可见光通信及其关键技术研究
SEMICONDuCTOROPTOELECTRONICSVol.27No.2
APr.2006
动态综述
可见光通信及其关键技术研究
Z
丁德强1!!柯熙政1
(陕西西安710048 1.西安理工大学自动化与信息工程学院 2.西安通信学院 陕西西安710106)
要:作为光源#因而系统具有通信与照明的LED"可见光通信系统采用白光发光二极管!
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:TN9Z9.11文献标识码:A文章编号:1001-5868(Z006)0Z-0114-04
摘VisibleLightCommunicationandResearchonItsKeyTechni
9
DINGDe-Ciang1Z9KEXi-Zheng1
(1.SchoolofAutomation&InformationEngineering9Xi anuniversityofTechnology9Xi an7100489CHN;
2.Xi anCommunicationCollege9Xi an7101069CHN)
(VLC)isakindofopticalWireless
communicationthatusestheWhiteLEDs.InVLCsystem9WhiteLEDsareusednotonlyastheilluminatorintherooms9butalsoasthesourceofthecommunicationsystem.Theconfiguration9
Thevisiblelightcommunication
characteristicsandkeytechniCuesofvisiblelightcommunicationaredescribed.ThedevolopmentstatusinthefieldofVLCisintroduced.
Keywords:visiblelightcommunication;WhiteLED;fieldofvieW;intersymbolinterference
Abstract:1引言
高亮度白光发光二极管(LED)面世后9随着光
点9因而可见光通信技术具有极大的发展前景9已引起人们的广泛关注和研究IZ93J
效的逐步提高9其应用从显示领域逐步扩展到照明领域9并且发展迅速 与传统的照明设备相比9白光LED具有功耗低 使用寿命长 尺寸小 绿色环保等优点9被视为第四代节能环保型照明产品I1J 白光LED的另外一个突出优点是响应灵敏度非常高9因此可以用LED进行超高速数据通信 可见光通信(visiblelightcommunication9VLC)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9可见光通信具有发射功率高 无电磁干扰 节约能源等优
收稿日期:Z006-01-05.基金项目:陕西省H火矩计划项目(Z00Z~K5Z);陕西省教育厅科技资助项目(04JKZ47). 114
Z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9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9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9光传播基本上不存在损耗9但是由于LED光源个数较多9且具有较大的表面积9因而在发射机和接收机之间存在若干条不同的光路径9不同的光路径到达接收机的时间不同9将引起所谓的码间干扰(ISI) 由于白光LED光源发出的是
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 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 Z 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
LEDOOK
表1VLC系统参数
发射光功率
/
mWZ0
LED个数3600(60>60>
LED间隔/cm1
LED灯的尺寸0.59m>0.59m
接收机FOV/( >60PD面积/cmZ1.0光滤波器增益
1.0光电转换效率/(A W-1>
0.53
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0但是由于行人~设备等的遮挡 会在接收机表面形成G阴影7 影响通信性能0因此就需要将这种G阴影7的影响降至最低0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0但是单纯地增加LED灯的个数 虽然能够解决G阴影7问题 却并不能使系统的通信性能达到最佳0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0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0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03.4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FOV0然而在VLC系统中 ISI主要依赖于码速率和接收机FOV0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90 如图4所示为接收机码速率为Z00M
b
ps时接收机
FOV与接收信噪比(SNR>的关系图 6
0从图中可以看出 当FOV小于40 时 在房间内存在通信盲区0当FOV增加时 SNR随之降低0因而在一般的可见光通信系统中 FOV选取范围为40 50 0
脉冲长度之差> 只要延迟小于 保护时间 就不会产生ISI 但这种方法降低ISI的能力是十分有限的
而且系统所需的传输带宽远远增大
文献[7]指出 可见光通信系统具有与红外无线通信不同的信道冲激响应 这两种系统中引起ISI的原因也不相同 在对VLC系统的信道冲激响应和不同光路径引起的ISI作了深入分析之后 提出采用基于LMS算法的自适应DFE均衡器 改善系统的ISI性能 并取得了较好的效果
可见光通信仍处于实验阶段 与可见光通信的实用还有一定的距离 还需作进一步的研究 参考文献!
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发展现状
可见光通信的起源最早可追溯到19世纪70年
代 当时AleXanderGrahamBell提出采用可见光为
媒介进行通信 但是当时既不能产生一个有用的光载波 也不能将光从一个地方传到另外一个地方 到1960年激光器的发明 光通信才有了突破性的发展 但研究领域基本上集中在光纤通信和不可见光无线通信领域 直到近几年 随着白光LED的迅速发展 可见光通信也逐渐发展起来 较实用的可见光通信技术最早是由日本的KEIO大学的M.
gaWa教授提出的[Z 8]
并于Z003年成立了可见光通信协会 在Z004年召开的大会上 VLCC会长M.NakagaWa教授公布了这项技术 指出该技术可以创造一个全新的无线通信网络 在移动通信领域具有极大的应用前景 由于室内可见光通信可以方便地将无绳电话~~笔记本电脑等便携设备接入数据通信系统 因而该项技术也得到CyberSolutions实验室 邮政署的高级长途通信实验室 Nippon电报电话公司和
y计算机科学实验室的大力支持[9]
也使得该技术得到了很大的发展
结语
可见光通信所具有的突出优点 使得可见光通
信成为光无线通信领域一个新的增长点 但目前的
IndoorandMobileRadioCommunications[C].Z001.81-85.
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作者简介!
丁德强(1978-)9男9山东青岛人9在读博士研究生9主要研究方向为无线光通信O [email protected]
-117-
LED4NakaCEATECPDASonE5
可见光通信及其关键技术研究
作者：作者单位：
丁德强， 柯熙政， DING De-qiang， KE Xi-zheng
丁德强,DING De-qiang(西安理工大学,自动化与信息工程学院,陕西,西安,710048;西安通信学院,陕西,西安,710106)， 柯熙政,KE Xi-zheng(西安理工大学,自动化与信息工程学院,陕西,西安,710048)
半导体光电
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刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
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