室内白光LED照明通信的现状与展望-精

1、华侨大学工学院课程设计姓名：余兴强室内白光LED照明通信的现状与展望室内白光LED照明通信的现状与展望华侨大学工学院专业：光电子 年级：2011级 姓名：余兴强 学号：1195121045摘要：白光LEE具有电光转换效率高、节能、可靠、使用寿命长、高速调制特性，是公认的下一代绿色照明产品。室内白光LED照明通信是将LED照明技术和光通信技术相结合 产生的一种新技术，这种通信的距离从数米到数十米，具有妥全节能、通信容量大等显 著特点，作为一个全新的无线通信手段，已经引起国内外越来越多的关注，是今后无线通信的一个重要方向。本文主要介绍了国内、外室内白光LED照明通信发展现状，分析了应解决的关键技术

2、并预测了室内白光 LED照明通信的发展趋势。关键词：可见光通信 白光LED光无线通信2Status and Prosp ects white LED in terior light ing com muni catio nYu Xin gqia ng1195121045,Major2011College of Op toelectr onics Huaqiao Uni versityAbstract : White LED with high electro-optical conversion efficiency, energy saving, reliable, longlife, hi

3、gh-s peed modulati on characteristics, is recog ni zed as the n ext gen erati on of gree n lighti ngp roducts.In teriorwhite LEDlight ingis LEDlighti ngtech no logycom mun icati onsandop ticalcom mun icati onstech no logycomb ined with a newtech no logygen eratedfromsuchcommunications from several m

4、eters to tens of meters, with a proper full-saving,highcom mun icati on cap acity and other no table features, as a new wireless com mun icati on means, hasattracted more and more atte nti on at home and abroad, is an imp orta nt directi on forfuturewireless com mun icatio ndescribes the status quo

5、of domestic and foreig n in door lighti ngcom mun icati on Development, white LED, an alyzes the key tech no logies to be resolved and top redict the in door white LED the deve lopment trend of lighti ng com muni cati on .Keywords : Visible light com muni cati on; White LED ; Op tical Wireless Commu

6、ni cati ons目录III目录绪论 第1章Vcl简介1.1什么是VCL?1.2 VCL是怎么工作的?1.3 VLC的基本原理室内白光LED照明通信发展现状2.1国外研究状况2.2国内研究状况室内白光LED照明通信关键技术3.1大功率LED光源选择与布局3.2改善通信系统性能技术3.3大功率LED调制技术3.4可见光信道研究3.5光学发送、接收的研究白光LED照明通信发展趋势101011结语 参考文献绪论绪论室内白光LED1信是利用LED发出的人眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息。它 利用室内照明设备代替无线LAh局域网基站发射信号，其通信速度可达每秒数兆至数百 兆比特，系统的通信距离达

7、数米到数十米，能代替Wi-Fi无线通信，解决无线通信的“最 后一米”问题。因而具有广泛的研发前景，是当前光通信的研究热点之一。LED照明通信属于自由空间光通信范畴，可分为室内可见光无线通信(In doorOptical Wireless Communication)和室外可见光无线通信(Outdoor Optical Wireless从 LED光Communi； a-tion)。目前室内可见光通信主要集中在无线 LAN局域网基站；而室外可见光通信主要用于智能交通系统 (In telli-ge nt Transp ortation Systems, ITS)源来分，可分为单色光LED!信和白光L

8、ED!信；从通信光学链路方面来分，可分为对准LED可见光通信(Line of Sight, LOS)和非对准可见光通信(或称为漫反射可见光通信(non Line ofSight, norrLOS)。可见光通信(Visible Light Communica-tion, VLC)技术最早于1999年由香港大学电子工程系的 Grantham Pang提出，日本KEIC大学的Maosao Nakaga-wa教授发展了该项技术，并于2003年 12月成立了可见光通信协会，此后有很多研究小组从事该项技术研究。该技术不仅盛行于亚洲，欧洲也有不少研究团队从事该技术研究。如海因里希-赫兹、弗朗禾费通信研究所，

