白光LED室内可见光通信的关键技术

2011年第2期中文核心期刊白光LED室内可见光通信的关键技术KeytechnologiesofindoorvisiblelightcommunicationbasedonwhiteLEDLUOHong-tu1，2,CHENChang-ying1，2,FUQian1，2,ZHAOHui-shan1，2,MOChen-xiao1，2(1.KeyLaboratoryofOptoelectronicInformationandSensingTechnologiesofGuangdongHigherEducationInstitutes,JinanUniversity,Guangzhou510632,China;2.DepartmentofPhotoelectricEngineering,JinanUniversity,Guangzhou510632,China)Abstract:Thevisiblelightcommunication(VLC)utilizingthewhiteLEDsisakindofopticalwirelesscom-municationcharacterizedbyhighemissionpowerrate,don'ttakeupradiospectrum,noelectromagnetinter-ference,noelectromagneticradiationandenergy-saving,etc.InVLCsystem,whiteLEDsareusednotonlyastheilluminatorintherooms,butalsoasthesourceofthecommunicationsystem.Thispaperdescribesthede-velopmentofVCL,introducesindoorvisiblelightcommunicationsystembasedonwhiteLED.Keytech-niquesareanalyzedtoimprovethewholeperformanceoftheindoorvisiblelightcommunicationsystem,pro-vidingabetterbasisforthefurtherresearch.Keywords:whiteLED;indoorvisiblelightcommunication;channelcoding;OFDM;diversityreception骆宏图1，2，陈长缨1，2，傅倩1，2，赵惠珊1，2，莫晨晓1，2（1.光电信息与传感技术广东普通高校重点实验室（暨南大学），广州510632；2.暨南大学光电工程系，广州510632）摘要：可见光通信是一项新兴基于白光LED的无线光通信技术，具有发射功率高、不占用无线电频谱、无电磁干扰、无电磁辐射和节约能源等优点，能够同时实现照明和通信的双重功能。阐述了可见光通信技术的发展动态，介绍基于白光LED的室内可见光通信系统，并对提高系统整体性能的若干关键技术进行了研究讨论，为白光LED室内可见光通信系统进一步研究提供依据。关键词：白光LED；室内可见光通信；信道编码；正交频分复用；分集接收中图分类号：TN919文献标识码：A文章编号：1002-5561（2011）02-0056-040引言白光LED采用电场发光和低电压供电，具有寿命长、光效高、稳定性高、安全性好、无辐射、低功耗、抗震、可靠耐用等特点，几乎综合了各种传统光源的优点，被誉为21世纪新固体光源时代的革命性技术。白光LED同时又具备响应时间短、高速调制的特性[1]，因此，使得白光LED从照明领域扩展到了通信领域，能够同时实现照明和通信双重功能，催生了一门新兴的无线通信技术———可见光通信技术（VisibleLightCommunication，简称VLC）。与传统的射频通信以及其它无线光通信系统相比较，可见光通信技术具有发射功率高、不占用无线电频谱、无电磁干扰和无电磁辐射、节约能源等优点[2]。目前，可见光通信技术已经成为多个国家研究的热点，尤其引人关注的是日本成立的“可视光通信联盟”和美国斥资1.85亿美元为期10年的“智能照明”项目。现阶段，可见光通信大多处于实验阶段，虽然整体系统已有实现，但离实用阶段还有一定的距离，系统的各项性能有待进一步提高。1室内可见光通信技术日本是可见光通信技术研究的先行者，尤其以KEIO大学的研究者Tanaka、Komine和Sugiyama为代表率先开展了一系列基础性的理论研究。2000年，他们提出了利用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的思想，在接下来的几年里展开了多项研究分析。2008年，太阳诱电株式会社在“2008年日本电子高新科技博览会”上现场演示了采收稿日期：2010-10-15。基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助。作者简介：骆宏图（1986-），男，硕士生，主要研究方向为光通信技术。其他輩輴訛2011年第2期用白光LED的高速无线通信系统，但是最大传输距离仅为20cm左右。2008年，美国政府资助成立“智能照明”项目。它是一个投资1.85亿美元为期10年期的计划，涉及多家学院的30多位大学研究人员，包括伦斯勒理工学院(RPI)、波士顿大学和新墨西哥大学。国内对基于白光LED的可见光通信研究起步较晚。2006年，暨南大学的陈长缨、胡国永等提出基于白光LED照明光源的室内无线通信技术[3]，设计并实现了点对点的通信系统。该系统通信距离为20cm，能够在10MHz的传输速率下，保证频率调制（FM）信号的正确传输。2008年，该研究组在前期工作的基础上，利用白光LED阵列光源解决了前期系统通信距离短、无法达到照明要求等问题，实现了实用照明的室内可见光通信系统。系统性能得到了很大程度的提高，成功实现4Mb/s带宽的数字视频信号传输，信号传输距离超过了2.5m。