《可見光通信》的教學(xué)研究與實(shí)踐

李苑青 蔣宇飛

摘? 要：可見光通信作為一門通信工程專業(yè)的選修課，代表了通信的前沿技術(shù)，目前在國內(nèi)專門開設(shè)這門課程院校不多。本課程采用理論加實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，旨在提高學(xué)生的歸納總結(jié)能力、數(shù)學(xué)建模能力、解決實(shí)際系統(tǒng)問題的能力，梳理通信專業(yè)的體系結(jié)構(gòu)。在可見光通信課程的教學(xué)實(shí)踐中，對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行了合理的規(guī)劃，適當(dāng)安排課時(shí)，梳理了課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。從概括到具體、從理論到仿真、從模擬到驗(yàn)證，充分發(fā)揮學(xué)生的自主性、參與性和創(chuàng)新性，既加強(qiáng)了學(xué)生的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)能力又鍛煉了學(xué)生的算法實(shí)踐能力，實(shí)踐中得到了學(xué)生的好評(píng)。

關(guān)鍵詞：可見光通信;VLC;Lifi;通信課程教學(xué)研究;可見光通信實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2021）05-0149-04

Abstract： Visible Light Communication as an elective course of communication engineering major， represents the frontier technology of communication technology. This course adopts the teaching mode of theory and experiment， aiming at improving students' ability of induction and summary， mathematical modeling and solving practical system problems， and sorting out the architecture of communication major. In the practice of "Visible Light Communication" teaching， the plan of course content is reasonable， the arrangement of class is appropriate， with combing the emphasis and difficulty in the course. From generalization to concrete， and theory to simulation， as well as the simulation to verify， the course gives full play to the students' autonomy， participation and creativity， which is aiming to strengthen the students' ability of mathematical model derivation and practice ability exercise the student's algorithm， that got the praise of the students in practice.

Keywords： Visible Light Communication; VLC; Lifi; research on communication course teaching; experiment of VLC

一、可見光通信課程開設(shè)的必要性

可見光通信（Visible Light Communication，VLC）采用LED作為光源，利用LED的高速明暗閃爍進(jìn)行信息傳輸，是通信與照明的深度耦合[1]，目前，國內(nèi)專門開設(shè)可見光通信選修課的院校不多。

（一）可見光通信的特點(diǎn)

可見光通信的概念在2000年提出之后，迅速獲得了世界各國的關(guān)注和支持，通常被稱為Lifi與Wifi進(jìn)行比較，2011年更被《時(shí)代雜志》評(píng)為全球50大科技發(fā)明之一。從提出VLC的概念到現(xiàn)在，短短二十年間該技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。傳輸速率從10Mb/s的數(shù)量級(jí)提升到50Gb/s，從離線傳輸發(fā)展到實(shí)時(shí)傳輸，從低階調(diào)制發(fā)展到高階調(diào)制，從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸升級(jí)到MIMO，技術(shù)發(fā)展日新月異。隨著LED器件和APD器件的不斷升級(jí)和相關(guān)算法的持續(xù)完善，可見光通信作為一種兼具照明和通信兩種功能的新模式，成為了通信行業(yè)發(fā)展的最具開創(chuàng)性的亮點(diǎn)和突破點(diǎn)之一。

由于可見光通信技術(shù)具有明顯的特點(diǎn)，國內(nèi)外對(duì)其傾注了極大的熱情，使得其技術(shù)的發(fā)展一日千里，幾乎時(shí)時(shí)有新的突破。正是由于可見光通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域多樣，用戶數(shù)量巨大，具有很好的發(fā)展情景[1]。因此，在通信工程專業(yè)開設(shè)可見光通信的專業(yè)課程是十分必要的，有利于學(xué)生跟上時(shí)代發(fā)展的潮流，站在無線通信趨勢(shì)的前沿陣地。

