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2017年白光LED無線通信的研究進展

發布人:尹音    發布時間:2017-07-21

1關鍵技術

1.1高速調制驅動電路設計

調制帶寬是衡量led調制能力的主要參數,關 系到LED在無線光通信中的數據傳輸速率大小。其 定義是在保證調制度不變的情況下,當LED輸出的 交流光功率下降到某_低頻參考頻率值的_半時 (-3dB)所對應的頻率。從微觀結構分析,影響白 光LED高速調制有兩個因素:載流子壽命和結電 容。LED因受兩者的限制,其調制的最高頻率通常 只有幾十MHz,從而限制了 LED在高比特速率系統中的應用。不過,通過合理設計和優化驅動電路, LED也可以用于高速通信系統。由于實現簡單, VLC系統大多設計成光強度調制/直接探測系統。


北京理工大學郭倩等m針對室內可見光通信系 統的應用需求,設計了雪崩光電二極管(APD)探 測電路組件,如圖1所示。APD信號接收子系統具 有增益高、功耗低、可靠性好、體積小、對微弱信 號的接收能力強以及通信距離遠的特點,在室內可 見光通信領域將具有很高的實際應用價值。王瑞 偉0提出了一種低花費的集成接收機制作方案,提 出了_種新型的基于引線鍵合技術的二維光電檢測 陣列制備方法。李聯冠0基于室內可見光通信系統 的研究,設計了具有_定增益帶寬的接收電路,如 圖2所示。根據調制方式,驅動電路選擇電流源驅 動。合理的驅動電路設計可以盡量提高輸出光功率 和傳輸距離,從而提高系統性能。西安郵電大學尚 建榮,針對目前可見光通信存在的光源調制頻率低、 功耗大和傳輸距離短等問題,研究了模擬和數字調 制驅動電路,提出了一款基于DD311的驅動電路, 能支持多顆大功率LED串接應用。

1.2白光led光源布局設計

單個LED發光強度和發光功率都比較小,為了 同時實現室內照明和通信雙重功能,LED照明光源 應設計為多個白光LED組成的陣列。為滿足基本照 明需求,在系統設計中應首先考慮室內光照度的分 布。要使通信效果達到最優,必須根據房間的大小 以及室內設施不同合理布局,使房間內的光強分布 大致不變,盡量避免盲區的出現。

由于各個LED發射端到接收端的距離差而引起的多徑效應對通信系統的影響,江蘇大學張立等人 提出采用有保護間隔的正交頻分復用(OFDM)調 制方式來抑制多徑效應對通信性能的影響,研究結 果表明有保護間隔的OFDM信號有很強的抗多徑效 應能力5。因此不難看出,OFDM調制適合應用在 高速的室內可見光通信系統中。臧景峰63提出照明 光源布局設計與接收光功率分布的關系,對強度調 制直接檢測方式的室內VLC系統中信噪比和多徑效 應引起的碼間串擾進行分析,提出采用光分集接收 技術克服碼間串擾和提高信噪比,并給出光檢測器 陣列布局的模型。曹家年7針對背景光噪聲和多徑 效應,設計并研究了適用于LED照明通信系統的角 度分集系統,并對3種主要分集合并方式進行的對 比測試,MRC方式表現出了最好的性能。丁德強8 在_種相似度較高的白光LED發光模型的基礎上, 給出了室內可見光通信系統多白光LED陣元發射天 線的設計方法。丁德強還分析了布局設計與接收光 功率分布的關系,并給出了房間內的四個通信光源 的最優化布局設計69。LED燈光空間布局、空氣環 境等也會對通信性能產生影響。為提升通信效率, 必須對LED燈的個數、空間布局及光亮度進行合理 的選擇。如何進行合理的LED布局優化、建立完善 的可見光通信是當下一大難題。而上述研究成果, 為進一步研究奠定了良好的基礎。

1.3信道編碼技術

數字信號在傳輸過程中不可避免地受到各種噪 聲干擾,導致傳送的數據流產生誤碼,從而使接收

端出現異常現象,比如圖象跳躍、不連續、出現馬 賽克等。信道編碼技術對數據流進行相應的處理, 使系統具有_定的糾錯能力和抗干擾能力,提高數 據傳輸效率,降低誤碼率,并最終提高數據的通信 距離。

