可見光通信的多接入及應(yīng)用發(fā)展

張 穎，王彥生

(西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

可見光通信的多接入及應(yīng)用發(fā)展

張 穎，王彥生

(西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

可見光通信作為一種新興的綠色健康的通信方式，得到了廣泛關(guān)注。憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢，未來可見光通信必定是一種在各個領(lǐng)域大放異彩的可靠的通信方式。分析了多用戶檢測對多接入的可見光通信多址干擾的抑制作用，以及OFDM對多徑干擾的抑制作用。列舉了當(dāng)下研究熱門的可見光應(yīng)用場景，如：水下可見光通信、煤礦井下報(bào)警預(yù)警系統(tǒng)、室內(nèi)定位等，希望為未來可見光通信的研究提供一定的參考。

可見光通信；多址干擾；水下可見光通信；室內(nèi)定位

Abstract: Visible light communication as a kind of green and healthy new emerging communication mode has been gained comprehensive attention.In the future, with its unique advantage it must shine in all fields as a reliable way of communication. This paper analyzes the inhibitory effect of multi-user detection to multi-access visible light communication multiple access interference, and inhibition of OFDM to multipath interference. It enumerates the current research hot visible application scenario, such as visible light communication underwater and indoor positioning. We hope to provide certain reference for the future study of visible light communication.

Key words:visible light communication; multiple access interference; visible light communication underwater; indoor positioning

0 引言

自從2000年可見光通信(Visible Light Communication,VLC)的概念被提出以來，借助著白色發(fā)光二極管(LED)光源的發(fā)展以及自身獨(dú)特的優(yōu)勢而迅速發(fā)展。目前，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)投入大量人力物力對可見光通信技術(shù)開展研究[1-2]。因?yàn)橛邢薜恼{(diào)制帶寬，起初可見光通信的傳輸速率僅為幾十kb/s，到現(xiàn)在發(fā)展到幾十Gb/s，之所以發(fā)展如此迅速，主要原因有：可見光是利用LED發(fā)出的光源，在兼顧照明的同時進(jìn)行高速通信。白色發(fā)光二極管(LED)面世后，發(fā)光效率逐步提高，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步從顯示擴(kuò)展到照明。與傳統(tǒng)的照明設(shè)備相比，白光LED具有驅(qū)動電壓低、功耗低、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，是一種綠色環(huán)保的照明器件，被視為第四代節(jié)能環(huán)保型照明設(shè)備。由于白光LED具有很高的響應(yīng)靈敏度，因此可以被用于進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)通信?？梢姽馔ㄐ攀窃诎坠釲ED技術(shù)上發(fā)展起來的一種新型的無線光通信技術(shù)。并且可見光通信具有高速率性、無電磁輻射、高密度、低成本、頻譜豐富、高保密性等技術(shù)優(yōu)勢，能夠在一些無法使用射頻傳輸?shù)膱龊希顼w機(jī)機(jī)艙、醫(yī)院、井下石化工廠及軍事應(yīng)用場合等發(fā)揮它的作用，保障這些電磁嚴(yán)苛區(qū)域的信息傳輸安全。隨著科技進(jìn)步，無線頻譜資源被日益耗盡?？梢姽馔ㄐ蓬l段在400 THz～800 THz之間，比目前的無線射頻通信頻段高出近一萬倍，所以可見光通信搶占空白頻譜資源，有效利用資源，可以與現(xiàn)代無線通信相互補(bǔ)充與兼容，對于緩解日益緊張的頻譜資源具有重大的意義。

1 可見光通信相關(guān)技術(shù)

1.1 OFDM調(diào)制技術(shù)

正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)是一種比較高效的調(diào)制技術(shù)，它能有效地抑制多徑干擾?？梢姽馔ㄐ庞捎谑峭ㄟ^LED光源進(jìn)行信息的傳輸，光源易受物體的反射，形成多徑干擾。OFDM技術(shù)適宜應(yīng)用到可見光通信。圖1為OFDM調(diào)制系統(tǒng)框圖。

圖1 可見光OFDM調(diào)制系統(tǒng)框圖

OFDM技術(shù)基本原理是將高速串行的數(shù)據(jù)流分成多路相對低速的并行數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個子信道上并行傳輸，這樣每個子信道的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道可以將其看成是平坦性衰落。這種并行傳輸大大擴(kuò)展了符號的脈沖寬度，提高了系統(tǒng)的抗多徑衰落的能力。文獻(xiàn)[5]中采用OFDM調(diào)制方式，成功實(shí)現(xiàn)了VLC連接，在1.5 m自由空間傳輸時達(dá)到2.0 Gb/s。

1.2多接入可見光通信多用戶檢測技術(shù)