9、Bremen大学，牛津大学工程系，荷 兰菲利普公司，法国电信等研究团队。该通信技术与传统的射频通信相比具有以下优点(I)相对激光通信，它对人眼非常安全；可见光资源丰富；(3)发射频率高，传输速率快;(4)不需要无线电频率证；(5)无电磁干扰。基于上述特性室内白光 LED照明通信具有广泛的前景。目前该技术研究已经完成了验证工作，并逐步走向产品阶段，且有这方而 的演示产品。论文综述了室内白光通信的发展现状，分析了该技术在实际应用中需要解 决的关键技术，并预测了其发展趋势。1第2章 室内白光LED照明通信发展现状51.1什么是VCL?第1章Vcl简介一直以来，在一个人的头顶上画一个闪亮的灯泡，被用来

10、象征一个发明家的灵光乍现,想:但是德国物理学家哈拉尔德哈斯(Harald Haas )由灯泡本身“点亮”了奇思妙 依赖一盏小小的灯，将看不见的网络信号，变成“看得见”的网络信号。该技术可利用标准光线无线传播数据，旨在挑战当前无处不在的WiFi网络标准。这个过程被称为可见光通信(VLC)，人们常把它亲切地称为“ Lifi ” ,以示它能给目前以WiFi为代表的无线网络传输技术可能带来革命性的改变。1.2 VCL是怎么工作的?组成：光源：LED丁，传输媒质：空气发射部分主要是由白光LED光源和相应的信号处理单元组成。接收端主要包括能对 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

11、测器和前置放大电路，以及将电信号转换成可被除数终端识别的信号处理和输出电路。VLC 15杞誘屁向零，肛集魁占址电接收瞎图1 vcl工作示意图1.3 VLC的基本原理LED发光是一闪一闪的，因为闪动频率极高，我们的肉眼“功能”太差分辨不出来,这种闪动其实就是一种开、关过程，LED这一开一关就可以承担发送信息的任务了，比 如，开就代表“1”，关就代表“ 0 ”，通过信息编码也就是0与1的各种组合，就可以通过灯光来传递了。灯光在空气中传输就类似于光纤通信中信息在光纤中传输一样, 这就是LE冈见光通信的基本原理。LED乍为半导体器件，这种高速的亮灭也就是开关的通断能力是它的特性，而普通的灯具如日光灯、

12、白炽灯因为在亮灭的变化过程中非常容易被损坏，且亮灭变化动作太 慢，因而不具备这种通信功能。而 LED丁则非常适合做可见光通信的光源，在照明的同LED时实现较高速率的光通信。与其它照明设备相比，白光LE具有驱动电压低、功耗低、使用寿命长等优点则一种绿色环保的照器件，被视为第四代节能环保型照明设备。在全球照明市场中所占据的比重正逐年递增。因此，基于 LED勺VLC具有很大的发展前景 和应用空间.第2章 室内白光LED竟明通信发展现状2.1国外研究状况可见光LED照明通信，按照其工作方式有点对点通信、广播式覆盖和无线局域网络发射基站。室内通信主要用于数据、语音通信室内局域网基站等；室外通信主要用于智

13、能 交通系统、街道照明、光移动基站、应急通信等。最早提出可见光通信概念的是香港大 学的GranthamPang他于1999年提出了可见光通信技术的雏形，用100kHZ勺载波频率将CD音乐、电话等信号发送到个人耳机此方法无透镜接收的传输距离为40cm有透镜接收通过发送滤波器驱的距离为200cm Gran tham Pang将上述系统用于交通系统，通过VCO(Voltage Con trolled Oscillator) 调制驱动441个超亮度红光LED车列，其载频为100 kHz，其室外传输距离采用192个超亮LED传输曼彻斯特码速动LEE交通灯他同时提出用LED进行语音广播、数据传输、交通灯控

14、制, 可达20m 2001年，他将该技术用于便携式设备的光无线数据通信链，其数据发送比特率达19.2 kBaud /s，接收波特率为57.6 kBaud/s，率达到 28.8 kbit/s 。2003年 Shogo. Kitano, Shinic; hiro. Haruyama, Masco.Na-kagaw a为减少交通拥塞现象，采用模拟调制方法，提出将 LED用于交通智能传输系 统，认为这种通信是可行的，且优于红外光通信。他们提出了LED!路照明通信系统的设想，该系统既能提供道路照明，可以完成高质量数据通信波士顿大学的 ThomasLittle提出用LED取代白炽灯，并预测在未来的15年L

