中国人民解放军战略支援部队信息工程大学信息系统工程学院,河南 郑州 450001
针对室内可见光通信的通照一体需求,为实现高效数据通信和调光控制相结合,在多层非对称裁剪光正交频分复用(LACO-OFDM)信号分时正负叠加调光方法的基础上,通过在LACO-OFDM信号上叠加一个经过设计的周期信号来产生叠加的LACO-OFDM(SLACO-OFDM)信号,可以在不引入额外干扰的情况下,降低多层信号的峰均功率比。再利用正负SLACO-OFDM信号按比例结合的方式来实现混合调光。分析了通信和调光约束条件下,层间功率比例因子和混合比例因子的设置方法。提出的混合SLACO-OFDM具有更小的峰均功率比,充分利用了发光二极管(LED)整个动态范围。仿真结果表明,提出的调制方法相对于传统的多层传输方式可以获得更好的误码率性能,相对于常见调光调制方式可以获得更高的频谱效率。
光通信 可见光通信 调光控制 峰均功率比 混合多层调制
1 南昌大学 信息工程学院,南昌 330031
2 福州大学 物理与信息工程学院,福州 350108
3 南昌大学 空间科学与技术研究院,南昌 330031
可见光通信(VLC)由于其传输速度快和保密性强等诸多优势已成为了一种行之有效的水下通信技术。光在水下传播时容易发生散射现象,导致光传播的能量随传输距离的增大而减少,因此改善接收端响应度是实现水下VLC的关键和核心。为此,文章首先针对探测器前端设计了一种新型的全息波导聚光系统,可有效提升水下探测器的信噪比;然后,构建了具有弱光探测能力的低成本硫化锑薄膜探测器。在上述基础上搭建VLC系统,实验结果显示,其接收端探测器的暗电流仅为10-7 A/cm2,3 dB带宽为220 kHz,响应度达0.2 A/W,且在蓝绿光波段的外量子效率超过70%。因此,新型硫化锑薄膜探测器结合全息波导聚光系统可以实现针对可见光的弱光探测,是一种十分有效的水下可见光接收系统。
水下可见光通信 硫化锑 探测器 全息光栅 光波导 underwater VLC Sb2S3 detector holographic grating optical waveguide
Author Affiliations
Abstract
Although the 5G wireless network has made significant advances, it is not enough to accommodate the rapidly rising requirement for broader bandwidth in post-5G and 6G eras. As a result, emerging technologies in higher frequencies including visible light communication (VLC), are becoming a hot topic. In particular, LED-based VLC is foreseen as a key enabler for achieving data rates at the Tb/s level in indoor scenarios using multi-color LED arrays with wavelength division multiplexing (WDM) technology. This paper proposes an optimized multi-color LED array chip for high-speed VLC systems. Its long-wavelength GaN-based LED units are remarkably enhanced by V-pit structure in their efficiency, especially in the “yellow gap” region, and it achieves significant improvement in data rate compared with earlier research. This work investigates the V-pit structure and tries to provide insight by introducing a new equivalent circuit model, which provides an explanation of the simulation and experiment results. In the final test using a laboratory communication system, the data rates of eight channels from short to long wavelength are 3.91 Gb/s, 3.77 Gb/s, 3.67 Gb/s, 4.40 Gb/s, 3.78 Gb/s, 3.18 Gb/s, 4.31 Gb/s, and 4.35 Gb/s (31.38 Gb/s in total), with advanced digital signal processing (DSP) techniques including digital equalization technique and bit-power loading discrete multitone (DMT) modulation format.