（二）與無線通信課程的區(qū)別和聯(lián)系

無線通信是依靠自由空間來傳輸電磁波的通信方式，其信道模型研究比較成熟，信道的隨機(jī)時(shí)變和各種擴(kuò)散（頻率擴(kuò)散、時(shí)間擴(kuò)散、角擴(kuò)散）造成了各種選擇性衰落（時(shí)間選擇性衰落、頻率選擇性衰落、空間選擇性衰落），對(duì)抗各種衰落是無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵。本質(zhì)上來說，可見光通信屬于無線通信的一種形式?？梢姽馔ㄐ挪煌渌ㄐ诺奶攸c(diǎn)在于，首先LED可見光通信為新興通信系統(tǒng)，其信道模型尚未完全確定，信道模型測(cè)量和建立處于探索階段，目前有了初步的研究。其次，LED存在限制帶寬，由于可見光本身的光源特性，LED的響應(yīng)與信號(hào)傳輸速率相關(guān)。這兩個(gè)方面的特點(diǎn)，決定了可見光通信在信源編碼、信道建模等方面與其他通信方式在數(shù)學(xué)推導(dǎo)上的不同，但是其通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成與其他通信系統(tǒng)基本無異。

二、可見光通信的教學(xué)規(guī)劃

（一）課程內(nèi)容規(guī)劃

課程的具體安排如下圖：

根據(jù)接受程度和實(shí)驗(yàn)條件，課程可分為理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)仿真兩部分，課時(shí)各一半。課程講述從概括到具體、從理論到仿真、從模擬到驗(yàn)證。首先簡單概括的介紹LED、可見光通信到重點(diǎn)技術(shù)細(xì)節(jié)，掌握重要技術(shù)細(xì)節(jié)、推導(dǎo)數(shù)學(xué)過程，并計(jì)算機(jī)上模擬仿真，最后在testbed上進(jìn)行驗(yàn)證。整個(gè)過程持續(xù)兩個(gè)月左右的時(shí)間，每個(gè)星期一次理論課加一次實(shí)驗(yàn)，留出充裕的時(shí)間給學(xué)生推導(dǎo)公式和消化內(nèi)容。

（二）具體實(shí)施

1. 在課程內(nèi)容上逐級(jí)推進(jìn)

結(jié)合通信原理以及通信系統(tǒng)仿真這兩門專業(yè)必修課，先對(duì)可見光通信的基本系統(tǒng)框架和主要硬件構(gòu)成做一個(gè)概括性的梳理，著重介紹系統(tǒng)中的獨(dú)特構(gòu)件：發(fā)送端LED的非線性區(qū)間、接收端光電二極管（PIN和APD）的響應(yīng)度表達(dá)式?？梢姽馔ㄐ诺乃俾嗜Q于這兩個(gè)器件，是使可見光通信區(qū)別于其他無線通信的重要節(jié)點(diǎn)。正是由于LED的特殊性，可見光通信的信道并沒有明確的表達(dá)，但研究已解決了一部分信道問題，包括直射信道和反射信道，以及空間大小、材料等對(duì)信道的影響研究比較多。課程里通常以理想化的場景來建模，包括LED模型建模和LOS光信道建模。

除此之外，可見光的信號(hào)能量和噪聲分布亦有區(qū)別于其他無線通信信道的地方，這仍然是由于可見光的特性決定的。這些特性決定了，在單載波調(diào)制和多載波調(diào)制時(shí)，使用二進(jìn)制振幅鍵控（OOK）、脈沖位置調(diào)制（PPM）調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制（PWM）等模型結(jié)合的辦法來進(jìn)行。而多載波調(diào)制使用的是DCO-OFDM的方式，即先將信號(hào)進(jìn)行共軛處理后，再進(jìn)行OFDM調(diào)制。這些是各種算法在可見光通信中的應(yīng)用，由于基礎(chǔ)算法已經(jīng)在前序課程中來了解過，在本課程只需要掌握其特殊用法即可，同理多輸入多輸出（MIMO）的系統(tǒng)構(gòu)成也如此。

