可見光通信 數(shù)字通信文獻(xiàn)綜述

1、數(shù)字通信文獻(xiàn)綜述：可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用第1章可見光通信概述一、背景和概念光通信的發(fā)展最初是從可見光通信開始的，比如旗語(yǔ)以及古代軍事上的烽火狼煙都可以看做是可見光通信的最原始形式，但是在現(xiàn)代通信中,由于缺乏實(shí)用的光源和高信道衰落，所以在光纖出現(xiàn)后，發(fā)展方向迅速轉(zhuǎn)向光纖通信。本世紀(jì)初,隨著短路無(wú)線通信的興起和基于固態(tài)新型照明的大功率LED的不斷發(fā)展，人們提出了可見光通信(VisibleLightCommunication，VLC),VLC的理論基礎(chǔ)在于通過(guò)讓LED通/斷切換的足夠快以至于人眼無(wú)法分辨從而來(lái)傳輸數(shù)據(jù).在足夠先進(jìn)的技術(shù)支持下。每種新的LED燈也能以有線方式接入網(wǎng)絡(luò)，是室內(nèi)任何設(shè)備

2、實(shí)現(xiàn)無(wú)所不在的無(wú)線通信，并且不增加已經(jīng)擁擠不堪的射頻帶寬負(fù)擔(dān),形成了新的短距光無(wú)線通信的應(yīng)用。白光LED具有功耗低、使用壽命長(zhǎng)、尺寸小、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，特別是其響應(yīng)靈敏度非常高，因此可以用來(lái)進(jìn)行超高速數(shù)據(jù)通信。利用這種技術(shù)做成的系統(tǒng)能夠覆蓋燈光達(dá)到的范圍，接收設(shè)備不需要電線連接，與傳統(tǒng)的射頻通信和FSO相比，VLC具有發(fā)射功率高、無(wú)電磁干擾、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，在VLC系統(tǒng)中，白光LED具有通信與照明的雙重作用，這是因?yàn)榘坠釲ED的亮度很高,且調(diào)制速率非常高，人的眼睛完全感覺不到光的閃爍，因而VLC技術(shù)具有極大的發(fā)展前景，已引起人們的廣泛關(guān)注和研究。二、主要發(fā)展過(guò)程2000年，日本慶應(yīng)大學(xué)的Tan

3、aka等人和SONY計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所的Haruyama提出利用LED燈作為通信基站進(jìn)行信息無(wú)線傳輸?shù)氖覂?nèi)通信系統(tǒng)。2002年，Tanaka和Komine等人對(duì)LED可見光通信系統(tǒng)展開了具體分析，并于同年正式提出了一套結(jié)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)。2008年，在東京國(guó)際電子展上，日本太陽(yáng)誘電公司向全世界首次現(xiàn)場(chǎng)展出了白光LED的通信系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)，它的最大傳輸距離僅20cm。2009年，牛津大學(xué)的Brien等人利用均衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)了100Mbit/s的通信速率，并與次年展出了室內(nèi)可見光通信演示系統(tǒng),利用16個(gè)白光LED通信，完成了4路高清視頻實(shí)時(shí)廣播。2010年，德國(guó)Fraunho

4、ferHenrichHertzInstitute實(shí)驗(yàn)室的科研人員將這一通信速率提高到513Mbit/s，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)可見光通信速率的世界紀(jì)錄.當(dāng)時(shí)的可見光通信還不叫LiFi，而是VLC(VisibleLightCommunication).2011年，愛丁堡大學(xué)哈拉爾德哈斯教授演示了帶有信號(hào)處理技術(shù)的LED燈泡如何將高清視頻傳輸?shù)诫娔X上，并將可見光通信命名為L(zhǎng)iFi(LightFidelity)。2013年，來(lái)自英國(guó)多所高校的研究者們將LiFi的通信速率刷新到高達(dá)10Gb/s。三、VLC的主要優(yōu)缺點(diǎn)可見光通信與傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比,主要有以下優(yōu)點(diǎn)：首先,傳輸速度更快。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室可見光通信實(shí)時(shí)傳輸速

