摘 要： LED照明與可見光通信技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)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(shù)可以克服LED較低調(diào)制帶寬和提高信噪比的特性。詳細(xì)介紹了不同調(diào)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(diǎn)，最后介紹了高速可見光通信系統(tǒng)的組網(wǎng)，通過對(duì)通信鏈路和系統(tǒng)信道模型進(jìn)行分析討論，指出了照明設(shè)計(jì)和接收機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素。

　　關(guān)鍵詞： 高速可見光通信系統(tǒng)；LED光源；均衡技術(shù)；調(diào)制體制；組網(wǎng)

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(jié)合的新型模式推動(dòng)了一種拓寬頻譜資源、綠色節(jié)能、可移動(dòng)的接入方式的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，給傳統(tǒng)接入網(wǎng)技術(shù)帶來了巨大的考驗(yàn)。

　　LED可見光無線通信分室外通信和室內(nèi)通信兩大類。室內(nèi)LED可見光無線通信技術(shù)主要利用室內(nèi)LED照明燈作為通信基站進(jìn)行信息無線傳輸?shù)氖覂?nèi)通信系統(tǒng)。室外LED可見光無線通信技術(shù)目前主要應(yīng)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(gòu)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(wǎng)物理層的基礎(chǔ)問題的初步研究。通過關(guān)鍵技術(shù)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(shè)計(jì)、發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)等一系列理論及工程實(shí)踐技術(shù)。當(dāng)今，可見光通信技術(shù)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(diào)制到高階調(diào)制，從離線到實(shí)時(shí)，從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)到MIMO，技術(shù)發(fā)展一日千里[2]。

1 LED光源特性及均衡技術(shù)

　　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(shí)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(lán)光、紫外光），激發(fā)出較長波長的光（紅、藍(lán)、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(lán)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(dāng)要通過增加調(diào)制速率來實(shí)現(xiàn)高速通信時(shí)，由于LED 的響應(yīng)特性等決定了可見光通信系統(tǒng)的調(diào)制帶寬，直接關(guān)系到數(shù)據(jù)傳輸速率的大小，導(dǎo)致可見光通信系統(tǒng)將難以實(shí)現(xiàn)這種高速通信。LED光源中較低的調(diào)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(shù)可以有效地?cái)U(kuò)展帶寬，通過在發(fā)送和接收設(shè)備中采用均衡技術(shù)，并在接收端窄帶濾光，可以提高調(diào)制速度。

　　均衡分為發(fā)射端預(yù)均衡和接收端后均衡 ，從實(shí)現(xiàn)方式又可以分為模擬均衡和數(shù)字均衡 。模擬預(yù)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(hào)通過比例，提高高頻信號(hào)通過比例。模擬預(yù)均衡結(jié)構(gòu)簡單，但參數(shù)隨器件變化。數(shù)字預(yù)均衡利用信號(hào)處理方式可以自動(dòng)調(diào)整發(fā)射波形，如圖1(b)。預(yù)均衡前后頻譜和誤比特率對(duì)比如圖2。

　　接收端藍(lán)光響應(yīng)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(yīng)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(shí)驗(yàn)證明，借助均衡技術(shù)可提高LED的調(diào)制帶寬，相應(yīng)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(fù)雜性，可以使系統(tǒng)的性能得到進(jìn)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(diào)制技術(shù)。在無線光通信中，普遍采用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)(IM/DD)系統(tǒng)。通過研究適合可見光通信的調(diào)制編碼方式和各種信號(hào)處理技術(shù)，充分利用可見光通信的光譜資源，實(shí)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(diào)制方式是適合LED器件非線性特點(diǎn)的調(diào)制方式，如開關(guān)鍵控(OOK)等，見圖4。這一類調(diào)制方式的特點(diǎn)是可以通過非線性開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)，功率效率高，電路設(shè)計(jì)簡單，不需要考慮器件的非線性。但缺點(diǎn)也很明顯，即調(diào)制速率較低，不能充分利用信道容量，無法根據(jù)信道條件進(jìn)行自適應(yīng)，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(fù)雜度。

　　2.2 OFDM高速可見光通信系統(tǒng)

　　另一種研究較多的調(diào)制方式是多載波調(diào)制，即基于強(qiáng)度調(diào)制的OFDM，它把OFDM( Orthogonal Frequency Division Multiplexing)通過對(duì)稱變換把多載波信號(hào)變換到實(shí)數(shù)域。OFDM技術(shù)在頻譜利用率和克服多徑干擾上性能很好。

