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白光LED无线通信的研究进展

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放大字体  缩小字体 发布日期:2017-03-05  编辑:Alisa
核心提示:介绍了可见光无线通信关键技术。根据该领域研究进展,比较了 LiFi与Wifi之间的技术差异,分析了目 前LiFi技术的主要瓶颈和可改进方向。最后探讨了该技术需要攻克的问题以及发展趋势。

目前 Wi-Fi 作为无线数据传输的主要技术,利 用的是射频信号,随着用户对无线互联网需求的不 断增长,可用的射频频谱带宽越来越少。而可见光 频谱并没有得到利用,其频谱宽度是射频频谱的1 万倍。

可见光无线通信简称 LiFi ( Light Fidelity) , 是一种利用可见光波谱进行数据传输的全新无线传 输技术,具有极大的发展前景。 可见光无线通信是利用快速的光脉冲无线传输 信息,根据不同速率在光中编码信息。由于 LED 的 发光强度,人眼不会注意到光的快速变化。

只要在 灯中植入一个微小的芯片,就能变成类似于 AP ( WiFi 热点) 的设备,使终端随时能接入网络,实 现通信需要。 从可以获得的资料来看,可见光通信技术正处于起步阶段,LiFi具备其独有的优势,但不可避免 地存在急需在未来攻克的难题。本文介绍了可见光 无线通信关键技术、自身优势和应用领域,分析了 LiFi与Wifi之间的优劣关系,最后初步探讨了该技 术需要攻克的问题以及发展趋势。


1关键技术

1.1高速调制驱动电路设计

调制带宽是衡量led调制能力的主要参数,关 系到LED在无线光通信中的数据传输速率大小。其 定义是在保证调制度不变的情况下,当LED输出的 交流光功率下降到某_低频参考频率值的_半时 (-3dB)所对应的频率。从微观结构分析,影响白 光LED高速调制有两个因素:载流子寿命和结电 容。LED因受两者的限制,其调制的最高频率通常 只有几十MHz,从而限制了 LED在高比特速率系统中的应用。不过,通过合理设计和优化驱动电路, LED也可以用于高速通信系统。由于实现简单, VLC系统大多设计成光强度调制/直接探测系统。

北京理工大学郭倩等m针对室内可见光通信系 统的应用需求,设计了雪崩光电二极管(APD)探 测电路组件,如图1所示。APD信号接收子系统具 有增益高、功耗低、可靠性好、体积小、对微弱信 号的接收能力强以及通信距离远的特点,在室内可 见光通信领域将具有很高的实际应用价值。王瑞 伟0提出了一种低花费的集成接收机制作方案,提 出了_种新型的基于引线键合技术的二维光电检测 阵列制备方法。李联冠0基于室内可见光通信系统 的研究,设计了具有_定增益带宽的接收电路,如 图2所示。根据调制方式,驱动电路选择电流源驱 动。合理的驱动电路设计可以尽量提高输出光功率 和传输距离,从而提高系统性能。西安邮电大学尚 建荣,针对目前可见光通信存在的光源调制频率低、 功耗大和传输距离短等问题,研究了模拟和数字调 制驱动电路,提出了一款基于DD311的驱动电路, 能支持多颗大功率LED串接应用。

1.2白光led光源布局设计

单个LED发光强度和发光功率都比较小,为了 同时实现室内照明和通信双重功能,LED照明光源 应设计为多个白光LED组成的阵列。为满足基本照 明需求,在系统设计中应首先考虑室内光照度的分 布。要使通信效果达到最优,必须根据房间的大小 以及室内设施不同合理布局,使房间内的光强分布 大致不变,尽量避免盲区的出现。

由于各个LED发射端到接收端的距离差而引起的多径效应对通信系统的影响,江苏大学张立等人 提出采用有保护间隔的正交频分复用(OFDM)调 制方式来抑制多径效应对通信性能的影响,研究结 果表明有保护间隔的OFDM信号有很强的抗多径效 应能力5。因此不难看出,OFDM调制适合应用在 高速的室内可见光通信系统中。臧景峰63提出照明 光源布局设计与接收光功率分布的关系,对强度调 制直接检测方式的室内VLC系统中信噪比和多径效 应引起的码间串扰进行分析,提出采用光分集接收 技术克服码间串扰和提高信噪比,并给出光检测器 阵列布局的模型。曹家年7针对背景光噪声和多径 效应,设计并研究了适用于LED照明通信系统的角 度分集系统,并对3种主要分集合并方式进行的对 比测试,MRC方式表现出了最好的性能。丁德强8 在_种相似度较高的白光LED发光模型的基础上, 给出了室内可见光通信系统多白光LED阵元发射天 线的设计方法。丁德强还分析了布局设计与接收光 功率分布的关系,并给出了房间内的四个通信光源 的最优化布局设计69。LED灯光空间布局、空气环 境等也会对通信性能产生影响。为提升通信效率, 必须对LED灯的个数、空间布局及光亮度进行合理 的选择。如何进行合理的LED布局优化、建立完善 的可见光通信是当下一大难题。而上述研究成果, 为进一步研究奠定了良好的基础。

