可見光通信的研究

白光發(fā)光二極管（LED）面世后，發(fā)光效率逐步提高，其應用領域逐步從顯示擴展到照明。與傳統(tǒng)的照明設備相比，白光LED具有驅動電壓低、功耗低、使用壽命長等優(yōu)點，是一種綠色環(huán)保的照明器件，被視為第四代節(jié)能環(huán)保型照明設備[1].由圖1可以看出，LED在全球照明市場中所占據(jù)的比重正逐年遞增。據(jù)專業(yè)人士預測，隨著白光LED照明技術的不斷發(fā)展和完善，到2021年，LED將占據(jù)以上的全球商用照明燈泡市場份額[2-3].

由于白光LED具有很高的響應靈敏度，因此可以被用于進行高速的數(shù)據(jù)通信。可見光通信（VLC）就是在白光LED技術上發(fā)展起來的新型的無線光通信技術。室內可見光通信系統(tǒng)示意圖如圖2所示。在可見光通信系統(tǒng)中，白光LED具有通信與照明的雙重功能，由于LED的調制速率非常高，人眼完全感覺不到其閃爍。可見光通信系統(tǒng)可利用室內白光LED照明設備代替無線局域網(wǎng)基站，其通信速度可達每秒數(shù)十兆至數(shù)百兆，只要在室內燈光照到的地方，就可以實現(xiàn)長時間的高速數(shù)據(jù)傳輸；可見光通信系統(tǒng)具有安全性高的特點，室內的信息不會外泄漏到室外；由于不使用無線電波通信，在對電磁信號敏感的環(huán)境中可以自由使用該系統(tǒng)。除此之外，與傳統(tǒng)的射頻通信以及紅外無線光通信技術相比，可見光通信還具有對人體安全、頻率資源豐富等優(yōu)點。