2. 在教學(xué)手段上豐富多樣

為了加深理解，在課程講述時(shí)，采用理論與實(shí)驗(yàn)逐次進(jìn)行的教學(xué)方式，具體內(nèi)容安排如圖1。教學(xué)內(nèi)容由淺至深，逐步推進(jìn)，實(shí)施手段偏向于師生共同討論學(xué)習(xí)，加入頭腦風(fēng)暴法，讓學(xué)生在參與中積極思考和理解問題。在具體動(dòng)手實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用案例式教學(xué)和啟發(fā)式教學(xué)，給出具體的應(yīng)用場景，老師只給出大致輪廓，讓學(xué)生在具體場景中解決技術(shù)問題、填充細(xì)節(jié)。充分發(fā)揮學(xué)生的自主性、參與性和創(chuàng)新性，教師發(fā)揮引導(dǎo)啟發(fā)，調(diào)動(dòng)調(diào)控課堂氣氛的主導(dǎo)作用，學(xué)生根據(jù)教師提出的引導(dǎo)問題，積極搜索資料，自我組織為團(tuán)隊(duì)研究討論，遇到困難即可與教師進(jìn)行課堂互動(dòng)問答，課堂氣氛活躍。這就有效地使學(xué)生成為課堂教學(xué)的主體，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)探索，最大限度地實(shí)現(xiàn)了師生教學(xué)互動(dòng)。

3. 多樣化考核方式

課程取消期中和期末考試，改為實(shí)驗(yàn)與公式推導(dǎo)相結(jié)合的方式來考核學(xué)生的最終教學(xué)效果。避免學(xué)生學(xué)習(xí)片面追求公式記憶，強(qiáng)化工程應(yīng)用能力和實(shí)際動(dòng)手能力。

（三）培養(yǎng)目標(biāo)

通過本課程，希望培養(yǎng)學(xué)生三個(gè)方面的能力。包括：

1. 加強(qiáng)對(duì)相關(guān)知識(shí)的歸納總結(jié)能力

課程中，應(yīng)用到的具體知識(shí)面寬，需要學(xué)生對(duì)前序課程有全面梳理和深入挖掘的能力。對(duì)接觸過的知識(shí)進(jìn)一步的歸納總結(jié)，并將其利用起來，通過可見光通信這一門課程，將通信工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課體系串聯(lián)起來，如圖2。

課程引導(dǎo)學(xué)生回顧知識(shí)脈絡(luò)、歸納總結(jié)，梳理出通信專業(yè)的體系結(jié)構(gòu)，這對(duì)學(xué)生來說是一個(gè)重新認(rèn)識(shí)所學(xué)專業(yè)的機(jī)會(huì)。

2. 培養(yǎng)數(shù)學(xué)建模的能力

由于可見光通信的信道的不確定性，老師在課程中會(huì)給出若干種理想的模型，包括直射光模型，反射光模型等，并給出必須的空間參數(shù)如反射率、材料系數(shù)等，通過自行查閱參考文獻(xiàn)等方式，讓學(xué)生自主建立數(shù)學(xué)模型。

3. 解決實(shí)際通信系統(tǒng)問題的能力

可見光通信的特點(diǎn)，覆蓋在通信系統(tǒng)中的方方面面，其中關(guān)鍵在信源編碼和信道編碼上，在模擬仿真可見光通信的同時(shí)，必須融會(huì)貫通整個(gè)通信系統(tǒng)的各個(gè)模塊，包括編碼、誤碼率、調(diào)制解調(diào)等等。在這個(gè)過程中，通信的各個(gè)環(huán)節(jié)都有一些細(xì)節(jié)問題需要學(xué)生判斷和分析，老師只給出大致的方向或在關(guān)鍵模塊給出部分算法，大部分問題讓學(xué)生自行研判解決，這就大大提升了學(xué)生解決實(shí)際系統(tǒng)問題的能力。

