LED可见光无线通信的现状和发展方向

　　0 引言

　　20世纪90年代后期，随着全光接入技术的发展和人们对高速无线宽带通信的要求，一种信息容量大和部署灵活、维护方便、安全保密的无线光通信技术，得到了人们的极大关注，它为无线宽带接入的快速部署提供一种灵活的解决方案，其应用范围已从军用和航天领域迈入民用领域。

　　近几年来，被誉为“绿色照明”的半导体(LED)照明技术发展迅猛，利用半导体(LED)器件高速点灭的发光响应特性，将信号调制到LED可见光上进行传输，使可见光通信与LED照明相结合构建出LED照明和通信两用基站灯，可为光通信提供一种全新的宽带接入方式。

　　1 LED可见光无线通信的现状

　　LED可见光无线通信分室外通信和室内通信两大类。

　　室外LED可见光无线通信技术目前主要应用在智能交通系统(ITS)中，香港大学G.Pang等人在1998年提出了利用LED交通指示灯为车辆传输语音广播信号，将语音信号通过OOK调制加至LED光源，实现了低速的无线LED可见光传输。日本KEIO大学Kitano等人在2003年提出了LED公路照明通信系统。Pang等人只对利用LED交通灯进行语音传输展开研究，Kitano等人只在LED公路照明通信系统中分析了在不同的接收方向角和视场角下信噪比的好坏，以及在一定误码率下信噪比和接收数据率的关系，认为LED可见光公路照明通信系统优于红外公路交通通信系统。

　　随着智能交通系统研究的深入，又出现了LED交通灯、汽车前后LED灯之间构成的交通灯至汽车和汽车前灯至汽车尾灯这两类可见光通信系统。Okada等人提出利用二维LED阵列组成发射机和二维图像传感器组成接收机，来构成并行LED可见光通信系统，并利用接收图案的空间频率分量特征对车辆进行定距。Wook和Komine等人对交通灯至汽车的LED可见光通信系统进行了分析后，认为在系统中采用二维图像传感器的接收机性能优于采用雪崩光敏二极管的接收机，并指出在一定条件下一盏交通灯最佳的LED单元灯数目是50×50。

　　室内LED可见光无线通信技术主要应用在室内无线宽带接入网中，日本KEIO大学的Tanaka等人和SONY计算机科学研究所的Haruyama在2000年提出了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统。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，并认为LED光源满足Lambertian照射形式，且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，认为当传送数据率在10Mbps以下的系统是可行的，码间干扰(ISI)和多径效应是影响系统性能的两大因素。2001年，Tanaka等人在原来的基础上分别采用OOK-RZ调制方式与0FDM调制方式对系统进行了仿真，结果表明：当传送数据率在100Mpbs以下时这两种调制技术都是可行的，当数据率大于100Mpbs时，0FDM调制技术优于OOK_RZ调制技术。

　　2002年，Tanaka和Komine等人对LED可见光无线通信系统展开了具体分析，包括光源属性、信道模型、噪声模型、室内不同位置的信噪比分布等，求出了系统所需的LED单元灯的基本功率要求，并分别以OOK-RZ、OOK-NRZ、m-PPM调制方式进行仿真分析，得到了不同条件下的误码率大小。同年，Komine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，以SC-BPSK调制方式进行了系统仿真，结果表明：系统在数据率为1Mbps条件下是可行的。同年，Komine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，分别以OOK、2-PPM、4-PPM、8-PPM调制方式进行仿真，结果表明：8-PPM调制方式性能最佳。在数据率小于60Mbps，接收视场角小于50度的条件下，采用8-PPM调制方式可有效克服墙壁反射引起的多径效应。

　　2003年以后，Komine等继续对LED单元灯的设计布局、可见光传播信道(分直达信道和反射信道两部分)、室内人员走动导致的反射阴影、墙壁反射光，码间干扰对系统性能的影响等展开研究，并得出了不同接收视场角和不同数据传送率下各因素对系统性能的影响曲线。同年，NTT公司的Douseki提出了光能LED无线通信系统，LED光既作为数据传播的载体又作为能量源给系统供电。2005年，Komine等利用基于最小均方误差算法的自适应均衡技术来克服ISI，仿真表明在数据率为400Mbps以下时，FIR均衡器和DFE均衡器都可有效减少ISI的影响，当数据率高于400Mbps时，DFE均衡器更能有效克服码间干扰(ISI)。

　　2 LED可见光无线通信的关键技术

　　LED可见光无线通信系统分为发射部分和接收部分。发射部分包括：信号输入和处理电路、LED可见光发射系统及其驱动电路。接收部分包括：接收光学系统、光电探测器、信号处理和输出电路。LED可见光无线通信主要包括以下几个方面的关键技术：

