-賴俊-傅玉青-可見光通信概述

1、可見光的通信研究賴俊可見光的通信研究華僑大學(xué)工學(xué)院專業(yè)：光電子 年級：2011級 姓名：賴俊 學(xué)號：1195121016摘要 本文介紹了全球可見光通信的研究現(xiàn)狀，并針對可見光通信研究中存在的問題提出了未來可見光通信的研究趨勢。文章認為可見光通信能夠同時實現(xiàn)照明與通信的功能，具有傳輸數(shù)據(jù)率高、保密性強、無電磁干擾、無需頻譜認證等優(yōu)點，已經(jīng)成為世界范圍的研究熱點。文章指出可見光通信在未來的通信領(lǐng)域中將會占據(jù)重要的地位，并將大大地推動信息化社會的發(fā)展。關(guān)鍵詞 發(fā)光二級管 可見光通信 正交頻分復(fù)用 Visible Light CommunicationLAI JUN1195121016,Major,2

2、011 College of Optoelectronics Huaqiao UniversityAbstract: In this paper, we review the status of visible light communication and discussresearch trends in this field. We suggest that illumination and communication can be achieved simultaneously, and this has the advantages of high bitrates, enhance

3、d security, abundant spectrum resource, and no electromagnetic interference. Visible light communication will be an important part of future communication, and will greatly promote the development of information society.Key words: Light-emitting diode (LED); visible light communication; orthogonal f

4、requency division multiplexing (OFDM)II 目錄目 錄第一章 可見光通信概述11.1 什么是VLC11.2 VLC的工作原理2第二章 可見光通信的研究現(xiàn)狀32.1 國際上的相關(guān)研究現(xiàn)狀32.2 中國的研究現(xiàn)狀4第三章 VLC的特點63.1 VLC與光纖通信相比63.2 VLC與WIFI相比63.2.1 資源63.2.2 功耗63.2.3 抗電磁干擾63.3 VLC與紅外通信相比6第四章 可見光通信調(diào)制方式74.1 調(diào)制方式74.1.1 OOK調(diào)制74.1.2 DPIM調(diào)制74.1.3 CAP調(diào)制74.2 性能研究84.2.1 帶寬需求84.2.2 平均發(fā)射功

5、率8第五章 可見光通信的應(yīng)用領(lǐng)域105.1 照明與通信105.2 視覺信號與數(shù)據(jù)傳輸105.3 顯示與數(shù)據(jù)通信105.4 室內(nèi)定位10總結(jié)11參考文獻125 第一章 可見光通信概述第一章 可見光通信概述在生活中，人們可以使用多種無線通信技術(shù)輕松地在任何時間、任何地點通過無線網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)。醫(yī)院和飛機等特殊場所卻禁止使用無線接入網(wǎng)絡(luò)，這是因為射頻信號對儀器有干擾，可能引發(fā)災(zāi)難或威脅生命。所以無線通信無縫覆蓋技術(shù)及其資金難題、無線移動用戶增加及其傳輸信息量呈幾何增長等問題越來越突出，網(wǎng)絡(luò)頻段資源枯竭，網(wǎng)絡(luò)干擾以及網(wǎng)絡(luò)安全等問題也日益嚴(yán)峻，可見光通信(visible light communicat

6、ion , VLC)技術(shù)可解決以上問題。1.1 什么是VLC可見光通信技術(shù)是指利用可見光波段的光作為信息載體，不使用光纖等有線信道的傳輸介質(zhì)，而在空氣中直接傳輸光信號的通信方式。LED可見光通信是基于可見光發(fā)光二極管比熒光燈和白熾燈切換速度快的特點，利用配備LED的室內(nèi)外大型顯示屏、照明設(shè)備、信號器和汽車前尾燈等發(fā)出的用肉眼觀察不到的高速調(diào)制光波信號來對信息調(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。無論應(yīng)用于室內(nèi)還是室外的可見光LED通信系統(tǒng)，在其物理實現(xiàn)上均分為光信號發(fā)射和光信號接收兩部分。光信號發(fā)射部分包括：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?/p>

