白光LED照明的可見光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展

1、白光led照明的可見光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展弱鮑駙固值屮文核心期刊白光led照明的可見光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展劉宏展,呂曉旭,王發(fā)強，梁瑞牛,王金東，張準(華南師范大學光子信息技術實驗室廣州510006)摘要:用室內(nèi)照明的白光led光源作為通信基站進行信息無線傳輸?shù)募夹g是當前 國外光無線通信領域的研究熱點之一，是一項有發(fā)展前景的新興技術.文章詳細介紹了白光led照明的室內(nèi)可見光通信技術在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，分析了其關鍵技術，闡述了其發(fā)展趨勢.關鍵詞:可見光通信;白光led;光無線通信屮圖分類號:tn929.1文獻標識碼:a文章編號:10025561 (2009)07005304thecurrentsitua

2、tionanddevelopmenttrendof indoorvisiblelightcommunicationbywhiteledilluminationl/uhong-zhan,lvxiao-xu,wangfa一qiang,liangruisheng,wangjindong,zhangzhun(laboratoryofpotonicinformationtechnology,thesouthchinanormaluniversity,guangzhou510006,china)abstract:itisoneofhotspotsofopticalwirelesscommunication

3、researchfieldinabroadthatu singwhiteledlightsourceasbasestationtotransmitinformationthroughwirelessmodecurrently.,whi chisanpromis一 ingnewtechnologyjnthispaperweintroducethecurrentsituationofindoorvisiblelightcom municationbywhiteledsathomeandabroadindetail.a nalyzethekeytechniquesandclarifythedevel

4、opme nttrendofthe system.keywords: visiblelightcommunication,whiteled,opticalwirelesscommunication o引言近年來被譽為綠色照明”的半導體(led)照明技術發(fā)展迅猛與傳統(tǒng)照明光源相比，白光led不僅 功耗低，使用壽命長，尺寸小，綠色環(huán)保,更具有調制性 能好,響應靈敏度高等優(yōu)點.利用led的這種特性.它 用作照明的同時還可以把信號調制到led可見光束 上進行傳輸實現(xiàn)一種新興的光無線通信技術即可見 光通信(indoorvisiblelightcommunication,vlc)技術. 較實用的vlc是日

5、本keio大學的m.nakagawa所領 導的課題組于2000年提出來的.2003年他們成立了 可見光通信協(xié)會(vlcc).在2004年召開的ceatec 大會上.vlcc會長m.nakagawa教授公布了這項技 收稿 r 期:20090330.基金項目:國家自然科學基金(60877070)資助;國家973計劃 (2007cb307001)資助;廣州市科技支撐計劃項r(2008zl 一 d501)資助. 作者簡介:劉宏展(1975 )，男，博士，主要從事光通信，光學精密檢測及 信號處理等方面的研究.術.他們以gfeller和bapst的室內(nèi)光傳輸信道為傳輸 模型，將信道分為直接信道和反射信道兩

6、部分利用室 內(nèi)led照明燈作為通信基站進行信息無線傳輸與傳 統(tǒng)的射頻通信和其他光無線通信相比可見光通信具 有以下突出優(yōu)點:(1)可見光對人類非常安全;(2)可見 光資源豐富;(3)發(fā)射功率高;無需無線電頻譜證; 無電磁干擾因而可見光通信技術具有極大的發(fā)展前 景將為光通信提供一種全新的高速數(shù)據(jù)接入方式已 經(jīng)引起了人們的廣泛關注和研究現(xiàn)在從led照明 系統(tǒng)中獲得無線通信能力的可能性己經(jīng)從試驗得到證明將無線通信能力嵌入未來led照明系統(tǒng)中是一個發(fā)展方向很可能是光無線接入網(wǎng)的一個目標.i白光led室內(nèi)可見光通信的現(xiàn)狀led可見光通信分為室外通信和室內(nèi)通信兩類.室外可見光通信是由香港大學g.pang等人

7、在1998 年提出來的.本文主要指室內(nèi)可見光通信技術.2009年第7期祀冠鎊拽粕弱國齬固值劉宏展，呂曉旭,王發(fā)強，等:白光led照明的可見光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展 et本是vlc技術的先行者.keio大學的研究者 們率先開展了一系列基礎性的理論研究工作.尤其以tanaka.komine 和 sugiyama 為代表.2000 年,tanakatu等以強度調制直接檢測am-dd)為光調制形式進行了 建模仿真.獲得了數(shù)據(jù)率,誤碼率以及接收功率等之間 的關系，認為碼間干擾(isi)和多徑效應是影響系統(tǒng)性 能的兩大因素.2001年翻,他們分別采用ook與光_rz 學正交頻分復用(ofdm)方式對系統(tǒng)進行了仿

