可见光通信概述.doc

光通信概论课程论文中山大学物理学院
可见光通信及其关键技术研究
摘 要：用室内照明的白光LED光源作为通信基站进行信息无线传输的技术是当前国外光无线通信领域的研究热点之一，是一项有发展前景的新兴技术。这也将可见光通信技术带到了众人的面前。文章详细介绍了可见光通信技术在国内外的研究现状，分析了其关键技术，阐述了其巨大的优点以及应用领域上的发展趋势。
关键词：可见光通信、技术优势、发展历史、关键技术、应用展望
Studies on the visible light communication and
its key technologies

Jieyong He
Optical Engineering, School of Physics, Sun Yat-sen University, User ID: 15212250
Abstract
It is one of hot spots of optical wireless communication research field in abroad that using white LED light source as base station to transmit information through wireless mode currently, which is an promising new technology. This trend brings the visible light communication into our attention. In this paper I introduce the current situation of visible light communication by white LEDs at home and abroad in detail, analyze the key techniques and clarify the advantages and development trend of the system.
Key Words: visible light communication, advantages, key technologies, developing history, developments

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1 可见光通信介绍
近年来，被誉为“绿色照明”的半导体（LED）照明技术发展迅猛。与传统照明光源相比，白光LED 不仅功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保，更具有调制性能好、响应灵敏度高等优点。利用LED 的这种特性，它用作照明的同时，还可以把信号调制到LED 可见光束上进行传输，实现一种新兴的光无线通信技术，即可见光通信（indoor visible light communication，VLC）技术。
1.1 可见光通信技术概述
一直以来，在一个人的头顶上画一个闪亮的灯泡，被用来象征一个发明家的灵光乍现，但是德国物理学家哈拉尔德·哈斯(Hass H.)由灯泡本身“点亮”了奇思妙想：依赖一盏小小的灯，将看不见的网络信号，变成“看得见”的网络信号。哈斯和他在英国爱丁堡大学的团队最新发明了一种专利技术，利用闪烁的灯光来传输数字信息，这个过程被称为可见光通信，人们常把它亲切地称为“LIFI”，以示它能给目前以WIFI为代表的无线网络传输技术可能带来革命性的改变。
可见光通信（VLC）是将发光二极管（LED）等可见光发出的肉眼察觉不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的。VLC结构由两个部分组成，一个是VLC发送部分，另一个是VLC接收部分。发送部分处，将需要传输的数据加载在光载波信号上，并进行调制，然后到达接收部分，即利用光电转换器件接收光载波并解调以获取信息。
可见光通信系统能够覆盖灯光所能达到的范围，不需要电线连接。与目前使用的无线局域网（无线LAN）相比，可见光通信系统可以利用照明设备代替无线LAN局域网基站发射信号，其通信速度可达每秒数十兆至数百兆。利用专用的、能够接发信号功能的电脑以及移动信息终端，只要在灯光照到的地方，就可以进行数据传输。另外，通过使用可见光的数据通信，能解决很多射频（RF）和红外（IR）存在的问题。
1.2 可见光通信技术的优点
与传统的射频通信和其他光无线通信相比，可见光通信具有以下突出优点：
（1）可见光通信技术采用对人眼安全无害的可见光波段传输数据信号，不产生电磁干扰且不易受到其它电磁波信号的干扰，可以应用于对电磁干扰敏感的场所，如医院、空间站、加油站、飞机等。