15、ED勺广泛应用是不可避免的，它将主要用于高清晰媒体、高速数据流传输、汽车间通信、室外数据传输试验、无线医疗监测系 统。可行性方而研究最多的是韩国人 Chung Ghiu Lee和Jung-H un Kim。2006年他们用实验的方法证明高亮度照明LEE光无线信道通信的可行性，并用7个LED发射信号、一个 光电接收器，发送接收装置相距12cm分别测量了红、绿、蓝LED勺3dB带宽，获得了传 输速率分别为1Mb/s, 5Mb/s, 10Mb/s的眼图，在10 Mb/s的情况下，误比特率小于8*106， 证明高亮度LED1信的可行性其实验系统采用PIN探测，其有效接收而积为8mm波长响 应范围200

16、nm-1100nm峰值响应750nm光电转换效率为0.45A/W,小信号的通带带宽为50MHz没有改进电路前，Chung Ghiu Lee用7个LED单行阵列组成调制系统，调制带宽为18 MHz通信距离为30cm传输速率为10 Mb/s,、改进电路后，将LED安装成5x2矩阵,光通信链路距离为90cm传输速率为20 Mb/s，并为无误码传输其研究结果表明用大功率LED乍为室内可见光通信是可行的，但是大功率 LED艮制了通信的调制速率。日本科技工作者是该项技术的首创人之一，他们在该技术的贡献率最大。他们对室内LE可见光通信存在的问题做了较多的研究，这些问题如传输的多径效应(MultipathEf

17、fect)、阴影效应(Shadow Effect)、码间干扰(Intersymbol Interferenee, ISI)做了较多的研究其中，Toshihiko Ko-mine所做的研究最突出，他采用数个LED丁在实验室既用于照明，又用于光无线通信。他们研究了光信道的多径效应、阴影效应，并与其 它的方法进行比较，他认为反射和码间干扰是影响通信质量的主要因素，而系统的码间 干扰依赖于接收系统的FOV(Field of View，半视场角)和通信传输速率，并预计高速数 据传输可达1Gb/s。Toshihiko Ko-mine从通信信道出发，用仿真法研究了信道的信噪比分布J清况，实验表明在电功率为8

18、.64W,光强度为1.56cd时，传输速率达到100 kb/s。Toshihiko Komine还研究了多个LED发光系统阴影效应，下行链路采用时分复用(TDMA),当传输速率的在800Mb/时，通话易被人行阴影中断，用3个LED照明可以提高系统通信质 量Toshihiko Komine研究最小均方算法(Least Mean square Algorithm, LMS) 设计出的自适应均衡器，可以减少码间干扰(ISI)当数据传输速率为400Mb/s，采用反馈判决均衡(Decision Feedback Equalizer, DFE)和有限脉冲滤波器(FIR, Fininte ImpulseFi

19、lter)较有效，当传输速率为500 Mb/s，用反馈判决均衡法来抗码音干扰更为有效。Toshihiko Komine还研究LED照明通信的多径效应，分析了通信系统的反射效应，当通 信系统靠近墙壁位置时，由于反射信号增强，串扰信号因此增强，系统采用8-PPM( PulsePosition M odulation) , FOV为50,靠墙位置传输速率为60 Mb/s，不靠墙位置的传输 速率为90Mb/、他还提出了用电力载波线性数据传输 (Power Line Communication, PLC)。牛津大学工程系的Dominic O Brien 小组对该技术的研究较晚，主要集中在发送、接收均衡，

20、多输入多输出系统及成像通信技术，并肯定了大功率LEE调制速率仅有数兆的观点Brien于2008年提出LED既可以替代白炽灯、荧光灯照明，又可以用于传输信息的 观点。并对光源、接收装置、可见光信道进行了研究，通过采用光学滤波、发送均衡、 接收均衡技术、光学多输入、输出技术来提高数据传输速率，通信传输速率有能力达到数兆比特每秒，并预测传输速率可以超过100 Mb/s。他们提出的多输入多输出通信，发射、接收均衡有较大的实际使用价值。德国柏林的海因里一希赫兹、弗朗禾费通信研究所的Gele na Grubor,Klaus-Dieter Lan ger提出用白光LED!行宽带信息传输，他们首先提出了大功率

