可见光通信概述

光通信概论课程论文中山大学物理学院第1页可见光通信及其关键技术研究摘要：用室内照明的白光LED光源作为通信基站进行信息无线传输的技术是当前国外光无线通信领域的研究热点之一，是一项有发展前景的新兴技术。这也将可见光通信技术带到了众人的面前。文章详细介绍了可见光通信技术在国内外的研究现状，分析了其关键技术，阐述了其巨大的优点以及应用领域上的发展趋势。关键词：可见光通信、技术优势、发展历史、关键技术、应用展望StudiesonthevisiblelightcommunicationanditskeytechnologiesJieyongHeOpticalEngineering,SchoolofPhysics,SunYat-senUniversity,UserID:15212250AbstractItisoneofhotspotsofopticalwirelesscommunicationresearchfieldinabroadthatusingwhiteLEDlightsourceasbasestationtotransmitinformationthroughwirelessmodecurrently,whichisanpromisingnewtechnology.Thistrendbringsthevisiblelightcommunicationintoourattention.InthispaperIintroducethecurrentsituationofvisiblelightcommunicationbywhiteLEDsathomeandabroadindetail,analyzethekeytechniquesandclarifytheadvantagesanddevelopmenttrendofthesystem.KeyWords:visiblelightcommunication,advantages,keytechnologies,developinghistory,developments1可见光通信介绍近年来，被誉为“绿色照明”的半导体（LED）照明技术发展迅猛。与传统照明光源相比，白光LED不仅功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保，更具有调制性能好、响应灵敏度高等优点。利用LED的这种特性，它用作照明的同时，还可以把信号调制到LED可见光束上进行传输，实现一种新兴的光无线通信技术，即可见光通信（indoorvisiblelightcommunication，VLC）技术。1.1可见光通信技术概述一直以来，在一个人的头顶上画一个闪亮的灯泡，被用来象征一个发明家的灵光乍现，但是德国物理学家哈拉尔德·哈斯(HassH.)由灯泡本身“点亮”了奇思妙想：依赖一盏小小的灯，将看不见的网络信号，变成“看得见”的网络信号。哈斯和他在英国爱丁堡大学的团队最新发明了一种专利技术，利用闪烁的灯光来传输数字信息，这个过程被称为可见光通信，人们常把它亲切地称为“LIFI”，以示它能给目前以WIFI为代表的无线网络传输技术可能带来革命性的改变。可见光通信（VLC）是将发光二极管（LED）等可见光发出的肉眼察觉不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的。VLC结构由两个部分组成，一个是VLC发送部分，另一个是VLC接收部分。发送部分处，将需要传输的数据加载在光载波信号上，并进行调制，然后到达接收部分，即利用光电转换器件接收光载波并解调以获取信息。可见光通信系统能够覆盖灯光所能达到的范围，不需要电线连接。与目前使用的无线局域网（无线LAN）相比，可见光通信系统可以利用照明设备代替无线LAN局域网基站发射信号，其通信速度可达每秒数光通信概论课程论文中山大学物理学院第2页十兆至数百兆。利用专用的、能够接发信号功能的电脑以及移动信息终端，只要在灯光照到的地方，就可以进行数据传输。另外，通过使用可见光的数据通信，能解决很多射频（RF）和红外（IR）存在的问题。1.2可见光通信技术的优点与传统的射频通信和其他光无线通信相比，可见光通信具有以下突出优点：（1）可见光通信技术采用对人眼安全无害的可见光波段传输数据信号，不产生电磁干扰且不易受到其它电磁波信号的干扰，可以应用于对电磁干扰敏感的场所，如医院、空间站、加油站、飞机等。（2）可见光通信具有宽光谱特性，可以提供更大范围的带宽。对于RGB调制下的LED可采用波分复用技术，增加数据信息的传输率。与射频通信相比，可见光通信不受频谱许可的限制，无需进行频谱申请，覆盖方便。（3）室内可见光通信技术具有更高的信息安全性。可见光作为数据信息传输的载体，光线受限于室内有限的空间内，扫除了无线信号穿墙而过的安全隐患。在可见光通信中，光线所到之处就有无线网络信号，阴影处则信号全无。（4）可见光通信是现有无线通信的补充，可快速搭建无线网络且成本低廉。在传统的射频信号盲区内，如地铁、隧道、煤矿等场所，搭建射频基站费用较高，而搭建VLC系统既能满足照明需求，又能降低通信成本。（5）可见光通信的光源发射功率高。与普通光无线通信的信号光源相比，LED光源对人眼无危害，信号光源的发射功率不受限制。随着LED照明技术的不断发展，可见光通信将翻开光通信历史新的一页。因而可见光通信技术具有极大的发展前景，将为光通信提供一种全新的高速数据接入方式，已经引起了人们的广泛关注和研究。现在，从LED照明系统中获得无线通信能力的可能性已经从试验得到证明，将无线通信能力嵌入未来LED照明系统中是一个发展方向，很可能是光无线接入网的一个目标。1.3可见光通信技术历史真正意义上的现代可见光通信技术是由中国香港大学GranthamPang在1999年提出的，其将音频信号编码后调制到LED灯上，载有音频信息的光在自由空间光链路下传播后使用光电探测器在接收端接收并解码，最后用扬声器输出音频信号。接收端在加聚焦透镜的情况下，音频信号最远可以传输200cm。