暨南大學陳長纓、趙俊提出一種適用于LED數 字傳輸的mBnB分組編碼技術。通常來說,分組碼 是指將原始信息碼字按m比特為單位進行分組,根 據_定規則用另外每組為n比特的碼字來表示,然 后這些新的分組以NRZ碼或RZ碼的格式來傳輸。 常用的信道編碼有182B (曼徹斯特碼)、384B、 586B、688B等。mBnB碼的優點有:①功率譜形狀 較好;②連〇連1個數有限,沒有基線漂移問題; ③提供可靠的誤碼監測和字同步手段。實驗證明, 經過688B編碼后,光信號在通信距離r=0.5~ 2. 5m范圍內受LED的個數、電阻及串口模塊分頻 的影響不大。利用688B編碼技術,可以保證本系 統中數據高速傳輸的同時,使信號傳輸距離超過 2.5m。而且,可以通過對數據采用高低兩種不同碼 表的方法來克服mBnB碼譯碼時會造成誤碼增值的 缺點。如圖3所示,以一個12bit的原始數據為例, 介紹688B編碼實現過程。

1.4正交頻分復用(OFDM)技術

正交頻分復用技術是多載波調制的_種。其主 要思想是:將信道分成若干正交子信道,將高速數 據信號轉換成并行的低速子數據流,調制到在每個 子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采 用相關技術來分開,這樣可以減少子信道之間的相 互干擾ISI。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相 關帶寬,因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落, 從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的 帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分,信道均衡變得 相對容易。

熊飛嶠研究表明,基于白光LED與SC^FDMA 技術結合的可見光數據傳輸系統在技術上是可行的。 在峰值功率比方面,SC^FDMA的低PAPR特性不僅 使LED傳輸系統避免失真。比OFDM系統具有更好 的性能,還能保護眼睛&1。哈爾濱工程大學的李世 亮基于OOK、M-PPM、DPPM、OPPM調制結構,提 出差分可重疊脈沖位置調制方式(DOPPM),并比 較各調制方式的照明光功率和傳信率。結果表明: 在保持較高照明光功率的前提下,DOPPM的傳信率 明顯高于其他調制編碼方式。M 1.5光碼分多址(OCDMA)技術

采用光碼分多址技術141來區分不同用戶的信 息。在可見光無線局域網中所有的終端用戶都共用 相同的主光源,因此不同的用戶信號必須具有不同 的特征,這樣適配器接收時才能將不同用戶信號分 割開。OCDMA給每一個用戶分配一個單獨的地址 碼,數字信號在各自的地址碼上進行編碼,在接收 機上通過相應的序列進行解碼。采用OCDMA技術 還能大大提高了系統的抗噪聲能力。可以把信號從 噪聲很強的環境中檢測出來。

方安安等基于光碼分多址(OCDMA)技術, 用光正交碼(OOC)作為地址碼對信號進行編碼。 仿真結果表明,改進后的系統誤碼率明顯降低M。 張寶富等對光碼分多址(OCDMA)系統的誤碼性 能進行了研究,分析表明多用戶光纖CDMA系統是 _個具有彈性容量的系統,當用戶較少時系統誤碼 性能主要受其接收機噪聲的影響,用戶較多時則主 要由用戶間的多址干擾決定M。

1.6分集接收技術

分集接收技術的提出是為了提高VLC系統的信 噪比,克服高速通信中碼間干擾的影響。分集接收 的思想就是在接收機處的不同方向上安裝多個光電 探測器,對多個探測器接收到的信號進行比較,選 取信噪比最大的信號進行通信。

在分集接收系統中,兩個關鍵的工作是:信號 的選取方式和光電探測器的布局。在信號的選取上, 對于低速率的白光LED通信系統,直接將多個探測 器接收到的信號通過_個加法器進行簡單相加,然 后將相加后的信號送進接收機進行濾波、解調和解碼等處理,大大提高了信噪比;當通信系統的傳輸 速率高于100Mb/s時,由于碼間串擾的影響,不能 將信號直接相加,必須設計專門的控制電路對信道 進行自動判決和選擇,原理如圖4所示。

對各個探測器轉換后的電壓信號進行實時采集 采樣,再送入電壓比較器進行比較,找出電壓值最 大的信道,此信道即為要進行通信傳輸的信道。同 時,比較器輸出控制信號將相應的信道選通。對于 光電探測器的布局,在接收機的不同方向上安裝多 個光電探測器且均勻分布于_個半球面上,這樣在 減少探測器個數的同時又提高了接收效果。如此, 只要不是整個接收機被遮住,通信就不會中斷。關 于探測器的個數和布局,需要根據具體環境和通信 性能的要求來決定。在高速通信中采用分集接收技 術,系統的信噪比平均提高了 2dB,并且有效克服 接收機位置改變、室內人員走動和物體陰影對通信 系統的影響。