GaN-based LED LED array VLC V-pit sidewall quantum well high-frequency response Opto-Electronic Science
2023, 2(5): 230005
1 中讯邮电咨询设计院有限公司, 郑州 450000
2 北京航空航天大学 机械工程及自动化学院, 北京 100000
设计了一种联合功率与子信道的资源分配算法, 该算法用于正交频分复用(OFDM)的多色可见光通信(VLC)系统。相比于传统的单色光通信, 文章所设计的算法可用于多种可见光, 包括红、绿、蓝等多种可见光的OFDM信号传输。该资源分配算法目的在于最大化可见光传输网络的传输速率, 首先对三种不同的可见光进行子信道的优化分配, 得到该优化值后对其进行功率分配, 以达到最终的目标优化值。仿真结果表明, 相比于固定的资源分配算法, 该算法可以取得更高的传输速率。
可见光通信 资源分配 优化算法 VLC resource allocation optimization algorithm OFDM OFDM
西安工业大学 电子信息工程学院,西安 710021
多输入多输出(Multiple-input-multiple-output,MIMO)可见光通信(Visible Light Communications,VLC)系统接收端需精确的信道状态信息用以解调信号,而常用的最小二乘算法对噪声敏感,估计误差较大,难以保证可靠性。基于信道稀疏特性,利用压缩感知方法进行MIMO-VLC信道估计,提出一种基于离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)的稀疏度预测自适应匹配追踪(DFT Based Prediction-sparsity Adaptive Matching Pursuit,DFT-SAMP)算法。首先,通过DFT的稀疏度预测方法对信道冲激响应的稀疏度进行预估计,将估计的稀疏度作为算法初始步长,以快速逼近真实稀疏度,提高算法效率;其次,采用SAMP算法重构信道冲激响应,提高信道估计准确性,保证通信可靠性。基于的MIMO-VLC系统信道估计实验结果表明,导频数为32时,本文算法相较于最小二乘算法在误码率满足前向纠错的误码率阈值(3.8×10-3)时所需的信噪比降低4.5 dB;利用DFT-SAMP算法进行信道估计,在保证可靠性的同时,运行效率相比SAMP算法提升约69%,为MIMO-VLC系统信道估计提供了更为有效的方式。
MIMO-VLC 压缩感知 信道估计 误码率 MIMO-VLC Compressed sensing Channel estimation Error rate
针对水中射频通信系统通信距离严重受限和声学通信系统传输速率低等问题, 可见光通信(VLC)系统为水下中远距离高速无线通信提供了一种解决办法。文章利用样本水质测试对水下短距离信道模型进行了估计, 提出了一种短距离光路介质的衰减系数测试方法, 并且开发了一种水下VLC系统。该系统根据发光二极管(LED)的伏安特性设计直流偏置电路, 对其进行了频谱响应分析。在水槽中进行了蓝色465 nm和白色光源的水下全双工音频实验。实验结果表明, 在发送额定光功率为1 W, 接收端采用S6968的硅本征半导体(PIN)光电探测器, 系统能够在样本水介质(衰减系数c=0.206 7 m-1)中进行全双工通信, 两种光源通信距离均超过了5 m。通过对接收端信号功率谱估计分析、信噪比测试以及扬声器的直观演示, 验证了该实验系统语音通信性能, 为后续水下VLC多种业务传输系统的开发提供了参考。
可见光通信 水下信道 语音通信 衰减系数 VLC underwater channel voice communication attenuation coefficient
1 新疆大学 信息科学与工程学院 信号检测与处理新疆维吾尔自治区重点实验室,乌鲁木齐 830046
2 中国移动通信有限公司研究院,北京 100053
3 鲁东大学 信息与电气工程学院工程 通信工程系,山东 烟台 264025
