（通信与信息系统专业论文）基于白光led的室内无线光通信上下行链路研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着l e d l i g h te m i t t i n gd i o d e 产业的兴起和迅速发展 半导体照明取代传统 照明势在必行 而白光l e d 具有节能 寿命长 可靠性高 调制性能好等优点 使 l e d 在照明同时进行通信成为可能 掌上电脑 p a l i n t o p s 以及个人数字助理c a p d 等 移动电脑设备得到了越来越广泛的应用 人们迫切需要一种信息容量大和部署灵活 维护方便 安全保密的无线通信技术 无线光通信为无线宽带接入的快速部署提供 一种灵活的解决方案 这给基于白光l e d 的室内可见光通信技术带来极大的机遇 本文主要从白光l e d 的物理特性出发 研究了两类典型的室内l e d 照明灯的布 局对照明和通信的影响 信号的一次反射对整体光功率的影响 研究多种调制方式在 室内无线光通信中的性能 高速传输中多径信道产生的均方根时延 以及由此引起的 码间干扰 为了解决码间干扰 采用了分集接收以改善高速通信情况下的通信性能 最后 建立了室内可见光通信的上行链路 分析了正交码长度 用户数量对上行性能 的影响 并采用多用户检测的方法降低用户间的干扰 主要研究工作如下 1 以一个典型的室内房间模型为研究对象 从两类典型的室内照明灯布局着 手 分析比较了两种布局对室内照明的影响 并结合通信的要求 选择合理的布局 结合所选择的照明灯布局 仿真比较了墙面反射信号的脉冲强度和直流增益 分析 反射信号对通信接收信号的影响 2 分析了采用o o k p p m 和m p p m 调制 在传输速率从1 0 m 到1 0 0 m 时的 接收误码率情况 根据光源的布局 分析了室内各点的均方根时延分布情况 室内 具有代表性的三个点的误码率以及在不同传输速率下 采用不同调制方式的光功率 损耗情况 3 针对大角度接收机接收在高速传输情况下接收性能不理想的特点 提出了 采用角度分集接收技术 设计了角度分集接收机每个接收分支的角度 通过改变接 收机的接收角度 降低多径对通信的影响 分析了角度分集接收的信道 仿真了采 用角度分集接收机后的接收误码率 4 建立了用户上行链路 采用o c d m a 技术实现多用户上行 实现了双向通 信 分析了光正交码长度 权重以及接收机判决门限对接收性能的影响 仿真分析 了单用户检测和多用户检测情况下的误码率 结果表明 采用多用户检测可以在保 证一定误码率的前提下增加系统的用户数量 关键词 无线光通信 白光l e d 调制 o c d m a 均方根时延 江苏大学硕士学位论文 w i t ht h er i s ea n dr a p i dd e v e l o p m e n to ft h el e d 1 i g h te m i t t i n gd i o d e i n d u s t r y i ti s i m p e r a t i v et h a tc o n v e n t i o n a ll i g h t i n gi st ob er e p l a c e db ys e m i c o n d u c t o rl i g h t i n g t h e a d v a n t a g e ss u c h a se n e r g y s a v i n g l o n gl i f e h i g hr e l i a b i l i t ya n d9 0 0 dm o d u l a t i o n p e r f o r m a n c ee n a l b l et h ew h i t el e d t ob et h ec o m m u n i c a t i o ne q u i p m e r i tw h i l el i g h t i n g s i n c et h ep a l m t o p sa n dp d a p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t h a v eb e e nu s e dm o r ea n dm o r e w i d e l y t h ew 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 yo fl a r g ei n f o r m a t i o n f l e x i b l e d e p l o y m e n t e a s ym a i n t a i n a n c ea n ds e c u r i t yi sd e m a n d e du r g e n t l y t op r o v i d eaf l e x i b l e s o l u t i o nt ot h er a p i dd e p l o y m e n to fw i r e l e s sb r o a d b a n da c c e s s w h i c hp r o v i d e sag r e a t o p p o m m i t y f o rt h e d e v e l o p m e n t o f w h i t e l i g