（2）可见光通信具有宽光谱特性，可以提供更大范围的带宽。对于RGB调制下的LED可采用波分复用技术，增加数据信息的传输率。与射频通信相比，可见光通信不受频谱许可的限制，无需进行频谱申请，覆盖方便。
（3）室内可见光通信技术具有更高的信息安全性。可见光作为数据信息传输的载体，光线受限于室内有限的空间内，扫除了无线信号穿墙而过的安全隐患。在可见光通信中，光线所到之处就有无线网络信号，阴影处则信号全无。
（4）可见光通信是现有无线通信的补充，可快速搭建无线网络且成本低廉。在传统的射频信号盲区内，如地铁、隧道、煤矿等场所，搭建射频基站费用较高，而搭建VLC系统既能满足照明需求，又能降低通信成本。
（5）可见光通信的光源发射功率高。与普通光无线通信的信号光源相比，LED光源对人眼无危害，信号光源的发射功率不受限制。随着LED照明技术的不断发展，可见光通信将翻开光通信历史新的一页。
因而可见光通信技术具有极大的发展前景，将为光通信提供一种全新的高速数据接入方式，已经引起了人们的广泛关注和研究。现在，从LED 照明系统中获得无线通信能力的可能性已经从试验得到证明，将无线通信能力嵌入未来LED 照明系统中是一个发展方向，很可能是光无线接入网的一个目标。
1.3 可见光通信技术历史
真正意义上的现代可见光通信技术是由中国香港大学Grantham Pang在1999年提出的，其将音频信号编码后调制到LED灯上，载有音频信息的光在自由空间光链路下传播后使用光电探测器在接收端接收并解码，最后用扬声器输出音频信号。接收端在加聚焦透镜的情况下，音频信号最远可以传输200cm。
日本是VLC 技术的先行者，KEIO 大学的研究者们率先开展了一系列基础性的理论研究工作,尤其以Tanaka，Komine和Sugiyama为代表。2000年，Tanaka等以强度调制直接检测(IM-DD)为光调制形式进行了建模仿真，获得了数据率、误码率以及接收功率等之间的关系，认为码间干扰(ISI)和多径效应是影响系统性能的两大因素。2001年，他们分别采用OOK-RZ 与光学正交频分复用(OFDM）方式对系统进行了仿真。2002，Fan和Komine等研究了由墙壁反射引起的多径效应对LED可见光无线系统造成的影响。2003 年，Tanaka等人对LED 可见光无线通信系统展开了具体分析，求出了系统所需LED单元灯的基本功率要求。同年，Nakagawa教授联合韩国三星集团和十多家日本知名企业，包括卡西欧、松下电气、夏普等公司成立了VLC联盟（Visible Light Communications Consortium, VLCC），致力于VLC系统标准平台的研究。2007年，VLCC提出的VLC系统标准（Visible Light Communication System Standard）和VLC身份识别系统标准（Visible Light ID System Standard）被日本电子信息技术工业协会（Japan Electronics and Information Technology Industries Association, JEITA）所接受，发布了VLC标准JEITA CP-1221和JEITA CP-1222。
欧洲各国也积极致力于VLC技术的研究。2008年，欧洲委员会设立OMEGA（Home Gigbit Access）项目基金致力于开发物理信道为Gb/s的RF、VLC、红外相结合的家庭局域网，隶属于欧盟第七框架规划（European Union Framework Program 7，EUFP7）的OMEGA项目由法国牵头，德、英、意等多国参与，此项目有1900万欧元的预算。2010~2011年期间，德国弗劳恩霍夫研究所的Langer等人通过不同的调制方式和接收器获得运行速率在10~800Mb/s的链路，证实高速VLC的可能性。2012年，意大利Cossu等人使用商业化RGB式白光LED和DMT调制方式在30cm距离内使用WDM技术后总传输速率实现速率高达2.1Gbit/s，其中单个信道的传输速率是1Gbit/s。
相比之下，我国基于白光LED可见光通信技术的研究起步较晚。近年来，在国家多项科技计划的支持下，我国的VLC技术研究也取得了一定成果，相关项目正在进行应用性验证。目前对VLC开展研究工作的单位有：清华大学、中科院半导体所、长春理工大学、暨南大学、南京邮电大学、浙江大学、复旦大学、西安理工大学等。2013年，复旦大学的研究人员使用RGB式LED和磷荧光粉式LED成功实现下行链路575Mb/s和上行链路225Mb/s的全双工副载波复用的波分复用VLC系统。同年10月，复旦大学计算机科学技术学院的科研人员将数据信息加载到一盏1W的LED灯上，照明环境下的4台电脑最高可实现3.25Gbit/s的上网速率，平均速率可达150Mbit/s，成功实现高速率下的“灯光上网”。在2013年的上海工博会，展出了该系统的10台样机。
