-赖俊-傅玉青-可见光通信概述

1、可见光的通信研究赖俊可见光的通信研究华侨大学工学院专业：光电子 年级：2011级 姓名：赖俊 学号：1195121016摘要 本文介绍了全球可见光通信的研究现状，并针对可见光通信研究中存在的问题提出了未来可见光通信的研究趋势。文章认为可见光通信能够同时实现照明与通信的功能，具有传输数据率高、保密性强、无电磁干扰、无需频谱认证等优点，已经成为世界范围的研究热点。文章指出可见光通信在未来的通信领域中将会占据重要的地位，并将大大地推动信息化社会的发展。关键词 发光二级管 可见光通信 正交频分复用 Visible Light CommunicationLAI JUN1195121016,Major,2

2、011 College of Optoelectronics Huaqiao UniversityAbstract: In this paper, we review the status of visible light communication and discussresearch trends in this field. We suggest that illumination and communication can be achieved simultaneously, and this has the advantages of high bitrates, enhance

3、d security, abundant spectrum resource, and no electromagnetic interference. Visible light communication will be an important part of future communication, and will greatly promote the development of information society.Key words: Light-emitting diode (LED); visible light communication; orthogonal f

4、requency division multiplexing (OFDM)II 目录目 录第一章 可见光通信概述11.1 什么是VLC11.2 VLC的工作原理2第二章 可见光通信的研究现状32.1 国际上的相关研究现状32.2 中国的研究现状4第三章 VLC的特点63.1 VLC与光纤通信相比63.2 VLC与WIFI相比63.2.1 资源63.2.2 功耗63.2.3 抗电磁干扰63.3 VLC与红外通信相比6第四章 可见光通信调制方式74.1 调制方式74.1.1 OOK调制74.1.2 DPIM调制74.1.3 CAP调制74.2 性能研究84.2.1 带宽需求84.2.2 平均发射功

5、率8第五章 可见光通信的应用领域105.1 照明与通信105.2 视觉信号与数据传输105.3 显示与数据通信105.4 室内定位10总结11参考文献125 第一章 可见光通信概述第一章 可见光通信概述在生活中，人们可以使用多种无线通信技术轻松地在任何时间、任何地点通过无线网络接入互联网。医院和飞机等特殊场所却禁止使用无线接入网络，这是因为射频信号对仪器有干扰，可能引发灾难或威胁生命。所以无线通信无缝覆盖技术及其资金难题、无线移动用户增加及其传输信息量呈几何增长等问题越来越突出，网络频段资源枯竭，网络干扰以及网络安全等问题也日益严峻，可见光通信(visible light communicat

6、ion , VLC)技术可解决以上问题。1.1 什么是VLC可见光通信技术是指利用可见光波段的光作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，而在空气中直接传输光信号的通信方式。LED可见光通信是基于可见光发光二极管比荧光灯和白炽灯切换速度快的特点，利用配备LED的室内外大型显示屏、照明设备、信号器和汽车前尾灯等发出的用肉眼观察不到的高速调制光波信号来对信息调制和传输，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。无论应用于室内还是室外的可见光LED通信系统，在其物理实现上均分为光信号发射和光信号接收两部分。光信号发射部分包括：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

7、路、将电信号变化调制成光载波强度变化的LED可见光驱动调制电路。光信号接收部分包括：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。图1.1 可见光通信结构图1.2 VLC的工作原理基本原理：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LED可见

8、光通信的基本原理。LED作为半导体器件，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、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灯则非常适合做可见光通信的光源，在照明的同时实现较高速率的光通信。第二章 可见光通信的研究现状 第二章 可见光通信的研究现状 白光发光二极管面世后，发光效率逐步提高，其应用领域逐步显示扩展到照明。与传统的照明设备相比，白光LES具有驱动电压低、功耗低、使用寿命长等优点，是一种绿色环保的照明器件，被视为第四代节能环保型照明设备。由图2.1可以看出，LED在全球照明市场中所占据的比重正逐年递增。可

9、见光通信就是发展在白光LED技术发展起来的新型的无线光通信技术。图2.1 LED照明占全球市场份额的估测2.1 国际上的相关研究现状由于可见光系统具有较好的应用前景，它在未来通信领域中占有重要的地位和价值，因此很多研究机构和电信运营公司加入到无线光通信的研究领域中来，特别是日本、欧洲、美国等国家在可见光通信的领域已经投入了大量的人力、物力以及财力。可见光通信的研究最早在日本开展。早在2000年，中川研究室的Tannaka Ynichi等人就对基于白光LED的可见光通信信道进行了初步的数学分析和仿真计算，分析了白光LED作为室内照明和通信光源的可能性。2002年，中川研究室的研究人员又对可见光通

