（电路与系统专业论文）基于白光LED的室内可见光通信系统研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 可见光通信技术是一种在白光l e d 发明及应用后发展起来的新兴的无线光通信技 术。l e d 不仅可以提供室内照明，而且可以应用到无线光通信系统中满足室内个人网 络需求。论文主要对基于白光l e d 的室内可见光通信系统进行了研究。 本文在对白光l e d 用作通信光源时的伏安特性、光谱特性和调制特性等物理特性 做深入分析的基础上，重点研究了白光l e d 照明光源通信系统的组成结构和系统设计， 并设计出了白光l e d 调制和发射电路。给出了一种求l e d 照明灯室内布局的方法，仿 真结果表明，该方法可以较好地解决可见光通信系统的室内l e d 照明灯的最优布局问 题。采用直射式链路形式和光强度调制一直接检测技术，可以实现对白光l e d 的高速调 制，并设计出了用于接收可见光信号和信号解调的光接收电路，完成了白光l e d 的可 见光通信收发实验并给出了实验结果。 过去可见光通信主要使用开关键控调制方式，但使用开关键控调制方式限制了数 据传输速度，因此，本文引入了一种基于正交频分复用( o f d m ) 调制与解调的方案， 用于减弱高速通信时由多径效应带来的码间串扰。 关键词：室内可见光通信光无线通信白光l e d 正交频分复用 a b s t r a c t v i s i b l el i g h tc o m m u n i c a t i o ni san o v e lw i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d r o s ew i t hd e v e l o p m e n to fw h i t el e df a b d c a t i o nt e c h n i q u e s w h i t el e dd e v i c e sa r eu s e dn o t o n l yf o ri l l u m i n a t i n gr o o m sb u ta l s of o ra no p t i c a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h i c hi s s u i t a b l ef o ri n d o o rp r i v a t en e t w o r k s i nt h i st h e s i s ar e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n gl i n kf o r i n d o o rv i s i b l el i g h tc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nw h i t el e d l i g h t si sp r o p o s e d ， i nt h et h e s i s ，b a s e ds t u d i e sh a v eb e e nd o n eo nv o l t a g et oc u r r e n tc h a r a c t e r ，r a d i a t i o n s p e c t r u ma n dm o d u l a t i o np r o p e r t yo fw h i t el e dw h e nt h e ya r eu s e da so p t i c a lt r a n s m i t t e r s ， t h e nt h ec o n f i g u r a t i o na n ds y s t e m a t i cd e s i g nt e c h n i q u e sa r ec o n c e n t r a t e dc o n c e r n i n gw h i t e l e d l i g h t i n gs o u r c ec o m m u n i c a t i o na sw e l la sh i g hs p e e dm o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ，v i s i b l e l i g h t t r a n s c e i v e rc i r c u i t a no p t i m a ld e s i g no f l i g h t i n g sl a y o u to nt h ev i s i b l el i g h t c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd i s c u s s e d t h er e s u l t so fc o m p u t e rs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h i s o p t i m a ld e s i g ni sf e a s i b l ef o