LIFI熱火下的VLC基本鏈路、標(biāo)準(zhǔn)及發(fā)展問題

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2015-11-27

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　　和白熾及熒光燈相比，白光發(fā)光二極管(LED)具有壽命長、光效高、功耗低、無輻射、安全性好、可靠性高等特點，被稱為"綠色照明"并得到迅猛發(fā)展。白光LED在未來市場極具競爭力。世界范圍內(nèi)約140多億的白熾燈轉(zhuǎn)換成更節(jié)能的LED。日本政府10年前就將LED作為21世紀(jì)照明技術(shù)，LED射燈，中國政府也發(fā)布了在幾年內(nèi)逐步結(jié)束白熾燈的銷售政策。

　　除了照明優(yōu)勢外，LED還具備響應(yīng)時間短和高速調(diào)制等特性。白光LED高速調(diào)制所引起的光閃爍不容易被人眼察覺，可以在照明同時提供數(shù)據(jù)通信的功能。這種在380~780nm可見光譜段進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的技術(shù)簡稱為可見光通信(VLC)技術(shù)。VLC在中、短距離安全保密通信、高精度準(zhǔn)確定位、交通運輸通信和室內(nèi)導(dǎo)航等領(lǐng)域具有很大潛力，尤其是可以替代射頻(RF)解決"最后1m"的問題。和無線電波相比，可見光通信有很多優(yōu)勢：1)信息量在以摩爾法則發(fā)展，無線電頻譜很多頻段已被占用，VLC利用的是高于3THz且尚屬于空白頻譜的可見光頻譜，不受使用許可證限制；2)可見光不能穿透建筑墻，相互鄰近封閉單元中VLC信號不會相互干擾，安全性高，保密性好；3)可見光收發(fā)器件設(shè)備簡單，價格低廉；4)可見光波長屬于亞微米級，在準(zhǔn)確方向定位上具有明顯優(yōu)勢；5)VLC能夠替代無線電在某些電磁干擾敏感的特定場合(如飛機(jī)、醫(yī)院、核電站或者石油鉆探等)中的應(yīng)用。

　　VLC和RF相比最明顯的不足是可見光傳輸速率受通信距離限制相對明顯。VLC采用非相干通信模式，VLC通信路徑損失是距離的4次方，而相對RF來講，損耗是距離的平方。LED具有固有非線性電流-強(qiáng)度特性，性能隨溫度增加而急劇下降，輸出光色以及設(shè)備壽命也快速減少。此外，燈光變暗會對傳輸功率和傳輸性能產(chǎn)生一定影響。這些不利因素限制了VLC的應(yīng)用，VLC也不可能完全取代高速RF通信。如何充分利用VLC優(yōu)勢，克服不利因素以提升VLC通信性能是當(dāng)今研究的熱點。

　　VLC技術(shù)最早于1999年由香港大學(xué)Grantham Pang提出并針對VLC開展了音頻傳輸?shù)难芯俊Ｈ毡倦S后對VLC展開了積極深入的研究。2003年，可見光通信協(xié)會(VLCC)在日本成立。目前，越來越多的機(jī)構(gòu)和組織致力于VLC關(guān)鍵技術(shù)的研究。典型的研究機(jī)構(gòu)包括：歐洲項目家庭千兆接入網(wǎng)(OMEGA，HomeGigabitAccessNetwork)、美國光通信中心(UCL)、德國海因里希赫茲、夫瑯禾費通信研究所、荷蘭飛利浦公司、法國電信、牛津大學(xué)、澳大利亞莫納什大學(xué)以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等。這些機(jī)構(gòu)在VLC的理論、算法、仿真及實驗方面做出了突出性成果。但VLC的發(fā)展尚處于起步階段，和成熟工業(yè)、生活以及軍事應(yīng)用之間還有一段距離，很多的技術(shù)難點亟需解決。而目前隨著我國LED產(chǎn)業(yè)快速爬升，目前已在“可見光通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”獲得了重大突破，3c認(rèn)證，實時通信速率提高至50gbps(比特每秒)，相當(dāng)于0.2秒就能完成一部高清電影的下載。

　　VLC基本鏈路及通信標(biāo)準(zhǔn)

　　1.1 VLC基本鏈路

　　

