LIFI熱火下的VLC基本鏈路、標準及發展問題

文章來源:恒光電器

發布時間:2015-11-27

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　　和白熾及熒光燈相比，白光發光二極管(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"并得到迅猛發展。白光LED在未來市場極具競爭力。世界范圍內約140多億的白熾燈轉換成更節能的LED。日本政府10年前就將LED作為21世紀照明技術，LED射燈，中國政府也發布了在幾年內逐步結束白熾燈的銷售政策。

　　除了照明優勢外，LED還具備響應時間短和高速調制等特性。白光LED高速調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據通信的功能。這種在380~780nm可見光譜段進行數據通信的技術簡稱為可見光通信(VLC)技術。VLC在中、短距離安全保密通信、高精度準確定位、交通運輸通信和室內導航等領域具有很大潛力，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勢：1)信息量在以摩爾法則發展，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)可見光收發器件設備簡單，價格低廉；4)可見光波長屬于亞微米級，在準確方向定位上具有明顯優勢；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、醫院、核電站或者石油鉆探等)中的應用。

　　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-強度特性，性能隨溫度增加而急劇下降，輸出光色以及設備壽命也快速減少。此外，燈光變暗會對傳輸功率和傳輸性能產生一定影響。這些不利因素限制了VLC的應用，VLC也不可能完全取代高速RF通信。如何充分利用VLC優勢，克服不利因素以提升VLC通信性能是當今研究的熱點。

　　VLC技術最早于1999年由香港大學Grantham Pang提出并針對VLC開展了音頻傳輸的研究。日本隨后對VLC展開了積極深入的研究。2003年，可見光通信協會(VLCC)在日本成立。目前，越來越多的機構和組織致力于VLC關鍵技術的研究。典型的研究機構包括：歐洲項目家庭千兆接入網(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、澳大利亞莫納什大學以及中國科學技術大學、復旦大學等。這些機構在VLC的理論、算法、仿真及實驗方面做出了突出性成果。但VLC的發展尚處于起步階段，和成熟工業、生活以及軍事應用之間還有一段距離，很多的技術難點亟需解決。而目前隨著我國LED產業快速爬升，目前已在“可見光通信系統關鍵技術研究”獲得了重大突破，3c認證，實時通信速率提高至50gbps(比特每秒)，相當于0.2秒就能完成一部高清電影的下載。

　　VLC基本鏈路及通信標準

　　1.1 VLC基本鏈路

　　

室內VLC基本鏈路

　　光源

　　白光LED主要有三種類型：紅綠藍混合形成白光的RGB-LED、藍光LED激發熒光粉后混合成白光的PC-LED以及在紫外LED表面通過紅綠藍熒光粉混合產生白光的UV-LED。UV-LED在白光形成中能量損耗大，光效低，實際應用中很少見。對于PC-LED，質量，藍光LED的調制帶寬大約是35MHz，受到黃光分量影響，其調制帶寬只有幾兆。為提高調制帶寬，3c認證，通常加入藍光濾波器濾除黃光分量。PC-LED成本低，裝修照明，驅動簡單，在照明中應用普遍。RGB-LED中三個LED可以獨立調制。運用多路波分技術可以使得每個RGB-LED獲得15MHz調制帶寬。該類型LED價格昂貴，驅動相對復雜，產業資訊，具有高效靈活的照明效果以及較高調制帶寬，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據信息。由于圖像傳感器只檢測LED傳來像素的光強度，即使有多個光源同時傳輸數據，圖像傳感器仍能成功接收到它所要需要的數據。圖像傳感器尤其適合準確定位系統。

　　1.2 通信標準

　　2007年，日本發布了JEITACP-1221"可見光通信系統"以及JEITACP-1222"可見光ID系統"。2009年，IrDA和VLCC聯合制定了"IrDA可見光通信物理層技術要求"。歐洲OMEGA也在致力于家庭網絡開發。但這些標準都沒有充分考慮閃爍和調光問題。兼顧照明及節能，IEEE2012年批準了802.15.7標準。

　　IEEE802.15.7對VLC定義了4類應用：局域網通信(VLAN)、定位增強信息廣播、高分辨力定位(自動定位)以及中等分辨力定位(室內導航)。該標準提供了高速VLC通信無閃爍可適應調光機制[8]，支持點到點以及星型等多種網絡拓撲結構，并對雙向通信和廣播模式物理層和媒體存取控制(MAC)層進行了規定。其中，PHYI為室外低速通信應用，其傳輸速率為12~267kb/s，PHYII用于室內中速通信應用，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。德國物理學家HaraldHaas提出了LightFidelity(Li-Fi)并進行標準化。該標準計劃在未來達到10Gb/s傳輸速率。除了VLC可以在GPS所不能發揮作用的室內和峽谷等場合進行定位，還可以用于水下通信、軍用裝備通信、電力線通信(PLC)及以太網供電(PoE)鏈路綜合等。為了能夠讓VLC充分發揮其應用潛力，更為廣泛應用的VLC國際標準還需要進一步開發。

　　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。如運用調制、波分復用、均衡、光多輸入多輸出(MIMO)以及這些方法的混合使用。

