室內(nèi)可見(jiàn)光通信LEDs選擇及調(diào)制技術(shù)的分析

國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作廣東中心 張 婧

引言

在室內(nèi)光通信方面，采用LED為光源的可見(jiàn)光通信對(duì)人眼睛的傷害較小，同時(shí)能夠達(dá)到10W以上的光照功率，使室內(nèi)通信獲得較高的信噪比。但實(shí)際應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，想要得到均勻的光照度和實(shí)現(xiàn)高速率通信，還要做好LEDs的選擇，并加強(qiáng)系統(tǒng)信號(hào)調(diào)制。因此，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)室內(nèi)可見(jiàn)光通信LEDs選擇及調(diào)制技術(shù)的分析，確保該技術(shù)優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮。

1.室內(nèi)可見(jiàn)光通信技術(shù)

在白光發(fā)光二極管照明技術(shù)取得快速發(fā)展的同時(shí)，無(wú)線光通信技術(shù)也隨之發(fā)展，促使室內(nèi)可見(jiàn)光通信技術(shù)得以誕生。采用該技術(shù)，能夠利用可見(jiàn)光通信發(fā)射系統(tǒng)滿足室內(nèi)照明和通信需求，使通信強(qiáng)度與光照度成正比，保證室內(nèi)光照度得到均勻分布，同時(shí)提供良好通信。相較于其他技術(shù)，該技術(shù)擁有較高發(fā)射功率，同時(shí)能夠節(jié)約能源，因此得到了廣泛的應(yīng)用。室內(nèi)可見(jiàn)光通信技術(shù)的核心，在于可見(jiàn)光通信發(fā)射系統(tǒng)。從系統(tǒng)組成上來(lái)看，室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)由發(fā)射端、輸出端、基帶調(diào)制、基帶解調(diào)、驅(qū)動(dòng)電路、光電轉(zhuǎn)換、LED陣列和接收檢測(cè)器構(gòu)成。在系統(tǒng)工作時(shí)，數(shù)據(jù)將由發(fā)射端輸入，經(jīng)過(guò)調(diào)制后進(jìn)入驅(qū)動(dòng)電路。電路會(huì)以較高頻率進(jìn)行電流調(diào)整，利用電流強(qiáng)度變化進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)弱調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)LED陣列，電信號(hào)將被轉(zhuǎn)換為光信號(hào)發(fā)射。利用接收檢測(cè)器，可以對(duì)輻射的光信號(hào)進(jìn)行接收，然后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換獲得相應(yīng)的電信號(hào)。經(jīng)過(guò)解調(diào)后，可以進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的輸出。

2.室內(nèi)可見(jiàn)光通信LEDs選擇

2.1 LEDs選擇問(wèn)題的提出

在室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中，LED作用即照明。按照國(guó)際照明標(biāo)準(zhǔn)，辦公室內(nèi)桌面光照度應(yīng)在300lx-1500lx范圍內(nèi)，照明度分布越均勻越好，可以為人提供相對(duì)舒適的環(huán)境。相較于大功率單燈珠，小功率多燈珠照明更加均勻，即LEDs。但是，伴隨著燈珠的增多，由于各燈珠到接收端距離存在差異，所以會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的光程差，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)碼間干擾ISI。因此在采用室內(nèi)可見(jiàn)光通信技術(shù)時(shí)，需要完成LEDs的科學(xué)選擇，才能實(shí)現(xiàn)LED陣列合理布局。而在實(shí)際選擇時(shí)，在不同的室內(nèi)場(chǎng)景下采用可見(jiàn)光通信技術(shù)，由于通信LED單元和接收端距離差距大小不同，所以受到的碼間干擾大小不同，還要實(shí)現(xiàn)不同的LEDs選擇?，F(xiàn)階段，針對(duì)室內(nèi)可見(jiàn)光通信技術(shù)，可以劃分為單終端和多終端兩種場(chǎng)景，需要完成各自場(chǎng)景下的LEDs選擇。

