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北京邮电大学硕士学位论文(节选)可见光通信技术研究现状介绍作为一种新兴的通信技术，LED可见光通信提出的历史不算久远，早在2000年以前，就有研究人员提出利用LED发出的光来进行通信的设想，并付诸实验，实现了一些简单的通信系统[1-6]。在这些设想中，最具代表性的是香港大学的GranthamPang于1999年提出的实现方案，他们的实验小组搭建并演示了基于可见光LED的音频信号传输系统[3]。这些设想方案提出时，LED照明技术还没有受到重视，对LED可见光通信的关键技术也没有进行深入研究，其影响力有限。2000年，日本Keio大学M.Nakagawa教授领导的研究团队提出了一种利用白光LED实现室内可见光接入的方案，并针对室内可见光通信信道进行建模仿真和分析计算，实现了10Mbps的室内可见光通信接入方案[8]，正是这一成果被视为可见光通信领域具有影响力的开创性研究，之后，可见光通信技术开始受到世界各地研究人员的重视。1国外研究现状1.1日本方面日本方面，在庆应义塾大学(KeioUniversity)的M.Nakagawa研究团队提出LED可见光通信的接入方案后，这种技术在日本国内非常受重视。先后有名古屋大学(NagoyaUnivesity)、东京理科大学(TokyoUniversityofScience)、长冈技术科学大学(NagaokaUniversityofTechnology)、日本电信电话(NTTCooperation)的科研团队参与研究。在可见光通信的各类应用方面，日本的研究人员做了大量的工作，从局域网高速互连、LED显示器数据下载、智能交通系统、智能灯塔到测量等种类繁多。2001年，庆应义塾大学的研究人员首先研究了利用交通灯进行可见光通信，并对系统的调制方式、所需的信噪比以及通信速率等特性[9]进行了分析。同年，他们研究了OOK调制技术和OFDM技术在室内可见光通信的应用。研究结果表明：OOK调制方式在较低速率下（如100Mbps以下）非常有效，而在高速率情况下，选择OFDM调制方式性能更佳[10]。之后，他们又进一步提出在道路照明系统中加入可见光通信功能，以减少交通事故的发生，通过用符合照明要求的LED进行实验获得成功[11]。2004年，M.Nakagawa研究团队对LED室内可见光通信系统的可行性进一步分析，对光源进行建模，仿真了在多盏灯照射下室内光照分布、信道冲激响应，并对有无反射情况下的室内信噪比分布、符号间干扰等参数进行了研究。在此基础上，他们还研究了接收端FOV(FieldofView)视场角大小对系统速率的影响，并得到结论：当接收端视场角足够小时，可见光通信的北京邮电大学硕士学位论文(节选)速率可以达到10Gbps的数量级，可以作为下一代通信系统备选方案[12,13]。2005年，ToshihikoKomine等人将自适应均衡技术应用于室内可见光通信系统中，还引入了基于训练序列的信道估计算法来提高系统通信性能[14]。2007年，该科研团队研究了PWM（PulseWidthModulation，脉冲宽度调制）和调整LED调制深度两种方法来控制可见光通信系统中的亮度，并进行了一系列实验，分析了PWM方法中信号频率与亮度的关系，实验结果表明通过调整调制深度的做法比PWM方法有更好的性能[15]。2008至2009年，他们又研究了基于LED和成像器件的室内可见光定位系统，通过实验可以实现室内高精度定位功能[16,17]。从2009年至今，日本庆应义塾大学的研究人员对可见光通信系统各种可能的应用进行了大量的探索，取得了不少成果，如室内盲人导航、机器人定位、运动检测、智能灯塔等[18-22]。其中2011年，该团队的研究人员提出了一项可见光通信在超市购物的应用，通过改进超市内的照明设施和购物车，可以实现对顾客的购物需求和行为进行采集分析，图1是他们采集到的数据，图中线路的粗细代表走过顾客的数量的多少，线路的颜色则代表顾客在该区域停留时间的长短，超市工作人员可以根据统计数据结果来优化货物摆放的位置，获知哪些货物最受欢迎等信息[19]。