rt h ev i s i b l el i g h tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 1 1 l es y s t e me m p l o y i n g l i n e o f - s i g h tl i n ka n di n t e n s i t ym o d u l a t i o nw i t i ld i r e c td e t e c t i o n h i g hm o d u l a t i o nu s i n g w h i t el e di sd o n ea n dar e c e i v e ti s d e s i g n e dt or e c e i v ea n dd e m o d u l a t et h eo p t i c a l l y t r a n s m i t t e di n f o r m a t i o n r e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n ge x p e r i m e n tf o ri n d o o rv i s i b l el i g h t c o m m u n i c a t i 0 1 1b a s e do nw h i t el e dh a v eb e e n d o n ea n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r es h o w n i nt h ep a s t p r i m a r i l yo o kh a sb e e nu s e df o rd i g i t a ld a t am o d u l o t i o no fs u c h d e v i c e s o o ki m p o s e sl i m i t a t i o n so nt h ea c h i e v a b l ed a t ar a t e s b e c a u s eo ft h ei n h e r e n t r o b u s t n e s so fo f d ma g a i n s tm u l t i p a t he f f e c t s ，o f d mi sc o n s i d e r e di nc o m b i n a t i o nw i t h h i g h e ro r d e rm o d u l a t i o ns c h c m e si nt h et h e s i s k e yw o r d s ：i n d o o rv i s i b l el i g h tc o m m u n i c a t i o n o p t i c a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n w h i t el e d o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于自光l e d 的室内可见光通信系统研 究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：趣爱边i 年三月日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 作者签名：邀承蕴 趔年土月丑日 燧名：垂弘五塑日 第一章绪论 1 1引言 2 0 世纪9 0 年代后期，随着全光接入技术的发展和人们对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。无线光通信技术是一种宽带无线接入技术，是光通信技术 和无线通信技术相结合的产物，它以光信号为载体，通过大气作为传输媒质来进行光 信号传送。当前无线光通信技术主要有以下几种：自由空问光通信( f s o ：f r c es p a c e o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ) 、室内红外线通信和可见光通信( v l c ：v i s i b l el i g h t c o m m u n i c a t i o n ) 。f s o 一般利用波长为8 5 0 n m 或1 5 5 0 n m 的红外光，室内红外通信一 般利用l e d 红外光，而v l c 则利用l e d 可见光。无线光通信是以大气作为传输媒质 来进行光信号传送的，只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发 射功率，通信就可以进行。 无线光通信技术主要分为室外无线光通信技术和室内无线光通信技术。室内无线 光通信技术是将无线光通信应用在室内计算机网络及办公设备通信，室内无线光通信 与室外无线光通信主要区别在于信道的不同。地面无线光通信的信道主要收到太阳等 自然背景光及大气的影响，大气对光通信的影响主要大气湍流所引起的闪烁以及天气 现象所引起的衰减( 雾、雨、云等自然现象) 。