LIFI熱火下的VLC基本鏈路,、標(biāo)準(zhǔn)及發(fā)展問題
文章來源:恒光電器
發(fā)布時(shí)間:2015-11-27
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和白熾及熒光燈相比,，白光發(fā)光二極管(LED)具有壽命長、光效高,、功耗低,、無輻射、安全性好,、可靠性高等特點(diǎn),，被稱為"綠色照明"并得到迅猛發(fā)展。白光LED在未來市場極具競爭力,。世界范圍內(nèi)約140多億的白熾燈轉(zhuǎn)換成更節(jié)能的LED,。日本政府10年前就將LED作為21世紀(jì)照明技術(shù)，LED射燈,，中國政府也發(fā)布了在幾年內(nèi)逐步結(jié)束白熾燈的銷售政策,。
除了照明優(yōu)勢外，LED還具備響應(yīng)時(shí)間短和高速調(diào)制等特性。白光LED高速調(diào)制所引起的光閃爍不容易被人眼察覺,，可以在照明同時(shí)提供數(shù)據(jù)通信的功能,。這種在380~780nm可見光譜段進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的技術(shù)簡稱為可見光通信(VLC)技術(shù)。VLC在中,、短距離安全保密通信,、高精度準(zhǔn)確定位、交通運(yùn)輸通信和室內(nèi)導(dǎo)航等領(lǐng)域具有很大潛力,，尤其是可以替代射頻(RF)解決"最后1m"的問題,。和無線電波相比，可見光通信有很多優(yōu)勢：1)信息量在以摩爾法則發(fā)展,，無線電頻譜很多頻段已被占用,，VLC利用的是高于3THz且尚屬于空白頻譜的可見光頻譜，不受使用許可證限制,；2)可見光不能穿透建筑墻,，相互鄰近封閉單元中VLC信號(hào)不會(huì)相互干擾，安全性高,，保密性好,；3)可見光收發(fā)器件設(shè)備簡單，價(jià)格低廉,；4)可見光波長屬于亞微米級(jí),，在準(zhǔn)確方向定位上具有明顯優(yōu)勢,；5)VLC能夠替代無線電在某些電磁干擾敏感的特定場合(如飛機(jī),、醫(yī)院、核電站或者石油鉆探等)中的應(yīng)用,。
VLC和RF相比最明顯的不足是可見光傳輸速率受通信距離限制相對(duì)明顯,。VLC采用非相干通信模式，VLC通信路徑損失是距離的4次方,，而相對(duì)RF來講,，損耗是距離的平方。LED具有固有非線性電流-強(qiáng)度特性,，性能隨溫度增加而急劇下降,，輸出光色以及設(shè)備壽命也快速減少。此外,，燈光變暗會(huì)對(duì)傳輸功率和傳輸性能產(chǎn)生一定影響,。這些不利因素限制了VLC的應(yīng)用，VLC也不可能完全取代高速RF通信,。如何充分利用VLC優(yōu)勢,，克服不利因素以提升VLC通信性能是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。
VLC技術(shù)最早于1999年由香港大學(xué)Grantham Pang提出并針對(duì)VLC開展了音頻傳輸?shù)难芯俊Ｈ毡倦S后對(duì)VLC展開了積極深入的研究,。2003年,，可見光通信協(xié)會(huì)(VLCC)在日本成立。目前,，越來越多的機(jī)構(gòu)和組織致力于VLC關(guān)鍵技術(shù)的研究,。典型的研究機(jī)構(gòu)包括：歐洲項(xiàng)目家庭千兆接入網(wǎng)(OMEGA，HomeGigabitAccessNetwork),、美國光通信中心(UCL),、德國海因里希赫茲、夫瑯禾費(fèi)通信研究所,、荷蘭飛利浦公司,、法國電信、牛津大學(xué),、澳大利亞莫納什大學(xué)以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),、復(fù)旦大學(xué)等。這些機(jī)構(gòu)在VLC的理論,、算法,、仿真及實(shí)驗(yàn)方面做出了突出性成果。但VLC的發(fā)展尚處于起步階段,，和成熟工業(yè),、生活以及軍事應(yīng)用之間還有一段距離，很多的技術(shù)難點(diǎn)亟需解決,。而目前隨著我國LED產(chǎn)業(yè)快速爬升,，目前已在“可見光通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”獲得了重大突破，3c認(rèn)證,，實(shí)時(shí)通信速率提高至50gbps(比特每秒),，相當(dāng)于0.2秒就能完成一部高清電影的下載。
