對(duì)LED可見(jiàn)光通信技術(shù)應(yīng)用的分析

張志 沈劍

摘要：通信在我們的生活中越來(lái)越普遍和重要，通信技術(shù)深刻地影響著我們的生活，它的每一個(gè)技術(shù)進(jìn)步都會(huì)引發(fā)關(guān)注，我們對(duì)光纖通信、對(duì)寬帶、對(duì)無(wú)線通信都耳熟能詳。在我國(guó)，基于LED可見(jiàn)光通信的智能家居系統(tǒng)和上網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)在上海世博會(huì)和最近的廣州高新技術(shù)展示會(huì)上展示，并引起了觀眾的強(qiáng)烈好奇燈光

在提供照明的同時(shí)，是如何實(shí)現(xiàn)通信功能的呢？

關(guān)鍵詞：LED 可見(jiàn)光通信技術(shù) 應(yīng)用

中圖分類號(hào)： E271.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

1可見(jiàn)光通信技術(shù)的定義與特點(diǎn)

可見(jiàn)光通信技術(shù)，是利用熒光燈或發(fā)光二極管等發(fā)出的肉眼看不到的高速明暗閃爍信號(hào)來(lái)傳輸信息的，將高速因特網(wǎng)的電線裝置連接在照明裝置上，插入電源插頭即可使用。利用這種技術(shù)做成的系統(tǒng)能夠覆蓋室內(nèi)燈光達(dá)到的范圍，電腦不需要電線連接，因而具有廣泛的開(kāi)發(fā)前景。

與目前使用的無(wú)線局域網(wǎng)（無(wú)線LAN）相比，“可見(jiàn)光通信”系統(tǒng)可利用室內(nèi)照明設(shè)備代替無(wú)線LAN局域網(wǎng)基站發(fā)射信號(hào)，其通信速度可達(dá)每秒數(shù)十兆至數(shù)百兆，未來(lái)傳輸速度還可能超過(guò)光纖通信。利用專用的、能夠接發(fā)信號(hào)功能的電腦以及移動(dòng)信息終端，只要在室內(nèi)燈光照到的地方，就可以長(zhǎng)時(shí)間下載和上傳高清晰畫(huà)像和動(dòng)畫(huà)等數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)還具有安全性高的特點(diǎn)。用窗簾遮住光線，信息就不會(huì)外泄至室外，同時(shí)使用多臺(tái)電腦也不會(huì)影響通信速度。由于不使用無(wú)線電波通信，對(duì)電磁信號(hào)敏感的醫(yī)院等部門可以自由使用該系統(tǒng)。2可見(jiàn)光通信的應(yīng)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(yīng)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(nèi)環(huán)境下進(jìn)行廣播，并同時(shí)滿足照明的需求。此外，可見(jiàn)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(jué)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(guò)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(jiàn)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，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。

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。

（4）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(jiàn)光通信則可以將用戶的位置信息通過(guò)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(jiàn)光通信的諸多室內(nèi)定位方案已經(jīng)被提出，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(jiàn)光通信的技術(shù)應(yīng)用研究趨勢(shì)

雖然可見(jiàn)光通信具有巨大的應(yīng)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(diào)制帶寬、LED器件的非線性效應(yīng)、可見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)光通信的研究趨勢(shì)。

3.1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3~50MHz.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(kāi)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(jiàn)光通信的發(fā)展。

3.2LED的大電流驅(qū)動(dòng)和非線性效應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)

在可見(jiàn)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(jiàn)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。

3.3光源的布局優(yōu)化

在可見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)光通信研究中需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

3.4光學(xué)MIMO技術(shù)

與射頻系統(tǒng)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(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。

3.5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鼘⑿诺赖目捎脦拕澐譃樵S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(guò)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。

3.6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(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(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。

3.7消除碼間干擾的技術(shù)

在室內(nèi)可見(jiàn)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(jiàn)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(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(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的融合接入技術(shù)目前，全球已經(jīng)開(kāi)展了光纖到戶的工作，并取得很大的進(jìn)展。光纖到戶后，可為單用戶提供300Mbit/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10m距離內(nèi)的高速接入將成為寬帶通信的瓶頸。可見(jiàn)光波段位于380~780nm，屬于新頻譜資源。室內(nèi)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)線接入方案之一。將可見(jiàn)光通信系統(tǒng)與光纖到戶系統(tǒng)融合，例如，可以通過(guò)“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(jiàn)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(jiàn)光通信的研究趨勢(shì)。

4結(jié)語(yǔ)

可見(jiàn)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(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(guó)對(duì)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(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(jiàn)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)。可見(jiàn)光通信在未來(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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