三、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

在可見光通信中系統(tǒng)中，光源模型和信道模型在業(yè)界并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這兩項(xiàng)是可見光通信研究生的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)難點(diǎn)，同樣的，在教學(xué)中這兩樣也是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。除此之外，單載波調(diào)制和多載波調(diào)制技術(shù)由于算法本身是通信類課程的重難點(diǎn)之一。

（一）電子器件的光學(xué)特性及LED模型建模

信號(hào)源采用的LED本身具有獨(dú)特的物理特性，包括

1. LED的光譜特性：LED發(fā)出的光并不是單一波長，波長分布取決于其材料及結(jié)構(gòu)等因素，盡管不同LED的光譜分布曲線位置和形狀不同，但都有一個(gè)相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度最大處。

2. LED的熱特性：當(dāng)電流流過LED時(shí)，其PN結(jié)的溫度將升高，勢(shì)必引起內(nèi)部電子和空穴濃度，禁帶寬度和電子遷移率等微觀參數(shù)的變化，從而使LED光輸出，發(fā)光波長以及正向電壓等宏觀參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化。

3. LED的伏安特性：LED與普通整流二極管一樣，具有單向?qū)щ娦院头蔷€性特性，由LED伏安特性可知，要保持LED光源的穩(wěn)定，在測(cè)量過程中一定要使用精密恒流源供電。

LED的限制帶寬決定了，在建模時(shí)不能按照理想化的數(shù)學(xué)模型來建模，必須考慮到LED實(shí)際器件本身的特性。式1是LED的響應(yīng)公式：

h（t）=e? 式1

其中，h（t）為LED對(duì)時(shí)間的響應(yīng)，ωc為截止頻率，P為調(diào)節(jié)參數(shù)，Tr、Tf分別為上升時(shí)間和下降時(shí)間。作為可見光通信的重要組成部分，LED的頻率響應(yīng)特性決定了信號(hào)的有效帶寬，進(jìn)而影響VLC系統(tǒng)的傳輸性能。

接收端發(fā)揮作用的是光電探測(cè)器，是一種把光輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件，其工作原理是基于光輻射與物質(zhì)的作用所產(chǎn)生的光電效應(yīng)，一般采用PIN和APD作為接收器。PIN硅光電平面二極管具有結(jié)電容小，渡越時(shí)間短，靈敏度高，溫度不敏感，適合場合受限制較少等優(yōu)點(diǎn)，而且廉價(jià)，體積小，重量輕，可靠性好，因此在光通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。而APD不同于PIN光電探測(cè)器，因?yàn)樗ㄟ^重復(fù)電子電離的過程提供了固有的電流增益，使得靈敏度的增加，課程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的就是APD模塊。

（二）LOS光信道建模

由于可見光通信的信道模型沒有統(tǒng)一，因此在教學(xué)上采用理想化的模型來建立信道模型。假設(shè)可見光通信空間內(nèi)所有反射面都是理想朗伯漫反射，輻射模式與光的入射角無關(guān)，如圖3。

圖3 LOS光信道的模型

即單LED單PD組成的室內(nèi)無線光信道的單位沖激響應(yīng)可以分解為：

h（t;S，R）=h（0）（t;S，R）+（k）（t;S，R）? ? 式2

其中前一項(xiàng)是LOS信道對(duì)沖激響應(yīng)的貢獻(xiàn)，當(dāng)LED和PD之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PD光敏面的尺寸時(shí)，第一項(xiàng)可以近似表示為：

h（0）（t;S，R? ? 式3

其中，F(xiàn)OV為視場角。

（三）信道編碼

課程只對(duì)室內(nèi)可見光通信的通信鏈路作概要性的闡述（如圖4）及具體的公式及其推導(dǎo)過程做簡要的介紹，由于這部分本來就是技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵，在課程講述時(shí)作為研討型課題與同學(xué)們共同探討。實(shí)驗(yàn)時(shí)，給出具體的模型與公式，讓學(xué)生在實(shí)踐中體會(huì)和挖掘具體細(xì)節(jié)。

