可見(jiàn)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，其應用領(lǐng)域逐步從顯示擴展到照明。與傳統的照明設備相比，白光LED具有驅動(dòng)電壓低、功耗低、使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種綠色環(huán)保的照明器件，被視為第四代節能環(huán)保型照明設備[1].由圖1可以看出，LED在全球照明市場(chǎng)中所占據的比重正逐年遞增。據專(zhuān)業(yè)人士預測，隨著(zhù)白光LED照明技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，到2021年，LED將占據以上的全球商用照明燈泡市場(chǎng)份額[2-3].

由于白光LED具有很高的響應靈敏度，因此可以被用于進(jìn)行高速的數據通信。可見(jiàn)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(xiàn)光通信技術(shù)。

室內可見(jiàn)光通信系統示意圖如圖2所示。在可見(jiàn)光通信系統中，白光LED具有通信與照明的雙重功能，由于LED的調制速率非常高，人眼完全感覺(jué)不到其閃爍?？梢?jiàn)光通信系統可利用室內白光LED照明設備代替無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)基站，其通信速度可達每秒數十兆至數百兆，只要在室內燈光照到的地方，就可以實(shí)現長(cháng)時(shí)間的高速數據傳輸；可見(jiàn)光通信系統具有安全性高的特點(diǎn)，室內的信息不會(huì )外泄漏到室外；由于不使用無(wú)線(xiàn)電波通信，在對電磁信號敏感的環(huán)境中可以自由使用該系統。除此之外，與傳統的射頻通信以及紅外無(wú)線(xiàn)光通信技術(shù)相比，可見(jiàn)光通信還具有對人體安全、頻率資源豐富等優(yōu)點(diǎn)。

1可見(jiàn)光通信的研究現狀

1.1國際上的相關(guān)研究現狀

由于可見(jiàn)光通信技術(shù)具有較好的應用前景，它在未來(lái)通信領(lǐng)域中占有重要的地位和價(jià)值，因此很多研究機構和電信運營(yíng)公司加入到無(wú)線(xiàn)光通信的研究領(lǐng)域中來(lái)，特別是日本、歐洲、美國等國家在可見(jiàn)光通信的領(lǐng)域已經(jīng)投入了大量的人力、物力以及財力。

可見(jiàn)光通信的研究最早在日本開(kāi)展。早在2000年，中川研究室的等人就對基于白光的可見(jiàn)光通信信道進(jìn)行了初步的數學(xué)分析和仿真計算，分析了白光作為室內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可見(jiàn)光通信系統展開(kāi)了具體的分析，包括光源屬性、信道模型、噪聲模型、室內不同位置的信噪比分布等[5].2003年，在中川正雄的倡導下，日本可見(jiàn)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(jiàn)光通信的研究范圍比較寬廣，根據具體的應用場(chǎng)景可分為室內移動(dòng)通信、可見(jiàn)光定位、可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)接入、交通信號燈通信、水下可見(jiàn)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(jiàn)光通信系統；中川研究室還開(kāi)發(fā)了基于可見(jiàn)光通信的超市定位及導航系統，而且是面向商業(yè)化的產(chǎn)品。

歐洲的OMEGA計劃也對可見(jiàn)光通信展開(kāi)了深入的研究。OMEGA計劃由歐洲的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)的室內接入網(wǎng)路。OMEGA計劃計劃把可見(jiàn)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用技術(shù)（OFDM）技術(shù)，實(shí)現了220 Mbit/s的傳輸速率[9].2010年在OMEGA計劃的年會(huì )上展出的室內可將光通信演示系統的通信速率達到了100 Mbit/s，該系統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Heinrich Hertz實(shí)驗室的科研人員創(chuàng )造了可見(jiàn)光通信速率的世界紀錄，他們利用普通商用的熒光白光LED搭建的可見(jiàn)光通信系統達到了513 Mbit/s的通信速率，并且他們通過(guò)分析認為該系統的通信速率還有提升的空間，可達到甚至1 000 Mbit/s [10].2011年，實(shí)驗室的科研人員又利用色光三原色（RGB）型白光LED以及密集波分復用（WDM）技術(shù)實(shí)現了的通信速率[11].