目前，可見光通信的研究主要聚焦于點(diǎn)對點(diǎn)的通信研究，一方面從LED結(jié)構(gòu)、驅(qū)動電路設(shè)計(jì)等方面拓展LED有限的調(diào)制帶寬，目前較為廣泛使用的熒光粉LED的調(diào)制帶寬不足10 MHz，所以提高調(diào)制帶寬是研究者們的主要研究點(diǎn)。另一方面通過優(yōu)化調(diào)制、編碼方式并結(jié)合高靈敏的接收技術(shù)來克服因多徑傳輸帶來的碼間干擾問題，在兼顧LED照明的同時提高VLC系統(tǒng)的信息傳輸速率，增大信息傳輸距離。

隨著可見光通信的發(fā)展，多接入的形式勢必會成為新的發(fā)展方向。光碼分多址(OCDMA)是將碼分多址(CDMA)與光通信技術(shù)相結(jié)合的一種通信方式，可以實(shí)現(xiàn)多個用戶同時接入同一信道。由于可見光屬于非相干光，因此只能使用單極性的擴(kuò)頻碼進(jìn)行擴(kuò)頻，單極性的擴(kuò)頻碼相較于雙極性的擴(kuò)頻碼相關(guān)性能較差，存在嚴(yán)重的多址干擾。考慮同步的情況下，假設(shè)用戶數(shù)為M，所有用戶地址碼具有單位能量，則接收機(jī)的輸入信號為：

(1)

式中，λk、bk、ck分別表示發(fā)送光功率、發(fā)送信息比特值及該用戶k的擴(kuò)頻碼字，λn為背景光噪聲功率。經(jīng)傳統(tǒng)解擴(kuò)輸出為：

(2)

由式(2)可以看出，若不同用戶之間的擴(kuò)頻碼字相互正交，即ρmk=0，多址干擾項(xiàng)就為0，也就不存在多址干擾，所以消除多址干擾的根本方法是找到完全正交的碼字或者盡量正交的碼字。但是找到完全正交的碼字構(gòu)造較為艱難，較為積極的辦法就是多用戶檢測。

多用戶檢測[6]即將所有的用戶信息均看做有用信息，利用其他信息對目標(biāo)用戶信息進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)。接收端采用多個相關(guān)接收機(jī)和相應(yīng)的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)接收，多用戶檢測器的輸出就是包括目標(biāo)用戶在內(nèi)的所有接收到的估測各用戶的數(shù)據(jù)比特。對于靜態(tài)環(huán)境下的可見光通信，在信道環(huán)境穩(wěn)定的情況下，解相關(guān)檢測[7]和最小均方誤差[8-9](MMSE)檢測即能達(dá)到通信要求。從圖2中可以看出經(jīng)過解相關(guān)檢測以及MMSE檢測之后，誤碼率有明顯改善。

而在復(fù)雜的通信環(huán)境之下，自適應(yīng)的盲多用戶檢測是有效的方法?？梢愿鶕?jù)系統(tǒng)信道的突變情況及時調(diào)整信道參數(shù)，快速收斂到最佳狀態(tài)。從圖3中可知，在第1 000次迭代時突然出現(xiàn)強(qiáng)干擾，盲多用戶檢測能使信干比快速收斂到最佳狀態(tài)，從而抑制多址干擾。

圖2 解相關(guān)和MMSE檢測

圖3 自適應(yīng)盲多用戶檢測

2 可見光通信主要應(yīng)用

可見光通信憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢而在不同場合的應(yīng)用中大放異彩，目前水下可見光通信技術(shù)、煤礦井下可見光通信技術(shù)、室內(nèi)定位等方面都取得了一定的研究成果。

2.1水下可見光通信

由于傳統(tǒng)無線射頻通信信號在水中衰減嚴(yán)重，藍(lán)光在海水中具有良好的傳輸特性，使得可見光通信在水下的優(yōu)勢比較明顯，引起了廣大研究者們的興趣。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于藍(lán)光LED的水下雙向通信測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，并且進(jìn)行了有效的水下實(shí)驗(yàn)。其水下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。水下可見光通信在5 m的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)了雙向可靠通信，為以后水下可見光通信打下了基礎(chǔ)。

圖4 水下可見光雙向通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

文獻(xiàn)[11]分析了光束在海水光學(xué)信道中的吸收特性和散射特性，根據(jù)不同波長下的不同雜質(zhì)和不同雜質(zhì)濃度下的信道衰減特性，建立了激光信號海水信道傳輸模型。水下可見光通信技術(shù)發(fā)展迅速，為海洋環(huán)境監(jiān)測和軍事需要提供了理論支持。水下可見光通信提高了水下通信的可靠性，是未來可見光通信發(fā)展的一個重大方向。