　　編碼調制技術

　　為了克服白光LED 的調制帶寬的局限，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。目前常見調制編碼有開關鍵控(OOK)、脈沖位置調制(PPM)、多脈沖位置調制(MPPM)、差分脈沖位置調制(DPPM)等。相對于OOK 調制方式， 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 是一種高效調制技術，具有頻譜效率高、帶寬擴展性強、抗多徑衰落、頻譜資源靈活分配等優點，是當今世界研究熱點之一。早在2001 年，日本提出在VLC 中引入OFDM 調制方式的必要性。2005 年，西班牙的Gonzalez 等提出了一種利用自適應OFDM 調制，可根據當前信道狀況調整各子信道分配的比特和功率，提高整個系統傳輸效率。長春理工大學研究學者近年來也對OFDM 調制技術進行了研究，可以根據信道優劣選擇恰當的OFDM 調制解調方式。OMEGA 論證了基于正交頻分復用/正交振幅調制(OFDM/QAM)技術的3 m 以上距離進行84 Mb/s 光無線通信數據傳輸。OFDM在光無線通信系統中的缺點是直流(DC)成分導致的功效低。OFDM 在高效調制的同時，也會導致帶寬通信系統復雜以及影響照明均勻等問題。為了進一步提升傳輸速率，DMT 技術逐步受到關注。建立了一種基于DMT 的VLC 系統模型，仿真結果證明DMT 在有限帶寬限制下顯著提高了數據傳輸速率。目前DMT 技術方面研究工作做得不是很多，尚需要進一步深入研究。但如何選擇適合可見光的調制技術是當前亟待解決的關鍵問題。

　　收發器均衡及濾波技術

　　對發送端模擬均衡可補償白光LED 在高頻下的快速衰減，使得熒光粉LED 調制帶寬擴展到25 MHz。發送器均衡的不足之處在于驅動電路需要被調制以及部分信號沒有被轉化為光而導致能量沒有被充分利用。相對接收器來說，均衡處理是復雜的。通過非歸零碼-開關鍵控(NRZ-OOK)技術，節能與環保，讓藍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。因為通信系統中的信號能量與噪聲同時分布在整個可見光譜中，商業照明，濾波后信噪比不高，研究高效濾波技術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

　　和無線電系統類似，并行通信(OMIMO)通過在并行多路接收器和發送器進行數據傳輸，通過空間復用實現高速傳輸，增大光無線通信系統的吞吐量。OMIMO 技術是提升VLC 通信速率和通信質量的重要途徑。Brien 首次在VLC 中提出了OMIMO 模型。2011 年Dambul 提出了成像OMIMO 結構。目前MIMO 技術潛力的發揮主要還受到芯片水平的限制。文獻[29]報道了一個關于4×4 50 Mb/s MIMO VLC 通信實驗。慶應義塾大學(Keio University)報道了1 Gb/s 并行傳輸的概念性論證實驗：運用MIMO 技術，通過576 LEDs 陣列向256 接收器陣列發送數據，每個LED 發送的數據速率為5 Mb/s。如何更好地利用室內VLC 系統的空間資源，技術資訊，獲取更高的復用增益有待進一步去研究。

　　2.2 可見光信道模型的完善建立及LED光源布局的優化

　　可見光無線信道模型的建立是分析和設計可見光通信系統的基礎。LED 燈光空間布局、空氣環境等也會對信道模型和通信性能產生影響。為提升VLC 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，盡可能避免盲區和多徑延遲產生碼間干擾(ISI)。中國科學院半導體研究所利用大功率白光LED 照明燈，采用OOK-NRZ 調制方式，廠房照明，實現了多燈同時調制、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。為優化LED 光源的布局，對光鏈路視距信道損耗進行了理論分析，對LED光源建模并進行光線追跡仿真，為多燈聯合調制和基于網格的照明調制的不同應用提供了分析依據。提出通過優化LED 半功率角的布局來提高室內可見光通信系統性能的方法。該方法不需要調節LED的功率，CE認證，比較適合工程運用，對于提高可見光通信系統的信噪比、降低信噪比的波動有明顯效果。目前很多學者開展的室內LED 可見光無線信道分析，基本上均采用Gfeller 和Bapst 關于紅外通信信道的分析模型，對背景光、散射等所產生的影響尚未作深入分析。如何進行合理的LED 布局優化、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，店鋪照明，是當今VLC 的研究的難點之一。

　　上行鏈路技術

　　牛津大學的Brien 和愛丁堡大學的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。由于射頻上行會產生電磁輻射，無法用在電磁敏感環境，且也會減弱VLC 通信的保密性。紅外上行也面臨一些列技術難度：紅外LED 光束較為集中，照明資質，需要進行簡單瞄準并將發射功率限制在人眼安全范圍內；由于紅外LED 調制帶寬受限導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不同，這兩種系統中引起的碼間串擾(ISI)原因各異等。故需要對多光源、時變信道環境下的可見光無線通信(VLC)系統的信道沖激響應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收一體的白光LED 技術，LED 燈將作為收發器實現全雙工通信。展示了以RGBLED中紅綠2 個通道作為下行、藍色通道作為上行的波分雙工(WDD)可見光通信系統。但可見光LED 作為上行鏈路的一個突出問題是對人產生視覺干擾，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LED 燈主要是從滿足照明角度進行設計，對通信性能并沒有給予充分考慮。理想特性的LED 對VLC 通信性能至關重要。實際通信應用中效果較好的是商業化產品與技術(COTS) LED 器件。基于連續增長的LED 光源以及Gb/s 數據傳輸速率的需求，少量大型高功率氮化鎵(GaN)的發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 技術通過氮化鎵微米發光二極管(mLED)搭建了3 Gb/s 傳輸速率的VLC 通信鏈路。此外，有機可見光作為光無線通信領域中一個獨立技術正在迅猛發展。和LED 相比，有機發光二極管(OLED)具有靈活性、可彎曲性、成本低等很多優點。它正被應用到在高清晰度電視(HDTV)的高端顯示產品和智能手機上，引起了科學家們的高度關注。由于有機半導體電荷遷移性比無機半導體的電荷遷移性要低幾個數量級，使得帶寬受限從而限制了傳輸速度。這也是有機可見光無線通信面臨的一個重要挑戰。

  參考文獻：宋小慶、趙梓旭等撰寫的《可見光通信應用前景與發展挑戰》

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