h tl e d b a s e d i n d o o rv i s i b l e l i g h t c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y b a s e do nt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h el e dl i g h t s t h i sp a p e rs t u d i e dt h ei m p a c t b r o u g h tb yt h el a y o u to ft w ot y p e so ft y p i c a li n d o o rl e dl i g h t so nt h el i g h t i n ga n d c o m m u n i c a t i o n a n dt h ei m p a c to fs i g n a l sl t h r e f l e c t i o no nt h eo p t i c a lp o w e r t h e p e r f o m a n c eo fav a r i e n t yo fm o d u l a t i o nm o d e s i ni n d o o rw i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s r m s r o o r m e a n s q u a r e d e l a yp r o d u c e db ym u l t i p a t h c h a n n e li n h i 曲一s p e e d t r a n s m i s s i o n a n dt h er e s u l t e di s i i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e w e r ea l s os t u d i e d i no r d e rt o s o l v et h ei s iu n d e rt h eh i g h s p e e dc o m m u n i c a t i o n ss i t u a t i o n ad i v e r s i t yr e c e i v ew a su s e d t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e a tl a s t t h ev i s i b l el i g h ti n d o o rc o m m u n i c a t i o n su p l i n kw a s e s t a b l i s h e d a n dt h el e n g t ho ft h eo o c o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e t h ei m p a c to ft h en u m b e r o ft h eu s e ro nt h ep e r f o r m a n c ew e r ea n a l y s e d m u l t i u s e rd e t e c t i o nm e t h o dw a su s e dt o r e d u c ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nu s e r s t h em a j o rr e s e a r c hr e s u l t sa r es h o w e da sf o l l o w 1 t a k i n gat y p i c a li n d o o rr o o mm o d e la st h es u b j e c t f r o mt h el a y o u to ft w ot y p e so f t y p i c a li n d o o rl i g h t i n g t h ei m p a c to ft h et w ol a y o u t so nt h ei n d o o rl i g h t i n gw e r e c o m p a r e d a n d a n a l y s e d b e s i d e s i n c o n j u n c t i o n 埘t ht h e r e q u i r e m e n t s o f c o m m u n i c a t i o n ar e a s o n a b l el a y o u tw a sc h o s e n c o m b i n e dw i t l lt h ec h o i c eo ft h e l i g h t i n gl a y o u t t h ep u l s es i g n a ls t r e n g t ha n dd cg a i l ir e f l e c t a n c ef r o mw a l lw e r g s i m u l a t e da n dc o m p a r e d a n dt h ei m p a c to fr e