收稿日期:2006-01-05. 基金项目:陕西省/火矩计划0项目(2002HK52);陕西省教育厅科技资助项目(04JK247).
动态综述可见光通信及其关键技术研究丁德强1,2,柯熙政1(1.西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048;2.西安通信学院,陕西西安710106)
摘 要: 可见光通信系统采用白光发光二极管(LED)作为光源,因而系统具有通信与照明的双重作用,极大地节约了能源。描述了可见光通信的结构与特点,对可见光通信的一些关键技术做了简单的研究,并介绍了可见光通信的发展动态。关键词: 可见光通信;白光LED;视场;码间干扰中图分类号:TN929.11 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2006)02-0114-04
VisibleLightCommunicationandResearchonItsKeyTechniquesDINGDe-qiang1,2,KEX-izheng1(1.SchoolofAutomation&InformationEngineering,XipanUniversityofTechnology,Xipan710048,CHN;2.XipanCommunicationCollege,Xipan710106,CHN)
Abstract: Thevisiblelightcommunication(VLC)isakindofopticalwirelesscommunicationthatusesthewhiteLEDs.InVLCsystem,whiteLEDsareusednotonlyastheilluminatorintherooms,butalsoasthesourceofthecommunicationsystem.Theconfiguration,characteristicsandkeytechniquesofvisiblelightcommunicationaredescribed.ThedevolopmentstatusinthefieldofVLCisintroduced.Keywords: visiblelightcommunication;whiteLED;fieldofview;intersymbolinterference
1 引言高亮度白光发光二极管(LED)面世后,随着光效的逐步提高,其应用从显示领域逐步扩展到照明领域,并且发展迅速。与传统的照明设备相比,白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点,被视为第四代节能环保型照明产品[1]。白光LED的另外一个突出优点是响应灵敏度非常高,因此可以用LED进行超高速数据通信。可见光通信(visiblelightcommunication,VLC)是一种在白光LED技术上发展起来的新兴的光无线通信技术。与传统的射频通信和其他光无线通信相比,可见光通信具有发射功率高、无电磁干扰、节约能源等优
点,因而可见光通信技术具有极大的发展前景,已引起人们的广泛关注和研究[2,3]。
2 基本结构及其特点图1所示为可见光通信在办公室内的典型应用配置图。可见光通信作为一种无线的光通信方式,其系统包括下行链路(downlink)和上行链路(uplink)两部分。下行链路包括发射和接收两部分。其发射部分主要由白光LED光源和相应信号处理单元组成,白光LED光源发出的已调制光以很大的发射角在空间中朝各个方向传播。由于室内不受强背景光和天气的影响,光传播基本上不存在损耗,但是由于LED光源个数较多,且具有较大的表面积,因而在发射机和接收机之间存在若干条不同的光路径,不同的光路径到达接收机的时间不同,将引起所谓的码间干扰(ISI)。由于白光LED光源发出的是
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SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICS Vol.27No.2Apr.2006可见光,且发散角较大,对人眼睛基本无害,因而发射端可以具有较大的发射功率,使得系统的可靠性大大提高。该系统的接收部分主要由光电检测器(PD)和相应信号处理单元组成。室内的光信号被光电检测器转换为电信号,然后对电信号进行放大和处理,恢复成与发端一样的信号。该系统的上行链路与下行链路的组成除了使用的光源不同外,其它基本一样。上行链路采用的光源仍然由白光LED组成,只不过发射面积较小,且具有较小的发射角(光束经过简单准直,类似于手电筒),天花板上安装的光电检测器接收来自用户的光信号。若将上述基本结构在通信双方对称配置,就可以得到一个可以双向同时工作的全双工VLC系统,由该系统组成的网络称为可见光网络。在VLC系统中,白光LED具有通信与照明的双重作用,这是因为白光LED的亮度很高,且调制速率非常高,人的眼睛完全感觉不到光的闪烁。由于实现简单,VLC系统大多设计成光强度调制/直接探测(IM/DD)系统,采用曼彻斯特编码和OOK(on-off-keying)调制方式。在IM/DD系统中,由于存在多个光源,每个接收机都会接收到来自不同方向的光信号,因而不会因为某条光路径被遮挡而导致通信中断,保证了通信的可靠性。与普通光无线通信和射频通信相比,可见光通信具有以下突出优点:(1)可见光对人类非常安全。可见光通信系统可以使用家庭或办公室的高压照明灯发送数据;(2)可见光通信无处不在。用于通信的照明灯可以安装在任何地方,通过照明灯,可以很方便地实现高速无线数据通信;(3)发射功率高。对于普通光无线通信,由于受到人眼睛安全的限制,发射功率很低,系统性能受到严重限制。对于射频通信,射频信号对人体有害,也不能无限制地增加发射功率。在VLC系统中,由于发射的是可见光,故发射功率较高;图1 系统组成框图 (4)无需无线电频谱证。由于受无线电频谱管制,可用的无线电频率非常有限;(5)无电磁干扰。可以用于医院、飞机和空间站等对电磁干扰严格限制的场合。