21、白光LED 因调制带宽有限而限制了传输速率。因而他们研究的重点在于如何提高调制带宽，提出了多电平调制方法，该观点比较切合实际-Bremen大学的Hany Elgala主张采用强度调制方法对LED!行调制，同样提出了正交频分复用技术用于可见光通信。南洋理工大学的DamorW. K. along, George Cher从光源的模型出发提出了白光 LED的布局存在最优分布的观点并且设训一出实验系统既可以照明又可以发射1 kHz正弦信号，实验表明接收信号的信噪比边11.8 dB,误比特率为10-4。2.2国内研究状况国内在白光LED照明通信研究领域相对于国外较晚，2006年以来成为研究的热点，主要研

22、究成果发表于2008年，且大部分集中在理论方而研究。最早的文献见于2006年2月的半导体光电杂志，西安理工大学柯熙政、丁德强对LED见光通信的关键技术进行了探讨。2006年6月杭州电子科技大学的周洋研究了 LEW见光无线通信的现状和发展方向。2009年华南师范大学刘宏展在光无线通信上发表了白光LED照明的可见光通信的现状及发展。下文对国内有较大影响的几个课题组的研究情况和研究成果进行介绍。2008年江苏大学朱娜、仲启端、朱江课题组分别分析了 OOK. PPM. MPPM制方式,用分析法和仿真法证明了 MPP调制特性优于OOK.PPM并且研究了 LED照明通信的接收方 法，提出采用空间分集接收和

23、时间分集接收来抗信道衰落和码间干扰。仲启端把空间分 集和信号相似性比较原则相结合，采用等增益合并方法，舍去相似性小的信号支路，解 决LED交通灯和车辆间通信信号衰减和通信距离短的问题。江晓明提出信道模型的表示方法，研究物理层的调制、多址和优化接收问题。其主要研究和仿真表明：对于低速(小 第3章 室内白光LED照明通信关键技术于10 Mb/s）的室内LE冈见光传输数据，可任意使用OO简单调制技术，对于高速（50 Mb/、 以上）需要复杂的调制接收技术。张立提出了采用有保护间隔的正交频分复用调制方式 抑制多径效应对通信性能的影响，仿真结果表明该调制技术能抑制多径效应影响。暨南大学陈振强、陈长缨、胡

24、国永课题组对 LED勺光源特性、通信链路、系统信道模型进行了研究，用仿真法对室内无线通信的基本理论进行了分析探讨22。于志刚就不同路径引起的码间干扰问题提出用角度分集接收方法来提高信噪比和克服码间干扰， 并给出技术方案中接收器的布局模型。通信实验系统采用直射式通信链路，采用LED白光照明，分别进行5MHz, 10MH调制解调，LEDg射.PIN接收相距5 cm时的传输波形清 晰，背景噪声极弱，该系统能够以10MHZ勺调制速率稳定运行。赵俊对LED光照度分布函 数进行了分析，构建了最佳间距的白光 LED车列光源。长春理工大学的宋正勋课题组对 OFD研究较多，刘冬彦、云文岳、姜玲玲和张华对OFD调

25、制技术进行了研究，提出了自适应 OFD调制方式的方案，能根据信道的优劣选择 恰当的调制解调方式。魏承功对LED照明灯室内布局方法进行了研究，并进行仿真研究， 引入正交频分复用调制解调方案减弱多径效应带来的码间干扰。第3章 室内白光LED照明通信关键技术室内白光LED照明通信系统在现有的技术条件下需解决的关键技术有：（l）光源的选择与布局.（2）改善通信系统性能技术。（3）大功率白光LED勺调制。（4）可见光信道研 究。（5）光学发射、光学接收技术研究。3.1大功率LE光源选择与布局在室内白光照明通信中，LED光源起重要作用。作为光源，它必须具有高亮度、散 热小、功耗低、辐射范围广、电光转换率高