f l e c t e ds i g n a l so nr e c e i v e dp e r f o r m a n c e w a sa n a l y s e d 2 t h eb e r b i te r r o rr a t i o p e r f o r m a n c ea tt h et r a n s m i ts p e e do fi o mt o1 0 0 m 丽m m o d u l a i t o ns c h e m e so fo o k o no f fk e y p p m p u l s ep u s i t i o nm o t u l a t i o n a n d m p p m m u l t i p l ep p m w a sa n a l y s e d a c c o r d i n gt ot h el a y o u to ft h el i g h ts o u r c e t h e 江苏大学硕士学位论文 r m sd e l a yd i s t r i b u t i o ni n s i d et h er o o m t h eb e ro ft h et h r e er e p r e s e n t a b i b ep o i n t u n d e rt h ed i f f e r e n tt r a n s f e rr a t e t h eo p t i c a lp o w e rl o s sw i t hd i f f e r e n tm o d u l a t i o nw e r e a n a l y s e da sw e l l 3 i nr e s p o n s et ot h ef a c tt h a tw h e nu n d e rh i g h s p e e dt r a n s m i s s i o n t h ep e r f o r m a n c eo f t h ew i d e a n g l er e c e i v e ri sn o ts a t i s f a c t o r y al i i l do fa n g l ed i v e r s i t yr e c e i v e rw a s p r o p o s e dt ob eu s e da n dt h ea n g l eo ft h er e c e i v e rb r a n c hw a sc a l c u l a t e d b yc h a n g i n g t h ea n g l eo ft h er e c e i v e r t h ei m p a c to fm u l t i p a t ho nt h ec o m m u n i c a t i o nw a sr e d u c e d t h ec h a n n e lm o d e lo ft h ed i v e r s i t yr e c e i v e rw a sa n a l y s e d a n dt h er e c e i v e r db e rw a s s i m u l a t e d 4 t h eu p l i n kw a sd e s i g n e da n dt h e0 c d m a w a su s e dt oa c h i e v em u l t i u s e ra c c e s si n o r e d rt oe s t a b l i s had u p l e xc o m m u n i c a t i o n i nt h i sp a p e r t h ei m p a c to ft h eo o c l e n g t h w e i g h ta n dt h er e c e i v e rd e c i s i o nt h r e s h o l do nt h er e c e p t i v i t yw a sa n a l y s e d t h e b e ro fs i n g l e u s e rd e t e c t i o na n dm u l t i u s e rd e t e c t i o nw e r es i m u l a t e d a n dt h er e s u l t s s h o wt h a tu n d e rp r e m i s e db e r t h eu s e rn u m b e ri si n c r e a s e db yu s i n gm u l t i u s e r d e t e c t i o n k e y w o r d s w i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n w h i t e l e d m o d u l a t i o n 0 c d m a r m s 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 无线光通信的出现比无线电通信要早得多 回顾无线光通信的历史 最早可追 溯到两千七百年前的周幽王时代 那时就有了利用烽火台传递信息的方法 这是人 类最早利用无线光通信的典型方式 