2 可见光通信的应用
随着LED在照明、显示上替代传统光源，使得这些设施在原有基础上具备了传输信息的功能。另外，由于图像传感器在VLC领域的应用，使得接收端除了能够接收到数据外还能够准确判断发射端与接收端的相对位置，这就为VLC应用于室内导航、机器人或车辆之间的精确控制、准确的位置测量等提供了可能。
VLC应用可分为室外及室内应用。对于室外主要应用于：
(1) 智能交通系统（Intelligent Transport System, ITS）。包括车辆与车辆之间、车辆与路灯等基础设施之间信息的传递。前者可以传递路况、刹车等信息进而有效避免交通事故，后者可将车辆车速、车牌等相关信息传递到交通检测系统中，实现对车辆信息的采集工作。
(2) 户外显示屏及信号灯通信。行人可手持手机等终端向户外显示屏下载商品广告、产品信息、促销活动、股市行情等信息，而信号灯可向行人提供路况信息、道路指南等信息服务。
(3) 海上VLC。将发射端放置在灯塔和浮标等处，装备有图像传感器的船只便可解码信息并在监视器中显示灯塔所传递的内容。
(4) 基于VLC的三维位置测量。使用接收器为图像传感器的VLC系统可实现对桥梁等设施测量，该系统可实现24h对目标物体的测量，目前精度可达毫米量级。
(5) 水下VLC。无线电波在水下的传播距离非常有限，导致其几乎无法运用到水下环境，而LED闪光信号灯已经被日本学者证实可以在水下30m范围内传输信号。该项技术将会对潜水艇和海底观测站的通信起到重要作用。
VLC在室内的应用主要涉及高速连接和导航，具体包括点对点、广播式通信和室内定位：
（1）点对点通信。为了实现该种通信方式，需要两个终端做到充分的对准，并使LED发出的光束尽可能窄，以保证不会有太多的路径损耗。通过合理设计外围设备，可以保证通信和下载的高速率从而代替IrDA、Bluetooth、UWB等技术。同时，由于VLC在安全性能上的保证，无疑增加了其在诸多方面应用的可能性。例如，日本Casio公司研制了一种LED徽章，通过接受端的图像传感器，可以在显示器上同时获得使用者的身份信息并采集到图像。该公司还提出了一种利用手机上的LED闪光灯与装备有光电探测器的自动取款机进行信息传递以实现用手机查询账户信息和取款的方法，这种方法使外人无法窃取通信信息。
(2) 广播服务。白光LED阵列可以实现信息的广播，例如当我们在浏览名胜古迹和博物馆时，通过LED即可将相关知识内容下载到各种手持终端上。
(3) 室内定位。图像传感器的使用使这一技术可以帮助我们实现室内导航、机器人的控制并可为超市提供客流分析等功能。GPS导航系统已被广泛应用于为手机使用者或车辆进行导航，但因来自GPS卫星的信号在建筑物内并不强，因而其导航功能在室内和地下一直受到限制。为了解决室内导航的问题，目前采用的方法是基于WIFI和RFID平台的导航系统，但两系统都存在结构复杂、使用条件苛刻、成本高等问题。而基于VLC的室内导航系统，在系统结构和成本上都有较大优势，且其精确度很高（小于5cm）。
综上所述，VLC技术必将在智能家居、智能汽车、智能办公室、绿色信息通信技术、个性化医疗服务、无线电频率识别、无线局域网、安全系统、无钥匙大门、智能机器人等领域有广阔的应用前景。
3 可见光通信的关键技术
3.1 高性能编码、调制技术
对信源进行何种编码以及采用何种调制方式， 将直接决定通信系统的通信性能。由于实现简单，VLC 系统大多设计成光强度调制/直接探测（IM/DD）系统，采用曼切斯特编码和OOK 调制方式。二进制OOK 编码通过光学链路一次只能发送一个比特，传输慢；曼切斯特编码虽然可以降低系统的误码率，但要求较宽度频带，而现有的基于蓝光激发磷光体产生“白光”的LED 可用调制带宽非常有限，所以必须探索新的编码、调制方法。
由于正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Technology, OFDM）具有频谱效率高、带宽扩展性强、抗多径衰落、频谱资源灵活分配等优点，在VLC中得到了广泛研究。OFDM被证明在高速通信情况下可有效抑制码间干扰(Inter-symbol Interference, ISI)。该技术的优点在于：
(1) 将数据进行串并转换后同时传输，在时域上符号持续时间得到增加，能够减少信道时域弥散产生的ISI，并可通过插入循环前缀的方法进一步消除信道ISI；
(2) 具有较高的频谱利用率；
(3) 调制解调过程中的快速傅里叶变换和快速傅里叶逆变换随着DSP技术的发展易于实现；
(4) 可根据上下行链路不同数据量和通信质量要求进行自适应的调制；方便与多址技术结合等。其面临的主要挑战在于如何将信息有效地加载到OFDM载波上，以及如何对LED的非线性进行补偿。