而室内无线光通信的信道主要受到人造 光源的影响，比如荧光灯、同光灯等，还有一个对室内高速通信影响比较严重的是由 于室内墙壁对光源的反射所引起的对接收信号造成的多径问题，这样对高码率通信会 出现码间串扰( i s i ：i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。 如今，高速数掘通信在人们生活中已经扮演着非常重要的角色，人们对高速数据 通信的需求在未来将会不断增加，高速数据通信在办公室和家罩将会有广泛的应用， 因此人们对于无线室内连接( w h l ：w i r e l e s sh o m el i n k ) 的概念已经开始进行研究并 正在引起人们的广泛关注。在二十一世纪，电子设备将会向无线连接的方向进行发展， 使用w h l 人们将能够在任何地方访问因特网。 光无线通信系统将成为w h l 的一个侯选方案。它适用于w h l 所要求的高速无线 连接。光无线通信适用于非公有网络或者说消费通信网络，因为它对于任何人的使用 都不需要进行授权。并且它容易防止相邻空| 日j 通信时候的互扰。无线光学通信系统不 占用无线频谱资源并且能用于那些对电磁干扰严格禁止的地方( 例如：医院，飞机等) 。 因此，通过光波进行信息传输比通过无线电波更加适合室内无线网络。 近几年来，被誉为“绿色照明”的半导体( l e d ) 照明技术发展迅猛，特别是白光l e d 正吸引更多人的注意，他们被认为是下一代照明光源。通过三种基本的颜色( 红。绿， 蓝) 构造出的白光l e d 具有光照强，效能高和寿命长的特点。它最终会替代目前在办 公室和家庭广泛使用的白炽灯和萤光灯【2 j 。利用半导体( l e d ) 器件高速点灭的发光响应 特性，将信号调制到l e d 可见光上进行传输，使可见光通信与l e d 照明相结合构建 出l e d 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。 红外线可透过角膜被晶状体吸收，也可被虹膜和睫状体吸收，其中一部分可达视 网膜而引起视网膜的损伤。紫外线可对眼球产生损害，主要损害角膜上皮。相反，可 见光即使输出功率高达几十瓦也不会给眼睛带来危害。下一代照明光源将采用发光二 极管( l e d ) 阵列来实现，它将使获得同样照度的需求时消耗的功率大大降低。 如果对该类照明光用以人眼无法感测的速度进行闪烁的脉冲来进行发光强度调 制，而又不使光照度的波动被人眼感觉到，那么，则有望给传统的照明系统增加数据 传输能力。基于这种思想，只本庆应大学中朋i 1 - 雄和s o n y 计算杌科学研究所的春山 真- - f i g 在2 0 0 0 年提出了利用l e d 照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信 系统，开辟了采用照明光进行数据传输的研究方向【3 】。 面对用户的迅速增加及人们对高速、宽带多媒体通信的需求，电磁波的可用频带 范围已变得越来越有限，而l e d 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l e d 照明灯的普及，以及各种关键技 术的不断进步和完善，l e d 可见光无线通信有望成为新钓通信传输方式及下一代室内 无线通信技术，l e d 可见光通信是一个有待大力进行研究并具有极大应用价值的领域。 1 2 自由空间光通信与红外线通信 2 1 自由空阊光通信 f s o 在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双 工的通信。光发射机的光源受到电信号的调制，并通过作为天线的光学望远镜。将光 信号经过大气信道传送到接收端的望远镜。高灵敏度的光接收机，将望远镜收到的光 信号再转换成电信号。由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大的差别，可以 选用透过率较好的波段窗口。光的无线系统通常使用8 5 0 n m 或1 5 5 0 n m 的工作波长。 同时考虑到1 5 0 0 r u n 的光波对于雾有更强的穿透能力，而且人眼更安全，所以1 5 5 0 n m 波长的f s o 系统具有更广阔的使用前景。 f s o 与微波技术相比，它具有调制速率高、频带宽、不占用频谱资源等特点；与 有线和光纤通信相比，它具有机动灵活、运行成本低、易于推广等优点。f s o 可以在 一定程度弥补光纤和微波的不足。它的容量与光纤相近，但价格却低得多。它可以直 接架设在屋顶，由空中传送。既不需申请频率执照，也没有敷设管道挖掘马路的问题。 使用点对点的系统，在确定发收两点之例视线不受阻挡的通道之后，一般可在数小时 之内安装完毕，投入运行。在考虑到当地气象的条件以后，光无线系统一般可得到9 9 9 的可用性。 f s o 存在的主要问题有以下几点1 4 ： i ) f s o 是一种视距宽带通信技术，传输距离与信号质量的矛盾非常突出，当传输 超过一定距离时波束就会变宽导致难以被接收点正确接收，所以f s o 一般只限于城市 内使用。 2 ) 传输质量对天气非常敏感是f s o 的另一主要问题。晴天对f s o 传输质量的影响 最小，而雨天、下雪和雾天对传输质量的影响则较大。 