8、真.2o02.fan和komine31等研究了由墻壁反射引起的多徑效應對led可見光無線系統(tǒng)造成的影響2003年問.tanaka等人對led可見光無線通信系統(tǒng)展開了具 體分析求出了系統(tǒng)所需led單元燈的基本功率要 求.2oo42005年.kominen等對各種因素對系統(tǒng)性能 的影響展開研究2006 .sugiyamatq提出了 scippm 調制方法;2007翻年,他通過脈沖寬度調制(pwm),研 究了光源的亮度控制對通信性能的影響引外，在 2003年.komine卜1等提出了一套結合電力線載波通信 和led可見光通信的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng).h木公布vlc技術后，德，英，荷蘭等國覺察到它 的重要性競相

9、開展工作，并成立了專業(yè)技術論壇，對 vlc進行廣泛的交流與合作在et本已取得的成果的 基礎上.他們把重點瞄準如何提高通信性能的技術難 題上.主要以德國不來梅國際大學(intunivbremen), 徳國海因里希.赫茲通信工程研究所柏林股份有限公 司以及弗陰和夫電信研究所fheinrichhertzinst nachrichtentechberlingmbh.fraunhoferlnsttelecom一 mim),英國牛津大學，荷蘭飛利浦實驗室等科研機構 為代表.2006年翻,intunivbremen大學的aani對基 于單led強度調制ofdm技術進行了研究.理論和實 驗表明在一米范圉內(nèi),o

10、fdm技術能夠有效消減峰平 比(peakto一average).2007 年 00,haas 研究了基于正交 相移鍵控(qpsk)調制cofdm(codedofdm)技術.實 驗表明:在90cm范圍內(nèi)，系統(tǒng)可達到2x10-5的誤比特 率牛津大學工程科學系的obrienill所領導的研究小 組針對led光源窄帶寬的特性.重點研究多諧振均衡 技術把光源的可用帶寬提高到25mhz.而系統(tǒng)傳輸 速率達到75mb/s飛利浦實驗室提出一種新的調制一 多址技術【城即ctdmappm.2008年131.德國海因里 希赫茲通信工程研究所柏林股份有限公司的langer 等就100mhz的vlc寬帶接入網(wǎng)物理層的基

11、礎問題 進行了初步研究:同年.gruber141首次實驗實現(xiàn)了口光 led可見光通信系統(tǒng)101 mb/s的通信速率.歐洲的科 研人員對vlc技術的研究向前推進了一步.他們致力 兜氮堵錢書2009年第7期 丁高速編碼調制傳輸技術理論研究的同時注重實驗的 驗證，并首次實現(xiàn)了超100mb/s的通信速率.吋間進入到2008年10月科技強國美國也感覺 到了 vlc技術的重大科研價值由美國政府贊助的一 項”智慧照明fsmartlighting)"計劃.該項投資額一億八 千五百萬美元，為期10年的美國國家科學基金會 (nsf)計劃，有超過30所大學的研究人員參與.這項計 劃試圖采用可見光光束(vi

12、siblelightbeams)來實現(xiàn)無 線設備與led照明設備之間的通信不僅如此,ieee 于2008年成立了專門的可見光通信小組ieee802.15.7.我國在vlc領域幾乎是空白.目前主要研究者有 西安理工大學的柯熙政，浙江大學的何賽靈，暨南大學 的陳振強和陳長纓5】等作者從2006年開始關注vlc 技術研究了基于可見光的空間成像無線傳輸系統(tǒng). 驗證了方案的可行性.2白光led室內(nèi)可見光通信的關鍵技術(1) 照明布局的優(yōu)化設計實際系統(tǒng)中,led燈一般安裝在天花板上由于各個房間的大小以及室內(nèi)設施 不盡相同不可避免地會存在通信盲xw(光照射不到的 區(qū)域)而要使通信效果達到最優(yōu)須使房間內(nèi)的光強

13、 分布大致不變并盡量避免盲區(qū)的岀現(xiàn)找到具有最佳 照明效果的通適性光源布局規(guī)則同時不同的光源與 接收機之間具有不同的光路徑多個不同的光路徑會 引起多徑延遲產(chǎn)生碼間干擾(isi).因此丄ed燈的個 數(shù)越多.isi越嚴重，必須合理地選擇led燈的個數(shù).(2) 高性能編碼，調制技術對信源進行何種編碼編 碼以及采用何種調制方式將直接決定通信系統(tǒng)的通 信性能.由于實現(xiàn)簡單.vlc系統(tǒng)大多設計成光強度 調制/直接探測(im/dd)系統(tǒng)採用曼切斯特編碼和 ook調制方式二進制ook編碼通過光學鏈路一次 只能發(fā)送一個比特，傳輸慢;曼切斯特編碼雖然可以降 低系統(tǒng)的誤碼率但要求較寬度頻帶而現(xiàn)有的基于藍 光激發(fā)磷光體

