可见光通信 数字通信文献综述

数字通信文献综述：

可见光通信的关键技术

和应用

第1章可见光通信概述

一、背景和概念

光通信的发展最初是从可见光通信开始的，比如旗语以及古代军事上的烽火狼烟都可以看做是可见光通信的最原始形式，但是在现代通信中，由于缺乏实用的光源和高信道衰落，所以在光纤出现后，发展方向迅速转向光纤通信。

本世纪初，随着短路无线通信的兴起和基于固态新型照明的大功率LED的不断发展，人们提出了可见光通信（Visible Light Communication，VLC），VLC的理论基础在于通过让LED 通/断切换的足够快以至于人眼无法分辨从而来传输数据。

在足够先进的技术支持下。每种新的LED灯也能以有线方式接入网络，是室内任何设备实现无所不在的无线通信，并且不增加已经拥挤不堪的射频带宽负担，形成了新的短距光无线通信的应用。

白光LED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。利用这种技术做成的系统能够覆盖灯光达到的范围，接收设备不需要电线连接，与传统的射频通信和FSO相比，VLC具有发射功率高、无电磁干扰、节约能源等优点，在VLC系统中，白光LED具有通信与照明的双重作用，这是因为白光LED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VLC技术具有极大的发展前景，已引起人们的广泛关注和研究。

二、主要发展过程

2000年，日本庆应大学的Tanaka等人和SONY计算机科学研究所的Haruyama提出利用LED灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统。

2002年，Tanaka和Komine等人对LED可见光通信系统展开了具体分析，并于同年正式提出了一套结合电力线载波通信和LED可见光通信的数据传输系统。

2008年，在东京国际电子展上，日本太阳诱电公司向全世界首次现场展出了白光LED的通信系统，当时，它的最大传输距离仅20cm。

2009年，牛津大学的Brien等人利用均衡技术实现了100 Mbit/s的通信速率，并与次年展出了室内可见光通信演示系统，利用16个白光LED通信，完成了4路高清视频实时广播。

2010年，德国 Fraunhofer Henrich Hertz Institute 实验室的科研人员将这一通信速率提高到513 Mbit/s，创造了当时可见光通信速率的世界纪录。当时的可见光通信还不叫LiFi，而是VLC（Visible Light Communication）。

2011年，爱丁堡大学哈拉尔德哈斯教授演示了带有信号处理技术的LED灯泡如何将高清视频传输到电脑上，并将可见光通信命名为LiFi（Light Fidelity）。

2013年，来自英国多所高校的研究者们将LiFi的通信速率刷新到高达10Gb/s。

三、VLC的主要优缺点

可见光通信与传统的无线网络相比，主要有以下优点：

首先，传输速度更快。当前实验室可见光通信实时传输速率已在米级距离上达到了每秒500兆比特，离线传输速率也已达到了每秒10比吉特。也就是用LIFI技术下载一部1个G的电影，只需0.2秒的时间。

其次，绿色环爆因为不存在电磁干扰，因此辐射小，对人体无害。

此外，有光的地方就有网络的特点，让室内信号更加稳定，安全性能也更高，室内的网络电脑信息不会泄露到室外，在对电磁信号敏感的医院等环境中也能自由使用。

最后，照明的同时可以高速传输信息，让上网费用更加便宜。

可见光通信的缺点也是明显存在的：

首先，因为VLC是依赖光的直线传播来传输信息的，所以当光被阻挡时，信号就会中断。

其次，移动终端可以从固定的光发射端接受信息，但数据信息的回传则不易实现。

第二章可见光通信的关键技术

一、VLC系统构成

VLC作为一种无线的光通信方式，其系统应该包括下行链路和上行链路两部分，链路包括发射和接收两部分。

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LED可见光驱动调制电路，白光LED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。当在室内时，由于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LED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(ISI)。但是由于白光LED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。

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。

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LED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VLC系统，由该

系统组成的网络称为可见光网络。

在VLC系统中，白光LED具有通信与照明的双重作用，这是因为白光LED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。VLC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00K调制方式。在IM／DD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。

二、VLC系统关键技术

当前，LED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ISI的原因也不相同，需要对多光源、时变信道环境下的VLC系统的信道冲激响应和不同光路径引起的ISI作深入研究，从而解决ISI的影响。

2）码间干扰克服技术

由于LED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(ISI)，导致系统性能恶化。

3）光源的选择与布局

在室内可见光通信系统中，光源起着至关重要的作用。作为