LED可見光通信簡介

可見光通信技術是一種在白光LED發(fā)明及應用后發(fā)展起來的新興的無線光通信技術。LED不僅可以提供室內(nèi)照明，而且可以應用到無線光通信系統(tǒng)中滿足室內(nèi)個人網(wǎng)絡需求。

可見光通信的工作原理

可見光通信技術是指利用半導體（LED）器件高速點滅的發(fā)光響應特性，將LED發(fā)出的用肉眼察覺不到的高速速率調(diào)制的光載波信號來對信息進行調(diào)制和傳輸，然后利 用光電二極管等光電轉(zhuǎn)換器件接收光載波信號，并獲得信息使可見光通信與LED照明 相結(jié)合構(gòu)建出LED照明和通信兩用基站燈，它是一種在白光LED技術上發(fā)展起來的 新興的無線光通信技術f61。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，特別是其響應靈敏度非常高，園此可以用來進行超高速數(shù)據(jù)通信。

可見光數(shù)據(jù)通信發(fā)射端是根據(jù)傳遞資料將電信號變調(diào)，再利用LED轉(zhuǎn)換成光信號 發(fā)送出去，接收端利用受光元件接收光信號，再將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過解調(diào)當 成信號資料讀取。在波長方面因為是采用可見光，所以波長從藍光的380nm一直到紅 光的780nm范圍”J。

傳統(tǒng)的光通信是利用不可見光來進行通信傳輸，大多是采用波長較長的紅外光， 在這一部份，已經(jīng)相當成熟．而相匹配的標準也廣被業(yè)界所采用。可見光數(shù)據(jù)通信會 限制收信區(qū)域，LED點光源可見光無線通信器完全排除傳統(tǒng)高頻無線電磁波對人體與 周邊電子機器干擾的疑慮，非常適合應用在道路誘導、展示導游、智能型道路交通系 統(tǒng)OTS）、醫(yī)院、室內(nèi)信息傳輸?shù)认薅臻g的資料傳輸?shù)阮I域。

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可見光通信的發(fā)展

可見光通信的起源最早可追溯到19世紀70年代，當時Alexander Graham Bell提出采用可見光為媒介進行通信，但是當時既不能產(chǎn)生一個有用的光載波，也不能將光 從一個地方傳到另外一個地方。到1960年激光器的發(fā)明，光通信才有了突破性的發(fā)展， 但研究領域基本上集中在光纖通信和不可見光無線通信領域。直到近幾年，被譽為“綠 色照明”的半導體（LED）照明技術發(fā)展迅猛，利用半導體（LED）器件高速點滅的發(fā)光響應 特性，將信號調(diào)制到LED可見光上進行傳輸，使可見光通信與LED照明相結(jié)合構(gòu)建 出LED照明和通信兩用基站燈，可為光通信提供一種全新的寬帶接入方式。隨著白光 LED的迅速發(fā)展。可見光通信也逐漸發(fā)展起束櫸i。

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 目前主要應用在智能交通系統(tǒng)（ITS：Intelligent Transportation Systems） ，香港大學G．Pang等人在1998年提出了利用LED交通指示燈為車輛傳輸語音廣播信號，將語音 信號通過OOK調(diào)制加至LED光源，實現(xiàn)了低速的無線LED可見光傳輸。中川研究 室的科研人員在2003年提出了LED公路照明通信系統(tǒng)IluJ。G．Pang等人只對利用LED 交通燈進行語音傳輸展開研究，中川研究室的科研人員則在LED公路照明通信系統(tǒng)中 分析了在不同的接收方向角和視場角下信噪比的好壞，以及在一定誤碼率下信嗓比和 接收數(shù)據(jù)率的關系，認為LED可見光公路照明通信系統(tǒng)優(yōu)于紅外公路交通通信系統(tǒng)。

隨著智能交通系統(tǒng)研究的深入，又出現(xiàn)了LED交通燈、汽車前后LED燈之間構(gòu)成的 交通燈至汽車和汽車前燈至汽車尾燈這兩類可見光通信系統(tǒng)。

室內(nèi)LED可見光無線通信技術主要應用在室內(nèi)無線寬帶接入網(wǎng)中，2000年，中川 研究室的研究人員TanakaYuichi等就基于室內(nèi)白光LED通信光源的可見光通信系統(tǒng)的 信道進行了初步的數(shù)學分析和模擬計算，分析了白光LED照明燈用作室內(nèi)照明用途的 同時作為通信光源的可能性。其后的研究也都是類似的理論分析報道。但是已有的研 究多針對LED照明光源布局設計，基于白光LED照明光源的可見光通信系統(tǒng)的整體 設計分析還不完善。

