可見光通信技術(shù)LIFI

1、可見光通信技術(shù)可見光通信技術(shù)可見光通信技術(shù)概述可見光通信技術(shù)概述可見光通信的主要分類LED可見光通信可以分成室外通信和室內(nèi)通信兩大類室外LED可見光通信技術(shù)目前主要應(yīng)用在智能交通系統(tǒng) (ITS：Intelligent Transportation Systems). 室內(nèi)LED可見光無線通信技術(shù)主要應(yīng)用在室內(nèi)無線寬帶 接入網(wǎng)中可見光通信技術(shù)概述可見光通信技術(shù)概述可見光通信的特點白光LED具有功耗低、使用壽命長、尺寸小、綠色環(huán)保 等優(yōu)點，特別是其響應(yīng)靈敏度非常高，可以用來進(jìn)行超 高速數(shù)據(jù)通信?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)概述可見光通信技術(shù)概述可見光通信的特點 基于LED光源的可見光通信，與傳統(tǒng)的射頻通信和其他

2、光無線通信相比，有以下突出優(yōu)點： 1.可見光通信是綠色資源，不存在電磁輻光源有發(fā)光強度和發(fā)光功率兩個基本特性參數(shù)。白光LED不幅射; 2.有光就可以進(jìn)行通信，無通信盲區(qū)，方便快捷 3.可見光僅提供室內(nèi)照明，還可以作為信號光源用以實現(xiàn) 室內(nèi)無線數(shù)據(jù)通信發(fā)射功率高； 4.無需無線電頻譜認(rèn)證?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)的組成可見光通信系統(tǒng)的組成發(fā)射部分主要包括將信號源信號轉(zhuǎn)換成便于光信道傳輸 的電信號的輸入和處理電路、將電信號變化調(diào)制成光載 波強度變化的LED可見光驅(qū)動調(diào)制電路。白光LED光源 發(fā)出的已調(diào)制光以很大的發(fā)射角在空間中朝各個方向傳 播。由于室內(nèi)不受強背景光和天氣的影響，光傳播基本 上不存在損耗，但是

3、由于LED光源個數(shù)較多，且具有較 大的表面積，因而在發(fā)射機和接收機之間存在若干條不 同的光路徑，不同的光路徑到達(dá)接收機的時間不同，將 引起所謂的碼間干擾(ISI)。由于白光LED光源發(fā)出的是 可見光，且發(fā)散角較大。對人眼睛基本無害、無電磁波 傷害等優(yōu)點，因而發(fā)射端可以具有較大的發(fā)射功率，使 得系統(tǒng)的可靠性大大提高?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)的組成可見光通信系統(tǒng)的組成 該系統(tǒng)的接收部分主要包括能對信號光源實現(xiàn)最佳接收 的光學(xué)系統(tǒng)、將光信號還原成電信號的光電探測器和前 置放大電路、將電信號轉(zhuǎn)換成可被終端識別的信號處理 和輸出電路。室內(nèi)的光信號被光電檢測器轉(zhuǎn)換為電信號 ，然后對電信號進(jìn)行放大和處理，恢復(fù)成與發(fā)端

4、一樣的 信號。該系統(tǒng)的上行鏈路與下行鏈路的組成除了使用的 光源不同外，其它基本一樣。上行鏈路采用的光源仍然 由白光LED組成，只不過發(fā)射面積較小，且具有較小的 發(fā)射角，天花板上安裝的光電檢測器接收來自用戶的光 信號。若將上述基本結(jié)構(gòu)在通信雙方對稱配置，就可以 得到一個可以雙向同時工作的全雙工LC系統(tǒng)，由該系統(tǒng) 組成的網(wǎng)絡(luò)稱為可見光網(wǎng)絡(luò)。可見光通信系統(tǒng)的組成可見光通信系統(tǒng)的組成可見光通信系統(tǒng)的組成可見光通信系統(tǒng)的組成從上圖中，我們看到：可見光通信系統(tǒng)由路由器（集 線器）、LED光源、接收器和信息終端（含適配器）等 組成。 可見光路由器是可見光通信網(wǎng)絡(luò)中的核心組成部分，可 以接受來自信息終端用戶的