VLC基本鏈路及通信標(biāo)準(zhǔn)
1.1 VLC基本鏈路
室內(nèi)VLC基本鏈路
光源
白光LED主要有三種類型：紅綠藍(lán)混合形成白光的RGB-LED,、藍(lán)光LED激發(fā)熒光粉后混合成白光的PC-LED以及在紫外LED表面通過紅綠藍(lán)熒光粉混合產(chǎn)生白光的UV-LED,。UV-LED在白光形成中能量損耗大，光效低,，實(shí)際應(yīng)用中很少見,。對(duì)于PC-LED，質(zhì)量,，藍(lán)光LED的調(diào)制帶寬大約是35MHz,，受到黃光分量影響，其調(diào)制帶寬只有幾兆,。為提高調(diào)制帶寬,，3c認(rèn)證,，通常加入藍(lán)光濾波器濾除黃光分量。PC-LED成本低,，裝修照明,，驅(qū)動(dòng)簡單，在照明中應(yīng)用普遍,。RGB-LED中三個(gè)LED可以獨(dú)立調(diào)制,。運(yùn)用多路波分技術(shù)可以使得每個(gè)RGB-LED獲得15MHz調(diào)制帶寬。該類型LED價(jià)格昂貴,，驅(qū)動(dòng)相對(duì)復(fù)雜,，產(chǎn)業(yè)資訊，具有高效靈活的照明效果以及較高調(diào)制帶寬,，在未來市場潛力很大,。
接收器
PIN二極管、雪崩二極管(APD)及圖像傳感器是VLC中用到的接收器,。PIN光電二極管價(jià)格低,、接收面積大、敏感度高以及對(duì)溫度不太敏感,，應(yīng)用廣泛,。APD光電二極管接收敏感度高、接收面積小但價(jià)格昂貴,。圖像傳感器能夠在不相互干擾情況下同時(shí)獲得圖像和數(shù)據(jù)信息,。由于圖像傳感器只檢測LED傳來像素的光強(qiáng)度，即使有多個(gè)光源同時(shí)傳輸數(shù)據(jù),，圖像傳感器仍能成功接收到它所要需要的數(shù)據(jù),。圖像傳感器尤其適合準(zhǔn)確定位系統(tǒng)。
1.2 通信標(biāo)準(zhǔn)
2007年,，日本發(fā)布了JEITACP-1221"可見光通信系統(tǒng)"以及JEITACP-1222"可見光ID系統(tǒng)",。2009年，IrDA和VLCC聯(lián)合制定了"IrDA可見光通信物理層技術(shù)要求",。歐洲OMEGA也在致力于家庭網(wǎng)絡(luò)開發(fā)。但這些標(biāo)準(zhǔn)都沒有充分考慮閃爍和調(diào)光問題,。兼顧照明及節(jié)能,，IEEE2012年批準(zhǔn)了802.15.7標(biāo)準(zhǔn)。
IEEE802.15.7對(duì)VLC定義了4類應(yīng)用：局域網(wǎng)通信(VLAN),、定位增強(qiáng)信息廣播,、高分辨力定位(自動(dòng)定位)以及中等分辨力定位(室內(nèi)導(dǎo)航)。該標(biāo)準(zhǔn)提供了高速VLC通信無閃爍可適應(yīng)調(diào)光機(jī)制[8],，支持點(diǎn)到點(diǎn)以及星型等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，并對(duì)雙向通信和廣播模式物理層和媒體存取控制(MAC)層進(jìn)行了規(guī)定。其中，PHYI為室外低速通信應(yīng)用,，其傳輸速率為12~267kb/s,，PHYII用于室內(nèi)中速通信應(yīng)用，傳輸速率為1.25~96Mb/s,。PHYIII用RGB作為傳輸源和接收器,，其速率范圍為12~96Mb/s。IEEE802.15.7沒有涉及到千兆速率,。