10、信系统展开了具体的分析，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。2003年，在中川正雄的倡导下，日本可见光通信联合体（VLCC）成立，并吸引了一大批研究单位及企业参与。VLCC关于可见光通信的研究范围比较宽广，根据具体的应用场景可分为室内移动通信、可见光定位、可见光无线局域网接入、交通信号灯通信、水下可见光通信等。VLCC在可将光通信研究领域已经取得了很大的成就，例如Sam sung公司展出过工作距离为1M的100Mbit/s双向可见光通信系统。欧洲的OMEGA计划也对可见光通信展开了深入的研究。OMEGA计划由欧洲的20多家大学科研单位和企业组成，它的目标是发展出一种全

11、新的能够提供宽带和高速服务的室内接入网路。OMEGA计划把可见光通信技术列为重要的高速接入技术之一，并且已经取得了丰硕的研究成果。2011年，德国、挪威、以色列与美国等共同成立Li-Fi联盟，进行航天系统中的连网研究，利用VLC技术实现飞行时的无线网络环境。2012年，在英国工程与自然研究理事会（EPSRC）的资助下，英国、美国科学家开展“超并行可见光通信（UP-VLC）”项目，探索自由空间和空间复用导波VLC的实施方案。柏林的研究机构海因里希赫兹研究所与西门子合作进行高速VLC技术研究，于2012年利用DMT技术，采用RGB-LED的发射机、基于PIN的接收机，实现了单信道806Mb/s（红

12、光信道）的传输速率。在基于VLC技术的产品开发方面，2012年，Casio开发出了一款新的苹果应用程序“Picapicamera”，利用可见光技术用户之间可以即时分享拍摄的照片。2.2 中国的研究现状我国对VLC的研究起步较晚。2006年，暨南大学的陈长缨团队从室内经典模型对VLC系统进行了分析，并于2008年研制出首台白光LED可见光通信样机，传输距离大于2.5m。随后，国内各高校、研究机构都对VLC进行了大量的理论与实验研究。2013年台湾的Wu Fang-Ming等人采用CAP调制结合WDM技术实现了高达3.22Gb/s的传输速率。同年，复旦大学计算机科学技术学院传出好消息，一种利用屋内

13、可见光传输网络信号的国际前沿通讯技术在实验室成功实现。研究人员将网络信号接入一盏1W的LED灯珠，灯光下的4台电脑即可上网，最高速率可达3.25G，平均上网速率达到150M，堪称世界最快的“灯光上网”。东莞勤上光电股份有限公司微博自曝，在2013年5月与清华大学签订了可见光通信和定位领域的合作协议。目前，已成功研发出Lifi通信手机版样品，预计最终达到iphone大小和轻薄的程度即可实现市场化。第三章 VLC的特点 第一章 相干光通信技术第三章 VLC的特点第三章 VLC的特点 VLC技术结合了光通信和无线通信两大技术的优点。3.1 VLC与光纤通信相比大家熟知的光纤通信，得拉线、布网，网络构

14、建复杂、耗时。而VLC借用照明网络中的照明灯进行通信，只要在有LED照明范围内的自由空间就可以实现无线数据通信。无需另搭系统，网络构建方便、快捷、灵活。在应急情况可发挥巨大优势，如地震通信等场合。3.2 VLC与WIFI相比3.2.1 资源现有的移动通信所能使用的射频频带越来越紧张，而VLC利用的载波是可见光，可使用的频带资源非常丰富（THz），并且这些频带是不需要认证的，可以立即使用。3.2.2 功耗目前的无线电信号传输设备存在很多局限性，它们稀有、昂贵、但效率不高，比如手机，全球数百万个基站帮助其增强信号，但大部分能量却消耗在冷却上，效率只有5%。相比之下，全世界使用的灯泡却取之不尽，尤其

15、在国内LED光源正在大规模取代传统白炽灯。只要在任何不起眼的LED灯泡中增加一个微芯片，便可让灯泡变成无线网络发射器。网络设置几乎不需要任何新的基础设施。3.2.3 抗电磁干扰WiFi依赖看不见的无线电波传输，设备功率越来越大，局部电磁辐射势必增强，容易对其他设备产生电磁干扰，不适宜在电磁敏感区使用。而VLC不存在电磁干扰，可应用于飞机、医院等特殊场合。3.3 VLC与红外通信相比红外通信的光源其实也包括LED，只是它发出的光是人眼不可见的红外光，而照明LED发出的光是可见光，所以，可见光通信比红外线（光）通信对人眼睛的安全性要高些。 13 第四章 可见光通信调制方式第四章 可见光通信调制方式

16、 调制带宽表征LED的调制能，是LED用于VLC的一个重要参数和衡量一个系统的重要的指标。LED的响应频率决定了VLC系统的调制带宽，直接关系到数据传输速率的大小。调制带宽越宽，数据传输速率越大。如何借助复杂度不高的驱动电路以及其它技术（如收发端均衡）来最大限度的提升LED的频率响应、拓展其带宽是实现高速VLC必须要解决的难题之一。4.1 调制方式4.1.1 OOK调制在OOK方式中，每个信息位时隙内的光脉冲都有明暗两种状态，分别表示二进制的“1”和“0"，利用光信号的通断来传输信息，这是调制光信号最基本的形式，只需光源闪烁即可编码。在PPM方式中，将所传输的二进制信息比特进行分组调