2.2 單終端場(chǎng)景下的選擇

在單終端場(chǎng)景下，可以進(jìn)行位置較近的LED選擇，以便獲得更大的有用照明功率。同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)盡量減小LED與接收端間的距離，以便通過(guò)減小干擾提高通信質(zhì)量。在實(shí)際選擇時(shí)，可以采用有效比閾值的方法。從信號(hào)通信角度來(lái)看，每路信號(hào)存在積極和消極內(nèi)容，比值為信號(hào)有效比，存在對(duì)應(yīng)的閾值。各路信號(hào)由于擁有不同的光程差，達(dá)到接收端花費(fèi)的時(shí)間不同，所以積極和消極成分存在一定差異，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的有效比閾值存在差別。利用式（1），可以對(duì)LEDs單元有效比VRi進(jìn)行計(jì)算。式中，di指的是單元與接收端距離，post是信號(hào)積極部分，nega為消極部分，t0為單元到接收端第一個(gè)光路信號(hào)到達(dá)時(shí)間，ti則為第i個(gè)光路達(dá)到時(shí)間，T和c為系數(shù)[1]。根據(jù)有效比大小，可以確定各LEDs單元參與通信與否。在有效比超出閾值的情況下，單元參與通信，否則不參與。由此可知，將有效比閾值設(shè)置的較小，更多的LED單元將參與通信，促使ISI提高，導(dǎo)致系統(tǒng)信噪比下降。設(shè)置較大的閾值，則會(huì)減少LED單元數(shù)量，降低信號(hào)有用功率，同樣也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)信噪比下降。因此對(duì)于單終端的室內(nèi)場(chǎng)景來(lái)講，想要獲得較好的信噪比，還要完成合適的有效比閾值選取。實(shí)際采用該方法進(jìn)行LEDs選擇時(shí)，可以根據(jù)用戶所在位置進(jìn)行有效比閾值的列舉，然后進(jìn)行最佳信噪比的選擇。

2.3 多終端場(chǎng)景下的選擇

在多終端場(chǎng)景下，采用單終端的LEDs選擇方法，難以實(shí)現(xiàn)有效比閾值方案的一一列舉。因?yàn)樵诓煌恢茫煌K端有效比閾值不同，選取的LEDs也不盡相同，不同終端用戶之間通信會(huì)發(fā)生干擾，因此難以得到最終的統(tǒng)一結(jié)果。針對(duì)這一情況，還要完成適合多個(gè)終端同時(shí)通信的LEDs選擇，即確保所有用戶通信誤碼率不超出10-6，并且各用戶最小信噪比至少達(dá)到13.6dB。采用基于進(jìn)化算法的LEDs選擇方法，可以完成所有終端中信噪比最小用戶的最佳LEDs狀態(tài)矩陣K*查找。如式（2）所示，矩陣K的因子為ki，用戶數(shù)為N。利用該目標(biāo)函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)全局近似最優(yōu)解的求解。

采用該方法，其實(shí)是對(duì)生物進(jìn)化過(guò)程中的自然選擇和遺傳機(jī)制進(jìn)行模擬，是趨于全局優(yōu)化的概率搜索算法，將擁有良好適應(yīng)性的個(gè)體保留下，將差的個(gè)體淘汰，確保好的個(gè)體向后代遺傳特性。為適應(yīng)環(huán)境，個(gè)體將產(chǎn)生發(fā)生變異的概率。經(jīng)過(guò)迭代，將得到優(yōu)良群體。在選擇LEDs，LED的狀態(tài)矩陣為個(gè)體，即優(yōu)化對(duì)象，不同個(gè)體擁有不同LED通信狀態(tài)模式。狀態(tài)矩陣因子則為個(gè)體等位基因，其長(zhǎng)為L(zhǎng)ED單元個(gè)數(shù)。種群為個(gè)體結(jié)合，在分析過(guò)程中可以設(shè)定種群規(guī)模固定，從而使優(yōu)化過(guò)程得到一定程度的簡(jiǎn)化。為從群體中進(jìn)行遺傳個(gè)體的選擇，同時(shí)降低算法復(fù)雜性，可以采用輪盤(pán)方法選擇算子，即根據(jù)個(gè)體適應(yīng)度與種群其他個(gè)體適應(yīng)度和比值進(jìn)行個(gè)體選擇。采用單點(diǎn)交叉方法，可以對(duì)個(gè)體等位基因進(jìn)行交叉，完成個(gè)體變異操作[2]。為終止算法，需要預(yù)先完成總進(jìn)化代數(shù)的設(shè)定。

3.室內(nèi)可見(jiàn)光通信的調(diào)制技術(shù)

在室內(nèi)可見(jiàn)光通信方面，除了LED列陣布局為重點(diǎn)，還要加強(qiáng)數(shù)據(jù)調(diào)制。因?yàn)橄胍獙?shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)，需要對(duì)原始二進(jìn)制比特流進(jìn)行預(yù)處理和編碼調(diào)制，才能將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)。而目前室內(nèi)采用的白光LED等LED調(diào)制帶寬通常不超出10MHz，導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸速率受到了較大限制，因此還要加強(qiáng)調(diào)制技術(shù)研究。