3 ) 城市内由于建筑物的阻隔、晃动将影响两个点之间的激光对准。 4 ) 激光的安全问题也会影响其使用，超过一定功率的激光可能对人眼产生影响， 人体也可能被激光系统释放的能量伤害，所以产品要符合眼睛安全标准。 1 2 2 红外线通信 红外通信技术是一种采用红外线作为通信载体，可以实现点对点及红外无线局域 网通信的技术。传输介质红外线是一种波长范围在0 7 5 p m 1 0 0 0 p m 频谱范围的电磁波。 一般而言，红外数据通信采用红外波段内的近红外线，其波长范围介于0 7 5 p m 一2 5 p m 之问，由红外发射器、通信信道、红外接收器来完成红外信号的收发。目前，常用红 外通信方式的基本原理是在发送端采用脉位调制方式，将基带二迸制信号调制为一系 列的脉冲信号，并利用该脉冲序列驱动红外线发射管以光脉冲的形式向外发射红外脉 冲。红外通信一般选择3 8 k h z 频率的红外信号。接收端的红外接收器从空间接收红外 光信号并进行光电变换，将光脉冲信号转换成电信号，并经过均衡、判决、解码等处 理过程，恢复成原始的二进制电信号。 红外光通信不足之处主要有以下几点： 1 ) 为了提高信噪比，必须增加发射光的光功率，这就增大了器件的功耗，而且高 功率的光还会对人眼造成损伤。 2 ) 点对点，连接距离过短使这种技术仅限于两台设备之间进行数据传输，并且传 输时设备不可以移动。 3 ) 此外红外通信速率比较低，不能满足高速率应用需求。在组网方面，红外技术 也还存在一些尚未解决的技术难题，多个红外设备同时使用时还会产生干扰。 1 3v l o 、f s o 及其室内红外线通信的比较 1 3 1v l c 与f s o 的比较 v l c 是一种在白光l e d 技术上发展起来的新兴的无线光通信技术。白光l e d 具 有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，特别是其响应灵敏度非常高，因 此可以用来进行超高速数据通信。与传统的射频通信和f s o 相比，v l c 具有发射功率 高、无电磁干扰、节约能源等优点，在v l c 系统中，白光l e d 具有通信与照明的双 重作用，这是因为白光l e d 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，因而v l c 技术具有极大的发展前景，已引起人们的广泛关注和研究。 由于实现简单，v l c 系统大多设计成光强度调制直接检测( i m d d ：i n t e n s i t y m o d u l a t i o n d i r e c td e t e c t i o n ) 系统，采用曼彻斯特编码和开关键控( o o k ：o n o f f - k e y i n g ) 调制方式。在i m d d 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4 1 。 与f s o 和射频通信相比，v l c 具有以下突出优点： 1 ) 可见光对人类非常安全。v l c 系统可以使用室内的l e d 照明灯发送数据。 2 ) v l c 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。对于红外线通信，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v l c 系统中，由于发射的是可见光。故发射功率较高。 4 ) 无需无线电频谱认证。由于目前无线电频谱资源有限，当前能够分配的无线电 频率严重不足。 5 ) 无电磁干扰。可以用于医院、飞机等对电磁干扰严格限制的场合。 1 3 2v l c 与红外线通信的比较 在光无线通信技术中，通常红外光通信对外界干扰的抑制能力较强，但由于其指 向特征也很强，因此一旦通信途中遭遇物体介入，就很容易因阻挡而影响信号的证常 传输，故红外光通信的有效距离范围就相对较短。并且红外线可透过角膜被晶状体吸 收，也可被虹膜和睫状体吸收，其中一部分可达视网膜而引起视网膜的损伤。紫外线 可对眼球产生损害，主要损害角膜上皮。相反，可见光即使输出功率高达几十瓦也不 会给眼睛带来危害。下一代照明光源将采用发光二极管( l e d ) 阵列来实现，它将使获得 同样照度的需求时消耗的功率大大降低，表1 1 为白光和红外光用作室内无线通信时 的比较【5 1 ： 表卜l 白光和红外光用作室内无线通信时的比较 l e d 光源有发光强度和发光功率两个基本特性参数。白光l e d 不仅提供室内照明， 并作为信号光源用以实现室内无线数据传输。考虑到红外光对人眼睛的伤害等因素， l e d 白光用作室内无线通信的信号光源比红外光有着许多自身的优势。 4 1 4 论文研究的主要内容 论文主要对基于白光l e d 的室内可见光通信收发链路进行了研究，为了研究可见 光通信收发链路，我们首先需要对白光l e d 的基本特性进行了探讨，在此基础上研究 了v l c 信道模型、白光l e d 的线性调制特性、l e d 照明灯的设计、室内白光l e d 照 明灯的布局；完成了v l c 的发送电路与接收电路的设计；系统讨论了基于o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 调制方式的l e d 可见光通信系统的整体 设计方案。 