后来 虽然人类社会的文明程度和科学技术得到了很大的提高 但是简单利用 光传递信息的方式仍然在广泛使用 例如红黄绿交通灯信号灯 旗语等 不论是烽 火台还是交通灯 旗语 它们都是利用无线空间来传输可见光 由人眼接收 这些 都是非常原始的无线通信方式 其后的许多年 无线光通信几乎没有什么太大的发 展 尽管如此 人们仍然没有对无线光通信失去兴趣 1 9 世纪7 0 年代 人们试图把 激光用于公用电话通信的中继传输 但由于远距激光通信受天气的影响 器件水平 等的限制 当时光无线通信在此领域并未成功 以发明电话著名的贝尔 在1 8 7 6 年 之后 就想到利用光来通电话 1 8 8 0 年 他利用太阳光作为光源 大气为传输媒质 用硒晶体作为光接收器件 成功地进行了光电话的试验 通话距离最远达到2 1 3 m 1 8 8 1 年贝尔宣读了一片题为 关于利用光线进行声音的产生与复制 的论文 报导 了他的光电话装置 在贝尔本人看来 在他的所有发命中 光电话是最伟大的发明 这被认为是近代无线光通信的开始 1 9 3 0 年至1 9 3 2 年间 日本在东京的日本电报公司与每日新闻报社之间实现了 3 6 k i n 的无线光通信 但在大雾和大雨天气里效果很差 在第二次世界大战期间 德 国人尝试把红外通信设备用于战争中 1 9 6 0 年7 月8 日 美国科学家梅曼发明了红宝石激光器 l 从此人们便可获得 性质与电磁波相似而频率稳定的光源 激光器的发明对无线光通信的研究工作产生 了重大的影响 研究现代化无线光通信的时代从此开始了 现在人们在自由空间进行激光通信 几十公里 陆地中距无线光通信 几公里 室内近距离无线光通信 几米到十几米 等技术均有使用的实例 2 5 美国 加拿大 英国 日本等工业发达国家均致力于激光 红外的无线通信的应用 成功的开发了 具有无线光通信功能的数字终端产品 s p i e 从1 9 8 2 年起召开了8 次 f r e e s p a c el a s e r c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s 国际会议 2 以r i 业的大公司发起的i r d a 红外数字 江苏大学硕士学位论文 协会 包含了i b m 在内的1 4 8 家企业 开展了对室内光无线通信的标准化工作 6 s 室内近距光无线通信的商业应用均以方向性为基础 在使用中需要对准技术 由于是近距离应用 其收发角度比较大 所以对准这一要求比较容易实现 为了进 一步扩大通信范围 k a n h 等人在红外通信中采用了非方向性的接收机 但是在该类 系统中要求发射机的发射功率高 接收机探测面积大 与其它无线传输方式相比 光无线通信可以实现较高的传输速率 并且具有可移动性 对于特定要求的无线组 网应用具有很强的吸引力 在日本 信息通信研究开发基本计划 中的光网络技术 项目中 安排了光无线传输技术的研究 并以实现光无线通信技术为基础的高速无 线局域网 1 5 0 m b p s 作为目标之一 实现室内无线光通信的一个重要组成部分是发光二极管1 9 l i g h te m i t t i n g d i o d e l e d 其具有电光转换效率高 寿命长 尺寸小等特点 被广泛的应用于室 外大型显示屏 照明设备 汽车尾灯和交通信号灯等 l e d 的一个突出特点就是节 约能源 专家披露 中国能源的1 2 用在了照明上 而作为光源 发光二极管所需 要的电能只是普通白炽灯的1 1 0 相比荧光灯 发光二极管也可以达到5 0 的节能 效果 中国绿色照明工程促进项目办公室做过一个专项调查 用发光二极管取代全 部白炽灯或部分取代荧光灯 我国一年能节省1 3 的照明用电 相当于正在建设中的 世界上最大的发电站三峡工程全年的发电量 随着膝上型电脑 l a p t o p s 掌上电脑p a l m 幻p s 以及个人数字助理 d 等移动 电脑设备得到了越来越广泛的应用 协1 2 1 迫切需要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 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 如何使它们能够随时 随地与网络互联 达到其最大的使用效率 是一个越来越突出的问题 传统的有线 网络已无法满足这种需要 室内无线光局域网的出现则能够很好地解决这个问题 利用白光l e d 调制性能好这一特点 将信号加载在l e d 发出的光上实现通信 的可见光通信开始于本世纪初 是由日本k e ou n i v e r s i t y 庆应大学 的m a s a o n a k a g a w a 于1 9 9 9 年提出的 随后庆应大学与日本s o n y 索尼 公司成立了研究小 组 后来有更多的企业 包括n e c 东芝等公司加入 并于2 0 0 3 年成立了可见光通 信协会u 引 v i s i b l el i g h tc o m m u n i c a t i o nc o n s o r t i a m v l c c 基于白光l e d 照明灯的室内无线光通信具有以下特点 室内可见光照明是基于高亮度 低功耗 长寿命的l e d 照明 随着工业技术的 进步和材料科学的发展 能有效产生蓝光和绿光的铟镓l e d 已经实现商业化 这三 种颜色的光 红 绿 蓝 