德國物理學(xué)家HaraldHaas提出了LightFidelity(Li-Fi)并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,。該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃在未來達(dá)到10Gb/s傳輸速率。除了VLC可以在GPS所不能發(fā)揮作用的室內(nèi)和峽谷等場合進(jìn)行定位,，還可以用于水下通信,、軍用裝備通信、電力線通信(PLC)及以太網(wǎng)供電(PoE)鏈路綜合等,。為了能夠讓VLC充分發(fā)揮其應(yīng)用潛力,，更為廣泛應(yīng)用的VLC國際標(biāo)準(zhǔn)還需要進(jìn)一步開發(fā)。
面臨的主要問題
1.1 VLC 通信速率的提高
可見光LEDs 最大挑戰(zhàn)是VLC 的數(shù)據(jù)通信速率,。為了提高通信速率,，除了需要在LED 器件上進(jìn)行突破外，還可通過其他技術(shù)手段進(jìn)行提升,。如運(yùn)用調(diào)制,、波分復(fù)用、均衡,、光多輸入多輸出(MIMO)以及這些方法的混合使用,。
編碼調(diào)制技術(shù)
為了克服白光LED 的調(diào)制帶寬的局限，必須深入探究頻帶利用率高,、抗干擾性能好的調(diào)制復(fù)用技術(shù),。目前常見調(diào)制編碼有開關(guān)鍵控(OOK)、脈沖位置調(diào)制(PPM),、多脈沖位置調(diào)制(MPPM),、差分脈沖位置調(diào)制(DPPM)等。相對(duì)于OOK 調(diào)制方式,， 后三種利用率更好些,。PPM 具有自提取同步信號(hào)，適合低信噪比的場合,。MPPM 帶寬效率和功率效率均較高,。OFDM 是一種高效調(diào)制技術(shù)，具有頻譜效率高,、帶寬擴(kuò)展性強(qiáng),、抗多徑衰落,、頻譜資源靈活分配等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今世界研究熱點(diǎn)之一,。早在2001 年,，日本提出在VLC 中引入OFDM 調(diào)制方式的必要性。2005 年,，西班牙的Gonzalez 等提出了一種利用自適應(yīng)OFDM 調(diào)制,，可根據(jù)當(dāng)前信道狀況調(diào)整各子信道分配的比特和功率，提高整個(gè)系統(tǒng)傳輸效率,。長春理工大學(xué)研究學(xué)者近年來也對(duì)OFDM 調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了研究,，可以根據(jù)信道優(yōu)劣選擇恰當(dāng)?shù)腛FDM 調(diào)制解調(diào)方式。OMEGA 論證了基于正交頻分復(fù)用/正交振幅調(diào)制(OFDM/QAM)技術(shù)的3 m 以上距離進(jìn)行84 Mb/s 光無線通信數(shù)據(jù)傳輸,。OFDM在光無線通信系統(tǒng)中的缺點(diǎn)是直流(DC)成分導(dǎo)致的功效低,。OFDM 在高效調(diào)制的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致帶寬通信系統(tǒng)復(fù)雜以及影響照明均勻等問題,。為了進(jìn)一步提升傳輸速率,，DMT 技術(shù)逐步受到關(guān)注。建立了一種基于DMT 的VLC 系統(tǒng)模型,，仿真結(jié)果證明DMT 在有限帶寬限制下顯著提高了數(shù)據(jù)傳輸速率,。目前DMT 技術(shù)方面研究工作做得不是很多，尚需要進(jìn)一步深入研究,。但如何選擇適合可見光的調(diào)制技術(shù)是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題,。
收發(fā)器均衡及濾波技術(shù)