本论文共分为五个章节： 第一章，介绍课题的来源、研究的背景和论文编排方式。 第二章，介绍可见光通信的工作原理、国内外研究现状，对v l c 信道模型及白光 l e d 调制特性进行了研究。 第三章，l e d 照明灯内部l e d s 的间距、排列方式和室内白光l e d 照明灯的布局 研究，并通过仿真给出了一种求室内l e d 照明灯最优布局的方法。 第四章，完成了白光l e d 驱动阵列构成的发送电路、p i n 接收电路、0 f d m 调制器 及o f d m 解调器的设计，最后对基于白光l e d 的室内可见光通信收发链路进行了实验 分析。 第五章，对论文进行了总结和展望。总结了论文所做的工作，介绍了室内可见光 通信未来的发展趋势。 第二章l e d 可见光通信技术概述 2 1l e d 可见光通信简介 2 1 1 可见光通信的工作原理 可见光通信技术是指利用半导体( l e d ) 器件高速点灭的发光响应特性，将l e d 发 出的用肉眼察觉不到的高速速率调制的光载波信号来对信息进行调制和传输，然后利 用光电二极管等光电转换器件接收光载波信号，并获得信息使可见光通信与l e d 照明 相结合构建出l e d 照明和通信两用基站灯，它是一种在白光l e d 技术上发展起来的 新兴的无线光通信技术f 6 1 。白光l e d 具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等 优点，特别是其响应灵敏度非常高，园此可以用来进行超高速数据通信。 可见光数据通信发射端是根据传递资料将电信号变调，再利用l e d 转换成光信号 发送出去，接收端利用受光元件接收光信号，再将光信号转换成电信号，经过解调当 成信号资料读取。在波长方面因为是采用可见光，所以波长从蓝光的3 8 0 n m 一直到红 光的7 8 0 n m 范围”j 。 传统的光通信是利用不可见光来进行通信传输，大多是采用波长较长的红外光， 在这一部份，已经相当成熟而相匹配的标准也广被业界所采用。可见光数据通信会 限制收信区域，l e d 点光源可见光无线通信器完全排除传统高频无线电磁波对人体与 周边电子机器干扰的疑虑，非常适合应用在道路诱导、展示导游、智能型道路交通系 统o t s ) 、医院、室内信息传输等限定空间的资料传输等领域。 2 1 2 可见光通信的发展 可见光通信的起源最早可追溯到1 9 世纪7 0 年代，当时a l e x a n d e rg r a h a mb e l l 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1 9 6 0 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，被誉为“绿 色照明”的半导体( l e d ) 照明技术发展迅猛，利用半导体( l e d ) 器件高速点灭的发光响应 特性，将信号调制到l e d 可见光上进行传输，使可见光通信与l e d 照明相结合构建 出l e d 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。随着白光 l e d 的迅速发展。可见光通信也逐渐发展起束榉i 。 l e d 可见光通信可以分成室外通信和室内通信两大类。室外l e d 可见光通信技术 目前主要应用在智能交通系统( i t s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s )，香港大学 g p a n g 等人在1 9 9 8 年提出了利用l e d 交通指示灯为车辆传输语音广播信号，将语音 信号通过o o k 调制加至l e d 光源，实现了低速的无线l e d 可见光传输 9 1 。中川研究 室的科研人员在2 0 0 3 年提出了l e d 公路照明通信系统i lu j 。g p a n g 等人只对利用l e d 交通灯进行语音传输展开研究，中川研究室的科研人员则在l e d 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嗓比和 接收数据率的关系，认为l e d 可见光公路照明通信系统优于红外公路交通通信系统。 6 随着智能交通系统研究的深入，又出现了l e d 交通灯、汽车前后l e d 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。 室内l e d 可见光无线通信技术主要应用在室内无线宽带接入网中，2 0 0 0 年，中川 研究室的研究人员t a n a k a y u i c h i 等就基于室内白光l e d 通信光源的可见光通信系统的 信道进行了初步的数学分析和模拟计算，分析了白光l e d 照明灯用作室内照明用途的 同时作为通信光源的可能性【3 i 。其后的研究也都是类似的理论分析报道。但是已有的研 究多针对l e d 照明光源布局设计，基于白光l e d 照明光源的可见光通信系统的整体 设计分析还不完善。 