1.3信道编码技术

数字信号在传输过程中不可避免地受到各种噪 声干扰,导致传送的数据流产生误码,从而使接收

端出现异常现象,比如图象跳跃、不连续、出现马 赛克等。信道编码技术对数据流进行相应的处理, 使系统具有_定的纠错能力和抗干扰能力,提高数 据传输效率,降低误码率,并最终提高数据的通信 距离。

暨南大学陈长缨、赵俊提出一种适用于LED数 字传输的mBnB分组编码技术。通常来说,分组码 是指将原始信息码字按m比特为单位进行分组,根 据_定规则用另外每组为n比特的码字来表示,然 后这些新的分组以NRZ码或RZ码的格式来传输。 常用的信道编码有182B (曼彻斯特码)、384B、 586B、688B等。mBnB码的优点有:①功率谱形状 较好;②连〇连1个数有限,没有基线漂移问题; ③提供可靠的误码监测和字同步手段。实验证明, 经过688B编码后,光信号在通信距离r=0.5~ 2. 5m范围内受LED的个数、电阻及串口模块分频 的影响不大。利用688B编码技术,可以保证本系 统中数据高速传输的同时,使信号传输距离超过 2.5m。而且,可以通过对数据采用高低两种不同码 表的方法来克服mBnB码译码时会造成误码增值的 缺点。如图3所示,以一个12bit的原始数据为例, 介绍688B编码实现过程。

1.4正交频分复用(OFDM)技术

正交频分复用技术是多载波调制的_种。其主 要思想是:将信道分成若干正交子信道,将高速数 据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个 子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采 用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相 互干扰ISI。每个子信道上的信号带宽小于信道的相 关带宽,因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落, 从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的 带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得 相对容易。

熊飞峤研究表明,基于白光LED与SC^FDMA 技术结合的可见光数据传输系统在技术上是可行的。 在峰值功率比方面,SC^FDMA的低PAPR特性不仅 使LED传输系统避免失真。比OFDM系统具有更好 的性能,还能保护眼睛&1。哈尔滨工程大学的李世 亮基于OOK、M-PPM、DPPM、OPPM调制结构,提 出差分可重叠脉冲位置调制方式(DOPPM),并比 较各调制方式的照明光功率和传信率。结果表明: 在保持较高照明光功率的前提下,DOPPM的传信率 明显高于其他调制编码方式。M 1.5光码分多址(OCDMA)技术

采用光码分多址技术141来区分不同用户的信 息。在可见光无线局域网中所有的终端用户都共用 相同的主光源,因此不同的用户信号必须具有不同 的特征,这样适配器接收时才能将不同用户信号分 割开。OCDMA给每一个用户分配一个单独的地址 码,数字信号在各自的地址码上进行编码,在接收 机上通过相应的序列进行解码。采用OCDMA技术 还能大大提高了系统的抗噪声能力。可以把信号从 噪声很强的环境中检测出来。

方安安等基于光码分多址(OCDMA)技术, 用光正交码(OOC)作为地址码对信号进行编码。 仿真结果表明,改进后的系统误码率明显降低M。 张宝富等对光码分多址(OCDMA)系统的误码性 能进行了研究,分析表明多用户光纤CDMA系统是 _个具有弹性容量的系统,当用户较少时系统误码 性能主要受其接收机噪声的影响,用户较多时则主 要由用户间的多址干扰决定M。

1.6分集接收技术

分集接收技术的提出是为了提高VLC系统的信 噪比,克服高速通信中码间干扰的影响。分集接收 的思想就是在接收机处的不同方向上安装多个光电 探测器,对多个探测器接收到的信号进行比较,选 取信噪比最大的信号进行通信。

在分集接收系统中,两个关键的工作是:信号 的选取方式和光电探测器的布局。在信号的选取上, 对于低速率的白光LED通信系统,直接将多个探测 器接收到的信号通过_个加法器进行简单相加,然 后将相加后的信号送进接收机进行滤波、解调和解码等处理,大大提高了信噪比;当通信系统的传输 速率高于100Mb/s时,由于码间串扰的影响,不能 将信号直接相加,必须设计专门的控制电路对信道 进行自动判决和选择,原理如图4所示。

