基于LED的高速可見光通信

　　2000年，可見光通信(VLC)的概念被提出，在照明的同時(shí)也可用于高速通信。到2018年，半導(dǎo)體照明(普通發(fā)光二極管，即LED)普及率將達(dá)到80%。基于LED的可見光通信技術(shù)將站在巨人的肩膀上，有望為VLC提供新的解決方案。

　　與其他無線技術(shù)相比，VLC有以下明顯的優(yōu)勢：

　　1)白光對(duì)人眼的傷害較小，室內(nèi)白光LED的功率之和高達(dá)10 W以上，使VLC具備了非常高的信噪比，為實(shí)現(xiàn)高速通信打下了良好的基礎(chǔ);

　　2)白光和射頻信號(hào)不存在相互干擾，無電磁污染，可應(yīng)用于核電站、機(jī)艙、醫(yī)院、工業(yè)控制等電磁敏感的環(huán)境中;

　　3)VLC兼具照明、通信和控制定位等功能，符合國家節(jié)能減排戰(zhàn)略;

　　4)白光不可穿透墻壁甚至窗簾，因此VLC具有高度的保密性;

　　5)頻譜無需授權(quán)即可使用，因此VLC應(yīng)用靈活，既可以單獨(dú)使用，也可以作為射頻無線設(shè)備的有效備份。

　　VLC技術(shù)因其特殊優(yōu)勢，一問世便迅速獲得世界各國的關(guān)注和支持。2000年，日本學(xué)者Tanaka等便提出并仿真了利用LED照明燈作為通信基站進(jìn)行信息無線傳輸?shù)氖覂?nèi)通信系統(tǒng)。VLC技術(shù)在10年間迅速發(fā)展，并取得了一個(gè)又一個(gè)突破性的進(jìn)展。目前，國外的主流設(shè)備商和各大學(xué)、研究所等都在開展有關(guān)VLC技術(shù)的研究，具有代表性的研究小組主要有日本的松下，德國的海因里希赫茲研究所，美國的波士頓大學(xué)，中國的中國臺(tái)灣交通大學(xué)、遠(yuǎn)東科技大學(xué)、暨南大學(xué)、北京郵電大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、華中科技大學(xué)等。

　　一個(gè)基于白光LED的VLC系統(tǒng)示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)包括完整的發(fā)射、信道傳輸和接收三個(gè)部分。原始的二進(jìn)制比特流經(jīng)過預(yù)處理和編碼調(diào)制之后，驅(qū)動(dòng)LED，對(duì)LED進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，從而將電信號(hào)(E)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)(O)。

　　圖1 基于白光LED的VLC系統(tǒng)示意圖

　　Fig. 1 Diagram of VLC system based on white LED

　　限制VLC系統(tǒng)傳輸速率提高的主要原因在于白光LED有限的調(diào)制帶寬，目前廣泛使用的熒光粉LED的調(diào)制帶寬一般小于10 MHz，因此如何提高LED的調(diào)制帶寬和系統(tǒng)傳輸速率成為研究者們的研究重點(diǎn)。

　　為了提升VLC的傳輸效率，關(guān)鍵技術(shù)主要集中在光器件、材料及多維多階的調(diào)制和編碼方式幾個(gè)方面，其中包括調(diào)制方式、編碼/均衡技術(shù)、復(fù)用技術(shù)、更適合VLC的光器件、材料。因此，VLC的發(fā)展趨勢主要有三個(gè)方面：

　　1、正交頻分復(fù)用 (OFDM)、單載波頻域均衡(SC-FDE)、無載波幅相(CAP)調(diào)制技術(shù)等;

　　2、包含網(wǎng)格編碼、預(yù)均衡、后均衡，按軟件硬件區(qū)分的軟件均衡、硬件均衡;

　　3、頻分復(fù)用、波分復(fù)用、多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)等。

　　4、擁有更高帶寬的micro-LED、GaAIAs藍(lán)光探測器、LED陣列、光感探測器陣列等。

　　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

　　圖2 基于LED的VLC的研究方向脈絡(luò)圖

　　Fig. 2 Research orientation diagram of LED based VLC

　　VLC經(jīng)過10年的快速發(fā)展，其傳輸速率已經(jīng)從最初的kbit/s級(jí)別達(dá)到了目前的9.5 Gbit/s。目前，VLC存在的三個(gè)明顯的問題：

　　1、LED發(fā)射器的帶寬有限。由于白光LED設(shè)計(jì)的初衷是用于照明而非通信，所以其調(diào)制帶寬非常有限。特別對(duì)于目前市場上主流的照明產(chǎn)品(藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉類型的白光LED)而言，響應(yīng)緩慢的熒光粉會(huì)限制其帶寬。目前市場上主流白光LED的10 dB帶寬都不到20 MHz，嚴(yán)重影響了VLC系統(tǒng)容量的提升。

　　2、硅基光電接收器的敏感性較低。目前VLC普遍采用的硅基探測器主要對(duì)紅外波段比較敏感，其響應(yīng)度峰值在紅外波段，而在藍(lán)光波段響應(yīng)度只有紅外的1/4左右。

　　3、非線性失真。由于光電二極管傳遞曲線本身是非線性的，同時(shí)LED的頻域響應(yīng)也呈非線性，因此如何對(duì)非線性失真進(jìn)行補(bǔ)償也是亟待解決的問題。

　　今后的研究中，還需要針對(duì)以上幾個(gè)問題進(jìn)行深入研究，才可能突破VLC現(xiàn)有的速率瓶頸。在VLC實(shí)用化過程中，可見光組網(wǎng)和專用可見光集成芯片是未來限制VLC技術(shù)實(shí)用化的重要因素。隨著可見光標(biāo)準(zhǔn)和可見光集成芯片水平的發(fā)展，VLC技術(shù)的實(shí)用化也將不再遙遠(yuǎn)。

　　參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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