除了日本和歐洲的科研單位，美國的UC-Light[12]也是進(jìn)行可見(jiàn)光通信研究的重要機構。UC-Light依托于加州大學(xué)的4所分校和1個(gè)美國國家實(shí)驗室，其研究人員的研究背景涉及建筑學(xué)、無(wú)線(xiàn)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(kāi)發(fā)一種基于LED照明的高速通信和定位系統。

1.2中國的研究現狀

中國的可見(jiàn)光通信研究起步相對較晚，與國際相比仍然落后很多，尚沒(méi)有比較成熟的商用化的可見(jiàn)光通信系統。近年來(lái)，在國家大力支持的背景下，中國的可見(jiàn)光通信研究也逐步取得了一定的進(jìn)步，在可見(jiàn)光通信理論、系統設計和計算機仿真、實(shí)驗演示系統設計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(jiàn)光信號接收方案，并進(jìn)行了一系列的理論和實(shí)驗工作。此外，在LED的調制驅動(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(jiàn)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(kāi)展了探索研究。在年的Intel杯大學(xué)生嵌入式系統大賽中，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）實(shí)現了5個(gè)頻道的廣播，在6 m的工作距離下實(shí)現了3 Mbit/s的通信速率，該系統在大賽中榮獲二等獎。

1.3可見(jiàn)光通信的標準化工作

由于可見(jiàn)光通信有著(zhù)廣闊的前景，IEEE在2003年開(kāi)始并最終于年發(fā)布了可見(jiàn)光通信的標準。這是VLC的第一個(gè)標準，包含了3個(gè)物理層類(lèi)型，分別對應于低中高速數據傳輸。但是，由于缺少LED照明部門(mén)的參與，并沒(méi)有給出可見(jiàn)光通信最終的標準。

在日本，VLCC也為可見(jiàn)光通信的標準化進(jìn)行了很多年的努力。近年來(lái)，國際紅外數據協(xié)會(huì )（IrDA）和在可見(jiàn)光通信的標準化工作中開(kāi)展了一系列的合作。2009年它們在IrDA標準的基礎上發(fā)布了第一個(gè)可見(jiàn)光通信標準，在這個(gè)標準下，現有的IrDA光學(xué)模塊可以在經(jīng)過(guò)改造后被用于可見(jiàn)光通信的數據傳輸。

2可見(jiàn)光通信的應用領(lǐng)域

可見(jiàn)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環(huán)境下進(jìn)行廣播[14]，并同時(shí)滿(mǎn)足照明的需求。此外，可見(jiàn)光通信還可以實(shí)現手持終端之間的點(diǎn)對點(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)現高速通信。

（2）視覺(jué)信號與數據傳輸

信號燈在航海和地面交通等領(lǐng)域有著(zhù)非常廣泛的應用，它通過(guò)顏色的變化來(lái)給人們提供信號，而將數據通信與信號燈相結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(jiàn)光通信的信號燈已有若干演示系統，如將數據由交通燈傳遞給汽車(chē)[15]，或將數據在汽車(chē)與汽車(chē)之間傳遞等。

（3）顯示與數據通信

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

這種顯示與通信相結合的系統在機場(chǎng)、博物館等場(chǎng)所有著(zhù)巨大的應用前景。

（4）室內定位

傳統的衛星定位方法很難實(shí)現室內移動(dòng)用戶(hù)的精確定位，而可見(jiàn)光通信則可以將用戶(hù)的位置信息通過(guò)照明設施來(lái)進(jìn)行傳遞，從而實(shí)現精準的室內定位。目前，基于可見(jiàn)光通信的諸多室內定位方案已經(jīng)被提出[17]，日本的VLCC則已經(jīng)實(shí)現了基于超市環(huán)境下的室內定位實(shí)驗。

3可見(jiàn)光通信的研究趨勢

雖然可見(jiàn)光通信具有巨大的應用前景，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(jiàn)光通信發(fā)展的主要因素有：受限的調制帶寬、LED器件的非線(xiàn)性效應、可見(jiàn)光通信室內信道的多徑效應等等。因此，為了實(shí)現可見(jiàn)光通信高速的數據傳輸，以下幾個(gè)方面已經(jīng)成為了可見(jiàn)光通信的研究趨勢。

（1）高調制帶寬的LED光源

目前商用白光LED的調制帶寬有限，只有約3~50 MHz.這是因為白光LED設計的初衷是用于照明，而并非用于通信，其結電容很大，限制了調制帶寬。因此，在保證大功率輸出的前提下，開(kāi)發(fā)出具有更高調制帶寬的LED光源，將極大地促進(jìn)可見(jiàn)光通信的發(fā)展。

（2）LED的大電流驅動(dòng)和非線(xiàn)性效應補償技術(shù)