2003年lO月成立的可見光通信聯(lián)合體（VLCC：Visible Light CommunicationsConsortium），成立初期以加盟企業(yè)為主要對象，VLCC針對可見光通信技術的標準化 與應用普及化進行各種工作小組活動，至2007年1月為提升可見光通信知名度，包含 東芝等公司在內(nèi)有23家會員公司正式展開工作小組活動，具體內(nèi)容分別是攜帶終端、 光卷標（Tag）的檢討，并成立可見光ID標準化工作小組。可見光通信是照明器具與看板 等周邊設備常用的通信技術，為了使可見光通信普及化，必需建立各種終端機器都能 夠應用的標準化規(guī)范，目前VLCC已經(jīng)制定兩種規(guī)范，分別是可見光通信系統(tǒng)規(guī)范VLCC．STD．001及低速通信可見光ID用規(guī)范VLCC．STD．003。

適用范圍是對以可見光 當作媒體的通信系統(tǒng)，尤其是系統(tǒng)分成物理層與應用上位層時，規(guī)定物理層部份適用 范圍，包括接收端的發(fā)光元件、接收端的受光元件與發(fā)光元件的自由空間界面f”。 2004年10月在日本干葉召開的影像、信息及通信的綜合展會（CEATEC）l-，由國際可見光通信協(xié)會的多家成員所進行的一系列展示活動，向世人證實了采用基于LED 的照明來向手持式和車載計算裝置傳送高速數(shù)據(jù)所擁有的諸多好處。將數(shù)據(jù)添加到隨 處可見的照明設備（包括帶照明的標志、交通信號燈及室內(nèi)照明設備）所產(chǎn)生的可見 光，然后通過擴充RF技術而為人們營造一個更加廣闊的無線通信世界。

室內(nèi)LED可見光通信的關鍵技術

VLC作為一種無線的光通信方式，其系統(tǒng)包括下行鏈路和上行鏈路兩部分。下行 鏈路包括發(fā)射和接收兩部分。其發(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?shù)碾娦盘柕妮斎牒吞幚黼娐贰㈦娦盘栕兓{(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。

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，然后對電信號進行放大和處 理，恢復成與發(fā)端一樣的信號。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 VLC系統(tǒng)，由該系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡稱為可見光網(wǎng)絡。

在VLC系統(tǒng)中，白光LED具有通信與照明的雙重作用，這是因為白光LED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)大多設計成 光強度調(diào)制／直接檢測系統(tǒng)，采用曼徹斯特編碼和00K調(diào)制方式。在 IM／DD系統(tǒng)中，由于存在多個光源，每個接收機都會接收到來自不同方向的光信號， 因而不會因為某條光路徑被遮擋而導致通信中斷，保證了通信的可靠性。

當前，LED可見光通信主要包括以下幾個方面的關鍵技術：

1）可見光信道研究

可見光通信系統(tǒng)具有與紅外無線通信不同的信道沖激響應，兩者具有不同的特性， 這兩種系統(tǒng)中引起ISI的原因也不相同，需要對多光源、時變信道環(huán)境下的VLC系統(tǒng) 的信道沖激響應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

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不同的傳輸延遲，光脈沖會在時間上延伸，每個符號的脈沖將加寬延伸到相鄰符號的時間間隔內(nèi)， 產(chǎn)生碼間干擾（ISI），導致系統(tǒng)性能惡化Ⅲ1。

3）光源的選擇與布局

在可見光通信系統(tǒng)中，光源起著至關重要的作用。作為室內(nèi)照明設備，它必須具有亮度高、散熱小、功耗低、輻射范圍廣等特點。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、調(diào)制性能好、響應靈敏度高、發(fā)射功率大等優(yōu)點。綜合以上 兩個方面，目前能滿足要求的最好選擇就是白光LED。實際系統(tǒng)中，由于各個房間的 大小以及室內(nèi)設施不盡相同，因而要使通信效果達到最優(yōu)，須使房間內(nèi)的光強分布大 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)。要達到這個目的，必須根據(jù)不 同的房聞，合理的安排LED燈的布局。

4）最佳LED照明燈個數(shù)

在VLC系統(tǒng)中，通常安裝在室內(nèi)的LED燈具有一個較大的輻射角，以盡可能地 覆蓋整個房間。但是由于行人、設備等的遮擋，會在接收機表面形成“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。對于照明來講，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，同時接收功率也會大大增加。但是單純 地增加LED燈的個數(shù)，雖然能夠解決“陰影”問題，卻并不能使系統(tǒng)的通信性能達到最 佳。這是因為，不同的光源與接收機之淵具有不同的光路徑，多個不同的光路徑會引起多徑延遲產(chǎn)生碼間干擾。因而可知，LED燈的個數(shù)越多，ISI越嚴重，必須合理地選 擇LED燈的個數(shù)。

5）調(diào)制、編碼以及解調(diào)技術

目前可見光通信系統(tǒng)大多采用強度調(diào)制（IM）的直接檢測（DD）非相干系統(tǒng)，編碼方式大多為二進制OOK（開關鍵控）編碼。但由于OFDM可以有效地對抗多徑傳播所造成 的符號間干擾，其實現(xiàn)復雜度比采用均衡器的單載波系統(tǒng)小很多。因此采用OFDM調(diào) 制技術具有良好的發(fā)展觸景。