圖4 可見光信道

（四）單載波/多載波調(diào)制

通信中調(diào)制與解調(diào)技術(shù)已日漸成熟，并且常用于各類通信手段中，在可見光通信中，通常采用其中的OOK、PPM、PWM相結(jié)合進(jìn)行單載波調(diào)制。多載波調(diào)制是，目前用得最多的就是OFDM技術(shù)。OFDM信號(hào)是一個(gè)雙極性信號(hào)，這對(duì)于光信號(hào)而言是不符合的，因?yàn)楣鈴?qiáng)不能出現(xiàn)負(fù)值，因此對(duì)于光OFDM信號(hào)，解決方案就是在電光轉(zhuǎn)換時(shí)候?yàn)镺FDM信號(hào)上加一個(gè)DC的直流偏置，使得雙極性信號(hào)變?yōu)閱螛O性信號(hào)，即DCO-OFDM技術(shù)，這是可見光通信區(qū)別于其他通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

（五）TEST BED的搭建

目前，在國內(nèi)可見光通信系統(tǒng)搭建的實(shí)例較少，課程借鑒了英國愛丁堡大學(xué)教授Harald Haas團(tuán)隊(duì)的TestBed作為模型，利用高清晰度示波器、高速任意波形發(fā)生器（AWG）、搭配高頻的LED和雪崩二極管APD作為信號(hào)源和接收端，搭建了一個(gè)實(shí)際的測(cè)試系統(tǒng)，如圖5。

在實(shí)踐中，要求學(xué)生從頭至尾能夠完成通信系統(tǒng)的模擬仿真，同時(shí)能夠?qū)τ布娐酚休^強(qiáng)的操作能力和經(jīng)驗(yàn)，才能到這個(gè)TESTBED上進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，由于測(cè)試系統(tǒng)的易損性，最后只有5%左右的學(xué)生能夠得到驗(yàn)證的機(jī)會(huì)。

四、實(shí)際遇到的問題及解決方案

（一）TESTBED的穩(wěn)定性

在測(cè)試系統(tǒng)中，高速傳輸需要帶寬大的LED，而這種LED在市場上很難買到，只能通過廠家定制。另外，由于高頻器件本身極其易損，以及高速AWG本身的特點(diǎn)，學(xué)生在系統(tǒng)任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都有可能導(dǎo)致測(cè)試系統(tǒng)的崩潰甚至損壞。這給最后的驗(yàn)證環(huán)節(jié)帶來了極大的不便。但是，查找問題本身也是課程培養(yǎng)的之一，因此，在不影響高清晰度示波器、高速AWG兩種大型設(shè)備的前提下，課程充分給與學(xué)生試錯(cuò)的機(jī)會(huì)。

（二）數(shù)學(xué)模型理解及應(yīng)用

數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)在實(shí)際問題中的應(yīng)用是學(xué)生的最大瓶頸。在實(shí)踐中，采用引導(dǎo)式教學(xué)的方式來解決這一問題。首先保證學(xué)生在數(shù)學(xué)上能夠消化買一個(gè)參數(shù)的含義，再算法編程時(shí)，給出大體框架，要求學(xué)生往里填充關(guān)鍵函數(shù)即可，這樣既保證了實(shí)驗(yàn)的目的又保證了實(shí)驗(yàn)的效率。

五、結(jié)束語

在理論與實(shí)踐配合、突出實(shí)踐、面向?qū)嶋H問題的基本思想的指引下，通過不斷的教學(xué)研究與探索，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐中遇到的問題，構(gòu)建符合學(xué)生認(rèn)識(shí)能力的培養(yǎng)、強(qiáng)化學(xué)生工程實(shí)踐能力的教學(xué)模式及層次化實(shí)踐體系，為培養(yǎng)新型通信人才起積極的作用。

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