3.2 码间干扰消除技术
在室内LED 可见光通信系统中，LED 光源通常是由多个发光LED 的阵列组成,具有较大的表面积、较大的发射功率和宽广的辐射角,光线分布在整个房间。另一方面,为了达到较好的照明和通信效果,防止“阴影”影响,一个房间通常安装多个LED 光源。由于LED 单元灯分布位置不同及大气信道中存在的粒子散射导致了不同的传输延迟, 加上光的色散，已调光脉冲会在时间上延伸,每个符号的脉冲将加宽延伸到相邻符号的时间间隔内, 不可避免地产生码间干扰，极大地降低了系统的性能甚至导致不能正常通信。因此，如何消除码间干扰，对保证高性能的VLC 通信至关重要。针对VLC 系统中ISI 的起因不同，主要采用以下方式来削弱码间干扰：运用部分响应技术、采用均衡技术、采用消ISI 的调制方式等。下面详细解释下均衡技术。
作为室内照明用的LED，其调制带宽仅限于几兆赫兹。为了提高LED的调制带宽，人们研究了使用滤光片，将由荧光层产生的黄色光滤去（荧光层的响应速度较慢），让较快速响应的蓝光部分入射到接收端上。另外一种方法是使用发射端均衡技术，该方案实质就是使用模拟均衡技术补偿白光LED在高频时的快速降落。例如，使用16个LED构成阵列，并使用具有某一最大输出频率的谐振技术为每一个LED的驱动电路设计均衡部分电路。实验证明当使用NRZ-OOK( No Return Zero On-off Keying)调制方式时，16个LED组成的阵列可在距离为2m、覆盖半径为0.5m范围内达到40 MB/s的通信速率，并保证较低的误码率。如果增加均衡电路复杂度，其单个LED的通信速率甚至可达到80MB/s。
单独为每一个LED都添加一个均衡电路，这无疑会增加系统成本和发射端能耗，若在接收端选择使用均衡技术，就会在提高系统传输速率的情况下降低系统的复杂性。例如，研究人员在接收端使用一阶模拟均衡器在NRZ-OOK调制方式下，模拟得到了最大传输速率为32MB/s、误码率小于10-6的通信系统。发射端和接收端的均衡技术都有待进一步优化以增加系统覆盖面积和减少误码率。
3.3 全双工通信
VLC系统要接入互联网就必须实现全双工通信，即实现数据的上传与下载。要实现VLC 全双工通信方式，除了要具有现在研究的热点下行链路外，还必须具备上行链路。目前，几乎所有的研究更多集中于下行链路的实现，很少关注上行链路的实现技术。
确保上行链路实现的一个重要问题在于如何避免具有照明功能的下行链路的干扰，目前已提出的方案包括：（1）使用红外波段作为上行链路，以区别下行链路的可见光；（2）使用激光反射器将入射光的一部分反射回发射系统，并将这一部分反射光进行调制以实现上行链路；（3）将VLC与RF结合，即使用VLC实现下行链路，RF系统完成上行链路；（4）采用时分技术，将上下行链路传递信息的时间分开。另有我国学者提出可利用上下链路光的不同偏振态或利用隔板去阻隔下行链路对上行链路的干扰。
4 结论与展望
面对全球节能减排的巨大压力， 发展第四代绿色照明技术已刻不容缓，而白光LED 照明的实现在节约能源的同时，更为高速、宽带的光无线接入提供了一种新途径， 也为解决现有无线电频带资源严重有限的困境提供了一种新思路， 可见光通信将很有可能成为光无线通信领域的一个新的增长点。虽然日本、德国、英国、美国等国家已经对可见光通信开展了从理论到实验的研究，但都还处于初级阶段，要实现此技术的实用化，还需要相关科研人员做更加深入的研究。
可见光通信的概念从提出至今不过15年，从最初的不被重视到现在的飞速发展，主要原因在于照明市场的发展和通信技术如WIFI、RFID以及智能手机的普及。近年来，白光LED在亮度、节能等方面都得到了显著提高，这就为VLC的发展提供了硬件方面的保证。在未来，只要有白光LED照明的地方，就具备了白光光通信的条件，最终VLC技术可能会像目前的WIFI技术一样普及。如果将WIFI、RFID的概念移植到VLC中，将智能手机与VLC技术有机结合，必将大大扩展VLC技术的应用范围。虽然白光光通信的应用前景非常值得期待，但是从通信网络应用来说，它也只能是对现有网络的一个有效补充，永远也不可能取代现有的基于射频的无线电网络。另一方面，目前商用的LED，照明是其唯一功能，制造商并没有考虑通信的需求，因此，这些照明用的LED调制速率都很低，其最高速率仅3MHz。而文献中所报道的几百兆赫兹甚至达到京赫兹的VLC通信系统，所用LED均属于特殊制造，并非照明用LED。真正要将VLC技术推向市场，除了解决VLC的关键技术外，还需要LED制造商制造既有高亮度、又有高调制速率的低成本LED。如何在已有条件下既保证一定的通信距离和高的通信速率，还要尽可能降低使用成本，是目前VLC技术发展面临的一个主要问题。

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