1可見光通信的研究現(xiàn)狀1.1國際上的相關研究現(xiàn)狀由于可見光通信技術具有較好的應用前景，它在未來通信領域中占有重要的地位和價值，因此很多研究機構和電信運營公司加入到無線光通信的研究領域中來，特別是日本、歐洲、美國等國家在可見光通信的領域已經(jīng)投入了大量的人力、物力以及財力?？梢姽馔ㄐ诺难芯孔钤缭谌毡鹃_展。早在2000年，中川研究室的等人就對基于白光的可見光通信信道進行了初步的數(shù)學分析和仿真計算，分析了白光作為室內照明和通信光源的可能性[4].2002年，中川研究室的研究人員又對可見光通信系統(tǒng)展開了具體的分析，包括光源屬性、信道模型、噪聲模型、室內不同位置的信噪比分布等[5].2003年，在中川正雄的倡導下，日本可見光通信聯(lián)合體成立，并吸引了一大批研究單位及企業(yè)參與，包括NEC、Sony、Toshiba、等。VLCC關于可見光通信的研究范圍比較寬廣，根據(jù)具體的應用場景可分為室內移動通信、可見光定位、可見光無線局域網(wǎng)接入、交通信號燈通信、水下可見光通信等。在可將光通信研究領域已經(jīng)取得了很大的成就，例如Samsung公司展出過工作距離為1 m的雙向可見光通信系統(tǒng)；中川研究室還開發(fā)了基于可見光通信的超市定位及導航系統(tǒng)，而且是面向商業(yè)化的產(chǎn)品。歐洲的OMEGA計劃也對可見光通信展開了深入的研究。OMEGA計劃由歐洲的20多家大學科研單位和企業(yè)組成，它的目標是發(fā)展出一種全新的能夠提供寬帶和高速服務的室內接入網(wǎng)路。OMEGA計劃計劃把可見光通信技術列為重要的高速接入技術之一，并且已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。2009年，牛津大學的‘Brien等人利用均衡技術實現(xiàn)了100 Mbit/s的通信速率[8]；2010年，他們又利用多輸入多輸出和正交頻分復用技術（OFDM）技術，實現(xiàn)了220 Mbit/s的傳輸速率[9].2010年在OMEGA計劃的年會上展出的室內可將光通信演示系統(tǒng)的通信速率達到了100 Mbit/s，該系統(tǒng)利用房間天花板上的16個白光LED通信，完成了4路高清視頻的實時廣播。在2010年1月，德國Heinrich Hertz實驗室的科研人員創(chuàng)造了可見光通信速率的世界紀錄，他們利用普通商用的熒光白光LED搭建的可見光通信系統(tǒng)達到了513 Mbit/s的通信速率，并且他們通過分析認為該系統(tǒng)的通信速率還有提升的空間，可達到甚至1 000 Mbit/s [10].2011年，實驗室的科研人員又利用色光三原色（RGB）型白光LED以及密集波分復用（WDM）技術實現(xiàn)了的通信速率[11].除了日本和歐洲的科研單位，美國的UC-Light[12]也是進行可見光通信研究的重要機構。UC-Light依托于加州大學的4所分校和1個美國國家實驗室，其研究人員的研究背景涉及建筑學、無線通信、網(wǎng)絡、照明、光學、器件等領域。UC-Light成立的目的是開發(fā)一種基于LED照明的高速通信和定位系統(tǒng)。1.2中國的研究現(xiàn)狀中國的可見光通信研究起步相對較晚，與國際相比仍然落后很多，尚沒有比較成熟的商用化的可見光通信系統(tǒng)。近年來，在國家大力支持的背景下，中國的可見光通信研究也逐步取得了一定的進步，在可見光通信理論、系統(tǒng)設計和計算機仿真、實驗演示系統(tǒng)設計制作等方面取得了一些成果。北京大學在2006年首次提出了基于廣角鏡頭的超寬視角可見光信號接收方案，并進行了一系列的理論和實驗工作。此外，在LED的調制驅動、LED陣列的布局優(yōu)化以及高靈敏度接收等方面進行了一定的研究，并在可見光通信與無源光網(wǎng)絡（PON）的融合接入中的物理層、鏈路層和傳輸層等方面開展了探索研究。在年的Intel杯大學生嵌入式系統(tǒng)大賽中，北京大學的參賽作品（基于白光的照明及綜合信息發(fā)布系統(tǒng)）實現(xiàn)了5個頻道的廣播，在6 m的工作距離下實現(xiàn)了3 Mbit/s的通信速率，該系統(tǒng)在大賽中榮獲二等獎。1.3可見光通信的標準化工作由于可見光通信有著廣闊的前景，IEEE在2003年開始并最終于年發(fā)布了可見光通信的標準。這是VLC的第一個標準，包含了3個物理層類型，分別對應于低中高速數(shù)據(jù)傳輸。但是，由于缺少LED照明部門的參與，并沒有給出可見光通信最終的標準。在日本，VLCC也為可見光通信的標準化進行了很多年的努力。近年來，國際紅外數(shù)據(jù)協(xié)會（IrDA）和在可見光通信的標準化工作中開展了一系列的合作。2009年它們在IrDA標準的基礎上發(fā)布了第一個可見光通信標準，在這個標準下，現(xiàn)有的IrDA光學模塊可以在經(jīng)過改造后被用于可見光通信的數(shù)據(jù)傳輸。2可見光通信的應用領域可見光通信由于具有眾多的優(yōu)點，因此在很多領域具有巨大的應用前景。（1）照明與通信白光LED可以同時被用于照明與通信，因此信息可以在室內環(huán)境下進行廣播[14]，并同時滿足照明的需求。此外，可見光通信還可以實現(xiàn)手持終端之間的點對點通信，由于發(fā)散角較小，因此可以有效地降低傳輸損耗，實現(xiàn)高速通信。（2）視覺信號與數(shù)據(jù)傳輸信號燈在航海和地面交通等領域有著非常廣泛的應用，它通過顏色的變化來給人們提供信號，而將數(shù)據(jù)通信與信號燈相結合則可以為交通管理提供更好的安全性和可靠性。目前，基于可見光通信的信號燈已有若干演示系統(tǒng)，如將數(shù)據(jù)由交通燈傳遞給汽車[15]，或將數(shù)據(jù)在汽車與汽車之間傳遞等。（3）顯示與數(shù)據(jù)通信陣列常常被用于信息顯示，如廣告牌、信息板等。若將相應的信息調制到這些LED陣列上，則可便捷地將數(shù)據(jù)傳遞給用戶手持終端[16].這種顯示與通信相結合的系統(tǒng)在機場、博物館等場所有著巨大的應用前景。（4）室內定位傳統(tǒng)的衛(wèi)星定位方法很難實現(xiàn)室內移動用戶的精確定位，而可見光通信則可以將用戶的位置信息通過照明設施來進行傳遞，從而實現(xiàn)精準的室內定位。目前，基于可見光通信的諸多室內定位方案已經(jīng)被提出[17]，日本的VLCC則已經(jīng)實現(xiàn)了基于超市環(huán)境下的室內定位實驗。3可見光通信的研究趨勢雖然可見光通信具有巨大的應用前景，但在實用過程中還有很多關鍵問題需要解決。目前限制可見光通信發(fā)展的主要因素有：受限的調制帶寬、LED器件的非線性效應、可見光通信室內信道的多徑效應等等。因此，為了實現(xiàn)可見光通信高速的數(shù)據(jù)傳輸，以下幾個方面已經(jīng)成為了可見光通信的研究趨勢。（1）高調制帶寬的LED光源目前商用白光LED的調制帶寬有限，只有約3~50 MHz.這是因為白光LED設計的初衷是用于照明，而并非用于通信，其結電容很大，限制了調制帶寬。因此，在保證大功率輸出的前提下，開發(fā)出具有更高調制帶寬的LED光源，將極大地促進可見光通信的發(fā)展。（2）LED的大電流驅動和非線性效應補償技術在可見光通信系統(tǒng)中，LED的工作電流較大，需要進行大電流驅動，而LED的非線性效應則會使可見光信號發(fā)生畸變。因此在實際使用中需要合理地控制偏置電壓、信號動態(tài)范圍、信號帶寬等參數(shù)，并且根據(jù)的非線性傳輸曲線的特征有意識地對調制信號進行預畸變處理等等，以提高調制效率，提升傳輸容量。（3）光源的布局優(yōu)化在可見光通信系統(tǒng)中，白光光源需要同時實現(xiàn)室內照明和通信的雙重功能，而單個LED的發(fā)光強度比較小，因此在實際系統(tǒng)中光源應采用多個LED組成的陣列。LED陣列的布局是影響可見光通信系統(tǒng)性能的重要因素之一。一方面，為了滿足室內照明的要求，首先要考慮室內照明度的分布；另一方面，為了保證通信的性能，還需要考慮室內信噪比的分布，避免盲區(qū)和陰影的出現(xiàn)。一般來說，LED的數(shù)目越大，室內的照明度越高，系統(tǒng)接受到的光信號的功率也越大，但由不同路徑造成的符號間干擾也越嚴重。因此，在對可見光通信系統(tǒng)的研究中，應對LED陣列進行合理的布局。此外，對于不同的室內環(huán)境，如何迅速地建立光功率與信噪比分布模型，實現(xiàn)快速的智能布局也是可見光通信研究中需解決的關鍵問題。（4）光學MIMO技術與射頻系統(tǒng)相似，通過采用多個發(fā)射和接收單元的并行傳輸可以提高可見光通信的性能。此外需要指出的是，一個典型的室內照明方案需要采用白光LED陣列來滿足一定的照明度，這恰好使MIMO技術更具有吸引力。（5）光學OFDM技術為了在有限帶寬的條件下實現(xiàn)高速傳輸速率，OFDM成為了一個極具吸引力的高頻譜效率的調制技術。OFDM技術為信道色散提供了一個簡單的解決方法，而且可以完全在數(shù)字域實施，它將信道的可用帶寬劃分為許多個子信道，利用子信道間的正交性實現(xiàn)頻分復用，并可以在子載波上通過對比特和功率的分配來實現(xiàn)信號傳輸對信道條件的調節(jié)適應。由于降低了子載波的傳輸速率，延長了碼元周期，因此具有優(yōu)良的抗多徑效應性能；此外OFDM還可以使不同用戶占用互不重疊的子載波集，從而實現(xiàn)下行鏈路的多用戶傳輸。（6）高靈敏度的廣角接收技術室內光通信系統(tǒng)大多數(shù)工作在直射光條件下，當室內有人走動或者在直射通道上有障礙物時，將會在接收機處形成陰影效應，影響通信性能，甚至出現(xiàn)通信盲區(qū)，使通信無法繼續(xù)。而采用大視場的廣角光學接收系統(tǒng)可以解決這一問題，其大視場角的特性可以保證同時接收直射和散射光信號，這樣就避免了“陰影”和“盲區(qū)”現(xiàn)象的發(fā)生。同時，室內光通信系統(tǒng)采用MIMO技術要求接收機能夠接收到發(fā)端LED光源陣列發(fā)出的光信號，以解析出多個獨立的通信信道。這也需要接收光學系統(tǒng)具有大視場特性。

