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2017年白光LED无线通信的研究进展

发布人:尹音    发布时间:2017-07-21

1关键技术

1.1高速调制驱动电路设计

调制带宽是衡量led调制能力的主要参数,关 系到LED在无线光通信中的数据传输速率大小。其 定义是在保证调制度不变的情况下,当LED输出的 交流光功率下降到某_低频参考频率值的_半时 (-3dB)所对应的频率。从微观结构分析,影响白 光LED高速调制有两个因素:载流子寿命和结电 容。LED因受两者的限制,其调制的最高频率通常 只有几十MHz,从而限制了 LED在高比特速率系统中的应用。不过,通过合理设计和优化驱动电路, LED也可以用于高速通信系统。由于实现简单, VLC系统大多设计成光强度调制/直接探测系统。


北京理工大学郭倩等m针对室内可见光通信系 统的应用需求,设计了雪崩光电二极管(APD)探 测电路组件,如图1所示。APD信号接收子系统具 有增益高、功耗低、可靠性好、体积小、对微弱信 号的接收能力强以及通信距离远的特点,在室内可 见光通信领域将具有很高的实际应用价值。王瑞 伟0提出了一种低花费的集成接收机制作方案,提 出了_种新型的基于引线键合技术的二维光电检测 阵列制备方法。李联冠0基于室内可见光通信系统 的研究,设计了具有_定增益带宽的接收电路,如 图2所示。根据调制方式,驱动电路选择电流源驱 动。合理的驱动电路设计可以尽量提高输出光功率 和传输距离,从而提高系统性能。西安邮电大学尚 建荣,针对目前可见光通信存在的光源调制频率低、 功耗大和传输距离短等问题,研究了模拟和数字调 制驱动电路,提出了一款基于DD311的驱动电路, 能支持多颗大功率LED串接应用。

1.2白光led光源布局设计

单个LED发光强度和发光功率都比较小,为了 同时实现室内照明和通信双重功能,LED照明光源 应设计为多个白光LED组成的阵列。为满足基本照 明需求,在系统设计中应首先考虑室内光照度的分 布。要使通信效果达到最优,必须根据房间的大小 以及室内设施不同合理布局,使房间内的光强分布 大致不变,尽量避免盲区的出现。

由于各个LED发射端到接收端的距离差而引起的多径效应对通信系统的影响,江苏大学张立等人 提出采用有;ぜ涓舻恼黄捣指从茫∣FDM)调 制方式来抑制多径效应对通信性能的影响,研究结 果表明有;ぜ涓舻腛FDM信号有很强的抗多径效 应能力5。因此不难看出,OFDM调制适合应用在 高速的室内可见光通信系统中。臧景峰63提出照明 光源布局设计与接收光功率分布的关系,对强度调 制直接检测方式的室内VLC系统中信噪比和多径效 应引起的码间串扰进行分析,提出采用光分集接收 技术克服码间串扰和提高信噪比,并给出光检测器 阵列布局的模型。曹家年7针对背景光噪声和多径 效应,设计并研究了适用于LED照明通信系统的角 度分集系统,并对3种主要分集合并方式进行的对 比测试,MRC方式表现出了最好的性能。丁德强8 在_种相似度较高的白光LED发光模型的基础上, 给出了室内可见光通信系统多白光LED阵元发射天 线的设计方法。丁德强还分析了布局设计与接收光 功率分布的关系,并给出了房间内的四个通信光源 的最优化布局设计69。LED灯光空间布局、空气环 境等也会对通信性能产生影响。为提升通信效率, 必须对LED灯的个数、空间布局及光亮度进行合理 的选择。如何进行合理的LED布局优化、建立完善 的可见光通信是当下一大难题。而上述研究成果, 为进一步研究奠定了良好的基础。

1.3信道编码技术

数字信号在传输过程中不可避免地受到各种噪 声干扰,导致传送的数据流产生误码,从而使接收

端出现异常现象,比如图象跳跃、不连续、出现马 赛克等。信道编码技术对数据流进行相应的处理, 使系统具有_定的纠错能力和抗干扰能力,提高数 据传输效率,降低误码率,并最终提高数据的通信 距离。