26、、使用寿命长、调制性能好等优点根据GB50034-2004i际建筑照明光源色温满足办公室、教室、阅览室、诊室等场所应该为 33005300 K,照度标准值为300-500IX，照明功率密度现行标准为8-11w/m2,体育场馆则要求更高。因此选择LED光源应以色温、电光转换率、光强及调制性能为主要因素。同 时兼顾光源的布局，最佳LED丁的个数问题，因为它们直接影响通信的质量。光源布局需要合理选择LED数，确定LED可距第一，满足室内照明要求，光照度在300-15001X间第二，要求室内光强尽量变化不大，照明避免有盲区存在。第三，满足照明有均匀性要求在设训一光源布局时，可以根据 LED勺参数训一算

27、照射而的光照度。尽管国内外在很多学者在这方而做了大量研究工作，至今还没有一个很可靠、工程上能实 用的光源布局方案提出。3.2改善通信系统性能技术室内白光LED1信存在传输的多径效应、阴影效应、码间串扰以及通信距不长等问 题。这些问题严重影响着通信的性能。光在信道中传输会产生散射和反射现象，光线沿 不同路径从光源进入接收机，这种现象对通信产生的影响称为多径效应。该效应在接收解调时产生码间干扰，所谓码间干 扰就是其它码元落在当前判决的码元内，导致判决出错，是影响通信质量的直接原因。一般来说，单颗LEE不可能完成室内照明通信，那么就会选用多颗 LED乍为发射装置，选择的LED量越多，尽管能解决通信距

28、离问题，但是效应越明显。对会多径效应的办法可 以采用分集接收。分集方式分为空间分集、时间分集、角度分集、频率分集。抗多径效 应的另外一种方法为合并方式，合并方式有选择式合并、等增益合并、最大比值合并。朱娜采用空间分集、时间分集来抗信道多径效应。江晓明用合并方式来抗多径和衰落。曹家年、于志刚用角度分集接收方法来提高信噪比和抗码间扰，上述分集接收方法仅限 于理论研究，仅用仿真方法论证各种分集方法的可行性。正交频分复用是一种高效调制技术，它具有较强的抗多径传播和频率选择性衰落的 能力以及较高的频谱利用率，也是当前研究的热点之一。用该方案能够减弱多径效应带来的码间干扰，但会形成复杂通信系统，提高系统的

29、成本，其是否满足照明的均匀性尚 未有文献证实室内人员走动、设备遮挡会在接收机表而而形成阴影，这种现象称为阴影 效应。它影响通信性能，甚至中断通信，因此需要将阴影的影响降到最低。解决阴影效 应的方法同样可以用多个LED照明，所以将无线通信的MIMO(Multi-i np ut Multi-out put)技术用于可见光通信也是热点之一。Toshihiko Komine提出采用3个LED照明可以提高系统通信质量。虽然这个办法能解决阴影效应问题，但光源越多，不同光源于接收器有不 同路径，光线经过不同路径则会产生不同延迟，从而产生码间干扰。因此增加照明灯个 数不能使通信系统功能达到最佳。3.3大功率L

30、E调制技术白光LED乍为新一代光源具有极好的前景，但它对电源的要求比较苛刻首先，现在的白光LEDS要驱动电压为3.4-3.6V左右，驱动电流为1000 -1500 mA，如果用多个LED并联，那么驱动电流成倍数增长。LED勺驱动方式有线性结构、电容式开关结构、电感 式开关结构。这些驱动方式大部分针对手机、掌上电脑、大液晶显示屏等产品，现在市场大电流驱动芯片都不足以驱动大功率LED来进行室内可见光通信，如凌特公司的LT3021输出电压为0.2V,输出电流为500 mA, LTC3215输出电流700 mA;美信公司 MAX8630输出电流只有125 mA,且它们工作频率只有数兆赫兹。而国内很多文

31、献采用的是普通LED正向导通电压为25V,电流范围5-75 mA其次，LED勺辐射模型基本采用Lambertian模型，它的模型决定了采用LED勺个数、布局，与信道的模型、传输误码率直接相关。最后，实用上限传输速率为10 Mb/s，那么LED勺调制带宽至少要达10 MHz以 上。德国柏林的海因里希-赫兹、费朗禾费通信研究所和 Dominic ; 0 Brien 证实了大 功率LED勺调制带宽只有数兆，如何提高LEDS制带宽是可见光通信需要解决的关键技术 之一。通信调制编码采用强度调制直接探测方式，主要调制编码有OOK开关键控）.PPM（脉冲位置调制，Pulse Position Modulat