14、產(chǎn)生”口光”的led可用調制帶寬非常 有限，所以必須探索新的編碼，調制方法.由于ofdm 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(yōu)點在lvc系統(tǒng)中得到了廣泛研究.（3）高靈敏的接收技術在led可見光通信系統(tǒng)中.存在著強烈的背景噪聲及電路固有噪聲的干擾.同 時隨著傳輸距離的加大.接收機接收到的信號十分微 弱常常會導致接收端信噪比小于1 為了精確地接收 信號,需要有選擇靈敏度高，響應速度快，噪聲小的新 弱鮑固值型光電探測器:對所接收的信號進行前置處理儒采用 高效的光濾波器.以抑制背景雜散光的干擾.對信號進 行整形和去噪聲.為了有效抑制噪聲.接收濾波器常要 求具有窄帶濾波特性

15、可是，在vlc系統(tǒng)中，信號能量 與噪聲一同分布在整個可見光譜中這樣一來信號光 和噪聲將同時被濾除達不到真正濾去噪聲的目的濾 波后的光信號的信噪比依然很低所以要實現(xiàn)高靈皺 接收更重要的是研究新的濾波技術及新型濾波器比 如匹配濾波,特殊光柵濾波器等.（4）消碼間干擾技術在室內(nèi)led可見光通信系統(tǒng)中.led光源通常是由多個發(fā)光led的陣列組成.具 有較大的表面積，較大的發(fā)射功率和寬廣的輻射角光 線分布在整個房間另一方面為了達到較好的照明和 通信效果防止”陰影”影響一個房間通常安裝多個 led光源.由于led單元燈分布位置不同及大氣信道 中存在的粒子散射導致了不同的傳輸延遲，加上光的 色散已調光脈沖會

16、在時間上延伸.每個符號的脈沖將 加寬延伸到相鄰符號的吋間間隔內(nèi)不可避免地產(chǎn)生 碼問干擾（isi1.極大地降低了系統(tǒng)的性能甚至導致不 能正常通信因此.如何消除碼間干擾.對保證高性能 的vlc通信至關重要針對vlc系統(tǒng)屮isi的起因不 同主要采用以下方式來削弱碼間干擾:運用部分響應 技術，采用均衡濾波器,釆用消isi的調制方式等.(5) 自動切換技術在室內(nèi)led可見光無線通信系 統(tǒng)中當接收機從一個基站(房間)移動到另一個基站 時需要接收機能夠自動切換沏換操作既要能識別一 個新基站又要將信令信號分派到新基站的信道上.設 計者必須指定一個啟動切換的最恰當?shù)男盘枏姸冗x 擇恰當?shù)那袚Q時間以避免不必要的切換

17、同時保證在 由于信號太弱而通信中斷之前完成必要的切換.因此， 基站在準備切換z前先對信號監(jiān)視一段時間來進行信 號能量的檢測這需由接收機輔助切換來完成.(6) 光無線傳輸信道及模型的完善led室內(nèi)可見光無線通信系統(tǒng)的信號傳輸信道是隨機信道.led可 見光的波長與室內(nèi)大氣中的塵灰，氣體分子的尺寸相 近甚至更小.容易產(chǎn)生光的散射及吸收造成信號的嚴 重衰減不同位置的led燈光及日光等背景光也會對 系統(tǒng)的性能產(chǎn)牛影響目前在對室內(nèi)led可見光無線 信道進行分析時，都是采用gfeller和bapst的分析模 型將信道分成直射信道和墻壁反射信道兩部分進行 研究但對背景光，散射等所產(chǎn)生的影響未作分析.要 保證在

18、隨機信道下的正常工作還必須對led可見光 傳輸信道作更深入的研究建立恰當?shù)氖覂?nèi)傳輸模型. 劉宏展，呂曉旭,王發(fā)強，等:白光led照明的可見光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展 3白光led室內(nèi)可見光通信的發(fā)展趨勢led可見光通信技術己經(jīng)得到了驗證并受到了許多國家的高度重視.但在實現(xiàn)其高速,高可靠的通信 性能道路上還有許多實際問題要進一步研究要實現(xiàn) 此技術的實用化，未來led可見光通信技術將在以下 幾方面需要長足的發(fā)展白光led光源的帶寬拓展技術0前l(fā)ed產(chǎn)生 白光主要有兩種方式:一種是由紅，綠,藍三基色合成 白光:另一種是由led發(fā)出的藍光去激發(fā)磷光體發(fā)出 黃光，呈曖色調.讓人感覺是口光.第一種方法的優(yōu)點 是通