2其他研究進展

Hainan Lu等提出了基于兩階段噴射傳動系統 鎖定680 nm垂直腔面發射激光器(VCSEL)發射 器的LiFi傳輸系統,具有更高的數據速率,為加快 可見激光通信的部署提供了通信鏈路上的有利條 件&4。Emilie Bialic等介紹了兩個不同類型的光伏 組件的在頻率上的信噪比響應,分析了不同照明條 件下的LiFi性能,證明了可用帶寬很大程度上取決 于環境照明配置。特定的照明條件下,4 MHz帶寬 可以實現對應的數據速率8 Mbit/s。此外,還介紹 了照明飽和效應,并證明了半透明的太陽能電池的 研究提高了高環境照明條件下帶寬和數據速率性 能 M。Cheng Ling Ying 等提出了 一個 20Gbps 的 LiFi傳輸系統,采用垂直腔面發射激光器(VCSEL) 和16 QAM (正交幅度調制)的外部光注入技術- 正交頻分復用(OFDM)調制信號的方法,可以得 到好的比特錯誤率(BER)性能以及清晰的星座 圖M。Jiun-Yu Sung等提出了基于可見光通信 (VLC)的正交頻分復用接入(OFDMA)系統,討 論了用戶位置監測策略,以解決區域劃分問題,并 詳細分析了該系統的特點E7]。北京大學通信系統與 網絡國家重點實驗室Zhong Zheng等提出了一種用 于室內無線寬帶接入的自由空間光通信和可見光通 信集成系統,該系統具有全光鏈路和高容量M。 Borja Genoves Guzman等提出了 一種新型協作傳輸和 接收方案在可見光通信(VLC)領域的建議和評價。 該方案改進了大型室內場景的可靠性,如走廊、實 驗室、商店、會議室,其覆蓋需要采用不同的VLC 接入點1]。Shih-lao Chen等首次提出并論證了 一 種使用室內發光二極管、移動電話攝像頭和光電探 測器,支持單輸入多輸出服務質量的可見光無線通 信系統。所提出的系統可以支持針對2個不同應用 程序的2個固定速率服務質量傳輸M。Chen等提 出了一種基于可見光通信(VLC)的無線圖像傳輸 系統。該系統由OV7670圖像采集模塊、STM32、 基于FPGA的編碼模塊、調制驅動電路和LED組 成,反向脈沖位置調制(IPPM)具有平均功率高、 信噪比大的優點 121。Univ Sheffield Ravinder Singh 等 提出了一種新的顏色鍵控(CSK)無線可見光通信 的調制格式,基于四種顏色代替用于現有IEEE 802. 15. 7 CSK物理層標準中的三種顏色122。Liang- Bi Chen等提出了一種無線數字會議系統,采用雙模 (白光LED和紅外光)可見光通信(VLC)的無線 技術,其下行通信采用白光LED傳輸,上行通信選 擇紅外傳輸M。Tadahiro Wada等構造了一個新的 使用顏色鍵控(CSK)的并行傳輸可見光無線通信 系統(VLC)M。復旦大學通信科學與工程系 Yiguang Wang等提出并實驗驗證了一種新型的高速 的基于LED的VLC局域網,為大量用戶提供超過 10Gb/s基于星型拓撲結構的無線光接入2]。韓國 慶星大學的Sung-Man Kim等提出并論證了一種新的 無線可見光通信(VLC)技術,采用光波束形成來 提高信噪比(SNR)和傳輸距離26。Thomas Q.

Wang等在接收器使用一個半球形的鏡頭,具有廣闊 的視野,能夠提供MIMO無線光應用的顯著多樣性 秩序27。南京郵電大學通信技術研究院Liwei Ding 等報告了_個無線接入系統通過可見光通訊(VLC) 技術M。In Hwan Park等分析和模擬了針對飛機無 線通信環境的可見光通信干擾消除方案,采用基于 連續干擾消除(SIC)的干擾消除方案,并對誤碼 率性能進行評估㈣。Sang Burm Ryu應用LED非線 性傳遞函數引入OFDM系統,在接收機的頻率域降 低 PAPR (Peak to average power ratio)并抑制 ICI, 提出一個新的降低PAPR的技術來減小LED的非線 性失真,以及一個自適應子載波間干擾抑制算法以 改進誤碼率性能M 。Keio Univ, Toshihiko Komine 等 提出自適應均衡系統來克服碼間串擾問題,闡明了 在移動環境中對于信道估計最有效的訓練序列間 隔61,證明了帶有有效間隔的自適應均衡系統減輕 陰影的影響。提出了基于白光發光二極管(LED) 和光電探測器(PD)可見光通信(VLC)的 鏈路M。