　　多載波調(diào)制是一種線性調(diào)制，它的優(yōu)勢(shì)是可以把可用頻譜資源分成多個(gè)窄帶子載波，每個(gè)子載波都可以根據(jù)其信道條件單獨(dú)調(diào)制，這樣可以充分利用整個(gè)頻段的資源實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制。此外，多載波調(diào)制系統(tǒng)還可以很容易地根據(jù)信道條件的變化實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)制。因此多載波調(diào)制技術(shù)結(jié)合相應(yīng)的預(yù)處理和均衡技術(shù)目前廣泛地應(yīng)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(yīng)用OFDM調(diào)制還需要克服許多困難。比如OFDM調(diào)制多載波調(diào)制技術(shù)的劣勢(shì)在于它的發(fā)射需要保持嚴(yán)格的線性，幅度不斷變化的OFDM信號(hào)工作在大信號(hào)幅度時(shí)可能會(huì)驅(qū)動(dòng)功放進(jìn)入非線性區(qū)產(chǎn)生失真。這會(huì)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(jìn)一步得到提升還需要采用波分復(fù)用技術(shù)（WDM），結(jié)合OFDM和均衡技術(shù)[2]，包括全光波分提取技術(shù)、自適應(yīng)接收技術(shù)等。

　　一種WDM方案是利用三基色LED器件實(shí)現(xiàn)三通道的傳輸，數(shù)據(jù)速率可以容易實(shí)現(xiàn)三倍提升。在發(fā)射端信號(hào)調(diào)制在不同基色的LED上，通過控制施加在各個(gè)LED芯片上的電流，能夠隨意調(diào)出所需要的顏色，且色調(diào)、色溫調(diào)整靈活，色域較寬。每個(gè)信道又采用正交頻分復(fù)用技術(shù)OFDM，結(jié)合數(shù)字均衡技術(shù)實(shí)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(shí)現(xiàn)整個(gè)光譜的波分信號(hào)提取。前端光學(xué)濾鏡和光電PIN管的感光特性組成對(duì)光信號(hào)的濾波，去除各種光噪聲，提取出有效的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)再進(jìn)行后續(xù)處理和解調(diào)，從而實(shí)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(diào)制混合白化”問題——也即使得各路調(diào)制信號(hào)疊加之后，光的強(qiáng)度不要出現(xiàn)太大的波動(dòng)，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(shí)的溫度特性、電流特性皆不一致，隨時(shí)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(jìn)一步增加了成本，系統(tǒng)的可維護(hù)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(shí)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(shí)際中，由于器件的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)多高的速率還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。目前實(shí)現(xiàn)多通道傳輸?shù)难芯窟€處于起步階段，已經(jīng)有文獻(xiàn)提出了利用成像透鏡實(shí)現(xiàn)MIMO傳輸?shù)姆桨福朔桨冈诎l(fā)射端采用多個(gè)發(fā)射陣列，光信號(hào)通過一個(gè)成像透鏡分別到達(dá)接收端的多個(gè)PIN管。接收端需設(shè)計(jì)光學(xué)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(hào)完全分開，互不干擾。這種MIMO傳輸方式通過光學(xué)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(dòng)狀態(tài)下可以實(shí)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(shí)際應(yīng)用中還有許多困難。比如它無法實(shí)現(xiàn)移動(dòng)狀態(tài)下的多通道接收，同時(shí)它的通道數(shù)受限于光學(xué)成像系統(tǒng)，當(dāng)收發(fā)兩端的位置和角度有偏差時(shí)無法聚焦成像，因此這種方案還需要進(jìn)一步研究完善。但將會(huì)成為未來高速可見光通信的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[2]。

3 高速可見光通信系統(tǒng)組網(wǎng)