32、ion）、M PPM多脉冲位置调制，Multi-PulsePosition Modulatio n） , DPPM（差分脉冲位置调制，Differe ntial P ulse P osition Modulation）相对于00调制方式，后而三种具有更高的传信率和能量利用率，PPM能够从自身信号中提取同步信号，DPP和MPPMt现相对于PPMC杂些，且解调比较困难。MPPM不但可以改善带宽效率，而且可以改善功率效率，采用MPP碉制更为合理、更优于其它调制方法。以上方法是红外光无线通信的成熟技术，那么如何选择适合可见光调制解 调方法则是当前履待解决的关键技术。3.4可见光信道研究由于可见光通信技

33、术是随着LED技术的兴起而产生的新技术。在通信信道研究方而一般借鉴室外红外通信模型，因此，国际公认的信道模型测量和建立还处于探索阶段。 红外通信信道模型最早由Fritz R. Gfeller于1979年在其文献中提出，他以红外激光的漫反射信为对象，对漫反射表而的接收光能、多径散射、背景光进行了研究。其后John R. Barry提出用信道的频率响应描述信道特征，认为信道的直流增益是信道特征的重要 参量，得到直流增益的表达式。并用迭代方法模拟信道多径反射，但没有考虑脉冲时间 展宽效应。1997年Perez-Jiolenez 对信道的统计模型进行了研究：Lopez-Hernandez发 现了一种新

34、的快速算法(DUSTIhW法)。1998年Perez-Jimenez对自己早期算法进行了改进，提出用M onte Carlo模拟算法进行信道模拟。国内朱娜研究小组用网络循环算法训一算信道的冲激响应；宋正勋小组主要研究的是对准信道(LOS)，而这基本上是参照红外信道方法。一般来说，可见光信道模型可以表示为：y(t)= x(t)h(t)+ n(t) 。h(t) 为信道的冲激响应，n( t)为信道噪声，视为高斯白噪声由信道的模型可得到信道的频 率响应、直流增益Jose ph M. Kahn用信道的频率特性可以求出信噪比，从而确定误码率因此，如何根据LED可见光室内信道传输特点，计算及测量信道的单位脉

35、冲响应是当今 研究的重点。3.5光学发送、接收的研究光学发射、接收是室内白光LED1信的重要组成部分。Grantham Pang制作的演示系 统，系统采用六个LED在没有加聚焦透镜的情况下，系统的传输距离只有77cm改进后的传输距离增大到390cm韩国人Chung G hiu Lee采用七个LED勺系统，系统的传输距离仅12cm左右。采用10个LED车列，传输速率为20 Mb/s，其无误码率传输距离为90cn。由此可见光学发送、接收装置可以成倍扩大通信传输距离，是值得研究的光学发射装置 实质是对光束进行准直和扩束；光学接收装置则是将微弱光信号汇聚，增加探测器的有 效接收而积。由于光学发射装置直

36、接影响通信系统性能，而且室内白光通信系统通信距 离短，加上要求系统商品化、低成本，因此不能将光学加收装置设训一得像大气光通信 系统一样大此外，接收系统的FOV!接收装置的重要组成部分，通信系统性能由码间决 定，码间干扰依赖于接收系统FO味口通信传输速率关，接收系统的FOVt小直接影响接收传感器的有效接收而积，国内外研究FO味口通信传输速率关，接收系统的FOVt小直接影 响接收传感器的有效接收而积，国内外研究 FO啲文献不多，因此接收系统FOV也是研究的重要一环。9第4章白光LED照明通信发展趋势第4章白光LED竟明通信发展趋势目前对白光LED!信研究基本上处于理论研究，离产品实用化、商品化、低成本化 还有很长一段距离。白光LED照明通信主要有以下方而的发展趋势：一，LED勺发展方向朝着能量转换率更高、调制速率更高方向发展。由30-40lm/w到7511/w到现在的100 Im /W，将来的电光转换效率必然超过 200 Im/w ； L