2.2煤礦井下的可見光通信

由于煤礦井下的環(huán)境特殊性，沒有外界背景光的干擾，給井下可見光通信提供了獨(dú)特的優(yōu)勢。文獻(xiàn)[12]將可見光通信、紅外通信及電力線通信技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了煤礦井下的可見光通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了井下人員定位、上行報(bào)警和下行廣播預(yù)警等功能。與原有的井下通信定位系統(tǒng)相比，井下可見光通信提高了傳輸可靠性，保證了井下人員的安全。其接入設(shè)備和移動設(shè)備的通信過程如圖5所示。

圖5 井下定位系統(tǒng)接入設(shè)備和移動設(shè)備通信過程

2.3室內(nèi)定位[13]

由于室內(nèi)面積小、非直達(dá)抑制算法復(fù)雜、成本相對較大、定位精度偏低等因素，傳統(tǒng)無線定位系統(tǒng)并不是室內(nèi)定位的最佳選擇?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)憑借其綠色健康、成本低廉、光源直達(dá)等優(yōu)勢，在室內(nèi)定位系統(tǒng)領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。從目前國內(nèi)外關(guān)于VLC定位技術(shù)的研究現(xiàn)狀來看，其主要有以下幾種方法。

2.3.1幾何定位法

幾何定位法主要有三邊定位法、三角定位法和雙曲線定位法，下面主要闡述三邊定位法。三邊定位法就是首先選取三個不在同一直線上的參考點(diǎn)，測量待測點(diǎn)到三個參考點(diǎn)的距離，以參考點(diǎn)為圓心，以測量距離為半徑作出三個圓的交點(diǎn)就是待測點(diǎn),如圖6所示。

圖6 三邊定位

對于距離的測量方法有信號到達(dá)時間(Time Of Arrival,TOA)、信道到達(dá)時間差(Time Difference Of Arrival,TDOA)、信號往返時間(Return Time Of Flight,RTOF)、信號強(qiáng)度(Received Signal Strength,RSS)。

TOA測量信號到達(dá)的時間t通過公式R=c·t可得到，然后通過公式(3)可得待測點(diǎn)。

(3)

可見光通信信號通常采用強(qiáng)度調(diào)制直接檢測。接收端可以利用光電檢測器對信號的能量進(jìn)行檢測，將其與特定環(huán)境下的傳輸損耗模型相對應(yīng)，從而計(jì)算出距離，故RSS方法也適應(yīng)于可見光通信。

2.3.2圖像傳感器成像法

圖像傳感器成像法[14]的示意圖如圖7所示。平行于圖像傳感器加入一面透鏡，根據(jù)圖中幾何關(guān)系可由式(4)所示方程組計(jì)算得到待測點(diǎn)位置坐標(biāo)。

圖7 圖像傳感器成像法示意圖

(4)

式中，f是透鏡的焦距，mij(i,j=1,2,3)是旋轉(zhuǎn)矩陣M的元素，可由式(5)中方程組確定，入射光與x、y、z軸所形成的角度分別為ω、φ、θ。

(5)

通過公式(4)、(5)可得出待測點(diǎn)坐標(biāo)，從而完成定位。

3 結(jié)論

可見光通信技術(shù)已經(jīng)成為人們研究無線通信領(lǐng)域的一個新的突破點(diǎn)，未來多接入的可見光通信勢必進(jìn)入到各家各戶。本文對多接入的可見光通信消除多徑干擾及多址干擾進(jìn)行了簡單的探討。OFDM調(diào)制能較好地抑制多徑干擾。在靜態(tài)和動態(tài)的通信環(huán)境下分析了不同的多用戶檢測技術(shù)的應(yīng)用對多址干擾的抑制性能。對于以后的多接入可見光通信起到一定的借鑒意義。列舉了熱門的可見光通信應(yīng)用場景，比如：水下可見光通信、煤礦井下報(bào)警預(yù)警系統(tǒng)、室內(nèi)定位等應(yīng)用。特別是可見光對于水下通信的優(yōu)勢，藍(lán)光衰減緩慢，水下可見光通信勢必會成為日后研究的一大重點(diǎn)。

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The multiple access and application development of visible light communication

Zhang Ying, Wang Yansheng

(Faculty of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

TN929.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.18.006

張穎，王彥生.可見光通信的多接入及應(yīng)用發(fā)展[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(18)：18-21.

2017-03-25)

張穎(1982-)，女，博士，講師，主要研究方向：可見光通信，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞取?/p>

王彥生(1990-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：可見光通信多址干擾消除。E-mail：1377283162@qq.com