受限于传统可见光通信(VLC)的研究范式,研究人员在分析可见光无线覆盖时,通常假设光源遵从朗伯空间辐射特性。客观上,上述假设忽视了由不同类型光波束构成的潜在异构光波束,对基于异构光波束的VLC覆盖特性也缺少必要的探索。针对上述问题,综合考虑商用发光二极管(LED)光源的差异化非朗伯光波束特性,文章给出了多种潜在的异构光波束配置方案。同时,在典型室内场景,对传统同构朗伯光波束和文章所提异构光波束的覆盖特性进行了比较分析。量化结果显示,较之于传统朗伯光波束的发射器配置,文章所提异构光波束的配置方案能够引入高达1.97 dB的最小信噪比(SNR)增益,同时将SNR波动幅度从传统设计下的22.75 dB降低至异构设计下的15.33 dB。此外,SNR低于30 dB相对弱覆盖位置占比从初始配置下约13.20 %降低至非异构设计下约7.23 %。因此,异构光波束对室内空间覆盖的潜在影响获得了初步的证实。
可见光通信 非朗伯光波束 异构光波束 覆盖特性 VLC non-Lambertian optical beams heterogeneous optical beams coverage characteristics
1 厦门南洋职业学院, 福建 厦门 361102
2 中国科学院福建物质结构研究所 泉州装备制造研究所, 福建 泉州 362000
发光二极管(LED)有限的带宽与其非线性电光转换引起的信号失真, 是限制可见光通信(VLC)传输性能的重要因素。传统的消息传递算法(MPA)在稀疏码分多址(SCMA)-VLC系统中对抗信号非线性失真的能力有限。针对上述问题, 文章提出了一种基于卷积神经网络(CNN)接收机, 通过对接收信号进行特征提取、分类和判决, 可有效提升SCMA-VLC系统抗非线性失真的能力。实验结果表明, 在非线性失真较强的情况下, CNN接收机比MPA接收机表现出了更优的误码率(BER)性能, 有效地扩大了偏置电压的动态范围, 减少了系统对信噪比(SNR)的要求。
卷积神经网络 消息传递算法 稀疏码分多址 可见光通信 信号失真 CNN MPA SCMA VLC signal distortion
中国矿业大学 信息与控制工程学院, 江苏 徐州 221116
针对可见光通信(VLC)中拓展圆星座的色移键控(CSK)调制调制阶数一定时存在误码率性能较差的问题, 文章首先对星座点进行优化设计, 在保持星座点指向三角形中心不变的情况下重新设计星座结构, 改变星座点位置, 增大星座点间最小码距, 以改善误码率性能; 其次, 为进一步提高VLC信号的传输质量, 文章引入有限状态机(FSM)原理, 进行联合调制设计, 进一步改善了误码率; 最后, 进行了仿真验证及性能分析, 仿真结果表明, 相比于传统的CSK调制技术, 文章提出的优化拓展圆形星座CSK和FSM联合调制有更好的误码率性能, 在10-6级别误码率下, 星座点数为4的CSK和FSM的联合编码(CC-FSM)相比于4-CSK有2.1 dB的增益; 8CC-FSM码相比于8-CSK有1.7 dB的增益。
可见光通信 色移键控 有限状态机 拓展圆星座 VLC CSK FSM extended circular constellation
1 南京大学 电子科学与工程学院, 南京 210046
2 南京邮电大学 电子与光学工程学院, 南京 210023
3 南京邮电大学 微电子学院, 南京 210023
4 厦门大学, 福建 厦门 361005
基于氮化镓微米LED(Micro-LED)的可见光通信(Visible Light Communication, VLC)技术成为近年来的研究热点。通过深紫外光刻技术制备了小尺寸的氮化镓基蓝/绿光Micro-LED芯片, 深入研究了40~10μm不同尺寸Micro-LED器件的性能, 以及其作为VLC光源的调制带宽能力。研究发现, 随着LED器件尺寸的缩小, 其调制带宽显著增加。通过在电极间加入电磁屏障以及对LED器件侧壁进行钝化修复, 直径为10μm的绿光Micro-LED亮度可达1×108cd/m2, 直径为20μm的蓝光Micro-LED的调制带宽可达372.6MHz。研究结果表明, 基于氮化镓的Micro-LED芯片在调制带宽上仍有较大的提升空间, 经过进一步的研究, 有望推动高速可见光通信的系统应用。
可见光通信(VLC) 调制带宽 氮化镓 visible light communication (VLC) Micro-LED Micro-LED modulation bandwidth GaN