可见光通信 数字通信文献综述

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1、数字通信文献综述:可见光通信的关键技术和应用第1章 可见光通信概述一、背景和概念光通信的发展最初是从可见光通信开始的，比如旗语以及古代军事上的烽火狼烟都可以看做是可见光通信的最原始形式,但是在现代通信中，由于缺乏实用的光源和高信道衰落，所以在光纤出现后，发展方向迅速转向光纤通信.本世纪初，随着短路无线通信的兴起和基于固态新型照明的大功率LED的不断发展，人们提出了可见光通信(Visible Light Communication，VLC），VLC的理论基础在于通过让LED通/断切换的足够快以至于人眼无法分辨从而来传输数据。在足够先进的技术支持下.每种新的LED灯也能以有线方式接入网络，是室内任

2、何设备实现无所不在的无线通信，并且不增加已经拥挤不堪的射频带宽负担，形成了新的短距光无线通信的应用。白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，特别是其响应灵敏度非常高，因此可以用来进行超高速数据通信。利用这种技术做成的系统能够覆盖灯光达到的范围，接收设备不需要电线连接，与传统的射频通信和FSO相比，VLC具有发射功率高、无电磁干扰、节约能源等优点,在VLC系统中，白光LED具有通信与照明的双重作用，这是因为白光LED的亮度很高,且调制速率非常高,人的眼睛完全感觉不到光的闪烁,因而VLC技术具有极大的发展前景，已引起人们的广泛关注和研究。二、主要发展过程2000年，日本庆应大学的

3、Tanaka等人和SONY计算机科学研究所的Haruyama提出利用LED灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统。2002年，Tanaka和Komine等人对LED可见光通信系统展开了具体分析，并于同年正式提出了一套结合电力线载波通信和LED可见光通信的数据传输系统。2008年,在东京国际电子展上，日本太阳诱电公司向全世界首次现场展出了白光LED的通信系统，当时，它的最大传输距离仅20cm。2009年,牛津大学的Brien等人利用均衡技术实现了100 Mbit/s的通信速率,并与次年展出了室内可见光通信演示系统，利用16个白光LED通信，完成了4路高清视频实时广播.2010年，德国 Fr

4、aunhofer Henrich Hertz Institute实验室的科研人员将这一通信速率提高到513 Mbit/s,创造了当时可见光通信速率的世界纪录。当时的可见光通信还不叫LiFi，而是VLC（Visible Light Communication）。2011年，爱丁堡大学哈拉尔德 哈斯教授演示了带有信号处理技术的LED灯泡如何将高清视频传输到电脑上，并将可见光通信命名为LiFi（Light Fidelity).2013年,来自英国多所高校的研究者们将LiFi的通信速率刷新到高达10Gb/s。三、VLC的主要优缺点可见光通信与传统的无线网络相比,主要有以下优点：首先，传输速度更快。当前

5、实验室可见光通信实时传输速率已在米级距离上达到了每秒500兆比特，离线传输速率也已达到了每秒10比吉特.也就是用LIFI技术下载一部1个G的电影，只需0。2秒的时间。 其次，绿色环爆因为不存在电磁干扰，因此辐射小，对人体无害. 此外，有光的地方就有网络的特点，让室内信号更加稳定，安全性能也更高，室内的网络电脑信息不会泄露到室外，在对电磁信号敏感的医院等环境中也能自由使用. 最后，照明的同时可以高速传输信息，让上网费用更加便宜。可见光通信的缺点也是明显存在的:首先，因为VLC是依赖光的直线传播来传输信息的，所以当光被阻挡时，信号就会中断.其次,移动终端可以从固定的光发射端接受信息，但数据信息的回

6、传则不易实现。第二章 可见光通信的关键技术一、VLC系统构成VLC作为一种无线的光通信方式,其系统应该包括下行链路和上行链路两部分，链路包括发射和接收两部分。发射部分主要包括将信号源信号转换成便于光信道传输的电信号的输入和处理电路、将电信号变化调制成光载波强度变化的LED可见光驱动调制电路,白光LED光源发出的已调制光以很大的发射角在空间中朝各个方向传播.当在室内时，由于不受强背景光和天气的影响，光传播基本上不存在损耗。但是由于LED光源个数较多，且具有较大的表面积，因而在发射机和接收机之间存在若干条不同的光路径，不同的光路径到达接收机的时间不同,将引起所谓的码间干扰(ISI）.但是由于白光L

7、ED光源发出的是可见光，且发散角较大。对人眼睛基本无害、无电磁波伤害等优点，因而发射端可以具有较大的发射功率,使得系统的可靠性大大提高。接收部分主要包括能对信号光源实现最佳接收的光学系统、将光信号还原成电信号的光电探测器和前置放大电路、将电信号转换成可被终端识别的信号处理和输出电路。室内的光信号被光电检测器转换为电信号，然后对电信号进行放大和处理，恢复成与发端一样的信号。上行链路与下行链路的组成除了使用的光源不同外，其它基本一样.上行链路采用的光源仍然由白光LED组成，只不过发射面积较小，且具有较小的发射角，天花板上安装的光电检测器接收来自用户的光信号。若将上述基本结构在通信双方对称配置，就可