2 0 0 2 年，中川研究室的科研人员对l e d 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【i 1 1 。针对室内布线 问题，2 0 0 3 年，他们提出利用己有的家庭电力线传送信号波形的线路复用方案，提出 了一套结合电力线载波通信和l e d 白光通信的数据传输系统，解决了白光l e d 用于 室内无线通信时重新布线的繁琐和困难。他们以s c b p s k 调制方式进行了系统仿真， 结果表明：系统在数据率为1 m b p s 条件下是可行的【1 2 】。2 0 0 3 年，中川研究室针对v l c 的前期研究做了总结，对下列关键技术做了综述：照明光源的选取、布局；调制、解 调体制；信源编码方式i j 。 2 0 0 4 年，中川研究室的t a k a k u n i 等人对基于白光l e d 灯的通信进行了初步实验 研究，该系统利用桌面l e d 照明台灯向用户提供广播信息，结构简单，系统通信距离 较短，工作数据速率较低。同年，中川正雄与k o m i n et 指出，由于可见光信道与红外 光信道的不同，在多光源情况下必须考虑光程差，并对光程差引起的i s i 进行了研究， 讨论了反射和i s i 对v l c 性能的影响。指出，i s i 受通信速率和接收端接收角度的共同 影响，从而导致v l c 的性能下降i i 。 2 0 0 3 年l o 月成立的可见光通信联合体( v l c c ：v i s i b l el i g h tc o m m u n i c a t i o n s c o n s o r t i u m ) ，成立初期以加盟企业为主要对象，v l c c 针对可见光通信技术的标准化 与应用普及化进行各种工作小组活动，至2 0 0 7 年1 月为提升可见光通信知名度，包含 东芝等公司在内有2 3 家会员公司正式展开工作小组活动，具体内容分别是携带终端、 光卷标( t a g ) 的检讨，并成立可见光i d 标准化工作小组。可见光通信是照明器具与看板 等周边设备常用的通信技术，为了使可见光通信普及化，必需建立各种终端机器都能 够应用的标准化规范，目前v l c c 已经制定两种规范，分别是可见光通信系统规范 v l c c s t d 0 0 1 及低速通信可见光i d 用规范v l c c s t d 0 0 3 。适用范围是对以可见光 当作媒体的通信系统，尤其是系统分成物理层与应用上位层时，规定物理层部份适用 范围，包括接收端的发光元件、接收端的受光元件与发光元件的自由空间界面f ”。 2 0 0 4 年1 0 月在日本干叶召开的影像、信息及通信的综合展会( c e a t e c ) l - ，由国 际可见光通信协会的多家成员所进行的一系列展示活动，向世人证实了采用基于l e d 的照明来向手持式和车载计算装置传送高速数据所拥有的诸多好处。将数据添加到随 处可见的照明设备( 包括带照明的标志、交通信号灯及室内照明设备) 所产生的可见 光，然后通过扩充r f 技术而为人们营造一个更加广阔的无线通信世界。 2 1 3 室内l e d 可见光通信的关键技术 v l c 作为一种无线的光通信方式，其系统包括下行链路和上行链路两部分。下行 链路包括发射和接收两部分。其发射部分主要包括将信号源信号转换成便于光信道传 输的电信号的输入和处理电路、将电信号变化调制成光载波强度变化的l e d 可见光驱 动调制电路。白光l e d 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，光传播基本上不存在损耗，但是由于l e d 光源 个数较多，且具有较大的表面积，因而在发射机和接收机之间存在若干条不同的光路 径，不同的光路径到达接收机的时间不同，将引起所谓的码间干扰( i s i ) 。由于白光 l e d 光源发出的是可见光，且发散角较大。对人眼睛基本无害、无电磁波伤害等优点， 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包括能对信号光源实现最佳接收的光学系统、将光信号还 原成电信号的光电探测器和前置放大电路、将电信号转换成可被终端识别的信号处理 和输出电路。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l e d 组成，只不过发射面积 较小，且具有较小的发射角，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 v l c 系统，由该系统组成的网络称为可见光网络。 在v l c 系统中，白光l e d 具有通信与照明的双重作用，这是因为白光l e d 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。v l c 系统大多设计成 光强度调制直接检测系统，采用曼彻斯特编码和0 0 k 调制方式，如图2 1 所示。在 i m d d 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【3 “。 