混合后产生白光 白光l e d 灯的响应时间为纳秒级 2 江苏大学硕士学位论文 利用l e d 高度灵敏的发光响应特性 将信号调制到l e d 可见光上进行传输 由此 建立的通信系统不需要改变室内灯的布局 不需要安装另外的信号发射装置 室内 通信不需要额外布线 移动终端可以在室内移动 可见光通信中的信号传输载体为l e d 所发出的白光 其波长在3 8 0 n m 7 6 0 n m 之间 是肉眼能有效识别的波长段 在一定强度范围内的白光不会对眼睛造成伤害 国际标准化组织 i s o 规定的照明强为3 0 0 i x 1 5 0 0 i x 勒克斯 用可见光作为信 号的载体不会受到电磁干扰 适合用于医院 飞机 空间站 1 4 等特殊场合 并且可 见光不能穿过非透明物体 因此不同房间之间的通信不会相互影响 而无线通信则 需要申请频谱 正是这种无线光通信具有的众多优点 v c 正受到越来越多企业和研究机构和 学者的重视 旨在推进近距离无线通信技术标准化的美国i e e e 8 0 2 1 5 委员会设立了 两个新的研究小组 分别是可见光通信研究小组 v i s i b l el i g h tc o m m u n i c a t i o n s i n t e r e s tg r o u p i g v l c 9 9 9 以及太赫兹波 t e r a h e r t zw a v e 简称t h z 波 研究小组 t e r a h e r t zi n t e r e s tg r o u p i g t h z 而韩国三星电子等公司要求设立可视光通信研 究小组 设想采用发光二极管 u d 将其用于手机和笔记本电脑等设备间通信 美国英特尔公司 美国a t tr e s e a r c h 和韩国高丽大学 k o r e au n i v e r s i t y 等提议 设立t i l z 波研究小组 该小组将探讨3 0 0 g h z 1 唧z 等高频带相关规格的可行性 i e e e 8 0 2 1 5 委员会于0 8 年1 月1 3 日到1 8 日在台湾举行的分会 i n t e r i ms e s s i o n 上 召开两个研究小组的联合会议 今后将历时数月进行讨论 如果条件具备 将把这 两个研究小组升级为实际制定规范的任务小组 t a s kg r o u p 等 1 2 无线光通信的研究现状 室内无线光通信所具有的灵活 便捷及高速等特点 在国内外 如美国 日本 等国家的许多研究所和企业长期进行该领域的研究 并陆续有产品从实验室走向商 用 世界上第一套室内无线光通信系统产生于1 9 7 9 年 是由美国m m 公司生产的 该系统属于一种漫射式红外通信系统 使用的9 5 0 n m 波长的红外光 通信距离可达 5 0 米 采用p c m 和f s k 两种调制方式时 通信速率可分别达到1 2 5 k b p s 和6 4 k b p s 该系统仅仅限于实验室内 并未投入商用 1 9 8 3 1 9 9 4 年间 世界上许多大公司和实验室对室内无线光通信系统进行开发 并陆续有许多产品商用 1 9 9 8 年日本胜利公司 c 研究出商用的室内无线红外 3 江苏大学硕士学位论文 通信系统 1 5 是第一个完整用于以太网互联的红外局域网系统 由于近年来半导体技术和材料科学的迅猛发展 以及制造工艺的不断提升 白 光l e d 已经成为一种常用的照明工具 并且就有诸多的有点 日本庆应大学在2 0 0 0 年开始研究基于白光l e d 照明灯的室内可见光无线通信 t a n a k a 等初步建立起了基 于白光l e d 室内无线光通信的模型 并进行了相应的数学分析和仿真 1 6 1 随后研究 了o o k b p s k 等调制方式的应用 2 0 0 3 年 k o m i n e 等人提出了在已有的电力线上进行信号传输的方案 1 7 1 采用 s c b p s k 调制方式将信号调制后通过电力线上传输给l e d 照明灯 建立起了一套结 合电力线载波通信和l e d 无线光通信的数据传输系统 解决了l e d 白光用于室内 无线光通信时重复布线的繁琐和困难 2 0 0 4 年 t a k a k u n i 等人对基于白光l e d 灯的通信进行了研究 l 引 该系统利用白 光l e d 发出信号 桌面上的接收机接收信号 系统的结构简单 系统通信距离较短 工作数据速率较低 并考虑了噪声对系统性能的影响 2 0 0 5 年 e a m i r s h a h i 等人也进行了基于电力线和白光l e d 的室内可见光通信1 1 9 j 的研究 在研究室内通信的同时 s h o g ok i t a n o 等人也将可见光通信推广到了室外的智能 交通系统 i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m i t s 中 实现了交通灯与汽车之间的通信等 2 0 2 7 o 同时 各大企业也在大力研发实际可行的可将光无线通信的产品 日本松下和 东芝在东京举办的第八届国际中和照明展 8 t hi n t e r n a t i o n a ll i g h t i n gf a i r 上展出了 这类产品 某些企业申请了一些国家专利 如专利号 2 0 0 6 1 0 1 5 1 5 7 2 最近 西门 子以l e d 产生的白光为载体 