對(duì)發(fā)送端模擬均衡可補(bǔ)償白光LED 在高頻下的快速衰減，使得熒光粉LED 調(diào)制帶寬擴(kuò)展到25 MHz,。發(fā)送器均衡的不足之處在于驅(qū)動(dòng)電路需要被調(diào)制以及部分信號(hào)沒有被轉(zhuǎn)化為光而導(dǎo)致能量沒有被充分利用,。相對(duì)接收器來說，均衡處理是復(fù)雜的,。通過非歸零碼-開關(guān)鍵控(NRZ-OOK)技術(shù),，節(jié)能與環(huán)保，讓藍(lán)光濾波移走慢黃光的部分,，從而使得帶寬增加到100 Mb/s 并具有很高的照明亮度,。由于強(qiáng)烈的背景噪聲及電路固有噪聲的干擾，隨著傳輸距離的加大,，LED燈管,，可見光通信系統(tǒng)中接收信號(hào)可能會(huì)十分微弱。為了精確接收信號(hào),，需要采用高效光濾波器抑制背景雜散光干擾。因?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)中的信號(hào)能量與噪聲同時(shí)分布在整個(gè)可見光譜中,，商業(yè)照明,，濾波后信噪比不高,，研究高效濾波技術(shù)及新型濾波器是提高光通信性能的有效方法。
并行通信(OMIMO)技術(shù)
和無線電系統(tǒng)類似,，并行通信(OMIMO)通過在并行多路接收器和發(fā)送器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，通過空間復(fù)用實(shí)現(xiàn)高速傳輸，增大光無線通信系統(tǒng)的吞吐量,。OMIMO 技術(shù)是提升VLC 通信速率和通信質(zhì)量的重要途徑,。Brien 首次在VLC 中提出了OMIMO 模型。2011 年Dambul 提出了成像OMIMO 結(jié)構(gòu),。目前MIMO 技術(shù)潛力的發(fā)揮主要還受到芯片水平的限制,。文獻(xiàn)[29]報(bào)道了一個(gè)關(guān)于4×4 50 Mb/s MIMO VLC 通信實(shí)驗(yàn)。慶應(yīng)義塾大學(xué)(Keio University)報(bào)道了1 Gb/s 并行傳輸?shù)母拍钚哉撟C實(shí)驗(yàn)：運(yùn)用MIMO 技術(shù),，通過576 LEDs 陣列向256 接收器陣列發(fā)送數(shù)據(jù),，每個(gè)LED 發(fā)送的數(shù)據(jù)速率為5 Mb/s。如何更好地利用室內(nèi)VLC 系統(tǒng)的空間資源,，技術(shù)資訊,，獲取更高的復(fù)用增益有待進(jìn)一步去研究。
2.2 可見光信道模型的完善建立及LED光源布局的優(yōu)化
可見光無線信道模型的建立是分析和設(shè)計(jì)可見光通信系統(tǒng)的基礎(chǔ),。LED 燈光空間布局,、空氣環(huán)境等也會(huì)對(duì)信道模型和通信性能產(chǎn)生影響。為提升VLC 通信效率,，必須對(duì)LED 燈的個(gè)數(shù),、空間布局及光亮度進(jìn)行合理的選擇，盡可能避免盲區(qū)和多徑延遲產(chǎn)生碼間干擾(ISI),。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所利用大功率白光LED 照明燈,，采用OOK-NRZ 調(diào)制方式，廠房照明,，實(shí)現(xiàn)了多燈同時(shí)調(diào)制,、大范圍覆蓋下的90 kb/s、局部小范圍285 kb/s的單向下行通信速率,。為優(yōu)化LED 光源的布局,，對(duì)光鏈路視距信道損耗進(jìn)行了理論分析，對(duì)LED光源建模并進(jìn)行光線追跡仿真,，為多燈聯(lián)合調(diào)制和基于網(wǎng)格的照明調(diào)制的不同應(yīng)用提供了分析依據(jù),。提出通過優(yōu)化LED 半功率角的布局來提高室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)性能的方法。