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基于LED的高速可见光通信

2000年,可见光通信(VLC)的概念被提出,在照明的同时也可用于高速通信。到2018年,半导体照明(普通发光二极管,即LED)普及率将达到80%。基于LED的可见光通信技术将站在巨人的肩膀上,有望为VLC提供新的解决方案。

与其他无线技术相比,VLC有以下明显的优势:

1)白光对人眼的伤害较小,室内白光LED的功率之和高达10 W以上,使VLC具备了非常高的信噪比,为实现高速通信打下了良好的基础;

2)白光和射频信号不存在相互干扰,无电磁污染,可应用于核电站、机舱、医院、工业控制等电磁敏感的环境中;

3)VLC兼具照明、通信和控制定位等功能,符合国家节能减排战略;

4)白光不可穿透墙壁甚至窗帘,因此VLC具有高度的保密性;

5)频谱无需授权即可使用,因此VLC应用灵活,既可以单独使用,也可以作为射频无线设备的有效备份。

VLC技术因其特殊优势,一问世便迅速获得世界各国的关注和支持。2000年,日本学者Tanaka等便提出并仿真了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统。VLC技术在10年间迅速发展,并取得了一个又一个突破性的进展。目前,国外的主流设备商和各大学、研究所等都在开展有关VLC技术的研究,具有代表性的研究小组主要有日本的松下,德国的海因里希赫兹研究所,美国的波士顿大学,中国的台湾交通大学、远东科技大学、暨南大学、北京邮电大学、复旦大学、华中科技大学等。

一个基于白光LED的VLC系统示意图如图1所示,该系统包括完整的发射、信道传输和接收三个部分。原始的二进制比特流经过预处理和编码调制之后,驱动LED,对LED进行强度调制,从而将电信号(E)转换为光信号(O)。


图1 基于白光LED的VLC系统示意图
Fig. 1 Diagram of VLC system based on white LED

限制VLC系统传输速率提高的主要原因在于白光LED有限的调制带宽,目前最广泛使用的荧光粉LED的调制带宽一般小于10 MHz,因此如何提高LED的调制带宽和系统传输速率成为研究者们的研究重点。
为了提升VLC的传输效率,关键技术主要集中在光器件、材料及多维多阶的调制和编码方式几个方面,其中包括调制方式、编码/均衡技术、复用技术、更适合VLC的光器件、材料。因此,VLC的发展趋势主要有三个方面:

1、正交频分复用 (OFDM)、单载波频域均衡(SC-FDE)、无载波幅相(CAP)调制技术等;

2、包含网格编码、预均衡、后均衡,按软件硬件区分的软件均衡、硬件均衡;

3、频分复用、波分复用、多输入多输出(MIMO)技术等。

4、拥有更高带宽的micro-LED、GaAIAs蓝光探测器、LED阵列、光感探测器阵列等。

图2为基于LED的VLC的研究方向脉络图。


ACO:Asymmetrically Clipped Optical; DFTS: discrete fourier transform-spread; 2FFT:2 fast fourier transform; PTS: partial transmit sequence; SLM: selected mapping; PC: Parallel combinatory; SC-FDE: single-carrier
图2 基于LED的VLC的研究方向脉络图
Fig. 2 Research orientation diagram of LED based VLC

VLC经过10年的快速发展,其传输速率已经从最初的kbit/s级别达到了目前的9.5 Gbit/s。目前,VLC存在的三个明显的问题:

1、LED发射器的带宽有限。由于白光LED设计的初衷是用于照明而非通信,所以其调制带宽非常有限。特别对于目前市场上主流的照明产品(蓝光激发黄色荧光粉类型的白光LED)而言,响应缓慢的荧光粉会限制其带宽。目前市场上主流白光LED的10 dB带宽都不到20 MHz,严重影响了VLC系统容量的提升。

2、硅基光电接收器的敏感性较低。目前VLC普遍采用的硅基探测器主要对红外波段比较敏感,其响应度峰值在红外波段,而在蓝光波段响应度只有红外的1/4左右。

3、非线性失真。由于光电二极管传递曲线本身是非线性的,同时LED的频域响应也呈非线性,因此如何对非线性失真进行补偿也是亟待解决的问题。

今后的研究中,还需要针对以上几个问题进行深入研究,才可能突破VLC现有的速率瓶颈。在VLC实用化过程中,可见光组网和专用可见光集成芯片是未来限制VLC技术实用化的重要因素。随着可见光标准和可见光集成芯片水平的发展,VLC技术的实用化也将不再遥远。

论文信息:迟楠,卢星宇,王灿,周盈君,基于LED的高速可见光通信,DOI: 10.3788/cjl201744.0300001。

作者课题组合影:图左2为迟楠教授。