白光LED照明的可见光通信的现状及发展
刘宏展，吕晓旭，王发强，梁瑞生，王金东，张准
华南师范大学光子信息技术实验室，广州510006）
摘要：用室内照明的白光LED光源作为通信基站进行信息无线传输的技术是当前国外光无线通信领域的研究热点之一，是一项有发展前景的新兴技术。文章详细介绍了白光LED照明的室内可见光通信技术在国内外的研究现状，分析了其关键技术，阐述了其发展趋势。
关键词：可见光通信；白光LED；光无线通信
ThecurrentsituationanddevelopmenttrendofindoorvisiblelightcommunicationbywhiteLEDillumination
LIUHong-zhan,LVXiao-xu，WANGFa-qiang，LIANGRui-sheng，WANGJin-dong，ZHANGZhun
（LaboratoryofPotonicInformationTechnology,TheSouthChinaNormalUniversity,Guangzhou510006,China）
Abstract:ItisoneofhotspotsofopticalwirelesscommunicationresearchfieldinabroadthatusingwhiteLEDlightsourceasbasestationtotransmitinformationthroughwirelessmodecurrently.,whichisanpromis-ingnewtechnology.InthispaperweintroducethecurrentsituationofindoorvisiblelightcommunicationbywhiteLEDsathomeandabroadindetail,analyzethekeytechniquesandclarifythedevelopmenttrendofthesystem.
Keywords:visiblelightcommunication,whiteLED,opticalwirelesscommunication
0引言
近年来，被誉为“绿色照明”的半导体（LED）照明技术发展迅猛。与传统照明光源相比，白光LED不仅功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保，更具有调制性能好、响应灵敏度高等优点。利用LED的这种特性，它用作照明的同时，还可以把信号调制到LED可见光束上进行传输，实现一种新兴的光无线通信技术，即可见光通信（indoorvisiblelightcommunication，VLC）技术。较实用的VLC是日本KEIO大学的M.Nakagawa所领导的课题组于2000年提出来的，2003年他们成立了可见光通信协会（VLCC）。在2004年召开的CEATEC大会上，VLCC会长M.Nakagawa教授公布了这项技术。他们以Gfeller和Bapst的室内光传输信道为传输模型，将信道分为直接信道和反射信道两部分，利用室内LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输。与传统的射频通信和其他光无线通信相比，可见光通信具有以下突出优点：(1)可见光对人类非常安全；(2)可见光资源丰富；(3)发射功率高；(4)无需无线电频谱证；(5)无电磁干扰。因而可见光通信技术具有极大的发展前景，将为光通信提供一种全新的高速数据接入方式，已经引起了人们的广泛关注和研究。现在，从LED照明系统中获得无线通信能力的可能性已经从试验得到证明，将无线通信能力嵌入未来LED照明系统中是一个发展方向，很可能是光无线接入网的一个目标。
1白光LED室内可见光通信的现状
LED可见光通信分为室外通信和室内通信两类。室外可见光通信是由香港大学G.Pang等人在1998年提出来的。本文主要指室内可见光通信技术。
日本是VLC技术的先行者，KEIO大学的研究者们率先开展了一系列基础性的理论研究工作，尤其以Tanaka，Komine和Sugiyama为代表。2000年，Tanaka[1]等以强度调制直接检测(IM-DD)为光调制形式进行了建模仿真，获得了数据率、误码率以及接收功率等之间的关系，认为码间干扰(ISI)和多径效应是影响系统性能的两大因素。2001年[2]，他们分别采用OOK_RZ与光学正交频分复用（OFDM）方式对系统进行了仿真。2002，Fan和Komine[3]等研究了由墙壁反射引起的多径效应对LED可见光无线系统造成的影响。2003年[4]，Tanaka等人对LED可见光无线通信系统展开了具体分析，求出了系统所需LED单元灯的基本功率要求。2004～2005年，Komine[5]等对各种因素对系统性能的影响展开研究。2006年，Sugiyama[6]提出了SCI-PPM调制方法；2007[7]年，他通过脉冲宽度调制（PWM），研究了光源的亮度控制对通信性能的影响。另外，在2003年，Komine[8]等提出了一套结合电力线载波通信和LED可见光通信的数据传输系统。