图2 1 采用i m d d 技术的l e d 可见光通信 8 当前，l e d 可见光通信主要包括以下几个方面的关键技术： 1 ) 可见光信道研究 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，两者具有不同的特性， 这两种系统中引起i s i 的原因也不相同，需要对多光源、时变信道环境下的v l c 系统 的信道冲激响应和不同光路径引起的i s i 作深入研究，从而解决i s i 的影响。 2 1 码间干扰克服技术 由于l e d 单元灯分布位置不同及大气信道中存在的粒子散射导致不同的传输延 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( i s i ) ，导致系统性能恶化1 。 3 、光源的选择与布局 在可见光通信系统中，光源起着至关重要的作用。作为室内照明设备，它必须具 有亮度高、散热小、功耗低、辐射范围广等特点。另一方面，作为光通信系统的光源， 它必须具有使用寿命长、调制性能好、响应灵敏度高、发射功率大等优点。综合以上 两个方面，目前能满足要求的最好选择就是白光l e d 。实际系统中，由于各个房间的 大小以及室内设施不尽相同，因而要使通信效果达到最优，须使房间内的光强分布大 致不变，尽量避免通信盲区( 光照射不到的区域) 的出现。要达到这个目的，必须根据不 同的房闻，合理的安排l e d 灯的布局。 4 ) 最佳l e d 照明灯个数 在v l c 系统中，通常安装在室内的l e d 灯具有一个较大的辐射角，以尽可能地 覆盖整个房间。但是由于行人、设备等的遮挡，会在接收机表面形成“阴影”，影响通 信性能。因此就需要将这种“阴影”的影响降至最低。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。但是单纯 地增加l e d 灯的个数，虽然能够解决“阴影”问题，却并不能使系统的通信性能达到最 佳。这是因为，不同的光源与接收机之渊具有不同的光路径，多个不同的光路径会引 起多径延迟产生码间干扰。因而可知，l e d 灯的个数越多，i s i 越严重，必须合理地选 择l e d 灯的个数。 5 ) 调制、编码以及解调技术 目前可见光通信系统大多采用强度调制( i m ) 的直接检测( d d ) 非相干系统，编码方 式大多为二进制o o k ( 开关键控) 编码。但由于o f d m 可以有效地对抗多径传播所造成 的符号间干扰，其实现复杂度比采用均衡器的单载波系统小很多。因此采用o f d m 调 制技术具有良好的发展触景。 2 2 室内无线光通信 2 2 1 室内无线光通信的基本链接方式 室内无线光通信与室外无线光通信的不同点主要在于两者的信道不同，室内光通 信要考虑室内房顶、墙壁、地面以及其他物品如桌子对光束的反射和吸收。室外光通 9 信主要是点对点通信，信号的传输距离较远，一般在百米以上，这样发射器就应该用 光束扩散较小的激光器；而室内光通信就决定了通信的距离不会很远，一般在几米到 十几米的范围内，这样可以采用发光二极管l l “。 室内无线光通信系统的链路方式有很多种，根据以下两点就可以很容易的将他们 区分开来。第一点就是看发射机和接收机是否定向。所谓定向，其实是一个角度问题。 对发射机来讲，如果其发射的光束发散角很小，发出光束近乎平行，则称其为定向发 射机。同样，如果接收机的视场角范围很小，则称其为定向接收机。若发射机和接收 机均为定向，接发两端对准时就建立了一条链路，这条链路就称为定向链路。相反， 非定向链路使用的是大角度的接收机和发射机。还有一种链路混合了定向与非定向的 特点，也就是说，发射机与接收机中一个是非定向的另一个是定向的，我们称之为混 合链路。区分链接方式的第二点是看发射机与接收机之间是否存在未受干扰的视距 ( l o s ：l i n e o f s i g h t ) 。视距链接中接收机接收到的光除存在由发射机发出的大角度的光经 其他物体反射回来的光外，还存在直接由发射机发射过来未经反射的光；而非视距 洲o n l o s ：n o nl i n eo f s i g h t ) 链接通常是发射机对着天花板发射光信号，接收机接收到的 光信号中不存在直接从发射机射过来的光。根据以上分析，可以将室内无线局域网的 链路方式分为以下几种：定向式视距链路：混合式视距链路；非定向式视距链路；定 向式漫反射链路；混合式非视距链路；非定向式漫反射链路。其结构如图2 2 所示【l ”。 视距铸路 非视距链路 定向式 混合式非定向武 尺 丫聂丫玎 l il 觚艉影等 幽2 2 链路方式不葸幽( t 一发射端r 一接收端) 如图2 2 所示，每个方框代表一个房间，定向式视距链路的发射机安装在天花板上。 该链路可实现较高的功率利用率。其主要特点有： 1 ) 路径损耗较低，从而对发射机功率的要求也比较低，发射光源一般采用平均功 率为几十毫瓦，发射半角为1 5 0 3 0 。的l e d ( 发光二极管) 。 2 ) 传输光束很窄，几乎没有多径散射问题，背景光对其影响也很小，这使得传输 速率很高，一个简单的设计通常可以达到1 0 0 m b p s 的信息传输速率。该种链路方式的 不足在于，通信时需要发射机和接收机之间始终保持一种直线式的视距链路，因此很 容易因为一点阻碍而断开。这种链路更适合于单点对单点的通信，而不太适于单点对 0 多点的广播式通信，这样就限制了其灵活性。 