可见光通信及其关键技术研究

收稿日期:2006-01-05.

基金项目:陕西省/火矩计划0项目(2002HK 52);陕西省教育厅科技资助项目(04JK247).动态综述

可见光通信及其关键技术研究

丁德强1,2,柯熙政1

(1.西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048;2.西安通信学院,陕西西安710106)

摘 要: 可见光通信系统采用白光发光二极管(LED)作为光源,因而系统具有通信与照明的双重作用,极大地节约了能源。描述了可见光通信的结构与特点,对可见光通信的一些关键技术做了简单的研究,并介绍了可见光通信的发展动态。

关键词: 可见光通信;白光LED;视场;码间干扰

中图分类号:T N929.11 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2006)02-0114-04

Visible Light C ommu nication and Research on Its Key Techniques

DIN G De -qiang 1,2,KE X-i zheng 1

(1.School of Automation &Information Engineering,Xi p an University of Technology,Xi p an 710048,C HN;

2.X i p an Comm unication C ollege,Xi p an 710106,CHN)

Abstract: The visible lig ht comm unication (VLC )is a kind of optical wireless

com munication that uses the w hite LEDs.In VLC system,w hite LEDs are used not only as the illum inator in the roo ms,but also as the source of the co mmunication system.The config uration,character istics and key techniques of v isible light com munication ar e described.T he devo lopm ent status in the field of VLC is intro duced.

Key words: visible light co mmunication;white LED;field of view ;inter sym bo l interference

1 引言

高亮度白光发光二极管(LED)面世后,随着光效的逐步提高,其应用从显示领域逐步扩展到照明领域,并且发展迅速。与传统的照明设备相比,白光LED 具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点,被视为第四代节能环保型照明产品[1]

。白光LED 的另外一个突出优点是响应灵敏度非常高,因此可以用LED 进行超高速数据通信。可见光通信(visible light communicatio n,VLC)是一种在白光LED 技术上发展起来的新兴的光无线通信技术。与传统的射频通信和其他光无线通信相比,可见光通信具有发射功率高、无电磁干扰、节约能源等优

点,因而可见光通信技术具有极大的发展前景,已引起人们的广泛关注和研究

[2,3]

。

2 基本结构及其特点

图1所示为可见光通信在办公室内的典型应用配置图。可见光通信作为一种无线的光通信方式,其系统包括下行链路(dow n link)和上行链路(up link)两部分。下行链路包括发射和接收两部分。其发射部分主要由白光LED 光源和相应信号处理单元组成,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。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 )。由于白光LED 光源发出的是

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可见光,且发散角较大,对人眼睛基本无害,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由光电检测器(PD)和相应信号处理单元组成。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LED 组成,只不过发射面积较小,且具有较小的发射角(光束经过简单准直,类似于手电筒),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。

由于实现简单,VLC 系统大多设计成光强度调制/直接探测(IM/DD)系统,采用曼彻斯特编码和OOK (on -off -keying )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。与普通光无线通信和射频通信相比,可见光通信具有以下突出优点:

(1)可见光对人类非常安全。可见光通信系统可以使用家庭或办公室的高压照明灯发送数据;(2)可见光通信无处不在。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。对于普通光无线通信,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VLC 系统中,由于发射的是可见光,故发射功率较高

;

图1 系统组成框图

(4)无需无线电频谱证。由于受无线电频谱管制,可用的无线电频率非常有限;

(5)无电磁干扰。可以用于医院、飞机和空间站等对电磁干扰严格限制的场合。

3 关键技术研究

3.1 光源

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LED 。目前,商品化的大功率白光LED 功率已经达到5W,发光效率也已经达到50lm/W ,其发光效率(流明效率)已经超过白炽灯,正向荧光灯逼近[4]。白光LED 的光效超过100lm/W 并达到200lm /W(可以完全取代现有的照明设备)可望在不久的将来即可实现。3.2 光源布局

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,必须根据不同的房间,合理的安排LED 灯的布局。

以一房间为例,该房间尺寸为5.0m @5.0m @3.0m(长@宽@高),设终端设备均放置在高度为0.85m 的桌子上。系统各种参数如表1所示。LED 灯由白光LED 阵列组成,共3600(60@60)只。LED 灯中心发射功率为20mW 。接收机FOV (field -o f -view )为60b ,探测器PD 的表面积为1.0cm 2

,光电转换效率为0.53A/W,光滤波器的增益为1.0。以4只LED 灯为例,在房间内的两种布局如图2所示。通过仿真,高度为0.85m 的水平面上的接收光功率P 分布如图3(a)、(b)所示。从图中可以看出,布局A 的接收功率最大值为6.47dBm,最小值为-5.3dBm ,布局B 的接收功率范围为-2.8~ 4.0dBm 。可以看出,与布局A 相比,布局B 的接收功率分布比较均匀,更加适宜照明和通信。

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