5、信息，同時分時段的將接收 到的信息通過主光源以廣播的方式發(fā)送出去?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)的組成可見光通信系統(tǒng)的組成可見光通信適配器包括下行鏈路的白光LED光源和上行 鏈路的光電接收器，具有發(fā)射和接受功能，且負(fù)責(zé)將終 端用戶的信息調(diào)制成光信號，并接收來自下行鏈路的光 信號。 天花板上安裝的光電檢測器可以接收來自用戶的光信號 ，并轉(zhuǎn)換成電信號送入可見光通信路由器。電信號經(jīng)過可見光通信路由器的簡單處理后，調(diào)制到白 光LED光源上變成光信號，以廣播的方式發(fā)射出去。在 接收端，終端的可見光適配器將接受的信息解調(diào)出來并 送入終端用戶，即實現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)的無線通信?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)的組成可見光通信系統(tǒng)的組成白光白光LE

6、D光源的基本特性光源的基本特性 圖所示是通過白光LED的調(diào)制信號與輸出光功率的關(guān)系曲線。為了獲得線性調(diào)制，使工作點處于輸出特性曲線的贏線部分，必須在加調(diào)制信號電流的同時加一適當(dāng)?shù)钠秒娏鱅b，這樣就可以使輸出的光信號不失真。白光白光LED光源的基本特性光源的基本特性LED光源的脈沖編碼數(shù)字調(diào)制 數(shù)字調(diào)制是用二進(jìn)制數(shù)字信號“1”和“0”碼對光源發(fā) 出的光波進(jìn)行調(diào)制。而數(shù)字信號大都采用脈沖編碼調(diào)制 ，即先將連續(xù)的模擬信號通過“抽樣”變成一組調(diào)幅的 脈沖序列，再經(jīng)過“量化”和“編碼”過程，形成一組 等幅度、等寬度的矩形脈沖作為“碼元”，結(jié)果將連續(xù) 的模擬信號變成了脈沖編碼數(shù)字信號。然后，再用脈沖 編

7、碼數(shù)字信號對光源進(jìn)行強度調(diào)制，其調(diào)制特性曲線如圖所示。白光白光LED光源的基本特性光源的基本特性LED光源的脈沖編碼數(shù)字調(diào)制 研究白光LED的線性特性、調(diào)制信號與輸出光功率的關(guān)系，既是為了獲得線性調(diào)制，也為開發(fā)白光LED的多管驅(qū)動陣列提供了一定參考。使工作點處于輸出特性曲線的直線部分，一般需要在加調(diào)制信號電流的同時加一適當(dāng)?shù)钠秒娏鱅b，這樣就可以使輸出的光信號不失真。調(diào)制方式調(diào)制方式為了盡可能提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率,需采用額外的措施來緩解系統(tǒng)帶寬受物理器件限制的影響, 有效的緩解措施可總結(jié)為兩類:一類是使用附加元件或使用均衡技術(shù)來緩解, 具體方法包括在接收端使用藍(lán)色濾波片濾除響應(yīng)慢的黃光元素

8、,在LED的驅(qū)動電路模塊中使用預(yù)均衡技術(shù)以及在接收機端使用后均衡技術(shù)第二類方法是使用效率更高的調(diào)制技術(shù),即一個發(fā)送符號可傳遞盡可能多的信息調(diào)制方式調(diào)制方式目前應(yīng)用到可見光通信系統(tǒng)中的調(diào)制方式包括開關(guān)鍵控 、脈沖位置調(diào)制、子載波脈沖位置調(diào)制、變脈沖位置調(diào)制、色移鍵控和正交頻分復(fù)用等.u開關(guān)鍵控NRZ-OOK光源開啟表示”1”,光源關(guān)閉表示”0”調(diào)制方式調(diào)制方式u脈沖位置調(diào)制由于在接收機需要時隙同步和碼元同步,PPM收發(fā)機結(jié)構(gòu)較OOK收發(fā)機復(fù)雜調(diào)制方式調(diào)制方式u正交頻分復(fù)用(OFDM)OFDM帶寬效率高, 并且可以克服多徑效應(yīng)和符號間干擾.在可見光通信系統(tǒng)中使用OFDM技術(shù),那么系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能