在实验室中开发出了在l o o m b i t s 条件下使用的可见 光无线通信技术1 2 引 据报道 在2 0 1 0 年之前i e e e 有望制定调制和其它技术细节的 标准 在国内 对无线光通信的研究刚刚处于起步阶段 2 9 3 1 1 2 0 0 5 年 电子科技大学 鲁辉 荣健提出了利用白光l e d 照明灯作为信号发射源 建立室内通信系统的框架 3 2 1 2 0 0 6 年 荣健 鲁辉等对室内无线光信道进行了仿真分析 2 0 0 7 年 西安理工 大学的丁德强 柯熙政对可见光通信系统的光源布局进行了设计和仿真研列3 3 提 出了一种基于可见光通信的无线局域网系统 基于白光l e d 的可见光无线通信现在还处于理论向实际产品推进阶段 还在进 行大量的理论研究 在实际的应用中还存在的难点和需要解决的若干关键技术 1 基于白光l e d 照明灯的无线光通信首先必需满足的是室内照明要求 室 4 江苏大学硕士学位论文 内照明灯的布局各不相同 如何布局才是最合理的有待进一步的研究 为了确保通 信的可行性 通常信号由多组照明灯同时发出 由于室内照明灯的布局分散 因此 接收机会接收到来自多个不同信道的信号 信号之间存在时间延迟 在高速传输下 将造成严重的码间干扰和光功率的损耗 使得接收机产生误判 使系统的误码率恶 化 同时l e d 灯的不同布局 室内家具的布置 人员的走动 阴影等都会对信号的 传输造成影响 需要对这些因素进行研究 2 室内通信局限在一个有限空间的房间之内 房间四周的墙壁会反射一部分 信号 反射信号对通信的影响也是需要衡量的一个因素 无线光通信的传输链路中 存在多径 墙面反射 不透明物体的遮挡 都对通信有很大的影响 与无遮挡的信 道链路相比 有遮挡信道链路的脉冲响应更不好预测 在l o s 链路中 遮挡会明显 恶化信道的频率响应和脉冲响应 链路的畅通与否直接关系到系统是否可以正常工 作 3 室内环境中的一些自然光源和人工光源会对系统性能造成影响 蚓 太阳光 白炽灯和荧光灯属于非调制光源 这些光统称为背景光 这类光源能以一个平均功 率被接收机接收到 有时候此功率比所需要的信号功率大得多 甚至采用光学滤波 时亦这样 结果是这些直流光电流产生散弹噪声 而散弹噪声是典型的无线光接收 器的主要噪声之一 背景光噪声有时足以影响系统性能导致无法实现高速 安全的 数据通信 接收机自身的前置放大器也会产生噪声 这些均会对接收性能造成影响 4 为了满足无线接入设备对高速传输的要求 需要对l e d 的调制技术进行 改进 o o k 是最容易实现的调制方式 但o o k 调制的效果也是比较差的 比较适 合在低速条件下的传输 在较高传输速率和码间干扰情况下具有较高的误码率 因 此在高速传输和码间干扰的情况下需要采用其它调制方式降低误码率 5 网络通信普遍都是双向的 既能从网络上下载信息也会从终端设备向上传 信息 如何解决上行问题 特别是多用户情况下的上行也是一个迫切需要解决的问 题 1 3 课题研究的意义及内容 随着l e d 产业的兴起和迅速发展 半导体照明取代传统照明势在必行 而白光 l e d 的纳秒级的响应时间 使白光l e d 在照明同时进行通信成为可能 l e d 技术的 不断进步 室内照明系统必将采用白光l e d 光源 而人们对无线通信技术的需求 给基于白光l e d 的室内可见光通信技术带来极大的机遇 与传统的通信方式相比 5 江苏大学硕士学位论文 无线光通信具有诸多优点 另外 随着中国在北京 上海等城市率先开通3 g 服务 并且正逐步在全国得到 正式推广 信息技术在不断向前发展 人们已经开始对未来无线通信系统 4 g 做 进一步的规划和设想 未来的无线通信系统将包含各种接入技术 不但能将用户的 终端设备与网络提供商连接起来 而且还可以实现独立设备之间的通信连接 即希 望实现所有的用户 所有的设备都能随时随处实现通信 在这样的要求下 未来4 g 通信网络中 短距离通信系统将占据很大一部分地位 并将扮演非常重要的角色 这些短距离通信系统覆盖距离可以在数米到十几米不等 其应用形式很大一部分将 以无线局域网 无线私人通信网络以及桌面网络形式出现 因此可以预言 基于白 光l e d 的无线光通信系统将凭借其自身的许多优点 在未来的通信市场占有自己的 一席之地 1 课题研究意义 1 社会意义 我国是仅次于美国的第二大发电大国 8 0 为火力发电 燃烧大量的原煤和石油 产生大量的粉尘和s 0 2 c o 等气体 环境污染严重 照明用电己超过1 5 0 0 亿千瓦 时 占总发电量的1 2 大大超过三峡水电发电站年总发电量8 4 0 亿千瓦时 我国 是一个能源相对紧缺的国家 特别是华南 华东 华北更是缺电 所以在我国发展 白光l e d 对于可持续发展具有战略意义 而研究基于白光l e d 的无线光通信系统 可以在照明的基础上进行高速数据通信 2 经济意义 白光l e d 的应用将节省大量的电 而且必将占领目i j 的照明市场 拥有巨大的 市场潜力 而白光l e d 通信系统 则可搭乘这趟快车 在日益发展的通信市场中有 自己的一席之地 另外 白光l e d 通信的高速率 抗电磁干扰等特性也将在某些特殊领域 如电 力 民航等发挥巨大的作用 3 环保意义 目前存在的照明设备具有缺陷 荧光灯相对较省电 但在制造时存在汞污染 荧光灯较容易老化 使用寿命短 怕振动 易碎等问题 白炽灯效率低 高耗电 寿命短 