在可見(jiàn)光通信系統中，LED的工作電流較大，需要進(jìn)行大電流驅動(dòng)，而LED的非線(xiàn)性效應則會(huì )使可見(jiàn)光信號發(fā)生畸變。因此在實(shí)際使用中需要合理地控制偏置電壓、信號動(dòng)態(tài)范圍、信號帶寬等參數，并且根據的非線(xiàn)性傳輸曲線(xiàn)的特征有意識地對調制信號進(jìn)行預畸變處理等等，以提高調制效率，提升傳輸容量。

（3）光源的布局優(yōu)化

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

此外，對于不同的室內環(huán)境，如何迅速地建立光功率與信噪比分布模型，實(shí)現快速的智能布局也是可見(jiàn)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(jiàn)光通信的性能。此外需要指出的是，一個(gè)典型的室內照明方案需要采用白光LED陣列來(lái)滿(mǎn)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，而且可以完全在數字域實(shí)施，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)現頻分復用，并可以在子載波上通過(guò)對比特和功率的分配來(lái)實(shí)現信號傳輸對信道條件的調節適應。由于降低了子載波的傳輸速率，延長(cháng)了碼元周期，因此具有優(yōu)良的抗多徑效應性能；此外OFDM還可以使不同用戶(hù)占用互不重疊的子載波集，從而實(shí)現下行鏈路的多用戶(hù)傳輸。

（6）高靈敏度的廣角接收技術(shù)

室內光通信系統大多數工作在直射光條件下，當室內有人走動(dòng)或者在直射通道上有障礙物時(shí)，將會(huì )在接收機處形成陰影效應，影響通信性能，甚至出現通信盲區，使通信無(wú)法繼續。而采用大視場(chǎng)的廣角光學(xué)接收系統可以解決這一問(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，這樣就避免了“陰影”和“盲區”現象的發(fā)生。同時(shí)，室內光通信系統采用MIMO技術(shù)要求接收機能夠接收到發(fā)端LED光源陣列發(fā)出的光信號，以解析出多個(gè)獨立的通信信道。這也需要接收光學(xué)系統具有大視場(chǎng)特性。

（7）消除碼間干擾的技術(shù)

在室內可見(jiàn)光通信系統中，光源通常由多個(gè)發(fā)光LED陣列組成，另外為了達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，極大降低了系統的性能。自適應均衡技術(shù)以及前面提到的OFDM技術(shù)已經(jīng)在高速無(wú)線(xiàn)通信中得到了廣泛的應用。在可見(jiàn)光通信系統中，也可以采用這些方式降低符號間干擾。目前，應用于可見(jiàn)光通信的均衡和OFDM技術(shù)的研究已經(jīng)成為可見(jiàn)光通信研究中的熱點(diǎn)。

可見(jiàn)光通信與現有網(wǎng)絡(luò )的融合接入技術(shù)目前，全球已經(jīng)開(kāi)展了光纖到戶(hù)的工作，并取得很大的進(jìn)展。光纖到戶(hù)后，可為單用戶(hù)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(xiàn)低頻段廣播覆蓋的頻譜資源不夠，無(wú)法滿(mǎn)足如此高的帶寬需求，因此，在最后10 m距離內的高速接入將成為寬帶通信的瓶頸?？梢?jiàn)光波段位于380~780 nm，屬于新頻譜資源。室內可見(jiàn)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(xiàn)接入方案之一。將可見(jiàn)光通信系統與光纖到戶(hù)系統融合，例如，可以通過(guò)“光電—電光”的轉換將信息調制到LED光源發(fā)射到用戶(hù)終端，實(shí)現高速率、高保密性的無(wú)線(xiàn)光接入。此外，可見(jiàn)光通信可與電力線(xiàn)通信（PLC）技術(shù)相融合，利用現有的電力線(xiàn)設備傳輸信號并驅動(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(jiàn)光通信的研究趨勢。

4結束語(yǔ)

可見(jiàn)光通信能夠同時(shí)實(shí)現照明與通信的功能，具有傳輸數據率高，保密性強，無(wú)電磁干擾，無(wú)需頻譜認證等優(yōu)點(diǎn)，是理想的室內高速無(wú)線(xiàn)接入方案之一?？梢?jiàn)光通信在全球已經(jīng)成為了研究的熱點(diǎn)，特別是日本、歐洲和美國對可見(jiàn)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(jiàn)光通信的研究中，高調制帶寬的LED光源、LED的大電流驅動(dòng)和非線(xiàn)性效應補償技術(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(jiàn)光通信與現有網(wǎng)絡(luò )的融合接入技術(shù)等已經(jīng)成為了研究趨勢?？梢?jiàn)光通信在未來(lái)的通信領(lǐng)域中將會(huì )占據重要的地位，并將大大地推動(dòng)信息化社會(huì )的發(fā)展。

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