1.1室内可见光通信系统介绍室内VLC系统的一种典型设计[4]如图1所示：由终端、可见光通信适配器、可见光通信集线器、白光LED光源、光电探测器及相应信号处理单元组成。系统分为前向链路和反向链路两部分，每部分都包括了发射和接收部分。发射部分主要由白光LED光源和相应信号处理单元组成，而接收部分主要由光电检测器和相应信号处理单元组成。可见光无线集线器是可见光通信网络中的核心组成部分，接收来自终端用户的信息，同时分时段地将接收到的信息通过主光源以广播的方式发送出去。可见光通信适配器包括了前向链路的白光LED光源和反向链路的光电接收器，集合了发射和接收功能，负责将终端用户的信息调制成光信号和接收来自反向链路的光信号。天花板上安装的光电检测器接收来自用户的光信号，并转换成电信号送入可见光通信集线器。电信号经过可见光通信集线器的简单处理后，调制到白光LED光源上变成光信号，以广播的方式发射出去。在接收端，终端的可见光适配器将发给自己的信息解调出来送入终端用户，实现了局域网内的无线通信。1.2关键技术研究1.2.1高速调制驱动电路设计调制带宽是衡量LED的调制能力的参数，关系到LED在无线光通信中的数据传输速度大小[5]。其定义是在保证调制度不变的情况下，当LED输出的交流光功率下降到某一低频参考频率值的一半时(-3dB）所对应的频率。从微观结构分析，影响白光LED高速调制有两个因素：载流子寿命和结电容。LED因受两者的限制，其调制的最高频率通常只有几十兆赫兹，从而限制了LED在高比特速率系统中的应用。但是，通过合理设计和优化驱动电路，LED也可以用于高速通信系统。由于实现简单，VLC系统大多设计成光强度调制/直接探测系统。白光LED高速调制驱动电路图设计如图2所示。该设计能够达到抑制电磁干扰、噪声干扰、温漂，以及光功率补偿等目的，可以用于数字视频信号源码流传输。晶体管BG1和BG2组成发射极耦合式开关，BG3和稳压二极管Dz组成恒流源电路，为LED支路提供稳定的驱动电流。由于该电路超越了线性范围工作，即使输入端过激励时，其仍没有达到饱和，所以开关速率更高，理论上可传输300Mb/s以上的数字信号。1.2.2白光LED照明光源布局设计单个LED发光强度和发光功率都比较小，为了同图1室内可见光通信的无线局域网系统图2高速调制驱动电路骆宏图，陈长缨，傅倩，等：白光LED室内可见光通信的关键技术其他輩輵訛2011年第2期时实现室内照明和通信双重功能，LED照明光源应设计为多个白光LED组成的阵列。为满足基本照明需求，在系统设计中应首先考虑室内光照度的分布。要使通信效果达到最优，必须根据房间的大小以及室内设施不同合理布局，使房间内的光强分布大致不变，尽量避免盲区（光照射不到的区域）的出现。由于行人、设备等的遮挡，会在接收机表面形成“阴影”，影响通信性能。对照明来讲，室内安装的照明灯越多，可以降低“阴影”效应，使得接收功率大大增加，但多个不同的光路径会使得ISI越严重。因此，在达到室内照明标准的同时也要考虑ISI的影响，合理安排LED阵列光源的布局尤为关键[6]。1.2.3信道编码技术数字信号在传输过程中不可避免地受到各种噪声干扰，导致传送的数据流产生误码，从而使接收端出现异常现象，比如：图象跳跃、不连续、出现马赛克等。信道编码技术对数据流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，提高数据传输效率，降低误码率，并最终提高数据的通信距离。暨南大学陈长缨、赵俊提出一种适用于LED数字传输的mBnB分组编码技术[5]。通常来说，分组码是指将原始信息码字按m比特为单位进行分组，根据一定规则用另外每组为n比特的码字来表示，然后这些新的分组以NRZ码或RZ码的格式来传输。常用的信道编码有1B2B（曼彻斯特码）、3B4B、5B6B、6B8B等。mBnB码的优点有：①功率谱形状较好；②连0连1个数有限，没有基线漂移问题；③提供可靠的误码监测和字同步手段。实验证明，经过6B8B编码后，光信号在通信距离r=0.5～2.5m范围内受LED的个数、电阻及串口模块分频的影响不大。利用6B8B编码技术，可以保证本系统中数据高速传输的同时，使信号传输距离超过2.5m。而且，可以通过对数据采用高低两种不同码表的方法来克服mBnB码译码时会造成误码增值的缺点。如图3所示，以一个12bit的原始数据为例，介绍6B8B编码实现过程。1.2.4正交频分复用（OFDM）技术OFDM是一种应用于无线环境下的高速传输技术，具有很强的抗多径能力，已经在高速无线光通信中获得了广泛应用。早在2001年，日本庆应大学中川研究室就提出了为提高传输的数据率，在VLC中引入OFDM调制方式的必要性。OFDM技术的主要思想：在频域内将所给信道分成多个正交子信道，在每个子信道上使用子载波进行调制，并且各子载波并行传输。使得每个子信道相对平坦，并且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相干带宽[7，8]。因此，就可以大大消除ISI。在可见光通信OFDM系统中，首先要对信号源电信号进行OFDM编码，然后加一直流偏置对LED光源进行调制。由于在发射端将串行的高速数据并行地调制到多个正交的副载波上，降低了码速率，增加了信号脉冲的周期，减弱了多径传播引起的ISI的影响[9]。另一方面，可以通过在OFDM信号间加入保护间隔，进一步减弱ISI的影响。然而，OFDM还存在这样的缺点：当数据信息在深衰落子信道传送，各子载波使用的相同的发射功率和调制方式时，这个深衰落子信道的误码率会增大。那么即使其它子信道的误码率很小，整个系统的通信性能会因其中的任何子信道的不良通信而恶化。2005年，西班牙的O.G0nzalez等人提出了一种利用自适应OFDM[10]信号提高通信能力和减小多径效应的方案克服这个缺点。自适应OFDM调制可以根据当前信道状况调整各子信道分配的比特和功率，在信道条件好的子信道中传输较多的比特数和更多的能量。相反，在深衰落子信道中，系统将不传信息或减少该子信道的数据传输的比特数。实验表明，通过这样的自适应调整后有效地减弱无线光信道中