該方法不需要調(diào)節(jié)LED的功率,，CE認(rèn)證,，比較適合工程運(yùn)用，對(duì)于提高可見光通信系統(tǒng)的信噪比,、降低信噪比的波動(dòng)有明顯效果,。目前很多學(xué)者開展的室內(nèi)LED 可見光無線信道分析,，基本上均采用Gfeller 和Bapst 關(guān)于紅外通信信道的分析模型，對(duì)背景光,、散射等所產(chǎn)生的影響尚未作深入分析,。如何進(jìn)行合理的LED 布局優(yōu)化、建立完善的可見光通信模型并計(jì)算及測量信道的單位脈沖響應(yīng),，店鋪照明,，是當(dāng)今VLC 的研究的難點(diǎn)之一。
上行鏈路技術(shù)
牛津大學(xué)的Brien 和愛丁堡大學(xué)的Harald Haas 課題組很早就考慮到上行鏈路是可見光通信的重要挑戰(zhàn)之一,，并指出射頻,、紅外光等可以作為上行鏈路。由于射頻上行會(huì)產(chǎn)生電磁輻射,，無法用在電磁敏感環(huán)境,，且也會(huì)減弱VLC 通信的保密性。紅外上行也面臨一些列技術(shù)難度：紅外LED 光束較為集中,，照明資質(zhì),，需要進(jìn)行簡單瞄準(zhǔn)并將發(fā)射功率限制在人眼安全范圍內(nèi)；由于紅外LED 調(diào)制帶寬受限導(dǎo)致上行傳輸速率較低,；可見光與紅外無線通信的信道沖激響應(yīng)不同,，這兩種系統(tǒng)中引起的碼間串?dāng)_(ISI)原因各異等。故需要對(duì)多光源,、時(shí)變信道環(huán)境下的可見光無線通信(VLC)系統(tǒng)的信道沖激響應(yīng)和不同光路徑引起的ISI 開展深入研究,。美國的智能照明計(jì)劃正在研究具有發(fā)收一體的白光LED 技術(shù)，LED 燈將作為收發(fā)器實(shí)現(xiàn)全雙工通信,。展示了以RGBLED中紅綠2 個(gè)通道作為下行,、藍(lán)色通道作為上行的波分雙工(WDD)可見光通信系統(tǒng)。但可見光LED 作為上行鏈路的一個(gè)突出問題是對(duì)人產(chǎn)生視覺干擾,，因此利用可見光作為上行鏈路只能用于某些特殊場景,。
新LED器件
市場上固態(tài)LED 燈主要是從滿足照明角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)通信性能并沒有給予充分考慮,。理想特性的LED 對(duì)VLC 通信性能至關(guān)重要,。實(shí)際通信應(yīng)用中效果較好的是商業(yè)化產(chǎn)品與技術(shù)(COTS) LED 器件�,；谶B續(xù)增長的LED 光源以及Gb/s 數(shù)據(jù)傳輸速率的需求,，少量大型高功率氮化鎵(GaN)的發(fā)光二極管也可以同來滿足VLC 通信的高速傳輸需求。2014 年,，Tsonevn 等基于OFDM 技術(shù)通過氮化鎵微米發(fā)光二極管(mLED)搭建了3 Gb/s 傳輸速率的VLC 通信鏈路,。此外，有機(jī)可見光作為光無線通信領(lǐng)域中一個(gè)獨(dú)立技術(shù)正在迅猛發(fā)展。和LED 相比,，有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)具有靈活性,、可彎曲性,、成本低等很多優(yōu)點(diǎn),。它正被應(yīng)用到在高清晰度電視(HDTV)的高端顯示產(chǎn)品和智能手機(jī)上，引起了科學(xué)家們的高度關(guān)注,。由于有機(jī)半導(dǎo)體電荷遷移性比無機(jī)半導(dǎo)體的電荷遷移性要低幾個(gè)數(shù)量級(jí),，使得帶寬受限從而限制了傳輸速度。這也是有機(jī)可見光無線通信面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn),。
參考文獻(xiàn)：宋小慶,、趙梓旭等撰寫的《可見光通信應(yīng)用前景與發(fā)展挑戰(zhàn)》
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