7、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。光信號接收部分包括：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。圖1.1 可見光通信結(jié)構(gòu)圖1.2 VLC的工作原理基本原理：LED發(fā)光是一閃一閃的，因為閃動頻率極高，我們的肉眼“功能”太差分辨不出來，這種閃動其實就是一種開、關(guān)過程，LED這一開一關(guān)就可以承擔(dān)發(fā)送信息的任務(wù)了，比如，開就代表“1”，關(guān)就代表“ 0”，通過信息編碼也就是0與1的各種組合，就可以通過燈光來傳遞了。燈光在空氣中傳輸就類似于光纖通信中信息在光纖中傳輸一樣，這就是LED可見

8、光通信的基本原理。LED作為半導(dǎo)體器件，這種高速的亮滅也就是開關(guān)的通斷能力是它的特性，而普通的燈具如日光燈、白熾燈因為在亮滅的變化過程中非常容易被損壞，且亮滅變化動作太慢，因而不具備這種通信功能。而LED燈則非常適合做可見光通信的光源，在照明的同時實現(xiàn)較高速率的光通信。第二章 可見光通信的研究現(xiàn)狀 第二章 可見光通信的研究現(xiàn)狀 白光發(fā)光二極管面世后，發(fā)光效率逐步提高，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步顯示擴展到照明。與傳統(tǒng)的照明設(shè)備相比，白光LES具有驅(qū)動電壓低、功耗低、使用壽命長等優(yōu)點，是一種綠色環(huán)保的照明器件，被視為第四代節(jié)能環(huán)保型照明設(shè)備。由圖2.1可以看出，LED在全球照明市場中所占據(jù)的比重正逐年遞增?？?/p>

9、見光通信就是發(fā)展在白光LED技術(shù)發(fā)展起來的新型的無線光通信技術(shù)。圖2.1 LED照明占全球市場份額的估測2.1 國際上的相關(guān)研究現(xiàn)狀由于可見光系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景，它在未來通信領(lǐng)域中占有重要的地位和價值，因此很多研究機構(gòu)和電信運營公司加入到無線光通信的研究領(lǐng)域中來，特別是日本、歐洲、美國等國家在可見光通信的領(lǐng)域已經(jīng)投入了大量的人力、物力以及財力?？梢姽馔ㄐ诺难芯孔钤缭谌毡鹃_展。早在2000年，中川研究室的Tannaka Ynichi等人就對基于白光LED的可見光通信信道進行了初步的數(shù)學(xué)分析和仿真計算，分析了白光LED作為室內(nèi)照明和通信光源的可能性。2002年，中川研究室的研究人員又對可見光通

10、信系統(tǒng)展開了具體的分析，包括光源屬性、信道模型、噪聲模型、室內(nèi)不同位置的信噪比分布等。2003年，在中川正雄的倡導(dǎo)下，日本可見光通信聯(lián)合體（VLCC）成立，并吸引了一大批研究單位及企業(yè)參與。VLCC關(guān)于可見光通信的研究范圍比較寬廣，根據(jù)具體的應(yīng)用場景可分為室內(nèi)移動通信、可見光定位、可見光無線局域網(wǎng)接入、交通信號燈通信、水下可見光通信等。VLCC在可將光通信研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大的成就，例如Sam sung公司展出過工作距離為1M的100Mbit/s雙向可見光通信系統(tǒng)。歐洲的OMEGA計劃也對可見光通信展開了深入的研究。OMEGA計劃由歐洲的20多家大學(xué)科研單位和企業(yè)組成，它的目標(biāo)是發(fā)展出一種全