5、率已在米級(jí)距離上達(dá)到了每秒500兆比特，離線傳輸速率也已達(dá)到了每秒10比吉特。也就是用LIFI技術(shù)下載一部1個(gè)G的電影,只需0.2秒的時(shí)間.其次，綠色環(huán)爆因?yàn)椴淮嬖陔姶鸥蓴_,因此輻射小，對(duì)人體無(wú)害。此外，有光的地方就有網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),讓室內(nèi)信號(hào)更加穩(wěn)定，安全性能也更高，室內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)電腦信息不會(huì)泄露到室外，在對(duì)電磁信號(hào)敏感的醫(yī)院等環(huán)境中也能自由使用。最后，照明的同時(shí)可以高速傳輸信息,讓上網(wǎng)費(fèi)用更加便宜.可見光通信的缺點(diǎn)也是明顯存在的:首先，因?yàn)閂LC是依賴光的直線傳播來(lái)傳輸信息的，所以當(dāng)光被阻擋時(shí)，信號(hào)就會(huì)中斷.其次，移動(dòng)終端可以從固定的光發(fā)射端接受信息，但數(shù)據(jù)信息的回傳則不易實(shí)現(xiàn).第二章可見光通信的

6、關(guān)鍵技術(shù)一、VLC系統(tǒng)構(gòu)成VLC作為一種無(wú)線的光通信方式，其系統(tǒng)應(yīng)該包括下行鏈路和上行鏈路兩部分,鏈路包括發(fā)射和接收兩部分。發(fā)射部分主要包括將信號(hào)源信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于光信道傳輸?shù)碾娦盘?hào)的輸入和處理電路、將電信號(hào)變化調(diào)制成光載波強(qiáng)度變化的LED可見光驅(qū)動(dòng)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(gè)方向傳播。當(dāng)在室內(nèi)時(shí)，由于不受強(qiáng)背景光和天氣的影響,光傳播基本上不存在損耗。但是由于LED光源個(gè)數(shù)較多，且具有較大的表面積，因而在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(jī)的時(shí)間不同，將引起所謂的碼間干擾（ISI）。但是由于白光LED光源發(fā)出的是可見光，且發(fā)散角較

7、大.對(duì)人眼睛基本無(wú)害、無(wú)電磁波傷害等優(yōu)點(diǎn)，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.接收部分主要包括能對(duì)信號(hào)光源實(shí)現(xiàn)最佳接收的光學(xué)系統(tǒng)、將光信號(hào)還原成電信號(hào)的光電探測(cè)器和前置放大電路、將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可被終端識(shí)別的信號(hào)處理和輸出電路。室內(nèi)的光信號(hào)被光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大和處理，恢復(fù)成與發(fā)端一樣的信號(hào).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(guò)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(cè)器接收來(lái)自用戶的光信號(hào)。若將上述基本結(jié)構(gòu)在通信雙方對(duì)稱配置，就可以得到一個(gè)可以雙向同時(shí)工作的全雙工

8、VLC系統(tǒng)，由該系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡(luò)稱為可見光網(wǎng)絡(luò).在VLC系統(tǒng)中，白光LED具有通信與照明的雙重作用，這是因?yàn)榘坠釲ED的亮度很高，且調(diào)制速率非常高，人的眼睛完全感覺不到光的閃爍。VLC系統(tǒng)大多設(shè)計(jì)成光強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)系統(tǒng)，采用曼徹斯特編碼和00K調(diào)制方式。在IM/DD系統(tǒng)中，由于存在多個(gè)光源，每個(gè)接收機(jī)都會(huì)接收到來(lái)自不同方向的光信號(hào),因而不會(huì)因?yàn)槟硹l光路徑被遮擋而導(dǎo)致通信中斷，保證了通信的可靠性.二、VLC系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)當(dāng)前，LED可見光通信主要包括以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：1）可見光信道研究可見光通信系統(tǒng)具有與紅外無(wú)線通信不同的信道沖激響應(yīng)，兩者具有不同的特性，這兩種系統(tǒng)中引起ISI的原因也不相