3.1 正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)

在室內(nèi)可見(jiàn)光通信方面，正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，可以獲得較高的頻譜效率，同時(shí)降低信號(hào)復(fù)雜度。采用該技術(shù)，可以利用相互正交數(shù)字濾波器進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，無(wú)需進(jìn)行信號(hào)復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)換或借助調(diào)制器等完成信號(hào)調(diào)制。室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)復(fù)雜度較低，適用于采用該種調(diào)制技術(shù)。從技術(shù)原理上來(lái)看，采用該技術(shù)可以結(jié)合原始采樣周期信號(hào)進(jìn)行調(diào)制信號(hào)獲取，即將整形濾波器信號(hào)和正交濾波器信號(hào)相加。經(jīng)過(guò)光信道傳輸后，可以得到與濾波后信號(hào)相匹配的信號(hào)。將原始信號(hào)進(jìn)行符號(hào)周期編碼，則能得到復(fù)數(shù)信號(hào)，然后實(shí)現(xiàn)信號(hào)序列采樣分析。通過(guò)插入0，則能完成頻譜多次延拓，實(shí)現(xiàn)信號(hào)同相正交分量的分離，最終得到調(diào)制信號(hào)。采用該種調(diào)制技術(shù)，能夠降低信號(hào)計(jì)算復(fù)雜度，并且能夠利用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制，滿足室內(nèi)可見(jiàn)光通信需求[3]?，F(xiàn)階段，在可見(jiàn)光通信領(lǐng)域，采用該種調(diào)制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)可見(jiàn)光通信速率的大幅度提升，在50m范圍內(nèi)可以達(dá)到1.8Gbit/s可見(jiàn)光傳輸速率。聯(lián)合采用非線性后均衡技術(shù)，則能將速率提升至4.5Gbit/s。因此在室內(nèi)可見(jiàn)光通信方面，采用該種調(diào)制技術(shù)可以滿足通信速率要求。

3.2 自適應(yīng)多載波調(diào)制技術(shù)

自適應(yīng)多載波調(diào)制技術(shù)為新型高效調(diào)制編碼技術(shù)，在室內(nèi)可見(jiàn)光通信中應(yīng)用可以對(duì)多徑干擾進(jìn)行抵抗，保證室內(nèi)受干擾的通信信號(hào)得到可靠接收，所以能夠使信號(hào)頻帶利用率得到提高。在做出不同LEDs選擇后，采用該技術(shù)也能將高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為低速并行數(shù)據(jù)，將各單元信號(hào)調(diào)制到各子信道上，保證各信道帶寬不超出要求。采用該技術(shù)，能夠使信號(hào)脈沖寬度得到有效擴(kuò)展，所以能夠?qū)Χ鄰剿ヂ溥M(jìn)行抵抗。采用該技術(shù)在信號(hào)接收時(shí)實(shí)現(xiàn)正交信號(hào)分離處理，也能使信道間的碼間干擾得到減小。而采用傳統(tǒng)頻分復(fù)用技術(shù)，在各子載波間，應(yīng)保持一定的頻率間隔，以免發(fā)生串?dāng)_，因此將導(dǎo)致系統(tǒng)頻率利用率低下。采用自適應(yīng)多載波調(diào)制技術(shù)，可以利用數(shù)字信號(hào)處理算法完成載波生成和接收，可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，所以能夠更好的滿足室內(nèi)光通信需求[4]。在信號(hào)調(diào)制的過(guò)程中，采用該技術(shù)將利用自適應(yīng)比特功率加載算法，結(jié)合系統(tǒng)發(fā)射二進(jìn)制相位信號(hào)估算載波的信噪比，然后實(shí)現(xiàn)比特分配。利用差分接收機(jī)，則能對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步解調(diào)，完成信號(hào)誤碼率的計(jì)算。針對(duì)白色LED室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，采用該技術(shù)在1.5m空間內(nèi)進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，可以達(dá)到2Gbit/s傳輸速率。

4.結(jié)論

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，在室內(nèi)可見(jiàn)光通信技術(shù)應(yīng)用時(shí)，還應(yīng)完成LEDs的合理選擇，才能保證室內(nèi)光照度均勻。在此基礎(chǔ)上，想要確保室內(nèi)通信良好，還要加強(qiáng)調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用。因此，通過(guò)加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)LEDs選擇和調(diào)制技術(shù)的研究，能夠?yàn)槭覂?nèi)可見(jiàn)光通信技術(shù)的應(yīng)用推廣提供良好的技術(shù)支撐。