3 关键技术研究3.1 光源在可见光通信系统中,光源起着至关重要的作用。作为室内照明设备,它必须具有亮度高、散热小、功耗低、辐射范围广等特点。另一方面,作为光通信系统的光源,它必须具有使用寿命长、调制性能好、响应灵敏度高、发射功率大等优点。综合以上两个方面,目前能满足要求的最好选择就是白光LED。目前,商品化的大功率白光LED功率已经达到5W,发光效率也已经达到50lm/W,其发光效率(流明效率)已经超过白炽灯,正向荧光灯逼近[4]。白光LED的光效超过100lm/W并达到200lm/W(可以完全取代现有的照明设备)可望在不久的将来即可实现。3.2 光源布局实际系统中,由于各个房间的大小以及室内设施不尽相同,因而要使通信效果达到最优,须使房间内的光强分布大致不变,尽量避免通信盲区(光照射不到的区域)的出现。要达到这个目的,必须根据不同的房间,合理的安排LED灯的布局。以一房间为例,该房间尺寸为5.0m@5.0m@3.0m(长@宽@高),设终端设备均放置在高度为0.85m的桌子上。系统各种参数如表1所示。LED灯由白光LED阵列组成,共3600(60@60)只。LED灯中心发射功率为20mW。接收机FOV(field-of-view)为60b,探测器PD的表面积为1.0cm2,光电转换效率为0.53A/W,光滤波器的增益为1.0。以4只LED灯为例,在房间内的两种布局如图2所示。通过仿真,高度为0.85m的水平面上的接收光功率P分布如图3(a)、(b)所示。从图中可以看出,布局A的接收功率最大值为6.47dBm,最小值为-5.3dBm,布局B的接收功率范围为-2.8~4.0dBm。可以看出,与布局A相比,布局B的接收功率分布比较均匀,更加适宜照明和通信。
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《半导体光电》2006年4月第27卷第2期丁德强等: 可见光通信及其关键技术研究表1 VLC系统参数发射光功率/mW20LED个数3600(60@60)LED间隔/cm1LED灯的尺寸0.59m@0.59m接收机FOV/(b)60PD面积/cm21.0光滤波器增益1.0光电转换效率/(A#W-1)0.53
图2 LED灯布局方式A(a)和方式B(b)图3 布局A(a)和布局B(b)的接收光功率分布图3.3 最佳LED灯个数在VLC系统中,通常安装在室内的LED灯具有一个较大的辐射角,以尽可能地覆盖整个房间。但是由于行人、设备等的遮挡,会在接收机表面形成/阴影0,影响通信性能。因此就需要将这种/阴影0
的影响降至最低。对于照明来讲,室内安装的照明灯越多,室内的亮度就越高,照明效果越好,同时接收功率也会大大增加。但是单纯地增加LED灯的个数,虽然能够解决/阴影0问题,却并不能使系统的通信性能达到最佳。这是因为,不同的光源与接收机之间具有不同的光路径,多个不同的光路径会引起多径延迟产生码间干扰。因而可知,LED灯的个数越多,ISI越严重,必须合理地选择LED灯的个数。文献[5]在对阴影问题研究后,通过对系统误码率仿真得到,在系统码率达到800Mbps时,LED灯的最优个数为3~4个。3.4 接收机FOV的选择在光无线通信系统(包括红外通信)中,ISI依赖于码速率、发射机和接收机FOV。然而在VLC系统中,ISI主要依赖于码速率和接收机FOV。这是因为,发射机要起到照明的作用,必须具有一个非常
大的辐射角度,即发射机的FOV基本上为90b,如图4所示为接收机码速率为200Mbps时接收机FOV与接收信噪比(SNR)的关系图[6]。从图中可以看出,当FOV小于40b时,在房间内存在通信盲区。当FOV增加时,SNR随之降低。因而在一般的可见光通信系统中,FOV选取范围为40b~50b。
图4 接收机FOV与SNR关系图3.5 不同光路径引起的ISI在VLC系统中,安装在天花板上的LED灯通常是由多个发光LED的阵列组成,因而具有较大的表面积。另一方面,为了达到较好的照明和通信效果,防止/阴影0影响,一个房间通常安装多个LED灯。不同的光信号到达接收机会产生ISI,极大地降低了系统的性能。如图5所示为两条不同光路径引起的延迟示意图。在VLC系统中,如果调制方式为OOK,降低ISI的方法主要有两种。一种是将OOK调制方式中的NRZ(non-returntozero)码换为RZ码(returntozero)。第二种是采用均衡滤波器。另外采用光OFDM(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing)方式也可以降低ISI的影响。下面分别介绍这几种方法。
图5 两条不同路径引起的时延示意图在OOK-NRZ系统中,由于码元周期与脉冲长度相等,当发生延迟时,不同路径的信号叠加在一起就会产生码间干扰。如果采用OOK-RZ编码方式,相邻脉冲之间具有一定的/保护时间0(码元周期与