室內(nèi)VLC基本鏈路

　　光源

　　白光LED主要有三種類型：紅綠藍(lán)混合形成白光的RGB-LED、藍(lán)光LED激發(fā)熒光粉后混合成白光的PC-LED以及在紫外LED表面通過紅綠藍(lán)熒光粉混合產(chǎn)生白光的UV-LED。UV-LED在白光形成中能量損耗大，光效低，實際應(yīng)用中很少見。對于PC-LED，質(zhì)量，藍(lán)光LED的調(diào)制帶寬大約是35MHz，受到黃光分量影響，其調(diào)制帶寬只有幾兆。為提高調(diào)制帶寬，3c認(rèn)證，通常加入藍(lán)光濾波器濾除黃光分量。PC-LED成本低，裝修照明，驅(qū)動簡單，在照明中應(yīng)用普遍。RGB-LED中三個LED可以獨立調(diào)制。運用多路波分技術(shù)可以使得每個RGB-LED獲得15MHz調(diào)制帶寬。該類型LED價格昂貴，驅(qū)動相對復(fù)雜，產(chǎn)業(yè)資訊，具有高效靈活的照明效果以及較高調(diào)制帶寬，在未來市場潛力很大。

　　接收器

　　PIN二極管、雪崩二極管(APD)及圖像傳感器是VLC中用到的接收器。PIN光電二極管價格低、接收面積大、敏感度高以及對溫度不太敏感，應(yīng)用廣泛。APD光電二極管接收敏感度高、接收面積小但價格昂貴。圖像傳感器能夠在不相互干擾情況下同時獲得圖像和數(shù)據(jù)信息。由于圖像傳感器只檢測LED傳來像素的光強(qiáng)度，即使有多個光源同時傳輸數(shù)據(jù)，圖像傳感器仍能成功接收到它所要需要的數(shù)據(jù)。圖像傳感器尤其適合準(zhǔn)確定位系統(tǒng)。

　　1.2 通信標(biāo)準(zhǔn)

　　2007年，日本發(fā)布了JEITACP-1221"可見光通信系統(tǒng)"以及JEITACP-1222"可見光ID系統(tǒng)"。2009年，IrDA和VLCC聯(lián)合制定了"IrDA可見光通信物理層技術(shù)要求"。歐洲OMEGA也在致力于家庭網(wǎng)絡(luò)開發(fā)。但這些標(biāo)準(zhǔn)都沒有充分考慮閃爍和調(diào)光問題。兼顧照明及節(jié)能，IEEE2012年批準(zhǔn)了802.15.7標(biāo)準(zhǔn)。

　　IEEE802.15.7對VLC定義了4類應(yīng)用：局域網(wǎng)通信(VLAN)、定位增強(qiáng)信息廣播、高分辨力定位(自動定位)以及中等分辨力定位(室內(nèi)導(dǎo)航)。該標(biāo)準(zhǔn)提供了高速VLC通信無閃爍可適應(yīng)調(diào)光機(jī)制[8]，支持點到點以及星型等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對雙向通信和廣播模式物理層和媒體存取控制(MAC)層進(jìn)行了規(guī)定。其中，PHYI為室外低速通信應(yīng)用，其傳輸速率為12~267kb/s，PHYII用于室內(nèi)中速通信應(yīng)用，傳輸速率為1.25~96Mb/s。PHYIII用RGB作為傳輸源和接收器，其速率范圍為12~96Mb/s。IEEE802.15.7沒有涉及到千兆速率。德國物理學(xué)家HaraldHaas提出了LightFidelity(Li-Fi)并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。該標(biāo)準(zhǔn)計劃在未來達(dá)到10Gb/s傳輸速率。除了VLC可以在GPS所不能發(fā)揮作用的室內(nèi)和峽谷等場合進(jìn)行定位，還可以用于水下通信、軍用裝備通信、電力線通信(PLC)及以太網(wǎng)供電(PoE)鏈路綜合等。為了能夠讓VLC充分發(fā)揮其應(yīng)用潛力，更為廣泛應(yīng)用的VLC國際標(biāo)準(zhǔn)還需要進(jìn)一步開發(fā)。

　　面臨的主要問題

　　1.1 VLC 通信速率的提高

　　可見光LEDs 最大挑戰(zhàn)是VLC 的數(shù)據(jù)通信速率。為了提高通信速率，除了需要在LED 器件上進(jìn)行突破外，還可通過其他技術(shù)手段進(jìn)行提升。如運用調(diào)制、波分復(fù)用、均衡、光多輸入多輸出(MIMO)以及這些方法的混合使用。

　　編碼調(diào)制技術(shù)