定向式视距链路在实际中应用较多。其常用于短距离低速率通信，例如各种电器 的遥控器等。而且，它也是红外数据协会选用的用于非中心对等网络的链路方式，这 些对等网络一般为移动终端而组建，两个终端间的距离不超过l m ，数据传输速率在 9 6 k b p s 到4 m b p s 之间【l 剐。非定向式视距链路是通过固定在天花板上发射机发出的大 发散角光束和接收机的较大的接收视野来达到增加覆盖面积的目的，使得收发两端不 需要严格对准便可进行通信。由于信号在传输过程中可能要经过墙壁或天花板的反射， 这就产生了多径传输问题，并增大了路径损耗，直接影响到光电探测器接收到的光功 率。该种链路更适用于单点到多点的广播式通信系统，例如，在一个房间的天花板上 安置一个接入点( a p ) ，处在该接入点发出光的覆盖范围内的多个终端可以同时接收到 接入点发出的信号，而且各个终端问还可以通过接入点束进行通信。非定向式漫反射 链路中，发射机的发射端一般对着天花板发射较宽的红外光束，漫反射后的光覆盖面 积很大，因此，漫反射式链路不需要对准，也不需要视距路径。该链路方式应用更灵 活，既可用于对等网络，亦可用于中心网络。其缺点是信号的路径损耗严重，尤其是 当接收机附近有人或障碍物时，损耗更严重。另外，多径传输也是影响其传输速率的 一个重要因素。尽管如此，考虑到灵活性问题，许多研究机构仍对漫反射式链路产生 了浓厚兴趣。 虽然室内无线光通信的基本链路方式有很多种，但是本文描述的无线光通信系统 中，白光l e d 因提供室内照明必须固定在天花板上，故以其为信号光源的室内无线通 信链路有两种形式：定向式视距链路和非定向式视距链路。 在定向式视距链路中，接收机直接指向白光l e d 光源。其优点是，信号光源功率 利用率高、容易实现高速数据链路。然而该链路要求光信号收发端始终对准，容易因 链路上存在的障碍物而阻断。非定向式视距链路设计中接收机视角一般较大，降低了 对指向的要求，系统不易受阴影效应影响。但链路中存在的多径效应会限制信号传输 速率。表2 - 1 给出了两种光链路的一些通信性能比较p l 。实际应用中可以综合两种链路 的优缺点设计灵活的链路方式以提高系统性能。 表2 - 1 两种无线光通信链路比较 2 2 2 室内无线光通信信道分析 由于室内可见光通信信道与红外无线通信信道非常相似，所以对可见光通信信道 的研究可以参考红外无线通信信道，在红外无线通信系统中，不管是直视方式信道还 是漫射方式信道，信道中红外线的发射及反射特性常用朗伯辐射源来近似【1 8 - 1 9 l 。由于 光信号的反射、散射及背景光噪声的影响，红外无线数字信道中存在多径干扰，这是 提高信道质量以及进行高速率应用时应解决的主要问题。图2 3 是室内无线光通信系统 的脉冲响应为和h ( t ) 的线性基带传输模型【2 0 】。 噪声n ( t ) 图2 3 脉冲响席为和h ( t ) 的线性基带传输模型 图2 3 中的信道是一个简单的线性基带传输系统，输入是发射光x ( t ) ，r 是光电探 测器的响应效率，h ( t ) 是基带信道的脉冲响应，n ( t ) 是加性白高斯噪声信号，在信号输 出端得到的是光电流y ( t ) ，其表达式为： y ( t ) = r x ( t ) o h ( t ) + n ( t )( 2 1 ) 式中 表示卷积，y ( t ) 跟光检测器表面接收到的瞬时光功率的积分成比例关系。 室内无线光传输信道的基带模型的脉冲响h ( t ) 应经常用以下形式： n h ( t ) = 乏：a n 8 ( t t 。) e 妒o ( 2 2 ) 忑 这里的a 。，t 。，0 。分别代表振幅，传输延迟和相位；n 是多径信道的径数。使用 冲击函数8 ( 0 作为系统的基本函数。 可见光通信信道中的光噪声主要包含自然噪声太阳光及人为干扰荧光灯灯光等， 可以在信息传输通道中加入光学滤光片、聚光镜等加以解决。它们的作用包括整形、 滤波、视场变换、频段划分等。例如，可用透镜对发射光进行聚焦，利用光学滤光片 滤除杂散光，利用透镜扩大光接收器的视场，还可利用光学元件进行链路的频分复用 等。这些都将有利于提高信道质量，满足信息传输需求。 2 2 3l o s 信道模型 要想对室内无线光通信系统进行研究，我们就应该首先了解一下其中的信道模型 情况。室内无线光通信的信道模型主要有两种，一种是直射链路，另一种就是反射链 路，室内可见光通信发光源l e d 照明灯即要照明又要进行通信，故一般只使用定向l o s 信道和非定向l o s 信道。 l o s 信道像散射信道一样描述了所需多径功率与延时扩展之间的关系，用房间的 简单特征来表示信道中的各个参数，其比散射信道更难进行估计。一个宽波束光源由 下面几个参数表示，位置向量r s ，方向向量矗。，功率r ，辐射强度模型r ( 巾，0 ) ，辐射 强度定义的是( 巾，0 ) 处光源发射的单位立体角内的功率。我们用一个普通的朗伯辐射模 1 2 型模拟一个辐射源，具有轴对称性质，且与角度0 无关，这里由下式表示【1 8 l 2 h ： m ) = 等p 。p , x ) s n 卜，殉 ( 2 - 3 ) 式中n 是与发射器半功率角巾，有关的值，式中n = 一- ，用来指定波