8、以得到一个可以双向同时工作的全双工VLC系统,由该系统组成的网络称为可见光网络.在VLC系统中，白光LED具有通信与照明的双重作用,这是因为白光LED的亮度很高，且调制速率非常高，人的眼睛完全感觉不到光的闪烁.VLC系统大多设计成光强度调制直接检测系统,采用曼彻斯特编码和00K调制方式。在IMDD系统中,由于存在多个光源，每个接收机都会接收到来自不同方向的光信号，因而不会因为某条光路径被遮挡而导致通信中断,保证了通信的可靠性。二、VLC系统关键技术当前，LED可见光通信主要包括以下几个方面的关键技术：1)可见光信道研究可见光通信系统具有与红外无线通信不同的信道冲激响应，两者具有不同的特性，这两

9、种系统中引起ISI的原因也不相同，需要对多光源、时变信道环境下的VLC系统的信道冲激响应和不同光路径引起的ISI作深入研究，从而解决ISI的影响。2）码间干扰克服技术由于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不同的传输延迟,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，产生码间干扰（ISI),导致系统性能恶化。3）光源的选择与布局在室内可见光通信系统中，光源起着至关重要的作用。作为照明设备,它必须具有亮度高、散热小、功耗低、辐射范围广等特点。另一方面,作为光通信系统的光源，它必须具有使用寿命长、调制性能好、响应灵敏度高、发射功率大等优点.综合以上两个方面

10、，目前能满足要求的最好选择就是白光LED。实际系统中，由于各个房间的大小以及室内设施不尽相同，因而要使通信效果达到最优,须使房间内的光强分布大致不变,尽量避免通信盲区（光照射不到的区域）的出现。要达到这个目的,必须根据不同的房闻，合理的安排LED灯的布局。4）最佳LED照明灯个数在VLC系统中，通常安装在室内的LED灯具有一个较大的辐射角，以尽可能地覆盖整个房间。但是由于行人、设备等的遮挡，会在接收机表面形成“阴影,影响通信性能。因此就需要将这种“阴影”的影响降至最低。对于照明来讲，室内安装的照明灯越多,室内的亮度就越高,照明效果越好,同时接收功率也会大大增加。但是单纯地增加LED灯的个数，虽

11、然能够解决“阴影”问题，却并不能使系统的通信性能达到最佳。这是因为，不同的光源与接收机之渊具有不同的光路径，多个不同的光路径会引起多径延迟产生码间干扰。因而可知，LED灯的个数越多，ISI越严重,必须合理地选择LED灯的个数。三、室内VLC系统室内无线光通信与室外无线光通信的不同点主要在于两者的信道不同：室内光通信通信的距离不会很远,一般在几米到十几米的范围内，这样可以采用发光二极管，但是要考虑室内房顶、墙壁、地面以及其他物品如桌子对光束的反射和吸收.室外光通信主要是点对点通信,信号的传输距离较远，一般在百米以上，这样发射器就应该用光束扩散较小的激光器。室内无线光通信系统的链路方式有很多种,但

12、是主要根据以下两个特征进行区分：首先就是看发射机和接收机是否定向。所谓定向,其实是一个角度问题。对发射机来讲，如果其发射的光束发散角很小,发出光束近乎平行,则称其为定向发射机。同样，如果接收机的视场角范围很小,则称其为定向接收机。若发射机和接收机均为定向，接发两端对准时就建立了一条链路，这条链路就称为定向链路。相反，非定向链路使用的是大角度的接收机和发射机。还有一种链路混合了定向与非定向的特点，也就是说，发射机与接收机中一个是非定向的另一个是定向的,我们称之为混合链路。 其次看发射机与接收机之间是否存在未受干扰的视距LOS。视距链接中接收机接收到的光除存在由发射机发出的大角度的光经其他物体反射

13、回来的光外，还存在直接由发射机发射过来未经反射的光；而非视距间链接通常是发射机对着天花板发射光信号，接收机接收到的光信号中不存在直接从发射机射过来的光。 根据以上分析，可以将室内无线局域网的链路方式分为以下几种：定向式视距链路：混合式视距链路；非定向式视距链路；定向式漫反射链路；混合式非视距链路；非定向式漫反射链路。其结构如图所示：两种链路比较比较内容定向视距链路非定向视距链路通信速率高中等对指向要求高低抗障碍物影响能力低高系统移动性低高光学系统复杂度低中等受背景光影响小大多径效应影响无有信道损耗低高由于室内可见光通信信道与红外无线通信信道非常相似，所以对可见光通信信道的研究可以参考红外无线通