9、同，需要對(duì)多光源、時(shí)變信道環(huán)境下的VLC系統(tǒng)的信道沖激響應(yīng)和不同光路徑引起的ISI作深入研究，從而解決ISI的影響.2）碼間干擾克服技術(shù)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(dǎo)致不同的傳輸延遲，光脈沖會(huì)在時(shí)間上延伸，每個(gè)符號(hào)的脈沖將加寬延伸到相鄰符號(hào)的時(shí)間間隔內(nèi)，產(chǎn)生碼間干擾（ISI）,導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化。3）光源的選擇與布局在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中,光源起著至關(guān)重要的作用。作為照明設(shè)備，它必須具有亮度高、散熱小、功耗低、輻射范圍廣等特點(diǎn)。另一方面,作為光通信系統(tǒng)的光源，它必須具有使用壽命長(zhǎng)、調(diào)制性能好、響應(yīng)靈敏度高、發(fā)射功率大等優(yōu)點(diǎn)。綜合以上兩個(gè)方面，目前能滿足要求的最好選擇就是

10、白光LED.實(shí)際系統(tǒng)中，由于各個(gè)房間的大小以及室內(nèi)設(shè)施不盡相同，因而要使通信效果達(dá)到最優(yōu)，須使房間內(nèi)的光強(qiáng)分布大致不變，盡量避免通信盲區(qū)（光照射不到的區(qū)域）的出現(xiàn)。要達(dá)到這個(gè)目的，必須根據(jù)不同的房聞，合理的安排LED燈的布局.4）最佳LED照明燈個(gè)數(shù)在VLC系統(tǒng)中，通常安裝在室內(nèi)的1口燈具有一個(gè)較大的輻射角,以盡可能地覆蓋整個(gè)房間。但是由于行人、設(shè)備等的遮擋,會(huì)在接收機(jī)表面形成“陰影”,影響通信性能。因此就需要將這種“陰影”的影響降至最低。對(duì)于照明來(lái)講，室內(nèi)安裝的照明燈越多，室內(nèi)的亮度就越高,照明效果越好,同時(shí)接收功率也會(huì)大大增加.但是單純地增加LED燈的個(gè)數(shù)，雖然能夠解決“陰影”問(wèn)題,卻并不

11、能使系統(tǒng)的通信性能達(dá)到最佳。這是因?yàn)?不同的光源與接收機(jī)之淵具有不同的光路徑，多個(gè)不同的光路徑會(huì)引起多徑延遲產(chǎn)生碼間干擾。因而可知，LED燈的個(gè)數(shù)越多，ISI越嚴(yán)重，必須合理地選擇LED燈的個(gè)數(shù)。三、室內(nèi)VLC系統(tǒng)室內(nèi)無(wú)線光通信與室外無(wú)線光通信的不同點(diǎn)主要在于兩者的信道不同：室內(nèi)光通信通信的距離不會(huì)很遠(yuǎn),一般在幾米到十幾米的范圍內(nèi)，這樣可以采用發(fā)光二極管，但是要考慮室內(nèi)房頂、墻壁、地面以及其他物品如桌子對(duì)光束的反射和吸收。室外光通信主要是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，信號(hào)的傳輸距離較遠(yuǎn)，一般在百米以上,這樣發(fā)射器就應(yīng)該用光束擴(kuò)散較小的激光器。室內(nèi)無(wú)線光通信系統(tǒng)的鏈路方式有很多種，但是主要根據(jù)以下兩個(gè)特征進(jìn)行區(qū)分