　　(1)光信号接收技术。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。

　　(2)调制、编码以及解调技术。目前LED可见光无线通信系统大多采用强度调制(IM)的直接检测(DD)非相干系统，编码方式大多为二进制OOK(开关键控)编码。在实际光通信系统中，曼切斯特编码的性能优于OOK编码;此外，二进制OOK编码通过光学链路一次只能发送一个比特，但比特流的传送也可以以组的形式发送而不是一次一个，因此可采用光学组编码形式如脉冲位置调制(PPM)来达到更高的发送速率，但PPM系统在解码时对时钟同步性要求较高。

　　(3)码间干扰克服技术。在室内LED可见光通信系统中，LED光源具有较大的发射功率和宽广的辐射角，光线分布在整个房间。OOK编码器输出的矩形脉冲在传播过程中，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，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，产生码间干扰(ISI)，导致系统性能恶化。通过可控的方式将ISI引入发射信号，采用抗扰动滤波器的相关电平编码，可降低ISI的影响。

　　(4)自动切换技术。在室外LED可见光无线通信系统中，当接收机(如汽车)从一个基站灯移动到另一个基站灯时，需要接收机能够自动切换。切换操作既要能够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。为了保证这一点，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。高速车辆只要几秒就驶过了一个基站灯的覆盖范围，切换中心很快会因为不停地有高速用户在不同基站灯间切换而不堪负荷，必须采用辅助切换技术减少切换中心介入切换的次数。

　　(5)无线信道传输技术。LED可见光无线通信系统的信号传输信道是随机信道，LED可见光的波长与大气中的尘灰、气体分子、大雾、雨滴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，阳光等背景光也会对系统的性能产生影响。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。目前在对室内信道进行分析时，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、散射等未作分析。因此建立恰当的室外传输模型和室内传输模型将有助于对系统展开深入的研究。

　　(6)信道复用技术。为了使多个终端能共享一条高速信道，须采用信道复用技术。在光通信领域，主要有光波分多址技术(OWDMA)、光时分多址技术(OTDMA)及光码分多址技术(OCDMA)。OCDMA是在光域内的一种扩频技术，可以动态分配带宽资源实现光信号的直接复用与交换，保密性好，抗干扰能力强，是具有广阔前景的多址技术。在LED可见光通信中可采用非相干OCDMA系统。

　　高速LED可见光无线通信系统还包括相应的电路结构优化设计、噪声抑制等技术。对于光通信系统来说，接收光场采用非相干检测。由于光电检测本质上是随机性的，在建立光探测器的输出模型时，电子释放时间、电子计数以及增益都是随机变量，这种过程是散弹噪声过程，接收机噪声通过获得散弹噪声极限的条件来克服。

　　3 LED可见光无线通信的发展趋势

　　LED可见光无线通信，现阶段主要应用在室内局域网和智能交通系统中，未来LED可见光无线通信技术将向以下几方面发展。

　　(1)室内LED可见光通信采用OFDM调制技术、CDMA接入技术及分组编码技术具有良好的发展前景，但采用OFDM调制技术时，幅度不断变化的OFDM信号工作在大信号幅度时可能会驱动功放进入非线性区产生失真。其次，目前LED灯分多芯片和单芯片两种，采用OFDM调制技术、CD-MA接入方式下采用何种芯片能达到更高的传信率和更少的误码率还有待研究。还有目前LED可见光无线通信系统研究主要是针对下行链路，系统上行链路研究还有待深入。

　　(2)由于LED照明基站灯安装在天花板、公路两旁或交通枢纽上，铺设新的通信电缆成本太高，如与电力线载波通信结合在一起，利用电力线来传输通信信号可大幅降低投资成本。在日本等发达国家已得到了广泛应用，南京联通也在一些小区里开通了10M带宽的电力线上网业务。LED可见光无线通信与电力线载波通信相结合将是未来的发展趋势。

　　(3)LED可见光无线通信技术可为城市车辆的移动导航及定位提供一种全新的方法。汽车照明基本上都采用LED灯，将光接收机安装在道路边或汽车上，组成汽车至交通控制中心(连接着道路边的光接收机)、路灯至汽车或汽车至汽车的通信链路，可为夜间行驶车辆进行导航、定位，并且能够让驾驶员即时知道各条道路的车辆流量，这也是LED可见光无线通信在智能交通系统中的发展方向。

　　4 结束语

　　面对用户的迅速增加及人们对高速、宽带的多媒体通信的需求，电磁波的可用频带范围已变得越来越有限，而LED可见光无线通信使用光频段传输信息具有宽广的通信带宽，避免了电磁干扰冲突又无需申请频段使用执照，能满足下一代多媒体通信的要求。随着具有节能、环保、使用寿命长等优点的LED照明灯的普及，以及各种关键技术的不断进步和完善，LED可见光无线通信有望成为新的通信传输方式及下一代室内无线通信技术。是一个有待大力进行研究并具有极大应用价值的领域。

编辑：Cedar