14、信信道，在红外无线通信系统中,不管是视距方式信道还是非视距方式信道,信道中红外线的发射及反射特性常用朗伯辐射源来近似。由于光信号的反射、散射及背景光噪声的影响，红外无线数字信道中存在多径干扰，这是提高信道质量以及进行高速率应用时应解决的主要问题。下图是室内无线光通信系统的脉冲响应为和h(t)的线性基带传输模型。图中的信道是一个简单的线性基带传输系统，输入是发射光x(t），R是光电探测器的响应效率,h(t)是基带信道的脉冲响应，N(t）是加性白高斯噪声信号，在信号输出端得到的是光电流Y(t)，其表达式为：Y(t)=RX(t)h（t）+N(t) 室内无线光传输信道的基带模型的脉冲响h(t)应经常用

15、以下形式：这里的an，tn，n。分别代表振幅，传输延迟和相位;N是多径信道的径数。使用冲击函数（t）作为系统的基本函数。 由上面可知光通信信道中的光噪声主要包含自然噪声太阳光及人为干扰荧光灯灯光等，可以在信息传输通道中加入光学滤光片、聚光镜等加以解决。它们的作用包括整形、滤波、视场变换、频段划分等。例如,可用透镜对发射光进行聚焦，利用光学滤光片滤除杂散光，利用透镜扩大光接收器的视场，还可利用光学元件进行链路的频分复用等。这些都将有利于提高信道质量，满足信息传输需求.第三章 VLC的应用和展望一、VLC的应用可见光通信提供两个不同域的结合功能：LED照明和通信，从而提供新的用LED的通信应用。如

16、照明，标牌,路灯，汽车，交通信号等。现实主要应用领域有:1)照明与通信,信息可以在室内环境下进行广播,并同时满足照明的需求。2）视觉信号与数据传输,信号灯主要通过颜色的变化来给人们提供信号，而将数据通信与信号灯相结合则可以为交通管理提供更好的安全可靠性。3）显示与数据通信，LED显示屏通常用于显示信息,如果将相应的信息和数据直接传输给用户手持终端，将会提供很大便利，在火车站、机场等场所有着巨大的应用前景.4)室内定位，可见光通信可以将用户的位置信息通过照明设施来进行传递,较传统卫星定位更为精准。二、VLC的展望LED可见光通信并非实验室里的“宠物”，它已经逐渐实现了商业化。2013年10月，哈

17、斯教授创立的PureLiFi公司向美国一家医疗机构售出第一套LiFi设备，价值5000欧元，这场交易标志着LiFi的实用商业价值正式被认可.2013年5月，清华大学与勤上光电签订了LED无线光通信项目，并于同年11月合作成功研发出LiFi通信手机版样品,预计最终达到iPhone大小和轻薄的程度，实现市场化。2013年10月，复旦大学又传出好消息,LED可见光通信技术在其计算机科学技术学院实验室成功实现.研究人员将网络信号接入一盏1W的LED灯珠，灯光下的4台电脑即可上网,最高速率可达3。25G,平均上网速率达到150M，堪称世界最快的“灯光上网”.一时间,“复旦大学实现点灯上网”的消息不胫而走

18、。随后，有关可见光通信技术的消息就如潮水般涌来,LiFi彻底火了一把。顺应可见光通信的快速发展，我国国内各种投资、推广也一应展开。2013年9月，珠海华策集团斥巨资20亿元研究LED白光通信；2013年12月，重庆成为可见光技术推广应用试点城市；同月，江宁开发区中国无线谷的移动通信国家重点实验室专家表示，可见光通信技术应用设备明年有望在江宁开发区产业化。上面的一系列成果都昭示着可见光通信前景可期，但是新技术的开发和推广并不总是一帆风顺,LiFi虽然优点多多，却也会面临诸多技术难题。比如:白天关灯了怎么上网？可见光无法穿透物体，如果灯光被阻挡，信号就将被切断怎么办?数据回传难怎么解决？除此之外，

19、LED灯珠带宽很窄，约20MHz，而且有很强的非线性效应.探测器也不是专为可见光波段设计，蓝光不是最敏感频段。所以在材料、器件、封装、模块等方面都需要做一系列研究。所以可见光通信的研究可能需要我们从以下几个方面做起:（1)高调制带宽的LED 光源(2）LED的大电流驱动和非线性效应补偿技术(3）光源的布局优化(4）光学MIMO 技术（5)光学OFDM 技术（6)高灵敏度的广角接收技术(7）消除码间干扰的技术技术革新的速度如此之快，当我们满足于“免费WiFi”时，LiFi的脚步已经悄然靠近。LED灯具与网络的结合，无疑是21世纪数字时代的发展潮流，为LED照明的推广和网络的进一步普及画下浓墨重彩的一笔.尽管LiFi在目前还没有长足的发展,而难题也还有很多，但我相信人们总能找出方法推动它的前进,几年或者几十年后，未来的某一天,我们总会见证LED灯光上网处处开花！