9、將提升,抵抗多徑干擾能力也將被加強可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)信道編碼技術(shù)mBnB分組編碼技術(shù)是 一種適用于 LED數(shù)字傳輸 。通常來說，分組碼是指將原始信 息碼字按 m比特為單位進(jìn)行分組，根據(jù)一定規(guī)則用另外 每組為 n比特的碼字來表示，然后這些新的分組以 NRZ 碼或 RZ碼的格式來傳輸。常用的信道編碼有1B2B（曼 徹斯特碼）、3B4B、5B6B、6B8B等。可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)信道編碼技術(shù)mBnB碼的優(yōu)點有：功率譜形狀較好；連0連1個數(shù) 有限，沒有基線漂移問題；提供可靠的誤碼監(jiān)測和字 同步手段。實驗證明，經(jīng)過 6B8B 編碼后，光信號在通 信距離 r=0.

10、5 2.5m 范圍內(nèi)受 LED 的個數(shù)、電阻及串 口模塊分頻的影響不大。利用 6B8B編碼技術(shù)，可以保 證本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)耐瑫r，使信號傳輸距離超過 2.5m。而且，可以通過對數(shù)據(jù)采用高低兩種不同碼表的 方法來克服 mBnB碼譯碼時會造成誤碼增值的缺點?？梢姽馔ㄐ诺年P(guān)鍵技術(shù)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)信道編碼技術(shù) 如圖所示,以一個12bit的原始數(shù)據(jù)為例,介紹6B8B編碼實現(xiàn)過程可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)光碼分多址(OCDMA)技術(shù)采用光碼分多址技術(shù)來區(qū)分不同用戶的信息。在可見光 無線局域網(wǎng)中所有的終端用戶都共用相同的主光源，因 此不同的用戶信號必須具有不同的特征，這樣適配器接 收時

11、才能將不同用戶信號分割開。OCDMA給每一個用 戶分配一個單獨的地址碼，數(shù)字信號在各自的地址碼上 進(jìn)行編碼，在接收機上通過相應(yīng)的序列進(jìn)行解碼。采 OCDMA技術(shù)還能大大提高了系統(tǒng)的抗噪聲能力 ,可以把 信號從噪聲很強的環(huán)境中檢測出來。可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)分集接收技術(shù)分集接受技術(shù)的提出是為了提高VLC系統(tǒng)的信噪比,克服高速通信中碼間干擾的影響.分集接收的思想就是在接收機處的不同方向上安裝多個光電探測器,對多個探測器接收到的信號進(jìn)行比較,選取信噪比最大的信號進(jìn)行通信可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)分集接收技術(shù)在分集接收系統(tǒng)中,兩個關(guān)鍵的工作是:信號的選取方式和光電探測器

12、的布局.在信號的選取上,對于低速率的白光LED通信系統(tǒng),直接將多個探測器接收到的信號通過一個加法器進(jìn)行簡單相加,然后將相加后的信號送進(jìn)接收機進(jìn)行濾波解調(diào)和解碼等處理,大大提高了信噪比;當(dāng)通信系統(tǒng)的傳輸速率高于100MB/S時,由于碼間串?dāng)_的影響,不能將信號直接相加,必須設(shè)計專門的控制電路對信道進(jìn)行自動判決和選擇可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)分集接收技術(shù)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)分集接收技術(shù)對各個探測器轉(zhuǎn)換后的電壓信號進(jìn)行實時采集采樣,再送入電壓比較器進(jìn)行比較,找出電壓值最大的信道,此信道即為要進(jìn)行通信傳輸?shù)男诺?同時,比較器輸出控制信號將相應(yīng)的信道選通.對于光電探測器的