易碎 这些照明器材都在不同程度上对环境造成严重的污染 2 课题研究的主要内容 1 主要从白光l e d 灯的物理特性出发 研究两类典型的室内白光l e d 照明 灯的布局对照明和通信的影响 信号的一次反射对整体光功率的影响 2 研究多 6 江苏大学硕士学位论文 种调制方式在室内无线光通信中的性能 高速传输中多径信道产生的均方根时延 以及由此引起的码间干扰 3 为了解决码间干扰提出采用分集接收以改善高速通 信情况下的通信性能 4 采用o c d m a 技术建立室内可见光通信的上行链路 分 析正交码长度 用户数量对上行性能的影响 并采用多用户检测的方法降低用户间 的干扰 1 4 全文的组织安排 第一章 绪论 主要介绍了无线光通信的发展 研究现状和该领域的一些关键 技术 以及本课题研究的意义 第二章 白光无线通信的光源与调制分析 主要介绍白光l e d 照明灯的发光特 点 室内无线光通信的结构 传输信道 以及通信中受到的噪声干扰 第三章 白光无线信道和接收性能分析 主要分析比较o o k p p m m p p m 三 种调制方式的特性以及它们在可见光通信中的性能 分析了白光l e d 无线光信道的 均方根时延 以及它对通信性能的影响 并采用分集接收的方式改善系统高速传输 时的接收性能 第四章 白光无线通信上行链路 主要采用o c d m a 实现用户终端的接入 分 析了上行链路单用户检测的性能 并采用多用户检测的方法降低多用户接入的干扰 第五章 总结与展望 总结了本文的研究结果 并根据当前的发展趋势提出未 来进一步的研究方向和研究对象 7 江苏大学硕士学位论文 第二章白光无线通信的光源与调制分析 l e d 的应用领域已经从最初简单的电器指示灯 l e d 显示屏发展到l e d 背景光 源 景观照明 室内装饰灯等其它领域 而由于l e d 具有的长寿命 无污染 低功 耗的特性 未来白光l e d 还将逐步替代荧光灯 白炽灯成为下一代绿色照明光源 基于白光l e d 照明灯的室内无线可见光通信系统中需要考虑光源的发光特性 l e d 的性能参数 如发光光强和发光功率 照明度等指标 电力线中传输的基带信号以 白光l e d 发出的可见光为载体 经室内空间传输后被接收机接收 经光电转换后恢 复成基带数字信号传给终端设备 首先白光l e d 是整个通信系统中重要的组成部分 它自身的特性直接决定了整个系统的好坏 其次由于室内可见光通信中的信号发射 源为白光l e d 照明灯 它起到了照明和发送信号的双重功能 因此照明灯的作用是 相当重要的 本章主要阐述白光l e d 光源的特性 白光l e d 照明灯的布局 以及 室内无线光通信的结构 通信的基本原理 主要的调制方式和受到的噪声影响 2 1 白光l e d 的特性 5 0 年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识 第一个商用二极管产 生于1 9 6 0 年 3 5 1 l e d 是英文l i g h te m i t t i n gd i o d e 发光二极管 的缩写 它的基本 结构是一块电子发光的半导体材料 置于一个有引线的架子上 然后四周用环氧树 脂密封 起到保护内部芯线的作用 所以l e d 的抗震性能好 发光二极管的核心部 分是由p 型半导体和n 型半导体组成的晶片 在p 型半导体和n 型半导体之间有一 个过渡层 称为p n 结 在某些半导体材料的p n 结中 注入的少数载流子与多数载 流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来 从而把电能直接转换为光能 p n 结加反向电压 少数载流子难以注入 故不发光 这种利用注入式电子发光原理制 作的二极管叫发光二极管 通常称l e d 当它处于正向工作状态时 即两端加上正 电压 电流从l e d 阳极流向阴极时 半导体晶体能发出从紫外到红外不同颜色的 光线 光的强弱与电流大小有关 直接发射白光的l e d 是不存在的 因为某一种半导体材料制成的l e d 只发射 一个波长的光 但是可以用若干个不同波长的光混合成白色光 目前白光l e d 的生 产方式有两种 一种是通过能产生单色光的l e d 芯片与具有荧光效应的荧光粉封在一起 l e d 8 江苏大学硕士学位论文 芯片发出的单色光与经过二次激发产生的光混合成白光 1 9 9 8 年研制成功的第一颗 白光l e d 就是将g a n 芯片和钇铝石 y a g 封装在一起做成的 g a n 芯片发出蓝光 y a g 荧光粉受蓝光刺激后发出黄光 两种光混合成白光 如图2 1 中的 a 所示 另外一种是将红 绿 蓝 r g b 三基色l e d 芯片封装在一起 每个l e d 芯片可 以稳定产生一种单色光 通过混合不同颜色的单色光而产生白光 如图2 1 中的 b 所示 蓝光 爿 鳗 l f 户 l e df舅 r a 芯片 图2 1 单芯片和多芯片l e d 表2 1l e d 类型 芯片数激发源发光材料发光原理 m g a n 的蓝光与y a g 的黄光混合成白 蓝色l e d i n g m 唰y a g 光 i n g a n 的蓝光激发的红绿蓝三基色荧光 蓝色l e d i n g a n 荧光粉 粉发白光 1 由薄膜层发出的蓝光和在基板上激发出 蓝色l e d z n s e 的黄光混色成白光 m g