白光LED可见光无线通信系统的研究[1]

　　0 引言

　　发光二极管(lighting emitting diode，LED)在性能方面比现有的白炽灯有很多优势，如高亮度、高可靠性、低功耗和使用寿命长等。LED现已广泛应用在全彩显示屏、交通信号指示和许多其它照明。目前，高效的蓝色和绿色LED已经应用。混合三种原色(红色、绿色和蓝色)，我们可以得到白色光。与射频无线通信相比，可见光具有发射功率高、无需申请无线电频谱证、无电磁干扰以及造价低等优点。近年来基于白光LED技术的可见光通信开始被人们关注，并被认为是一个很有潜力的未来照明技术与通讯传输系统相结合的新兴技术。许多学者提出了一种基于LED白光的室内可见光通信(visible-lightcommunication，VLC)系统，认为LED白光设备不仅可以用于照明，同时也可以用于短距离无线光通信系统。

　　1 室内可见光通信信道分析

　　在室内可见光通信系统中，光源固定在室内的天花板上，以其为信号光源的室内无线光信道可分为直射视距光信道(如图1所示)和漫射光信道[1](如图2所示)。直射视距链路中，接收机直接指向白光LED光源，信道损耗低，信号光源功率利用率高且稳定，易于实现高速数据链接，但会因链路上存在障碍物而被阻断，尤其是在有运动目标的情况下。漫射链路设计中接收机视角一般较大，大大降低了对指向的要求，系统不易受阴影效应影响，但链路中存在多径效应会引起码间干扰(ISI)[2]，而且受背景光的影响较大，从而限制信号传输速率[3]。

　　图1  LED直接视距光信道模型

　　图2 LED漫射光信道模型

　　直射视距光信道直流增益表示为Hd(0)，漫射光信道(第一反射光)直流增益表示为dHref(0)。直接视距光信道直流增益[4]为：

　　漫射光信道(第一反射光)直流增益为：

　　式(1)、式(2)中，m为光源的辐射模式，A为光电探测器接收面积，d为发射端与接收端之间的距离，准为入射角,φ为发射角，Ts(φ)为光滤波器增益，g(φ)为光聚能器增益，φc为接收机视角。

　　2 OFDMA与SC-FDMA调制技术

　　通过对室内可见光通信信道的分析，室内可见光通信中容易引起多径效应，引进OFDM(正交频分复用)技术能有效抵抗多径干扰，使受干扰的信号仍能可靠地接收，其信号的频带利用率也大大提高[5]。系统模型如图3所示。

　　图3 OFDM系统模型框图

　　由于OFDM具有内在峰均功率高的特性，使得OFDM信号存在失真。在可见光通信系统中，较高的包络线会影响视力，也会影响光器件的寿命。为了克服这个缺点，我们对上行链路的OFDM技术进行修改，修改后的OFDM技术版本被称为单载波的FDMA(SC-FDMA技术)，如图4所示。

　　图4 SC-FDMA系统模型框图

　　SC-FDMA技术采用单载波调制以及频域均衡原理，具有类似OFDM系统的性能和基本相同的总体结构，但是却有较低的峰均功率比。它们是连续的子载波传输，而不是平行的。相对于OFDM技术，这种技术大大降低了传输波形的包络波动，因此，SC-FDM的信号具有低于OFDM信号的PAPR。

　　图4包括发射机和接收机,可以看出，SC-FDM与OFDM有很多共同之处，唯一的区别是SC-FDM的发射机和接收机采用的是DFT离散傅立叶变换。出于这个原因，SC-FDMA技术有时被称为OFDM技术的DFT扩展。目前，SC-FDMA子载波映射模式分为两类，即分布式和本地化[6]，如图5所示。

　　在分布式子载波映射模式，输入数据的DFT输出将未被使用的子载波用不连续的零来占用整个带宽。交错SC-FDM技术(interleavedSC-FDMA，IFDMA)是一种重要的分布式SC-FDMA的特殊情况，在本地化的子载波映射模式下(localizedSC-FDMA，LFDMA)，DFT的输出输入数据被连续子载波占用。

　　图5 SC-FDMA子载波映射模式