日本公布VLC技术后，德、英、荷兰等国觉察到它的重要性，竞相开展工作，并成立了专业技术论坛，对VLC进行广泛的交流与合作。在日本已取得的成果的基础上，他们把重点瞄准如何提高通信性能的技术难题上，主要以德国不来梅国际大学（IntUnivBremen）、德国海因里希.赫兹通信工程研究所柏林股份有限公司以及弗朗和夫电信研究所（HeinrichHertzInstNachrichtentechBerlinGmbH,FraunhoferInstTelecom-mun）、英国牛津大学、荷兰飞利浦实验室等科研机构为代表。2006年[9]，IntUnivBremen大学的Afgani对基于单LED强度调制OFDM技术进行了研究，理论和实验表明在一米范围内，OFDM技术能够有效消减峰平比（peak-to-average）。2007年[10]，Haas研究了基于正交相移键控（QPSK）调制COFDM（codedOFDM）技术，实验表明：在90cm范围内，系统可达到2×10-5的误比特率。牛津大学工程科学系的O'Brien[11]所领导的研究小组针对LED光源窄带宽的特性，重点研究多谐振均衡技术，把光源的可用带宽提高到25MHz，而系统传输速率达到75Mb/s。飞利浦实验室提出一种新的调制-多址技术[12]，即CTDMA-PPM。2008年[13]，德国海因里希.赫兹通信工程研究所柏林股份有限公司的Langer等就100MHz的VLC宽带接入网物理层的基础问题进行了初步研究;同年，Gruber[14]首次实验实现了白光LED可见光通信系统101Mb/s的通信速率。欧洲的科研人员对VLC技术的研究向前推进了一步，他们致力于高速编码调制传输技术理论研究的同时注重实验的验证，并首次实现了超100Mb/s的通信速率。
时间进入到2008年10月，科技强国美国也感觉到了VLC技术的重大科研价值，由美国政府赞助的一项“智慧照明(smartlighting)”计划，该项投资额一亿八千五百万美元、为期10年的美国国家科学基金会(NSF)计划，有超过30所大学的研究人员参与。这项计划试图采用可见光光束(visiblelightbeams)来实现无线设备与LED照明设备之间的通信。不仅如此，IEEE于2008年成立了专门的可见光通信小组IEEE802.15.7。
我国在VLC领域几乎是空白，目前主要研究者有西安理工大学的柯熙政、浙江大学的何赛灵、暨南大学的陈振强和陈长缨[15]等。作者从2006年开始关注VLC技术[16]，研究了基于可见光的空间成像无线传输系统，验证了方案的可行性。
2白光LED室内可见光通信的关键技术
⑴照明布局的优化设计实际系统中，LED灯一般安装在天花板上，由于各个房间的大小以及室内设施不尽相同，不可避免地会存在通信盲区(光照射不到的区域)。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，并尽量避免盲区的出现，找到具有最佳照明效果的通适性光源布局规则。同时，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（ISI）。因此，LED灯的个数越多，ISI越严重，必须合理地选择LED灯的个数。
⑵高性能编码、调制技术对信源进行何种编码编码以及采用何种调制方式，将直接决定通信系统的通信性能。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，采用曼切斯特编码和OOK调制方式。二进制OOK编码通过光学链路一次只能发送一个比特，传输慢；曼切斯特编码虽然可以降低系统的误码率，但要求较宽度频带，而现有的基于蓝光激发磷光体产生“白光”的LED可用调制带宽非常有限，所以必须探索新的编码、调制方法。由于OFDM具有频谱效率高、带宽扩展性强、抗多径衰落、频谱资源灵活分配等优点，在LVC系统中得到了广泛研究。
⑶高灵敏的接收技术在LED可见光通信系统中，存在着强烈的背景噪声及电路固有噪声的干扰，同时随着传输距离的加大，接收机接收到的信号十分微弱，常常会导致接收端信噪比小于1。为了精确地接收信号，需要有选择灵敏度高、响应速度快、噪声小的新型光电探测器；对所接收的信号进行前置处理,需采用高效的光滤波器，以抑制背景杂散光的干扰，对信号进行整形和去噪声。为了有效抑制噪声，接收滤波器常要求具有窄带滤波特性。可是，在VLC系统中，信号能量与噪声一同分布在整个可见光谱中，这样一来信号光和噪声将同时被滤除，达不到真正滤去噪声的目的，滤波后的光信号的信噪比依然很低。所以，要实现高灵敏接收，更重要的是研究新的滤波技术及新型滤波器，比如匹配滤波、特殊光栅滤波器等。
⑷消码间干扰技术在室内LED可见光通信系统中，LED光源通常是由多个发光LED的阵列组成,具有较大的表面积、较大的发射功率和宽广的辐射角,光线分布在整个房间。另一方面,为了达到较好的照明和通信效果,防止“阴影”影响,一个房间通常安装多个LED光源。由于LED单元灯分布位置不同及大气信道中存在的粒子散射导致了不同的传输延迟,加上光的色散，已调光脉冲会在时间上延伸,每个符号的脉冲将加宽延伸到相邻符号的时间间隔内,不可避免地产生码间干扰(ISI)，极大地降低了系统的性能甚至导致不能正常通信。因此，如何消除码间干扰，对保证高性能的VLC通信至关重要。针对VLC系统中ISI的起因不同，主要采用以下方式来削弱码间干扰：运用部分响应技术、采用均衡滤波器、采用消ISI的调制方式等。