11、新的能夠提供寬帶和高速服務(wù)的室內(nèi)接入網(wǎng)路。OMEGA計劃把可見光通信技術(shù)列為重要的高速接入技術(shù)之一，并且已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。2011年，德國、挪威、以色列與美國等共同成立Li-Fi聯(lián)盟，進行航天系統(tǒng)中的連網(wǎng)研究，利用VLC技術(shù)實現(xiàn)飛行時的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。2012年，在英國工程與自然研究理事會（EPSRC）的資助下，英國、美國科學(xué)家開展“超并行可見光通信（UP-VLC）”項目，探索自由空間和空間復(fù)用導(dǎo)波VLC的實施方案。柏林的研究機構(gòu)海因里希赫茲研究所與西門子合作進行高速VLC技術(shù)研究，于2012年利用DMT技術(shù)，采用RGB-LED的發(fā)射機、基于PIN的接收機，實現(xiàn)了單信道806Mb/s（紅

12、光信道）的傳輸速率。在基于VLC技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)方面，2012年，Casio開發(fā)出了一款新的蘋果應(yīng)用程序“Picapicamera”，利用可見光技術(shù)用戶之間可以即時分享拍攝的照片。2.2 中國的研究現(xiàn)狀我國對VLC的研究起步較晚。2006年，暨南大學(xué)的陳長纓團隊從室內(nèi)經(jīng)典模型對VLC系統(tǒng)進行了分析，并于2008年研制出首臺白光LED可見光通信樣機，傳輸距離大于2.5m。隨后，國內(nèi)各高校、研究機構(gòu)都對VLC進行了大量的理論與實驗研究。2013年臺灣的Wu Fang-Ming等人采用CAP調(diào)制結(jié)合WDM技術(shù)實現(xiàn)了高達3.22Gb/s的傳輸速率。同年，復(fù)旦大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院傳出好消息，一種利用屋內(nèi)

13、可見光傳輸網(wǎng)絡(luò)信號的國際前沿通訊技術(shù)在實驗室成功實現(xiàn)。研究人員將網(wǎng)絡(luò)信號接入一盞1W的LED燈珠，燈光下的4臺電腦即可上網(wǎng)，最高速率可達3.25G，平均上網(wǎng)速率達到150M，堪稱世界最快的“燈光上網(wǎng)”。東莞勤上光電股份有限公司微博自曝，在2013年5月與清華大學(xué)簽訂了可見光通信和定位領(lǐng)域的合作協(xié)議。目前，已成功研發(fā)出Lifi通信手機版樣品，預(yù)計最終達到iphone大小和輕薄的程度即可實現(xiàn)市場化。第三章 VLC的特點 第一章 相干光通信技術(shù)第三章 VLC的特點第三章 VLC的特點 VLC技術(shù)結(jié)合了光通信和無線通信兩大技術(shù)的優(yōu)點。3.1 VLC與光纖通信相比大家熟知的光纖通信，得拉線、布網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)

14、建復(fù)雜、耗時。而VLC借用照明網(wǎng)絡(luò)中的照明燈進行通信，只要在有LED照明范圍內(nèi)的自由空間就可以實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信。無需另搭系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方便、快捷、靈活。在應(yīng)急情況可發(fā)揮巨大優(yōu)勢，如地震通信等場合。3.2 VLC與WIFI相比3.2.1 資源現(xiàn)有的移動通信所能使用的射頻頻帶越來越緊張，而VLC利用的載波是可見光，可使用的頻帶資源非常豐富（THz），并且這些頻帶是不需要認證的，可以立即使用。3.2.2 功耗目前的無線電信號傳輸設(shè)備存在很多局限性，它們稀有、昂貴、但效率不高，比如手機，全球數(shù)百萬個基站幫助其增強信號，但大部分能量卻消耗在冷卻上，效率只有5%。相比之下，全世界使用的燈泡卻取之不盡，尤其

