
2.4 MIMO高速可見光通信系統(tǒng)
光通信的空間區(qū)分度更好，光的波長很短，因此可以實現(xiàn)更多的MIMO傳輸通道。理論上通過這種多維信道的傳輸方式可以提高信息傳輸速率大約幾十倍甚至上百倍。然而在實際中，由于器件的限制，能夠實現(xiàn)多高的速率還需要進行進一步的研究。目前實現(xiàn)多通道傳輸?shù)难芯窟€處于起步階段，已經有文獻提出了利用成像透鏡實現(xiàn)MIMO傳輸?shù)姆桨?，此方案在發(fā)射端采用多個發(fā)射陣列，光信號通過一個成像透鏡分別到達接收端的多個PIN管。接收端需設計光學成像系統(tǒng)，將不同陣列發(fā)射的光線匯聚到不同的PD上，從而把多通道的光信號完全分開，互不干擾。這種MIMO傳輸方式通過光學成像系統(tǒng)把不同光源的光線分開在收發(fā)兩端直射并且非移動狀態(tài)下可以實現(xiàn)很好的多通道傳輸。然而目前這種方案還只停留在理論研究上，在實際應用中還有許多困難。比如它無法實現(xiàn)移動狀態(tài)下的多通道接收，同時它的通道數(shù)受限于光學成像系統(tǒng)，當收發(fā)兩端的位置和角度有偏差時無法聚焦成像，因此這種方案還需要進一步研究完善。但將會成為未來高速可見光通信的技術發(fā)展趨勢[2]。
3 高速可見光通信系統(tǒng)組網
可見光通信系統(tǒng)組網網絡拓撲的一種典型設計如圖7所示。網關采用全雙工協(xié)議與終端用戶進行無線傳輸，遠程互聯(lián)網通過以太網，使用網關的IP地址與各個終端用戶進行信息交換[6]。網關是可見光通信網絡中的核心組成部分。網關通過LED路由中光電接收器接收來自終端用戶的信息，同時分時段地將送給終端用戶的信息通過LED路由中白光LED光源以TCP/IP方式及漫散射的方式發(fā)送出去[7]。終端用戶包括了前向鏈路的白光LED光源和反向鏈路的光電接收器，集合了發(fā)射和接收功能，負責將終端用戶的信息調制成光信號并接收來自反向鏈路的光信號[5]。在終端用戶，只有在地址碼相匹配的情況下，終端用戶才可以解調出發(fā)送的信息。之后再經過相應的解調處理，恢復出發(fā)送的信息。
其中光鏈路的建立均采用方向性的直射鏈路(LOS-Light-of-Sight)和漫射鏈路。目前，關于可見光通信的信道測量和建模大多借用紅外通信的研究結果，基于射線跟蹤法的室內信道傳播模型已經較為成熟。研究指出，直射光、第一次反射光、第二次反射光與總的接收光的比率分別為95.16%、3.57%、1.27%。這表明,在可見光組網中通信的性能主要受直射光的影響[8]。但對背景光、散射等未作分析。因此建立恰當?shù)膫鬏斈Ｐ蛯⒂兄趯ο到y(tǒng)展開深入的研究[1]。
在LED可見光通信系統(tǒng)中存在著強烈的背景噪聲及電路固有噪聲的干擾,同時隨著傳輸距離的加大，接收機接收到的信號十分微弱，常常會導致接收端信噪比小于1。為了精確地接收信號，需要選擇靈敏度高、響應速度快、噪聲小的新型光電探測器；對所接收的信號進行前置處理,需采用高效的光濾波器，以抑制背景雜散光的干擾，對信號進行整形和去噪聲[9]。此外采用自適應接收技術通過檢測光信號的變化特征自適應調整接收端的視角廣度和方向以及濾波器帶寬優(yōu)化接收端的信噪比。
要獲得更高的傳輸速率，必須重視碼間干擾（ISI）的問題。對光無線通信來講，多徑傳播是引入碼間干擾的主要原因。在VLC系統(tǒng)中，采用光OFDM方式可以降低ISI的影響[10]。當數(shù)據傳輸速率大于100 Mb/s時,OFDM調制技術優(yōu)于OOK_RZ調制技術，當數(shù)據傳輸速率在100 Mb/s以下時，這兩種調制技術都是可行的[1]。另外，在移動環(huán)境中進行高速通信還需要解決雙工多址、覆蓋、切換等幾大問題。
4 總結與展望
由于LED工業(yè)的迅猛發(fā)展，基于LED照明設備的可見光通信技術現(xiàn)在正處于即將產業(yè)化的大好時機。我國的科研院所和企業(yè)實體應該在改善和增強可見光通信的各項性能指標上實現(xiàn)技術突破，未來工作的重點和突破在于[11]：⑴白光LED光源的帶寬拓展技術；⑵反向鏈路的實現(xiàn)技術，真正實現(xiàn)全雙工通信；⑶電力線通信與VLC的融合技術；⑷VLC技術在城市車輛的移動導航及定位上的應用。積極跟進和參與目前正在如火如荼進行的國際標準化工作，從而推動該技術產業(yè)的快速發(fā)展。
參考文獻
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