12、:首先就是看發(fā)射機(jī)和接收機(jī)是否定向.所謂定向，其實(shí)是一個(gè)角度問(wèn)題.對(duì)發(fā)射機(jī)來(lái)講，如果其發(fā)射的光束發(fā)散角很小，發(fā)出光束近乎平行，則稱其為定向發(fā)射機(jī)。同樣，如果接收機(jī)的視場(chǎng)角范圍很小,則稱其為定向接收機(jī)。若發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均為定向，接發(fā)兩端對(duì)準(zhǔn)時(shí)就建立了一條鏈路，這條鏈路就稱為定向鏈路。相反,非定向鏈路使用的是大角度的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)。還有一種鏈路混合了定向與非定向的特點(diǎn)，也就是說(shuō)，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)中一個(gè)是非定向的另一個(gè)是定向的，我們稱之為混合鏈路.其次看發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間是否存在未受干擾的視距LOS.視距鏈接中接收機(jī)接收到的光除存在由發(fā)射機(jī)發(fā)出的大角度的光經(jīng)其他物體反射回來(lái)的光外，還存在直接由發(fā)射機(jī)發(fā)

13、射過(guò)來(lái)未經(jīng)反射的光;而非視距間鏈接通常是發(fā)射機(jī)對(duì)著天花板發(fā)射光信號(hào),接收機(jī)接收到的光信號(hào)中不存在直接從發(fā)射機(jī)射過(guò)來(lái)的光.根據(jù)以上分析，可以將室內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)的鏈路方式分為以下幾種：定向式視距鏈路：混合式視距鏈路；非定向式視距鏈路；定向式漫反射鏈路；混合式非視距鏈路；非定向式漫反射鏈路.其結(jié)構(gòu)如圖所示：兩種鏈路比較比較內(nèi)容定向視距鏈路非定向視距鏈路通信速率高中等對(duì)指向要求高低抗障礙物影響能力低高系統(tǒng)移動(dòng)性低高光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜度低中等受背景光影響小大多徑效應(yīng)影響無(wú)有信道損耗低高由于室內(nèi)可見光通信信道與紅外無(wú)線通信信道非常相似，所以對(duì)可見光通信信道的研究可以參考紅外無(wú)線通信信道，在紅外無(wú)線通信系統(tǒng)中,不管

14、是視距方式信道還是非視距方式信道,信道中紅外線的發(fā)射及反射特性常用朗伯輻射源來(lái)近似。由于光信號(hào)的反射、散射及背景光噪聲的影響，紅外無(wú)線數(shù)字信道中存在多徑干擾，這是提高信道質(zhì)量以及進(jìn)行高速率應(yīng)用時(shí)應(yīng)解決的主要問(wèn)題.下圖是室內(nèi)無(wú)線光通信系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)為和h(t)的線性基帶傳輸模型.圖中的信道是一個(gè)簡(jiǎn)單的線性基帶傳輸系統(tǒng),輸入是發(fā)射光x(t)，R是光電探測(cè)器的響應(yīng)效率，h(t)是基帶信道的脈沖響應(yīng)，N(t)是加性白高斯噪聲信號(hào),在信號(hào)輸出端得到的是光電流Y(t)，其表達(dá)式為：Y(t)=RX(t)h(t)+N(t)室內(nèi)無(wú)線光傳輸信道的基帶模型的脈沖響h(t)應(yīng)經(jīng)常用以下形式：這里的an，tn,Bn。分

15、別代表振幅，傳輸延遲和相位洲是多徑信道的徑數(shù).使用沖擊函數(shù)b(t)作為系統(tǒng)的基本函數(shù)。由上面可知光通信信道中的光噪聲主要包含自然噪聲太陽(yáng)光及人為干擾熒光燈燈光等，可以在信息傳輸通道中加入光學(xué)濾光片、聚光鏡等加以解決。它們的作用包括整形、濾波、視場(chǎng)變換、頻段劃分等。例如，可用透鏡對(duì)發(fā)射光進(jìn)行聚焦，利用光學(xué)濾光片濾除雜散光，利用透鏡擴(kuò)大光接收器的視場(chǎng)，還可利用光學(xué)元件進(jìn)行鏈路的頻分復(fù)用等。這些都將有利于提高信道質(zhì)量,滿足信息傳輸需求.第三章VLC的應(yīng)用和展望一、VLC的應(yīng)用可見光通信提供兩個(gè)不同域的結(jié)合功能：LED照明和通信,從而提供新的用LED的通信應(yīng)用。如照明，標(biāo)牌，路燈，汽車,交通信號(hào)等。現(xiàn)