　　可見光通信系統(tǒng)組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊环N典型設(shè)計(jì)如圖7所示。網(wǎng)關(guān)采用全雙工協(xié)議與終端用戶進(jìn)行無線傳輸，遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)通過以太網(wǎng)，使用網(wǎng)關(guān)的IP地址與各個(gè)終端用戶進(jìn)行信息交換[6]。網(wǎng)關(guān)是可見光通信網(wǎng)絡(luò)中的核心組成部分。網(wǎng)關(guān)通過LED路由中光電接收器接收來自終端用戶的信息，同時(shí)分時(shí)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(fù)責(zé)將終端用戶的信息調(diào)制成光信號(hào)并接收來自反向鏈路的光信號(hào)[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(diào)出發(fā)送的信息。之后再經(jīng)過相應(yīng)的解調(diào)處理，恢復(fù)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(guān)于可見光通信的信道測(cè)量和建模大多借用紅外通信的研究結(jié)果，基于射線跟蹤法的室內(nèi)信道傳播模型已經(jīng)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(wǎng)中通信的性能主要受直射光的影響[8]。但對(duì)背景光、散射等未作分析。因此建立恰當(dāng)?shù)膫鬏斈Ｐ蛯⒂兄趯?duì)系統(tǒng)展開深入的研究[1]。

　　在LED可見光通信系統(tǒng)中存在著強(qiáng)烈的背景噪聲及電路固有噪聲的干擾,同時(shí)隨著傳輸距離的加大，接收機(jī)接收到的信號(hào)十分微弱，常常會(huì)導(dǎo)致接收端信噪比小于1。為了精確地接收信號(hào)，需要選擇靈敏度高、響應(yīng)速度快、噪聲小的新型光電探測(cè)器；對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)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(duì)信號(hào)進(jìn)行整形和去噪聲[9]。此外采用自適應(yīng)接收技術(shù)通過檢測(cè)光信號(hào)的變化特征自適應(yīng)調(diào)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(duì)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(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率大于100 Mb/s時(shí),OFDM調(diào)制技術(shù)優(yōu)于OOK_RZ調(diào)制技術(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率在100 Mb/s以下時(shí)，這兩種調(diào)制技術(shù)都是可行的[1]。另外，在移動(dòng)環(huán)境中進(jìn)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(jié)與展望

　　由于LED工業(yè)的迅猛發(fā)展，基于LED照明設(shè)備的可見光通信技術(shù)現(xiàn)在正處于即將產(chǎn)業(yè)化的大好時(shí)機(jī)。我國的科研院所和企業(yè)實(shí)體應(yīng)該在改善和增強(qiáng)可見光通信的各項(xiàng)性能指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，未來工作的重點(diǎn)和突破在于[11]：⑴白光LED光源的帶寬拓展技術(shù)；⑵反向鏈路的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)全雙工通信；⑶電力線通信與VLC的融合技術(shù)；⑷VLC技術(shù)在城市車輛的移動(dòng)導(dǎo)航及定位上的應(yīng)用。積極跟進(jìn)和參與目前正在如火如荼進(jìn)行的國際標(biāo)準(zhǔn)化工作，從而推動(dòng)該技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 周洋，劉耀進(jìn)，趙玉虎. LED可見光無線通信的現(xiàn)狀和發(fā)展方向[J]. 淮陰工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006,15(3)：35-38.

　　[2] 遲楠. LED可見光通信技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2013.

　　[3] 張錦華，朱大慶，王加賢.三芯片高顯色指數(shù)白光LED的研究[J].半導(dǎo)體光電，2012,33(5)：667-671.

　　[4] 丁舉鵬，黃治同.光無線通信研究方向幾技術(shù)優(yōu)化初析[J].數(shù)字通信世界，2009(8)：66-68.

　　[5] 駱宏圖，陳長纓，傅倩，等.白光LED室內(nèi)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)[J].光通信技術(shù)，2011(2)：56-59.

　　[6] 揚(yáng)宇，劉博，張建昆，等.一種基于大功率LED照明燈的可見光通信系統(tǒng)[J].光電子?激光，2011,22(6)：803-807.

　　[7] 茹小波.室內(nèi)可見光局域網(wǎng)的研究[J].大眾科技，2012(4)：69-72.

　　[8] 劉宏展，呂曉旭，王發(fā)強(qiáng)，等.白光LED照明的可見光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].光通信技術(shù)，2009(7)：53-56.

　　[9] 臧景峰，樸燕，宋正勛，等.基于白光LED照明光源的室內(nèi)VLC系統(tǒng)[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2009,30(6)：877-881.

　　[10] 丁德強(qiáng)，柯熙政.可見光通信及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].半導(dǎo)體光電，2006,27(2)：114-117.

　　[11] 徐春.基于LED室內(nèi)光無線通信光源設(shè)計(jì)的比較及優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012,32(3)：819-822.