15、在國內(nèi)LED光源正在大規(guī)模取代傳統(tǒng)白熾燈。只要在任何不起眼的LED燈泡中增加一個微芯片，便可讓燈泡變成無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射器。網(wǎng)絡(luò)設(shè)置幾乎不需要任何新的基礎(chǔ)設(shè)施。3.2.3 抗電磁干擾WiFi依賴看不見的無線電波傳輸，設(shè)備功率越來越大，局部電磁輻射勢必增強，容易對其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，不適宜在電磁敏感區(qū)使用。而VLC不存在電磁干擾，可應(yīng)用于飛機、醫(yī)院等特殊場合。3.3 VLC與紅外通信相比紅外通信的光源其實也包括LED，只是它發(fā)出的光是人眼不可見的紅外光，而照明LED發(fā)出的光是可見光，所以，可見光通信比紅外線（光）通信對人眼睛的安全性要高些。 13 第四章 可見光通信調(diào)制方式第四章 可見光通信調(diào)制方式

16、 調(diào)制帶寬表征LED的調(diào)制能，是LED用于VLC的一個重要參數(shù)和衡量一個系統(tǒng)的重要的指標(biāo)。LED的響應(yīng)頻率決定了VLC系統(tǒng)的調(diào)制帶寬，直接關(guān)系到數(shù)據(jù)傳輸速率的大小。調(diào)制帶寬越寬，數(shù)據(jù)傳輸速率越大。如何借助復(fù)雜度不高的驅(qū)動電路以及其它技術(shù)（如收發(fā)端均衡）來最大限度的提升LED的頻率響應(yīng)、拓展其帶寬是實現(xiàn)高速VLC必須要解決的難題之一。4.1 調(diào)制方式4.1.1 OOK調(diào)制在OOK方式中，每個信息位時隙內(nèi)的光脈沖都有明暗兩種狀態(tài)，分別表示二進制的“1”和“0"，利用光信號的通斷來傳輸信息，這是調(diào)制光信號最基本的形式，只需光源閃爍即可編碼。在PPM方式中，將所傳輸?shù)亩M制信息比特進行分組調(diào)

17、制，將每組相同的M比特信息所占據(jù)的時間段劃分為長度相等的2M個時隙，分別用這個2M時隙段上的某一個時隙處的脈沖信號的組合代表2M種比特信息組合，這種調(diào)制方式在本質(zhì)上是一種相位調(diào)制。4.1.2 DPIM調(diào)制在DPIM調(diào)制中，每個符號所對應(yīng)的時隙數(shù)是不固定的，它是一種脈沖間隔調(diào)制，由兩個連續(xù)的光脈沖之間所包含的時隙數(shù)來傳遞信息。每個符號都是以一個脈沖信號開始，后加k+1(k為符號所表示的十進制數(shù)，1為一個保護時隙)個空時隙代表所傳輸?shù)亩M制信息。4.1.3 CAP調(diào)制CAP（Carrierless Amplitude and Phase，無載波和幅度）調(diào)制方式是一種多維多階的調(diào)制技術(shù)，可在有限帶寬

18、的條件下實現(xiàn)高頻譜效率的高速傳輸。特點：CAP調(diào)制采用兩個相互正交的數(shù)字濾波器 ，無需電或光的復(fù)數(shù)信號到實數(shù)信號的轉(zhuǎn)換，從而不需要采用DFT變換，極大地減少了計算復(fù)雜度和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在VLC中具有很大的應(yīng)用價值。2013年臺灣的Wu Fang-Ming等人就采用CAP調(diào)制技術(shù)結(jié)合WDM實現(xiàn)了高達3.22Gb/s的傳輸速率，傳輸距離為0.25m。4.2 性能研究4.2.1 帶寬需求帶寬通常用功率譜密度的主瓣寬度來估計，由于光脈沖信號的時隙寬度較窄，因此可以用脈沖寬度的倒數(shù)來近似表達帶寬大小。在信源比特率相同且為Rb的條件下，當(dāng)調(diào)制階數(shù)為M時，假設(shè)OOK調(diào)制的時隙寬度為OOK，則所需帶寬BOOK=