对各个探测器转换后的电压信号进行实时采集 采样,再送入电压比较器进行比较,找出电压值最 大的信道,此信道即为要进行通信传输的信道。同 时,比较器输出控制信号将相应的信道选通。对于 光电探测器的布局,在接收机的不同方向上安装多 个光电探测器且均匀分布于_个半球面上,这样在 减少探测器个数的同时又提高了接收效果。如此, 只要不是整个接收机被遮住,通信就不会中断。关 于探测器的个数和布局,需要根据具体环境和通信 性能的要求来决定。在高速通信中采用分集接收技 术,系统的信噪比平均提高了 2dB,并且有效克服 接收机位置改变、室内人员走动和物体阴影对通信 系统的影响。

2其他研究进展

Hainan Lu等提出了基于两阶段喷射传动系统 锁定680 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)发射 器的LiFi传输系统,具有更高的数据速率,为加快 可见激光通信的部署提供了通信链路上的有利条 件&4。Emilie Bialic等介绍了两个不同类型的光伏 组件的在频率上的信噪比响应,分析了不同照明条 件下的LiFi性能,证明了可用带宽很大程度上取决 于环境照明配置。特定的照明条件下,4 MHz带宽 可以实现对应的数据速率8 Mbit/s。此外,还介绍 了照明饱和效应,并证明了半透明的太阳能电池的 研究提高了高环境照明条件下带宽和数据速率性 能 M。Cheng Ling Ying 等提出了 一个 20Gbps 的 LiFi传输系统,采用垂直腔面发射激光器(VCSEL) 和16 QAM (正交幅度调制)的外部光注入技术- 正交频分复用(OFDM)调制信号的方法,可以得 到好的比特错误率(BER)性能以及清晰的星座 图M。Jiun-Yu Sung等提出了基于可见光通信 (VLC)的正交频分复用接入(OFDMA)系统,讨 论了用户位置监测策略,以解决区域划分问题,并 详细分析了该系统的特点E7]。北京大学通信系统与 网络国家重点实验室Zhong Zheng等提出了一种用 于室内无线宽带接入的自由空间光通信和可见光通 信集成系统,该系统具有全光链路和高容量M。 Borja Genoves Guzman等提出了 一种新型协作传输和 接收方案在可见光通信(VLC)领域的建议和评价。 该方案改进了大型室内场景的可靠性,如走廊、实 验室、商店、会议室,其覆盖需要采用不同的VLC 接入点1]。Shih-lao Chen等首次提出并论证了 一 种使用室内发光二极管、移动电话摄像头和光电探 测器,支持单输入多输出服务质量的可见光无线通 信系统。所提出的系统可以支持针对2个不同应用 程序的2个固定速率服务质量传输M。Chen等提 出了一种基于可见光通信(VLC)的无线图像传输 系统。该系统由OV7670图像采集模块、STM32、 基于FPGA的编码模块、调制驱动电路和LED组 成,反向脉冲位置调制(IPPM)具有平均功率高、 信噪比大的优点 121。Univ Sheffield Ravinder Singh 等 提出了一种新的颜色键控(CSK)无线可见光通信 的调制格式,基于四种颜色代替用于现有IEEE 802. 15. 7 CSK物理层标准中的三种颜色122。Liang- Bi Chen等提出了一种无线数字会议系统,采用双模 (白光LED和红外光)可见光通信(VLC)的无线 技术,其下行通信采用白光LED传输,上行通信选 择红外传输M。Tadahiro Wada等构造了一个新的 使用颜色键控(CSK)的并行传输可见光无线通信 系统(VLC)M。复旦大学通信科学与工程系 Yiguang Wang等提出并实验验证了一种新型的高速 的基于LED的VLC局域网,为大量用户提供超过 10Gb/s基于星型拓扑结构的无线光接入2]。韩国 庆星大学的Sung-Man Kim等提出并论证了一种新的 无线可见光通信(VLC)技术,采用光波束形成来 提高信噪比(SNR)和传输距离26。Thomas Q.