a n 的紫外激发的红绿蓝三基色荧光 紫外l e dm g a n 荧光粉 粉发白光 蓝色l e d 将具有补色关系的两种芯片封装在一 2i i l g a n g a p 黄绿l e d起 构成白色l e d 1 1 1 g a n 蓝色l e d a l i n g a p 将发三原色的三种小片封装在一起 构 3绿色l e d g a i n p 成白色l e d 红色l e d i n g a n g a p将遍布可见光区的多种光芯片封装在一 多个多种颜色的l e d a l i n o a p 起 构成白色l e d 9 江苏大学硕士学位论文 表2 1 列出了目前已经实现的白光l e d 种类 发光材料及白光来源 已经商业 化的第一种产品为蓝光单芯片加上y a g 黄色荧光粉 第二种是以z n s e 为材料的白 光l e d 不过发光效率较差 比较被看好的是三波长 即将无机紫外光片和r g b 三 颜色的芯片封装在一起获得白光 三波长的白光l e d 已经商业化 3 6 刁8 2 1 1 白光l e d 的辐射特性 表征白光l e d 光源辐射特性有发光强度和发光功率两个参数 发光强度和照明 度有关 它主要取决于封装的工艺 包括支架 环氧树脂中添加散射剂否 一般认 发光强度是指每一个立体角度 s o l i da n g l e 的能量流的单位 它与发光体表面的照 明度有关 这里的能量流是可见度的规格化表示 发光强度用于表示白光l e d 发光 的强弱 而传输的光功率表示从白光l e d 中所辐射出的总能量 并且从光通信角度 看 它是一个参量 光强度表达式为 丝 2 1 d 2 其中q 是空间角度 西是光流量 它可以由能量流晚得出 k 卅篡y 允户 允 d 名 2 2 k 卅土 y 允户 允 d 名 2 2 其中删是标准化的发光曲线 s t a n d a r dl u m i n o s i t yc u r v e 是最大可见度 在2 5 5 5 n m 时最大可见度大约为6 8 3 1 m w 流e b 瓦 发光功率表征白光l e d 辐射的光能 是其作为通信光源时必需考虑的参量 其 大小影响到光接收机的信噪比 单个l e d 发射的光功率主要指中心发光功率 对能量流西 的积分表示所能发出的总的光能量力 表达式如下 所 er 石叩砌五 2 3 其中人i n i i l 和a m 肛由二极管的敏感度曲线决定 照明度可以描述为被照明物体表面的亮度 在矽角度下的照明度表达式为 i o c o s 肘 矽 2 4 水平照明度局跏表示在某一点似力处的亮度 可表示为 i o f c o s m 甲 2 5 其中蚋是l e d 中心的发光强度 如图2 2 所示 矽是发光角度 罗是入射角度 现是l e d 到探测器表面或具体某一点的距离 在这里 假设一个l e d 芯片中只有 1 0 江苏大学硕士学位论文 一种朗伯 l a m b e r t i a n 发光模式 因此 辐射强度取决于发光角度 m 是朗伯模 式的发光顺序 它取决于l e d 照明强度一半时的半角1 1 1 1 2 而m l n 2 l n c o s o v 2 例如 西l 尼 6 0 0 度 则相应的m l 对白光l e d 照明的这些考虑是必要的 通常照明强度由国际标准化组织 i s o 规定的 根据这一套标准 办公室需要的是3 0 0 l x 1 5 0 0 i x 勒克斯 的照明度 l e d 灯 一 式 l i 二 j 发光半月 r 心发光强 h i 1 度 j 影 图2 2 照明度示意图图2 3l e d 照明度 图2 3 表示中心发光强度为2 c d 发光半角为6 0 度的l e d 的照明度与水平距离 的关系 2 1 2 白光l e d 的调制特性 白光l e d 的具有多种特性 包括伏安特性 调制特性 电光转换特性 光谱特 性 对这些特性的研究是白光l e d 通信的基础 单颗l e d 芯片是由半导体无机材料构成的单极性p n 结二极管 伏安特性 即 电流 电压之间的关系 是表征白光l e d 芯片p n 结制备性能的主要参数 可以反 应出p n 结性能的优劣 所有l e d 的伏安特性都具有非线性 整流性以及单向导通 性 外加正偏压时表现为低接触电阻 反之为高接触电阻 单芯片l e d 通常都具有 良好的伏安特性 调制带宽是衡量白光l e d 的调制能力的一个参数 其定义为在保证调制度不变 的情况下 当白光l e d 输出的光功率下降到参考值的一半时的频率就是其调制带宽 白光l e d 的调制带宽主要由产生发光辐射的l e d 芯片调制带宽决定 在注入电流 1 1 江苏大学硕士学位论文 较低时 单芯片l e d 的调制带宽主要受结电容的限制 在偏置电流较高时 受到载 流子寿命的限制 l e d 的响应时间是l e d 点亮与熄灭所延迟的时间 目前l e d 的响应时间达到瑚 量级 响应时间主要取决与载流子的寿命 器件的结电容及电路阻抗 不同的l e d 响应时间也不相同 利用荧光材料再发光制成的白光l e d 由于其产生机理不同 响 应时间受到荧光粉的发光时间影响 从而会限制其在高比特速率系统中的应用 因 此在高速的可见光系统中一般不采用荧光l e d 电光转换特性是白光l e d 的光输出功率与注入电流的关系 即p i 曲线 白光 l e d 的输出光功率也是白光l e d 的重要参数之一 分为直