13、布局,在接收機的不同方向上安裝多個光電探測器且均勻分布于一個半球面上,這樣在減少探測器個數(shù)的同時又提高了接受效果.如此,只要不是整個接收機被遮住,通信就不會中斷.關(guān)于探測器的個數(shù)和布局,需要根據(jù)具體環(huán)境和通信性能的要求來決定.在高速通信中采用分集接收技術(shù),系統(tǒng)的信噪比平均提高了2dB,并且有效克服接收機位置改變 室內(nèi)人員走動和物體陰影對通信系統(tǒng)的影響主要應(yīng)用主要應(yīng)用 辦公室辦公室Li-Fi以低廉的成本解決了辦公室上網(wǎng)問題人人克享100Mbps連接,數(shù)據(jù)經(jīng)過加密主要應(yīng)用主要應(yīng)用 醫(yī)院醫(yī)院Li-Fi可以輕松解決兩個問題:手術(shù)室可以有照明用的設(shè)備,就具備了使用Li-Fi的條件.Li-Fi的頻譜是Wi

14、-Fi的1萬倍,不會影響到醫(yī)療設(shè)備的使用主要應(yīng)用主要應(yīng)用 汽車汽車交通指示燈能發(fā)送路況信息主要應(yīng)用主要應(yīng)用 飛機飛機飛機上的Li-Fi服務(wù).據(jù)傳,飛機上每位乘客可以使用最高9.8Mbps的連接主要應(yīng)用主要應(yīng)用 海底海底估計主要為需要在海底開展科研工作的科學(xué)家們服務(wù)LIFI的優(yōu)勢的優(yōu)勢一、建設(shè)便利,光源易得人們可以利用已鋪設(shè)好的電燈設(shè)備電路,在需要接入網(wǎng)絡(luò)的地方植入一個芯片即可.例如高速公路上的路燈,人們在高速行駛的車上能輕易的接收到路燈傳來的信號LIFI的優(yōu)勢的優(yōu)勢在家里,打開臺燈就可以下載歌曲;在餐廳,坐在有燈光的地方就可以發(fā)微博;即便是在水下,只要有燈光照射就可以上網(wǎng)LIFI的優(yōu)勢的優(yōu)勢二

15、、傳輸速度快 可見光的頻譜帶寬是目前電磁波帶寬的10000倍.目前據(jù)報道,實驗室測試最高速度可達(dá)1Gbps.LIFI的優(yōu)勢的優(yōu)勢三、綠色健康,低能耗人們無時無刻都處在”光”這環(huán)境中,可見光對于人類來說是綠色的,無輻射傷害的一種物質(zhì).因此用光來作為無線通信的媒質(zhì),是一種對人類更健康,更可取的方向.同時用光來通信能減低能耗,因為不需要像基站那樣提供額外的能耗.就算是在白天,只要把作為”熱點”的燈的亮度降低人眼所覺察不到的程度即可,在夜晚的時候可以作為數(shù)據(jù)傳輸和照明的作用LIFI的優(yōu)勢的優(yōu)勢四、安全 對于電磁波來說,其可以穿透物體進(jìn)行傳播,從安全角度上來看,這可能會被截取而泄露信息.但對于LiFi來

16、說,可見光只能延直線傳播,不會穿透墻體的物體.數(shù)據(jù)只往人們所設(shè)定的方向傳播,有利于信息的安全性LIFI的局限性的局限性環(huán)境干擾環(huán)境光源有時候會工作在同樣的光譜頻段,這時候如果環(huán)境光源比較強,很有可能LIFI會無法正常通信,信/干燥比(SINR)太差LIFI的局限性的局限性解決方式:對于環(huán)境干擾問題,LIFI系統(tǒng)中使自行研制的窄帶濾鏡,可以一定程度上避免背景光的干擾;對于室內(nèi)的電磁干擾,噪聲主要在1MHz已下,他們在系統(tǒng)中也避開了這個頻段.要實現(xiàn)高速的傳輸速度,還需要在空間內(nèi)布置更多用了的中繼站,以保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性LIFI的局限性的局限性反向通信從LED燈泡發(fā)射信號到手機上的光電二極管只解決了問題的一半,如何從手機發(fā)信號回去才能保證通信鏈路暢通(當(dāng)然可以用無線電歐諾更新作為補充,不過這讓這個技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化變得很難)LIFI的局限性的局限性解決方式:而針對數(shù)據(jù)上行,可采用了兩套系統(tǒng),分別是可見光上行和紅外上行.所謂可見光上行,即需要在電子設(shè)備上安裝一個