（7）消除碼間干擾的技術在室內可見光通信系統(tǒng)中，光源通常由多個發(fā)光LED陣列組成，另外為了達到較好的照明和通信效果，防止“陰影”影響，一個房間通常要安裝多個LED光源。由于LED單元分布位置的不同以及墻面的反射、折射及散射，不可避免的產(chǎn)生碼間干擾，極大降低了系統(tǒng)的性能。自適應均衡技術以及前面提到的OFDM技術已經(jīng)在高速無線通信中得到了廣泛的應用。在可見光通信系統(tǒng)中，也可以采用這些方式降低符號間干擾。目前，應用于可見光通信的均衡和OFDM技術的研究已經(jīng)成為可見光通信研究中的熱點?？梢姽馔ㄐ排c現(xiàn)有網(wǎng)絡的融合接入技術目前，全球已經(jīng)開展了光纖到戶的工作，并取得很大的進展。光纖到戶后，可為單用戶提供300 Mbit/s的下行帶寬，在此網(wǎng)絡帶寬下，目前的微波無線低頻段廣播覆蓋的頻譜資源不夠，無法滿足如此高的帶寬需求，因此，在最后10 m距離內的高速接入將成為寬帶通信的瓶頸?？梢姽獠ǘ挝挥?80~780 nm，屬于新頻譜資源。室內可見光通信由于具有諸多優(yōu)點，已經(jīng)成為了理想的短距離高速無線接入方案之一。將可見光通信系統(tǒng)與光纖到戶系統(tǒng)融合，例如，可以通過“光電—電光”的轉換將信息調制到LED光源發(fā)射到用戶終端，實現(xiàn)高速率、高保密性的無線光接入。此外，可見光通信可與電力線通信（PLC）技術相融合，利用現(xiàn)有的電力線設備傳輸信號并驅動LED光源，將會大幅度降低成本，因此，這種技術融合在未來也將會成為可見光通信的研究趨勢。4結束語可見光通信能夠同時實現(xiàn)照明與通信的功能，具有傳輸數(shù)據(jù)率高，保密性強，無電磁干擾，無需頻譜認證等優(yōu)點，是理想的室內高速無線接入方案之一?？梢姽馔ㄐ旁谌蛞呀?jīng)成為了研究的熱點，特別是日本、歐洲和美國對可見光通信的研究投入了大量的人力和物力，并取得了一定的進展。在可見光通信的研究中，高調制帶寬的LED光源、LED的大電流驅動和非線性效應補償技術、光源的布局優(yōu)化、光學MIMO與技術、高靈敏度的廣角接收技術、消除碼間干擾的技術以及可見光通信與現(xiàn)有網(wǎng)絡的融合接入技術等已經(jīng)成為了研究趨勢。可見光通信在未來的通信領域中將會占據(jù)重要的地位，并將大大地推動信息化社會的發(fā)展。