3在應用方面的優勢與不足

可見光無線通信可以直接利用路燈、室內照明 及公共照明等已有的能耗輸出工具來完成雙重任務。 與無線傳輸技術相比,有著低福射、低能耗、低碳 環保等自身優勢。例如手機,全球數百萬個基站幫 助其增強信號,但大部分能量卻消耗在冷卻上,實 用效率低下。而LED自身低功耗等優勢占據了極大 的市場,為LiFi的普及奠定了基礎。在LED燈泡中 增加一個微芯片,便可讓燈泡變成無線網絡發射器。

因此,可見光通信系統可應用于室內。室內可 見光無線通信由終端、可見光通信適配器、可見光 通信集線器、白光LED光源、光電探測器及相應信 號處理單元組成。系統分為前向鏈路和反向鏈路兩 部分,每部分都包括了發射和接收部分。發射部分 主要由白光LED光源和相應信號處理單元組成,而 接收部分主要由光電檢測器和相應信號處理單元組 成。可見光無線集線器接收來自終端用戶的信息, 同時分時段地將接收到的信息通過主光源以廣播的 方式發送出去。可見光通信適配器負責將終端用戶 的信息調制成光信號和接收來自反向鏈路的光信號。 天花板上安裝的光電檢測器接收來自用戶的光信號, 并轉換成電信號送入可見光通信集線器。電信號經 過可見光通信集線器的簡單處理后,調制到白光 LED光源上變成光信號,以廣播的方式發射出去。 在接收端,終端的可見光適配器將發給自己的信息 解調出來送入終端用戶,實現了基于VLC系統的室 內可見光無線通信。如西安理工大學丁德強,提出 —種基于可見光通信的無線局域網系統,如圖5所 示63。根據該系統,可以在未來任何有光的地方都 可以成為潛在的LiFi數據傳輸源,尤其是在無線電 敏感場合。另外值得一提的是,與現有WiFi相比, 未來的可見光通信安全又經濟。WiFi依賴看不見的 無線電波傳輸,設備功率越來越大,局部電磁輻射 勢必增強。而且,光譜比無線電頻譜大,網絡設置 又幾乎不需要任何新的基礎設施。但不可否認的是, LiFi技術依賴于可見光,那么可見光本身的局限性 勢必是阻礙LiFi的進一步發展。例如可見光的穿透 性,各種介質對其的折射、反射、散射等作用。另 外考慮到對于光源的需求以及現有量產的LED燈并 不具備植入所謂LiFi技術需求的芯片的能力,也就 是說LiFi走進千家萬戶還有諸多技術需要攻關。

4發展趨勢

白光LED無線通信未來工作的重點和突破 如下:

1)   白光LED光源的帶寬拓展技術。目前用于 可見光通信的LED燈,調制帶寬有限,只有約3 ~ 50MHz,主要用于照明,若想用于通信,必須開發 出更高調制帶寬的LED光源。由于LED通信具有 照明與通信雙重功能,為了滿足室內照明的要求, 光源的布局不僅要使得室內的照度和照度均勻度滿 足相應的標準要求,而且要有利于人的活動安全和 舒適。光源要選擇高光效、合適色溫、長壽命和高 可靠性的產品。室內的照明布局需要考慮基礎照明、 重點照明、裝飾照明和應急照明的要求,因此光源 的合理布局對照明和系統性能是尤為關鍵的。

2)   電力線通信與VLC的融合技術。若把LED 照明系統與電力線通信結合在一起,通過電力線來 進行通信信號的傳播,則可以有效降低投資成本。 電力線通信技術與VLC技術有機融合而成的PLC 技術,是利用電力線傳輸數據及話音信號的一種通 信方式。而從無線通信技術的發展趨勢來看,PLC技術已日益顯現出了它強大的生命力,為通信打下 了堅實的基礎。


3)充分利用VLC優勢,克服不利因素以提升 VLC通信性能。LED面對的最大難題就是VLC的數 據通信速率。為了提高通信速率,除了需要在LED 器件上進行突破外,還可通過其他技術手段進行提 升。為了克服白光LED調制帶寬的局限,必須深入 探究頻帶利用率高、抗干擾性能好的調制復用技術。 研究高效濾波技術及新型濾波器,提高光通信性能。 此外,如何更好地利用室內VLC系統的空間資源, 獲取更高的復用增益也是值得我們去深思的問題。


 
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