日本是VLC技术的先行者，KEIO大学的研究者们率先开展了一系列基础性的理论研究工作,尤其以Tanaka，Komine和Sugiyama为代表。2000年，Tanaka等以强度调制直接检测(IM-DD)为光调制形式进行了建模仿真，获得了数据率、误码率以及接收功率等之间的关系，认为码间干扰(ISI)和多径效应是影响系统性能的两大因素。2001年，他们分别采用OOK-RZ与光学正交频分复用(OFDM）方式对系统进行了仿真。2002，Fan和Komine等研究了由墙壁反射引起的多径效应对LED可见光无线系统造成的影响。2003年，Tanaka等人对LED可见光无线通信系统展开了具体分析，求出了系统所需LED单元灯的基本功率要求。同年，Nakagawa教授联合韩国三星集团和十多家日本知名企业，包括卡西欧、松下电气、夏普等公司成立了VLC联盟（VisibleLightCommunicationsConsortium,VLCC），致力于VLC系统标准平台的研究。2007年，VLCC提出的VLC系统标准（VisibleLightCommunicationSystemStandard）和VLC身份识别系统标准（VisibleLightIDSystemStandard）被日本电子信息技术工业协会（JapanElectronicsandInformationTechnologyIndustriesAssociation,JEITA）所接受，发布了VLC标准JEITACP-1221和JEITACP-1222。欧洲各国也积极致力于VLC技术的研究。2008年，欧洲委员会设立OMEGA（HomeGigbitAccess）项目基金致力于开发物理信道为Gb/s的RF、VLC、红外相结合的家庭局域网，隶属于欧盟第七框架规划（EuropeanUnionFrameworkProgram7，EUFP7）的OMEGA项目由法国牵头，德、光通信概论课程论文中山大学物理学院第3页英、意等多国参与，此项目有1900万欧元的预算。2010~2011年期间，德国弗劳恩霍夫研究所的Langer等人通过不同的调制方式和接收器获得运行速率在10~800Mb/s的链路，证实高速VLC的可能性。2012年，意大利Cossu等人使用商业化RGB式白光LED和DMT调制方式在30cm距离内使用WDM技术后总传输速率实现速率高达2.1Gbit/s，其中单个信道的传输速率是1Gbit/s。相比之下，我国基于白光LED可见光通信技术的研究起步较晚。近年来，在国家多项科技计划的支持下，我国的VLC技术研究也取得了一定成果，相关项目正在进行应用性验证。目前对VLC开展研究工作的单位有：清华大学、中科院半导体所、长春理工大学、暨南大学、南京邮电大学、浙江大学、复旦大学、西安理工大学等。2013年，复旦大学的研究人员使用RGB式LED和磷荧光粉式LED成功实现下行链路575Mb/s和上行链路225Mb/s的全双工副载波复用的波分复用VLC系统。同年10月，复旦大学计算机科学技术学院的科研人员将数据信息加载到一盏1W的LED灯上，照明环境下的4台电脑最高可实现3.25Gbit/s的上网速率，平均速率可达150Mbit/s，成功实现高速率下的“灯光上网”。在2013年的上海工博会，展出了该系统的10台样机。2可见光通信的应用随着LED在照明、显示上替代传统光源，使得这些设施在原有基础上具备了传输信息的功能。另外，由于图像传感器在VLC领域的应用，使得接收端除了能够接收到数据外还能够准确判断发射端与接收端的相对位置，这就为VLC应用于室内导航、机器人或车辆之间的精确控制、准确的位置测量等提供了可能。VLC应用可分为室外及室内应用。对于室外主要应用于：(1)智能交通系统（IntelligentTransportSystem,ITS）。包括车辆与车辆之间、车辆与路灯等基础设施之间信息的传递。前者可以传递路况、刹车等信息进而有效避免交通事故，后者可将车辆车速、车牌等相关信息传递到交通检测系统中，实现对车辆信息的采集工作。(2)户外显示屏及信号灯通信。行人可手持手机等终端向户外显示屏下载商品广告、产品信息、促销活动、股市行情等信息，而信号灯可向行人提供路况信息、道路指南等信息服务。(3)海上VLC。将发射端放置在灯塔和浮标等处，装备有图像传感器的船只便可解码信息并在监视器中显示灯塔所传递的内容。(4)基于VLC的三维位置测量。使用接收器为图像传感器的VLC系统可实现对桥梁等设施测量，该系统可实现24h对目标物体的测量，目前精度可达毫米量级。(5)水下VLC。无线电波在水下的传播距离非常有限，导致其几乎无法运用到水下环境，而LED闪光信号灯已经被日本学者证实可以在水下30m范围内传输信号。该项技术将会对潜水艇和海底观测站的通信起到重要作用。VLC在室内的应用主要涉及高速连接和导航，具体包括点对点、广播式通信和室内定位：（1）点对点通信。为了实现该种通信方式，需要两个终端做到充分的对准，并使LED发出的光束尽可能窄，以保证不会有太多的路径损耗。通过合理设计外围设备，可以保证通信和下载的高速率从而代替IrDA、Bluetooth、UWB等技术。同时，由于VLC在安全性能上的保证，无疑增加了其在诸多方面应用的可能性。例如，日本Casio公司研制了一种LED徽章，通过接受端的图像传感器，可以在显示器上同时获得使用者的身份信息并采集到图像。该公司还提出了一种利用手机上的LED闪光灯与装备有光电探测器的自动取款机进行信息传递以实现用手机查询账户信息和取款的方法，这种方法使外人无法窃取通信信息。(2)广播服务。白光LED阵列可以实现信息的广播，例如当我们在浏览名胜古迹和博物馆时，通过LED即可将相关知识内容光通信概论课程论文中山大学物理学院第4页下载到各种手持终端上。(3)室内定位。图像传感器的使用使这一技术可以帮助我们实现室内导航、机器人的控制并可为超市提供客流分析等功能。GPS导航系统已被广泛应用于为手机使用者或车辆进行导航，但因来自GPS卫星的信号在建筑物内并不强，因而其导航功能在室内和地