16、實(shí)主要應(yīng)用領(lǐng)域有：1）照明與通信,信息可以在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行廣播，并同時(shí)滿足照明的需求.2）視覺信號(hào)與數(shù)據(jù)傳輸，信號(hào)燈主要通過(guò)顏色的變化來(lái)給人們提供信號(hào)，而將數(shù)據(jù)通信與信號(hào)燈相結(jié)合則可以為交通管理提供更好的安全可靠性。3）顯示與數(shù)據(jù)通信，LED顯示屏通常用于顯示信息，如果將相應(yīng)的信息和數(shù)據(jù)直接傳輸給用戶手持終端，將會(huì)提供很大便利，在火車站、機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)所有著巨大的應(yīng)用前景。4）室內(nèi)定位,可見光通信可以將用戶的位置信息通過(guò)照明設(shè)施來(lái)進(jìn)行傳遞,較傳統(tǒng)衛(wèi)星定位更為精準(zhǔn)。二、VLC的展望LED可見光通信并非實(shí)驗(yàn)室里的“寵物”，它已經(jīng)逐漸實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。2013年10月，哈斯教授創(chuàng)立的PureLiFi公司向美國(guó)

17、一家醫(yī)療機(jī)構(gòu)售出第一套LiFi設(shè)備，價(jià)值5000歐元，這場(chǎng)交易標(biāo)志著LiFi的實(shí)用商業(yè)價(jià)值正式被認(rèn)可.2013年5月，清華大學(xué)與勤上光電簽訂了LED無(wú)線光通信項(xiàng)目，并于同年11月合作成功研發(fā)出LiFi通信手機(jī)版樣品，預(yù)計(jì)最終達(dá)到iPhone大小和輕薄的程度，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化。2013年10月，復(fù)旦大學(xué)又傳出好消息，LED可見光通信技術(shù)在其計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)現(xiàn).研究人員將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接入一盞1W的1口燈珠，燈光下的4臺(tái)電腦即可上網(wǎng)，最高速率可達(dá)3。25G，平均上網(wǎng)速率達(dá)到150M，堪稱世界最快的“燈光上網(wǎng)”。一時(shí)間，“復(fù)旦大學(xué)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)燈上網(wǎng)”的消息不脛而走。隨后，有關(guān)可見光通信技術(shù)的消息就如潮水

18、般涌來(lái)，LiFi徹底火了一把。順應(yīng)可見光通信的快速發(fā)展，我國(guó)國(guó)內(nèi)各種投資、推廣也一應(yīng)展開。2013年9月，珠海華策集團(tuán)斥巨資20億元研究1口白光通信;2013年12月，重慶成為可見光技術(shù)推廣應(yīng)用試點(diǎn)城市；同月，江寧開發(fā)區(qū)中國(guó)無(wú)線谷的移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專家表示，可見光通信技術(shù)應(yīng)用設(shè)備明年有望在江寧開發(fā)區(qū)產(chǎn)業(yè)化。上面的一系列成果都昭示著可見光通信前景可期，但是新技術(shù)的開發(fā)和推廣并不總是一帆風(fēng)順，LiFi雖然優(yōu)點(diǎn)多多，卻也會(huì)面臨諸多技術(shù)難題.比如：白天關(guān)燈了怎么上網(wǎng)？可見光無(wú)法穿透物體,如果燈光被阻擋，信號(hào)就將被切斷怎么辦？數(shù)據(jù)回傳難怎么解決?除此之外，LED燈珠帶寬很窄，約20MHz,而且有很強(qiáng)的非線性效應(yīng).探測(cè)器也不是專為可見光波段設(shè)計(jì)，藍(lán)光不是最敏感頻段.所以在材料、器件、封裝、模塊等方面都需要做一系列研究.所以可見光通