暨南大学陈长缨、赵俊提出一种适用于LED数 字传输的mBnB分组编码技术。通常来说,分组码 是指将原始信息码字按m比特为单位进行分组,根 据_定规则用另外每组为n比特的码字来表示,然 后这些新的分组以NRZ码或RZ码的格式来传输。 常用的信道编码有182B (曼彻斯特码)、384B、 586B、688B等。mBnB码的优点有:①功率谱形状 较好;②连〇连1个数有限,没有基线漂移问题; ③提供可靠的误码监测和字同步手段。实验证明, 经过688B编码后,光信号在通信距离r=0.5~ 2. 5m范围内受LED的个数、电阻及串口?榉制 的影响不大。利用688B编码技术,可以保证本系 统中数据高速传输的同时,使信号传输距离超过 2.5m。而且,可以通过对数据采用高低两种不同码 表的方法来克服mBnB码译码时会造成误码增值的 缺点。如图3所示,以一个12bit的原始数据为例, 介绍688B编码实现过程。

1.4正交频分复用(OFDM)技术

正交频分复用技术是多载波调制的_种。其主 要思想是:将信道分成若干正交子信道,将高速数 据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个 子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采 用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相 互干扰ISI。每个子信道上的信号带宽小于信道的相 关带宽,因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落, 从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的 带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得 相对容易。

熊飞峤研究表明,基于白光LED与SC^FDMA 技术结合的可见光数据传输系统在技术上是可行的。 在峰值功率比方面,SC^FDMA的低PAPR特性不仅 使LED传输系统避免失真。比OFDM系统具有更好 的性能,还能;ぱ劬&1。哈尔滨工程大学的李世 亮基于OOK、M-PPM、DPPM、OPPM调制结构,提 出差分可重叠脉冲位置调制方式(DOPPM),并比 较各调制方式的照明光功率和传信率。结果表明: 在保持较高照明光功率的前提下,DOPPM的传信率 明显高于其他调制编码方式。M 1.5光码分多址(OCDMA)技术

采用光码分多址技术141来区分不同用户的信 息。在可见光无线局域网中所有的终端用户都共用 相同的主光源,因此不同的用户信号必须具有不同 的特征,这样适配器接收时才能将不同用户信号分 割开。OCDMA给每一个用户分配一个单独的地址 码,数字信号在各自的地址码上进行编码,在接收 机上通过相应的序列进行解码。采用OCDMA技术 还能大大提高了系统的抗噪声能力?梢园研藕糯 噪声很强的环境中检测出来。

方安安等基于光码分多址(OCDMA)技术, 用光正交码(OOC)作为地址码对信号进行编码。 仿真结果表明,改进后的系统误码率明显降低M。 张宝富等对光码分多址(OCDMA)系统的误码性 能进行了研究,分析表明多用户光纤CDMA系统是 _个具有弹性容量的系统,当用户较少时系统误码 性能主要受其接收机噪声的影响,用户较多时则主 要由用户间的多址干扰决定M。

1.6分集接收技术

分集接收技术的提出是为了提高VLC系统的信 噪比,克服高速通信中码间干扰的影响。分集接收 的思想就是在接收机处的不同方向上安装多个光电 探测器,对多个探测器接收到的信号进行比较,选 取信噪比最大的信号进行通信。

在分集接收系统中,两个关键的工作是:信号 的选取方式和光电探测器的布局。在信号的选取上, 对于低速率的白光LED通信系统,直接将多个探测 器接收到的信号通过_个加法器进行简单相加,然 后将相加后的信号送进接收机进行滤波、解调和解码等处理,大大提高了信噪比;当通信系统的传输 速率高于100Mb/s时,由于码间串扰的影响,不能 将信号直接相加,必须设计专门的控制电路对信道 进行自动判决和选择,原理如图4所示。

对各个探测器转换后的电压信号进行实时采集 采样,再送入电压比较器进行比较,找出电压值最 大的信道,此信道即为要进行通信传输的信道。同 时,比较器输出控制信号将相应的信道选通。对于 光电探测器的布局,在接收机的不同方向上安装多 个光电探测器且均匀分布于_个半球面上,这样在 减少探测器个数的同时又提高了接收效果。如此, 只要不是整个接收机被遮住,通信就不会中断。关 于探测器的个数和布局,需要根据具体环境和通信 性能的要求来决定。在高速通信中采用分集接收技 术,系统的信噪比平均提高了 2dB,并且有效克服 接收机位置改变、室内人员走动和物体阴影对通信 系统的影响。