..............................................

與非深度解讀系列:

半導體公司“大學計劃”的追問和真相

大環(huán)境的不景氣是就業(yè)環(huán)境惡化的元兇，但是也讓我們不禁追問半導體公司的大學計劃對于學子們的真正意義。廠商們的大學計劃都在做些什么？那么多的聯(lián)合實驗室有得到充分利用嗎？大學計劃的直接體驗者--老師和學生們是否真正從中受益…….【專欄作者：高揚】

本土IC公司調查筆記

全球經(jīng)濟不景氣的大環(huán)境下一些本土IC公司的創(chuàng)新能力、管理能力、抗風險能力、盈利能力，甚至公司創(chuàng)立的動機都受到一些質疑。一方面官方的消息總是告訴我們中國的半導體產(chǎn)業(yè)得到了長足的進步；而街巷小道中又不絕流傳多少本土IC公司倒閉，多少公司靠欺騙，根本沒有核心競爭力….真相只有一個，也許會隨《本土IC公司調查筆記》慢慢開啟…【專欄作者：岳浩】

電子屌絲的技術人生系列

在這個系列里，每個故事都會向你展示一個普通工程師的經(jīng)歷，他們的青蔥歲月和技術年華，和我們每個人的的生活都有交集。對自己、對公司、對產(chǎn)業(yè)、對現(xiàn)在、對未來、對技術、對市場、對產(chǎn)品、對管理的看法，以及他們的經(jīng)歷或正在經(jīng)歷的事情，我們可以看到自己的影子，也看清未來的樣子……【專欄作者：任亞運】

細說電子分銷江湖的那些事

對于從事電子分銷行業(yè)的同仁們來說這是一個最壞的年代，也是一個最好的年代，我們即面臨國際分銷巨頭在管理、資金、貨源等方面對我們造成的沖擊，又迎來本土集成電路的崛起，個性化服務盛行的機遇，通過這個系列，我想以“第一現(xiàn)場”的經(jīng)歷帶大家一起了解國內集成電路分銷的那些年、那些事，以及哪些感慨…..【專欄作者：張立恒】