17、制，将每组相同的M比特信息所占据的时间段划分为长度相等的2M个时隙，分别用这个2M时隙段上的某一个时隙处的脉冲信号的组合代表2M种比特信息组合，这种调制方式在本质上是一种相位调制。4.1.2 DPIM调制在DPIM调制中，每个符号所对应的时隙数是不固定的，它是一种脉冲间隔调制，由两个连续的光脉冲之间所包含的时隙数来传递信息。每个符号都是以一个脉冲信号开始，后加k+1(k为符号所表示的十进制数，1为一个保护时隙)个空时隙代表所传输的二进制信息。4.1.3 CAP调制CAP（Carrierless Amplitude and Phase，无载波和幅度）调制方式是一种多维多阶的调制技术，可在有限带宽

18、的条件下实现高频谱效率的高速传输。特点：CAP调制采用两个相互正交的数字滤波器 ，无需电或光的复数信号到实数信号的转换，从而不需要采用DFT变换，极大地减少了计算复杂度和系统的结构，在VLC中具有很大的应用价值。2013年台湾的Wu Fang-Ming等人就采用CAP调制技术结合WDM实现了高达3.22Gb/s的传输速率，传输距离为0.25m。4.2 性能研究4.2.1 带宽需求带宽通常用功率谱密度的主瓣宽度来估计，由于光脉冲信号的时隙宽度较窄，因此可以用脉冲宽度的倒数来近似表达带宽大小。在信源比特率相同且为Rb的条件下，当调制阶数为M时，假设OOK调制的时隙宽度为OOK，则所需带宽BOOK=

19、1OOK= Rb，同理可得PPM时隙宽度为M2MOOK，DPIM 平均时隙宽度为2M2M+3OOK。4.2.2 平均发射功率假设峰值功率为Ps且二进制信息比特的“0”和“1”等概率出现，比较各调制方式下的平均发射功率。若将平均功率简单定义为发射“1”的概率乘以发射功率，假设OOK的平均发射功率为POOK，则POOK=0.5Ps。同理，其余四种调制方式的平均发射功率如表 4.1所示。表 2 给定发射功率 Ps时，各调制方式的平均发射功率图4.1为各调制方式的平均发射功率图。可以看出，对于OOK，PPM，DPIM和DH-PIM调制方式，随着调制阶数M的增加，系统的平均发射功率越来越小且逐渐趋于零；

20、而RDH-PIM 随着调制阶数 M 的增加其平均功率趋于恒定值 2；当调制阶数相等时，RDH-PIM的发射功率远远高于其他方式，可以获得最优的照明光效率。图4.1 四种调制方式的平均发射功率比较第五章 可见光通信的应用领域第五章 可见光通信的应用领域可见光通信由于具有众多的优点，因此在很多领域具有巨大的应用前景。5.1 照明与通信白光 LED 可以同时被用于照明与通信，因此信息可以在室内环境下进 行 广 播，并 同 时 满 足 照 明 的 需求。此外，可见光通信还可以实现手持终端之间的点对点通信，由于发散角较小，因此可以有效地降低传输损耗，实现高速通信。5.2 视觉信号与数据传输信号灯在航海和

21、地面交通等领域有着非常广泛的应用，它通过颜色的变化来给人们提供信号，而将数据通信与信号灯相结合则可以为交通管理提供更好的安全性和可靠性。目前，基于可见光通信的信号灯已有若干演示系统，如将数据由交通灯传递给汽车，或将数据在汽车与汽车之间传递等。5.3 显示与数据通信LED 阵列常常被用于信息显示，如广告牌、信息板等。若将相应的信息调制到这些 LED 阵列上，则可便捷地将数据传递给用户手持终端。这种显示与通信相结合的系统在机场、博物馆等场所有着巨大的应用前景。5.4 室内定位传统的卫星定位方法很难实现室内移动用户的精确定位，而可见光通信则可以将用户的位置信息通过LED 照明设施来进行传递，从而实现精准的室内定位。目前，基于可见光通信的诸多室内定位方案已经被提出，日本的 VLCC 则已经实现了基于超市环境下的室内定位实验。目录总结总结本文首先对可见光通信进行了粗略的概述，可见光通信技术是指利用可见光波段的光作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，而在空气中直接传输光信号的通信方式。LED可见光通信是基于可见光发光二极管比荧光灯和白炽灯切换速度快的特点，利用配备LED的室内外大型显示屏、照明设备、信号器和汽车前尾灯等发出的用肉眼观察不到的高速调制光波信号来对信息调制和传输，然后利用光电二极管等光电转换器件接收光载波