2其他研究进展

Hainan Lu等提出了基于两阶段喷射传动系统 锁定680 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)发射 器的LiFi传输系统,具有更高的数据速率,为加快 可见激光通信的部署提供了通信链路上的有利条 件&4。Emilie Bialic等介绍了两个不同类型的光伏 组件的在频率上的信噪比响应,分析了不同照明条 件下的LiFi性能,证明了可用带宽很大程度上取决 于环境照明配置。特定的照明条件下,4 MHz带宽 可以实现对应的数据速率8 Mbit/s。此外,还介绍 了照明饱和效应,并证明了半透明的太阳能电池的 研究提高了高环境照明条件下带宽和数据速率性 能 M。Cheng Ling Ying 等提出了 一个 20Gbps 的 LiFi传输系统,采用垂直腔面发射激光器(VCSEL) 和16 QAM (正交幅度调制)的外部光注入技术- 正交频分复用(OFDM)调制信号的方法,可以得 到好的比特错误率(BER)性能以及清晰的星座 图M。Jiun-Yu Sung等提出了基于可见光通信 (VLC)的正交频分复用接入(OFDMA)系统,讨 论了用户位置监测策略,以解决区域划分问题,并 详细分析了该系统的特点E7]。北京大学通信系统与 网络国家重点实验室Zhong Zheng等提出了一种用 于室内无线宽带接入的自由空间光通信和可见光通 信集成系统,该系统具有全光链路和高容量M。 Borja Genoves Guzman等提出了 一种新型协作传输和 接收方案在可见光通信(VLC)领域的建议和评价。 该方案改进了大型室内场景的可靠性,如走廊、实 验室、商店、会议室,其覆盖需要采用不同的VLC 接入点1]。Shih-lao Chen等首次提出并论证了 一 种使用室内发光二极管、移动电话摄像头和光电探 测器,支持单输入多输出服务质量的可见光无线通 信系统。所提出的系统可以支持针对2个不同应用 程序的2个固定速率服务质量传输M。Chen等提 出了一种基于可见光通信(VLC)的无线图像传输 系统。该系统由OV7670图像采集?、STM32、 基于FPGA的编码?、调制驱动电路和LED组 成,反向脉冲位置调制(IPPM)具有平均功率高、 信噪比大的优点 121。Univ Sheffield Ravinder Singh 等 提出了一种新的颜色键控(CSK)无线可见光通信 的调制格式,基于四种颜色代替用于现有IEEE 802. 15. 7 CSK物理层标准中的三种颜色122。Liang- Bi Chen等提出了一种无线数字会议系统,采用双模 (白光LED和红外光)可见光通信(VLC)的无线 技术,其下行通信采用白光LED传输,上行通信选 择红外传输M。Tadahiro Wada等构造了一个新的 使用颜色键控(CSK)的并行传输可见光无线通信 系统(VLC)M。复旦大学通信科学与工程系 Yiguang Wang等提出并实验验证了一种新型的高速 的基于LED的VLC局域网,为大量用户提供超过 10Gb/s基于星型拓扑结构的无线光接入2]。韩国 庆星大学的Sung-Man Kim等提出并论证了一种新的 无线可见光通信(VLC)技术,采用光波束形成来 提高信噪比(SNR)和传输距离26。Thomas Q.

Wang等在接收器使用一个半球形的镜头,具有广阔 的视野,能够提供MIMO无线光应用的显著多样性 秩序27。南京邮电大学通信技术研究院Liwei Ding 等报告了_个无线接入系统通过可见光通讯(VLC) 技术M。In Hwan Park等分析和模拟了针对飞机无 线通信环境的可见光通信干扰消除方案,采用基于 连续干扰消除(SIC)的干扰消除方案,并对误码 率性能进行评估㈣。Sang Burm Ryu应用LED非线 性传递函数引入OFDM系统,在接收机的频率域降 低 PAPR (Peak to average power ratio)并抑制 ICI, 提出一个新的降低PAPR的技术来减小LED的非线 性失真,以及一个自适应子载波间干扰抑制算法以 改进误码率性能M 。Keio Univ, Toshihiko Komine 等 提出自适应均衡系统来克服码间串扰问题,阐明了 在移动环境中对于信道估计最有效的训练序列间 隔61,证明了带有有效间隔的自适应均衡系统减轻 阴影的影响。提出了基于白光发光二极管(LED) 和光电探测器(PD)可见光通信(VLC)的 链路M。