19、1OOK= Rb，同理可得PPM時隙寬度為M2MOOK，DPIM 平均時隙寬度為2M2M+3OOK。4.2.2 平均發(fā)射功率假設(shè)峰值功率為Ps且二進制信息比特的“0”和“1”等概率出現(xiàn)，比較各調(diào)制方式下的平均發(fā)射功率。若將平均功率簡單定義為發(fā)射“1”的概率乘以發(fā)射功率，假設(shè)OOK的平均發(fā)射功率為POOK，則POOK=0.5Ps。同理，其余四種調(diào)制方式的平均發(fā)射功率如表 4.1所示。表 2 給定發(fā)射功率 Ps時，各調(diào)制方式的平均發(fā)射功率圖4.1為各調(diào)制方式的平均發(fā)射功率圖。可以看出，對于OOK，PPM，DPIM和DH-PIM調(diào)制方式，隨著調(diào)制階數(shù)M的增加，系統(tǒng)的平均發(fā)射功率越來越小且逐漸趨于零；

20、而RDH-PIM 隨著調(diào)制階數(shù) M 的增加其平均功率趨于恒定值 2；當(dāng)調(diào)制階數(shù)相等時，RDH-PIM的發(fā)射功率遠遠高于其他方式，可以獲得最優(yōu)的照明光效率。圖4.1 四種調(diào)制方式的平均發(fā)射功率比較第五章 可見光通信的應(yīng)用領(lǐng)域第五章 可見光通信的應(yīng)用領(lǐng)域可見光通信由于具有眾多的優(yōu)點，因此在很多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。5.1 照明與通信白光 LED 可以同時被用于照明與通信，因此信息可以在室內(nèi)環(huán)境下進 行 廣 播，并 同 時 滿 足 照 明 的 需求。此外，可見光通信還可以實現(xiàn)手持終端之間的點對點通信，由于發(fā)散角較小，因此可以有效地降低傳輸損耗，實現(xiàn)高速通信。5.2 視覺信號與數(shù)據(jù)傳輸信號燈在航海和

21、地面交通等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，它通過顏色的變化來給人們提供信號，而將數(shù)據(jù)通信與信號燈相結(jié)合則可以為交通管理提供更好的安全性和可靠性。目前，基于可見光通信的信號燈已有若干演示系統(tǒng)，如將數(shù)據(jù)由交通燈傳遞給汽車，或?qū)?shù)據(jù)在汽車與汽車之間傳遞等。5.3 顯示與數(shù)據(jù)通信LED 陣列常常被用于信息顯示，如廣告牌、信息板等。若將相應(yīng)的信息調(diào)制到這些 LED 陣列上，則可便捷地將數(shù)據(jù)傳遞給用戶手持終端。這種顯示與通信相結(jié)合的系統(tǒng)在機場、博物館等場所有著巨大的應(yīng)用前景。5.4 室內(nèi)定位傳統(tǒng)的衛(wèi)星定位方法很難實現(xiàn)室內(nèi)移動用戶的精確定位，而可見光通信則可以將用戶的位置信息通過LED 照明設(shè)施來進行傳遞，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)的室內(nèi)定位。目前，基于可見光通信的諸多室內(nèi)定位方案已經(jīng)被提出，日本的 VLCC 則已經(jīng)實現(xiàn)了基于超市環(huán)境下的室內(nèi)定位實驗。目錄總結(jié)總結(jié)本文首先對可見光通信進行了粗略的概述，可見光通信技術(shù)是指利用可見光波段的光作為信息載體，不使用光纖等有線信道的傳輸介質(zhì)，而在空氣中直接傳輸光信號的通信方式。LED可見光通信是基于可見光發(fā)光二極管比熒光燈和白熾燈切換速度快的特點，利用配備LED的室內(nèi)外大型顯示屏、照明設(shè)備、信號器和汽車前尾燈等發(fā)出的用肉眼觀察不到的高速調(diào)制光波信號來對信息調(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