⑸自动切换技术在室内LED可见光无线通信系统中，当接收机从一个基站（房间）移动到另一个基站时,需要接收机能够自动切换。切换操作既要能识别一个新基站又要将信令信号分派到新基站的信道上，设计者必须指定一个启动切换的最恰当的信号强度，选择恰当的切换时间以避免不必要的切换，同时保证在由于信号太弱而通信中断之前完成必要的切换。因此，基站在准备切换之前先对信号监视一段时间来进行信号能量的检测，这需由接收机辅助切换来完成。
⑹光无线传输信道及模型的完善LED室内可见光无线通信系统的信号传输信道是随机信道，LED可见光的波长与室内大气中的尘灰、气体分子的尺寸相近甚至更小，容易产生光的散射及吸收造成信号的严重衰减，不同位置的LED灯光及日光等背景光也会对系统的性能产生影响。目前在对室内LED可见光无线信道进行分析时,都是采用Gfeller和Bapst的分析模型，将信道分成直射信道和墙壁反射信道两部分进行研究，但对背景光、散射等所产生的影响未作分析。要保证在随机信道下的正常工作,还必须对LED可见光传输信道作更深入的研究，建立恰当的室内传输模型。
3白光LED室内可见光通信的发展趋势
LED可见光通信技术已经得到了验证并受到了许多国家的高度重视。但在实现其高速、高可靠的通信性能道路上还有许多实际问题要进一步研究，要实现此技术的实用化，未来LED可见光通信技术将在以下几方面需要长足的发展。
⑴白光LED光源的带宽拓展技术目前LED产生白光主要有两种方式：一种是由红、绿、蓝三基色合成白光；另一种是由LED发出的蓝光去激发磷光体发出黄光，呈暖色调，让人感觉是白光。第一种方法的优点是通过分别控制三色光电驱动电流可以改变光的颜色，但封装及驱动复杂、价格昂贵，很少用作照明；第二种方法只需要单个驱动器，实现简单，是目前最流行的方式。现有白光LED技术发展迅速，在提高发射功率方面进展不少，但在频率响应方面并无提升。而白光LED用作通信光源，其电信号都必须调制到它上面，然后往外发射。它的响应频率直接决定了通信系统可用的带宽，所以在追求大功率输出的同时，如何提升白光LED的频率响应、拓展其带宽，是实现高速VLC通信必须要解决的难题之一。目前由蓝光激发磷光体发射白光的LED其有效调制带宽才3MHz，很难直接用它实现高速的VLC通信，至少要提高10倍以上，才可能通过先进的调制技术实现高速VLC通信。
⑵更高效率的调制复用技术LED白光束可调带宽受限不利用数据的有效高效传输，所以要实现高速的数据传输，必须更加深入地探索频带利用率高、抗干扰性能好的调制复用技术。从目前研究的热点来看，其突破口很可能是新型OFDM，但是由于高功率很容易导致驱动功放进入非线性区产生失真，所以对OFDM必将进行深入研究。
⑶上行链路的实现技术要实现VLC全双工通信方式，除了要具有现在研究的热点下行链路外，还必须具备上行链路。目前，几乎所有的研究更多集中于下行链路的实现，很少关注上行链路的实现技术，美国的智能照明计划以考虑到了这点。研究具有发收或者收发一体功能的白光LED技术，即LED用作发射光源的同时还可以接受对方发送来的数据，LED灯将作为发收器或者收发器实现全双工通信。在这一基础上，研究相关的驱动电路，研究全双工的实现技术及方案及合适的通信协议等，是LED可见光通信实用化必需解决的。
⑷电力线通信与VLC的融合技术研究电力线通信技术简称PLC，是利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。我国最大的有线网络是输电和配电网络，如果能利用四通八达、遍布城乡、直达千家万户的220V低压电力线传输高速数据，无疑是解决“最后300m/100m”最具竞争力的方案。同时也无疑会对有效打破驻地网的局部垄断，为多家运营商带来平等竞争的机会提供有力的技术武器。在电力线上提供宽带通信业务虽然刚刚兴起，但从应用模式、投资回报分析以及欧洲和北美的运营经验上看，正逐渐显示出其强大的生命力。因此，如果能把电力线通信技术与VLC技术有机融合起来，可以说实现了“绿色”通信。
⑸发展室外VLC技术及其它室外VLC技术，尤其是在智能交通系统的利用、移动导航及定位等提供一种全新的方法。这也是VLC向前发展的一大动力。另外，从美国的智能照明计划，我们看到研究便携式的具有VLC功能的器件是应用领域的热点之一。
4结束语
面对全球节能减排的巨大压力，发展第四代绿色照明技术已刻不容缓，而白光LED照明的实现在节约能源的同时，更为高速、宽带的光无线接入提供了一种新途径，也为解决现有无线电频带资源严重有限的困境提供了一种新思路，可见光通信将很有可能成为光无线通信领域的一个新的增长点。虽然日本、德国、英国、美国等国家已经对可见光通信开展了从理论到实验的研究，但都还处于初级阶段，要实现此技术的实用化，还需要相关科研人员做更加深入的研究。