3在应用方面的优势与不足

可见光无线通信可以直接利用路灯、室内照明 及公共照明等已有的能耗输出工具来完成双重任务。 与无线传输技术相比,有着低福射、低能耗、低碳 环保等自身优势。例如手机,全球数百万个基站帮 助其增强信号,但大部分能量却消耗在冷却上,实 用效率低下。而LED自身低功耗等优势占据了极大 的市场,为LiFi的普及奠定了基础。在LED灯泡中 增加一个微芯片,便可让灯泡变成无线网络发射器。

因此,可见光通信系统可应用于室内。室内可 见光无线通信由终端、可见光通信适配器、可见光 通信集线器、白光LED光源、光电探测器及相应信 号处理单元组成。系统分为前向链路和反向链路两 部分,每部分都包括了发射和接收部分。发射部分 主要由白光LED光源和相应信号处理单元组成,而 接收部分主要由光电检测器和相应信号处理单元组 成?杉馕尴呒咂鹘邮绽醋灾斩擞没У男畔, 同时分时段地将接收到的信息通过主光源以广播的 方式发送出去?杉馔ㄐ攀逝淦鞲涸鸾斩擞没 的信息调制成光信号和接收来自反向链路的光信号。 天花板上安装的光电检测器接收来自用户的光信号, 并转换成电信号送入可见光通信集线器。电信号经 过可见光通信集线器的简单处理后,调制到白光 LED光源上变成光信号,以广播的方式发射出去。 在接收端,终端的可见光适配器将发给自己的信息 解调出来送入终端用户,实现了基于VLC系统的室 内可见光无线通信。如西安理工大学丁德强,提出 —种基于可见光通信的无线局域网系统,如图5所 示63。根据该系统,可以在未来任何有光的地方都 可以成为潜在的LiFi数据传输源,尤其是在无线电 敏感场合。另外值得一提的是,与现有WiFi相比, 未来的可见光通信安全又经济。WiFi依赖看不见的 无线电波传输,设备功率越来越大,局部电磁辐射 势必增强。而且,光谱比无线电频谱大,网络设置 又几乎不需要任何新的基础设施。但不可否认的是, LiFi技术依赖于可见光,那么可见光本身的局限性 势必是阻碍LiFi的进一步发展。例如可见光的穿透 性,各种介质对其的折射、反射、散射等作用。另 外考虑到对于光源的需求以及现有量产的LED灯并 不具备植入所谓LiFi技术需求的芯片的能力,也就 是说LiFi走进千家万户还有诸多技术需要攻关。

4发展趋势

白光LED无线通信未来工作的重点和突破 如下:

1)   白光LED光源的带宽拓展技术。目前用于 可见光通信的LED灯,调制带宽有限,只有约3 ~ 50MHz,主要用于照明,若想用于通信,必须开发 出更高调制带宽的LED光源。由于LED通信具有 照明与通信双重功能,为了满足室内照明的要求, 光源的布局不仅要使得室内的照度和照度均匀度满 足相应的标准要求,而且要有利于人的活动安全和 舒适。光源要选择高光效、合适色温、长寿命和高 可靠性的产品。室内的照明布局需要考虑基础照明、 重点照明、装饰照明和应急照明的要求,因此光源 的合理布局对照明和系统性能是尤为关键的。

2)   电力线通信与VLC的融合技术。若把LED 照明系统与电力线通信结合在一起,通过电力线来 进行通信信号的传播,则可以有效降低投资成本。 电力线通信技术与VLC技术有机融合而成的PLC 技术,是利用电力线传输数据及话音信号的一种通 信方式。而从无线通信技术的发展趋势来看,PLC技术已日益显现出了它强大的生命力,为通信打下 了坚实的基础。


3)充分利用VLC优势,克服不利因素以提升 VLC通信性能。LED面对的最大难题就是VLC的数 据通信速率。为了提高通信速率,除了需要在LED 器件上进行突破外,还可通过其他技术手段进行提 升。为了克服白光LED调制带宽的局限,必须深入 探究频带利用率高、抗干扰性能好的调制复用技术。 研究高效滤波技术及新型滤波器,提高光通信性能。 此外,如何更好地利用室内VLC系统的空间资源, 获取更高的复用增益也是值得我们去深思的问题。


 
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