19、過分別控制三色光電驅動電流可以改變光的顏 色，但封裝及驅動復雜，價格昂貴很少用作照明:第二 種方法只需要單個驅動器，實現(xiàn)簡單，是目前最流行的 方式現(xiàn)有白光led技術發(fā)展迅速，在提高發(fā)射功率 方而進展不少但在頻率響應方而并無提升而口光 led用作通信光源，其電信號都必須調制到它上面. 然后往外發(fā)射.它的響應頻率直接決定了通信系統(tǒng)可 用的帶寬所以在追求大功率輸出的同時如何提升白 光led的頻率響應，拓展其帶寬是實現(xiàn)高速vlc通 信必須要解決的難題之一 目前由藍光激發(fā)磷光體發(fā) 射口光的led其有效調制帶寬才3mhz很難直接用 它實現(xiàn)高速的vlc通信至少要提高10倍以上才可 能通過先進的調制技術實現(xiàn)高

20、速vlc通信(2) 更高效率的調制復用技術led白光束可調帶 寬受限不利用數(shù)據(jù)的有效高效傳輸所以要實現(xiàn)高速 的數(shù)據(jù)傳輸,必須更加深入地探索頻帶利用率高，抗干 擾性能好的調制復用技術從b前研究的熱點來看其 突破口很可能是新型ofdm.但是由于高功率很容易 導致驅動功放進入非線性區(qū)產(chǎn)生失真.所以對ofdm 必將進行深入研究(3) 上行鏈路的實現(xiàn)技術要實現(xiàn)vlc全雙工通信 方式除了要具有現(xiàn)在研究的熱點下行鏈路外還必須 具備上行鏈路.目前幾乎所有的研究更多集中于下行 鏈路的實現(xiàn)很少關注上行鏈路的實現(xiàn)技術美國的智 能照明計劃以考慮到了這點研究具有發(fā)收或者收發(fā) 體功能的白光led技術.即led用作發(fā)射光源

21、的 同時還可以接受對方發(fā)送來的數(shù)據(jù).led燈將作為發(fā) 收器或者收發(fā)器實現(xiàn)全雙工通信在這一基礎上，研究 相關的驅動電路.研究全雙工的實現(xiàn)技術及方案及合 適的通信協(xié)議等是led可見光通信實用化必需解決 的.(4) 電力線通信與vlc的融合技術研究電力線通 信技術簡稱plc.是利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和話音信號 2009年第7期祀氯信紙采弱國跆固00劉宏展,呂曉旭,王發(fā)強，等:白光led照明的可見光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展 的一種通信方式我國最大的有線網(wǎng)絡是輸電和配電 網(wǎng)絡如果能利用四通八達，遍布城鄉(xiāng),直達千家萬戶 的220v低壓電力線傳輸高速數(shù)據(jù).無疑是解決”最后300m/100m”最具競爭力的方案同時也無疑會

22、對有效 打破駐地網(wǎng)的局部壟斷為多家運營商帶來平等競爭 的機會提供有力的技術武器在電力線上提供寬帶通 信業(yè)務雖然剛剛興起，但從應用模式，投資回報分析以 及歐洲和北美的運營經(jīng)驗上看正逐漸顯示出其強大 的生命力因此如果能把電力線通信技術與vlc技 術有機融合起來.可以說實現(xiàn)了 ”綠色”通信(5) 發(fā)展室外vlc技術及其它室外vlc技術尤 其是在智能交通系統(tǒng)的利用，移動導航及定位等提供 種全新的方法這也是vlc向前發(fā)展的一大動力.另外從美國的智能照明計劃，我們看到研究便攜式的具有vlc功能的器件是應用領域的熱點之一4結束語.面對全球節(jié)能減排的巨大壓力，發(fā)展第四代綠色 照明技術己刻不容緩而白光led照明

23、的實現(xiàn)在節(jié)約 能源的同時更為高速，寬帶的光無線接入提供了一種 新途徑也為解決現(xiàn)有無線電頻帶資源嚴重有限的困 境提供了一種新思路.可見光通信將很有可能成為光 無線通信領域的一個新的增長點雖然日本，德國，英 國,美國等國家己經(jīng)對可見光通信開展了從理論到實 驗的研究但都述處于初級階段要實現(xiàn)此技術的實用 化.還需要相關科研人員做更加深入的研究.參考文獻：11 】tanakay,haruyams,nakagawam.wirelessopticaltrails inissionswithwhitecoloredledforwirelesshomelinksc.pimrc2000 proceedings,2

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