Wang等在接收器使用一个半球形的镜头,具有广阔 的视野,能够提供MIMO无线光应用的显著多样性 秩序27。南京邮电大学通信技术研究院Liwei Ding 等报告了_个无线接入系统通过可见光通讯(VLC) 技术M。In Hwan Park等分析和模拟了针对飞机无 线通信环境的可见光通信干扰消除方案,采用基于 连续干扰消除(SIC)的干扰消除方案,并对误码 率性能进行评估㈣。Sang Burm Ryu应用LED非线 性传递函数引入OFDM系统,在接收机的频率域降 低 PAPR (Peak to average power ratio)并抑制 ICI, 提出一个新的降低PAPR的技术来减小LED的非线 性失真,以及一个自适应子载波间干扰抑制算法以 改进误码率性能M 。Keio Univ, Toshihiko Komine 等 提出自适应均衡系统来克服码间串扰问题,阐明了 在移动环境中对于信道估计最有效的训练序列间 隔61,证明了带有有效间隔的自适应均衡系统减轻 阴影的影响。提出了基于白光发光二极管(LED) 和光电探测器(PD)可见光通信(VLC)的 链路M。

3在应用方面的优势与不足

可见光无线通信可以直接利用路灯、室内照明 及公共照明等已有的能耗输出工具来完成双重任务。 与无线传输技术相比,有着低福射、低能耗、低碳 环保等自身优势。例如手机,全球数百万个基站帮 助其增强信号,但大部分能量却消耗在冷却上,实 用效率低下。而LED自身低功耗等优势占据了极大 的市场,为LiFi的普及奠定了基础。在LED灯泡中 增加一个微芯片,便可让灯泡变成无线网络发射器。

因此,可见光通信系统可应用于室内。室内可 见光无线通信由终端、可见光通信适配器、可见光 通信集线器、白光LED光源、光电探测器及相应信 号处理单元组成。系统分为前向链路和反向链路两 部分,每部分都包括了发射和接收部分。发射部分 主要由白光LED光源和相应信号处理单元组成,而 接收部分主要由光电检测器和相应信号处理单元组 成。可见光无线集线器接收来自终端用户的信息, 同时分时段地将接收到的信息通过主光源以广播的 方式发送出去。可见光通信适配器负责将终端用户 的信息调制成光信号和接收来自反向链路的光信号。 天花板上安装的光电检测器接收来自用户的光信号, 并转换成电信号送入可见光通信集线器。电信号经 过可见光通信集线器的简单处理后,调制到白光 LED光源上变成光信号,以广播的方式发射出去。 在接收端,终端的可见光适配器将发给自己的信息 解调出来送入终端用户,实现了基于VLC系统的室 内可见光无线通信。如西安理工大学丁德强,提出 —种基于可见光通信的无线局域网系统,如图5所 示63。根据该系统,可以在未来任何有光的地方都 可以成为潜在的LiFi数据传输源,尤其是在无线电 敏感场合。另外值得一提的是,与现有WiFi相比, 未来的可见光通信安全又经济。WiFi依赖看不见的 无线电波传输,设备功率越来越大,局部电磁辐射 势必增强。而且,光谱比无线电频谱大,网络设置 又几乎不需要任何新的基础设施。但不可否认的是, LiFi技术依赖于可见光,那么可见光本身的局限性 势必是阻碍LiFi的进一步发展。例如可见光的穿透 性,各种介质对其的折射、反射、散射等作用。另 外考虑到对于光源的需求以及现有量产的LED灯并 不具备植入所谓LiFi技术需求的芯片的能力,也就 是说LiFi走进千家万户还有诸多技术需要攻关。

4发展趋势

白光LED无线通信未来工作的重点和突破 如下:

1)   白光LED光源的带宽拓展技术。目前用于 可见光通信的LED灯,调制带宽有限,只有约3 ~ 50MHz,主要用于照明,若想用于通信,必须开发 出更高调制带宽的LED光源。由于LED通信具有 照明与通信双重功能,为了满足室内照明的要求, 光源的布局不仅要使得室内的照度和照度均匀度满 足相应的标准要求,而且要有利于人的活动安全和 舒适。光源要选择高光效、合适色温、长寿命和高 可靠性的产品。室内的照明布局需要考虑基础照明、 重点照明、装饰照明和应急照明的要求,因此光源 的合理布局对照明和系统性能是尤为关键的。

2)   电力线通信与VLC的融合技术。若把LED 照明系统与电力线通信结合在一起,通过电力线来 进行通信信号的传播,则可以有效降低投资成本。 电力线通信技术与VLC技术有机融合而成的PLC 技术,是利用电力线传输数据及话音信号的一种通 信方式。而从无线通信技术的发展趋势来看,PLC技术已日益显现出了它强大的生命力,为通信打下 了坚实的基础。

3)充分利用VLC优势,克服不利因素以提升 VLC通信性能。LED面对的最大难题就是VLC的数 据通信速率。为了提高通信速率,除了需要在LED 器件上进行突破外,还可通过其他技术手段进行提 升。为了克服白光LED调制带宽的局限,必须深入 探究频带利用率高、抗干扰性能好的调制复用技术。 研究高效滤波技术及新型滤波器,提高光通信性能。 此外,如何更好地利用室内VLC系统的空间资源, 获取更高的复用增益也是值得我们去深思的问题。


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