　　為了克服白光LED 的調(diào)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(diào)制復(fù)用技術(shù)。目前常見調(diào)制編碼有開關(guān)鍵控(OOK)、脈沖位置調(diào)制(PPM)、多脈沖位置調(diào)制(MPPM)、差分脈沖位置調(diào)制(DPPM)等。相對于OOK 調(diào)制方式， 后三種利用率更好些。PPM 具有自提取同步信號，適合低信噪比的場合。MPPM 帶寬效率和功率效率均較高。OFDM 是一種高效調(diào)制技術(shù)，具有頻譜效率高、帶寬擴(kuò)展性強(qiáng)、抗多徑衰落、頻譜資源靈活分配等優(yōu)點，是當(dāng)今世界研究熱點之一。早在2001 年，日本提出在VLC 中引入OFDM 調(diào)制方式的必要性。2005 年，西班牙的Gonzalez 等提出了一種利用自適應(yīng)OFDM 調(diào)制，可根據(jù)當(dāng)前信道狀況調(diào)整各子信道分配的比特和功率，提高整個系統(tǒng)傳輸效率。長春理工大學(xué)研究學(xué)者近年來也對OFDM 調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了研究，可以根據(jù)信道優(yōu)劣選擇恰當(dāng)?shù)腛FDM 調(diào)制解調(diào)方式。OMEGA 論證了基于正交頻分復(fù)用/正交振幅調(diào)制(OFDM/QAM)技術(shù)的3 m 以上距離進(jìn)行84 Mb/s 光無線通信數(shù)據(jù)傳輸。OFDM在光無線通信系統(tǒng)中的缺點是直流(DC)成分導(dǎo)致的功效低。OFDM 在高效調(diào)制的同時，也會導(dǎo)致帶寬通信系統(tǒng)復(fù)雜以及影響照明均勻等問題。為了進(jìn)一步提升傳輸速率，DMT 技術(shù)逐步受到關(guān)注。建立了一種基于DMT 的VLC 系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果證明DMT 在有限帶寬限制下顯著提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。目前DMT 技術(shù)方面研究工作做得不是很多，尚需要進(jìn)一步深入研究。但如何選擇適合可見光的調(diào)制技術(shù)是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題。

　　收發(fā)器均衡及濾波技術(shù)

　　對發(fā)送端模擬均衡可補(bǔ)償白光LED 在高頻下的快速衰減，使得熒光粉LED 調(diào)制帶寬擴(kuò)展到25 MHz。發(fā)送器均衡的不足之處在于驅(qū)動電路需要被調(diào)制以及部分信號沒有被轉(zhuǎn)化為光而導(dǎo)致能量沒有被充分利用。相對接收器來說，均衡處理是復(fù)雜的。通過非歸零碼-開關(guān)鍵控(NRZ-OOK)技術(shù)，節(jié)能與環(huán)保，讓藍(lán)光濾波移走慢黃光的部分，從而使得帶寬增加到100 Mb/s 并具有很高的照明亮度。由于強(qiáng)烈的背景噪聲及電路固有噪聲的干擾，隨著傳輸距離的加大，LED燈管，可見光通信系統(tǒng)中接收信號可能會十分微弱。為了精確接收信號，需要采用高效光濾波器抑制背景雜散光干擾。因為通信系統(tǒng)中的信號能量與噪聲同時分布在整個可見光譜中，商業(yè)照明，濾波后信噪比不高，研究高效濾波技術(shù)及新型濾波器是提高光通信性能的有效方法。

　　并行通信(OMIMO)技術(shù)

　　和無線電系統(tǒng)類似，并行通信(OMIMO)通過在并行多路接收器和發(fā)送器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過空間復(fù)用實現(xiàn)高速傳輸，增大光無線通信系統(tǒng)的吞吐量。OMIMO 技術(shù)是提升VLC 通信速率和通信質(zhì)量的重要途徑。Brien 首次在VLC 中提出了OMIMO 模型。2011 年Dambul 提出了成像OMIMO 結(jié)構(gòu)。目前MIMO 技術(shù)潛力的發(fā)揮主要還受到芯片水平的限制。文獻(xiàn)[29]報道了一個關(guān)于4×4 50 Mb/s MIMO VLC 通信實驗。慶應(yīng)義塾大學(xué)(Keio University)報道了1 Gb/s 并行傳輸?shù)母拍钚哉撟C實驗：運用MIMO 技術(shù)，通過576 LEDs 陣列向256 接收器陣列發(fā)送數(shù)據(jù)，每個LED 發(fā)送的數(shù)據(jù)速率為5 Mb/s。如何更好地利用室內(nèi)VLC 系統(tǒng)的空間資源，技術(shù)資訊，獲取更高的復(fù)用增益有待進(jìn)一步去研究。

　　2.2 可見光信道模型的完善建立及LED光源布局的優(yōu)化

　　可見光無線信道模型的建立是分析和設(shè)計可見光通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。LED 燈光空間布局、空氣環(huán)境等也會對信道模型和通信性能產(chǎn)生影響。為提升VLC 通信效率，必須對LED 燈的個數(shù)、空間布局及光亮度進(jìn)行合理的選擇，盡可能避免盲區(qū)和多徑延遲產(chǎn)生碼間干擾(ISI)。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所利用大功率白光LED 照明燈，采用OOK-NRZ 調(diào)制方式，廠房照明，實現(xiàn)了多燈同時調(diào)制、大范圍覆蓋下的90 kb/s、局部小范圍285 kb/s的單向下行通信速率。為優(yōu)化LED 光源的布局，對光鏈路視距信道損耗進(jìn)行了理論分析，對LED光源建模并進(jìn)行光線追跡仿真，為多燈聯(lián)合調(diào)制和基于網(wǎng)格的照明調(diào)制的不同應(yīng)用提供了分析依據(jù)。提出通過優(yōu)化LED 半功率角的布局來提高室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)性能的方法。該方法不需要調(diào)節(jié)LED的功率，CE認(rèn)證，比較適合工程運用，對于提高可見光通信系統(tǒng)的信噪比、降低信噪比的波動有明顯效果。目前很多學(xué)者開展的室內(nèi)LED 可見光無線信道分析，基本上均采用Gfeller 和Bapst 關(guān)于紅外通信信道的分析模型，對背景光、散射等所產(chǎn)生的影響尚未作深入分析。如何進(jìn)行合理的LED 布局優(yōu)化、建立完善的可見光通信模型并計算及測量信道的單位脈沖響應(yīng)，店鋪照明，是當(dāng)今VLC 的研究的難點之一。

　　上行鏈路技術(shù)

　　牛津大學(xué)的Brien 和愛丁堡大學(xué)的Harald Haas 課題組很早就考慮到上行鏈路是可見光通信的重要挑戰(zhàn)之一，并指出射頻、紅外光等可以作為上行鏈路。由于射頻上行會產(chǎn)生電磁輻射，無法用在電磁敏感環(huán)境，且也會減弱VLC 通信的保密性。紅外上行也面臨一些列技術(shù)難度：紅外LED 光束較為集中，照明資質(zhì)，需要進(jìn)行簡單瞄準(zhǔn)并將發(fā)射功率限制在人眼安全范圍內(nèi)；由于紅外LED 調(diào)制帶寬受限導(dǎo)致上行傳輸速率較低；可見光與紅外無線通信的信道沖激響應(yīng)不同，這兩種系統(tǒng)中引起的碼間串?dāng)_(ISI)原因各異等。故需要對多光源、時變信道環(huán)境下的可見光無線通信(VLC)系統(tǒng)的信道沖激響應(yīng)和不同光路徑引起的ISI 開展深入研究。美國的智能照明計劃正在研究具有發(fā)收一體的白光LED 技術(shù)，LED 燈將作為收發(fā)器實現(xiàn)全雙工通信。展示了以RGBLED中紅綠2 個通道作為下行、藍(lán)色通道作為上行的波分雙工(WDD)可見光通信系統(tǒng)。但可見光LED 作為上行鏈路的一個突出問題是對人產(chǎn)生視覺干擾，因此利用可見光作為上行鏈路只能用于某些特殊場景。

　　新LED器件

　　市場上固態(tài)LED 燈主要是從滿足照明角度進(jìn)行設(shè)計，對通信性能并沒有給予充分考慮。理想特性的LED 對VLC 通信性能至關(guān)重要。實際通信應(yīng)用中效果較好的是商業(yè)化產(chǎn)品與技術(shù)(COTS) LED 器件。基于連續(xù)增長的LED 光源以及Gb/s 數(shù)據(jù)傳輸速率的需求，少量大型高功率氮化鎵(GaN)的發(fā)光二極管也可以同來滿足VLC 通信的高速傳輸需求。2014 年，Tsonevn 等基于OFDM 技術(shù)通過氮化鎵微米發(fā)光二極管(mLED)搭建了3 Gb/s 傳輸速率的VLC 通信鏈路。此外，有機(jī)可見光作為光無線通信領(lǐng)域中一個獨立技術(shù)正在迅猛發(fā)展。和LED 相比，有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)具有靈活性、可彎曲性、成本低等很多優(yōu)點。它正被應(yīng)用到在高清晰度電視(HDTV)的高端顯示產(chǎn)品和智能手機(jī)上，引起了科學(xué)家們的高度關(guān)注。由于有機(jī)半導(dǎo)體電荷遷移性比無機(jī)半導(dǎo)體的電荷遷移性要低幾個數(shù)量級，使得帶寬受限從而限制了傳輸速度。這也是有機(jī)可見光無線通信面臨的一個重要挑戰(zhàn)。

  參考文獻(xiàn)：宋小慶、趙梓旭等撰寫的《可見光通信應(yīng)用前景與發(fā)展挑戰(zhàn)》

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