图1可见光通信在超市中应用总而言之，在可见光通信方面，日本的研究人员不仅首先提出设想，而且探索过很多具体的应用形式，极大丰富了可见光通信应用领域和研究内容。1.2欧洲方面在欧洲，2008年1月开始的OMEGA（theHomeGigabitAccess）计划，参与者包括来自欧洲的20多个厂商和学术机构，致力于开发出1Gbit/s传输速率的室内互连技术，可见光通信技术被作为研究的重点[23]。围绕这一项目，主要的研究机构有德国海因里希-赫兹研究所(Heinrich-Hertz-Institut)，西门子实验室，英国牛津大学，思克莱德大学（UniversityofStrathclyde），爱丁堡大学（UniversityofEdinburgh），意大利比萨圣安娜大学（ScuolaSuperioreSant'AnnaItaly）等。北京邮电大学硕士学位论文(节选)其中海因里希-赫兹研究所主要关注单个LED采用OOK或OFDM调制方式实现高速可见光通信。2008年，他们提出利用可见光通信和红外通信组成家庭局域网的设想，对一些相关问题进行了讨论，从理论上对系统的可行性进行相关研究与论证，通过分析认为采用PAM或DMT（discretemulti-tonemodulation，离散多音调制）调制的系统有望达到300Mbps的通信速率[24,25]。在OOK调制方式方面，他们早在2009年就完成了100Mbps和125Mbps的可见光通信实验[26,27]，2010年更是达到了230Mbps[28]。在单个LED采用DMT调制方式的可见光通信系统研究方面，他们的研究一直处于世界领先地位。2009年至2010年，通过在接收端加滤光片，利用DMT调制方式，采用离线分析处理数据，他们的系统通信速率先后突破200Mbps、230Mbps、513Mbps[29-31]。2012年，通过采用RGB三色LED和DMT调制方式，他们的离线分析系统实现了单个LED806Mbps的通信速率[32]。英国牛津大学的研究人员主要研究了均衡技术和MIMO(MultipleInputMultipleOutput)技术在可见光通信系统中的应用，通过多路并行实现高速可见光通信系统。2008年，他们通过仿真研究预均衡和后均衡技术在可见光通信系统中的应用，仿真结果表明，OOK调制方式下，在应用了一阶后均衡和预均衡条件下，系统速率可以达到75Mbit/s，并且误码性能能够保持在10-6以下[33]。2009年，通过在系统中加入蓝色滤光片并采用一阶均衡，他们的OOK调制实验系统通信速率达到了100Mbps[34]。之后，他们在MIMO可见光通信系统信道建模仿真和实验方面都进行了大量研究工作。MIMO可见光通信系统仿真方面：2009年，他们通过建模仿真的方法，对非成像MIMO可见光通信系统和成像MIMO可见光通信系统的区别进行研究了，研究结果表明，成像MIMO系统性能更佳，并指出MIMO可见光系统的通信速率有望达到Gbit/s的数量级[35]；2012年，他们进一步建模仿真了室内可见光通信的信道冲激响应，室内光照分布，信噪比(SNR)分布等参数，结果表明在保证室内光照符合标准条件下，完全有足够的带宽来进行通信[36,37]。在MIMO可见光通信系统实验方面：2010年，他们的MIMO-OFDM可见光通信实验系统在距离1m范围内，速率达到220Mbps[38]；2013年，他们搭建的室内MIMO可见光通信系统，发送端用4路250Mbps的信号，接收端用一个3X3的成像器件做接收，在1m范围、光照1000lux、误码10-3条件下，实现了1Gbps的传输实验[39]。此外，他们还对多种OFDM调制方式以及蓝色滤光片在可见光通信中的应用做过研究[40,41]。英国思克莱德大学和爱丁堡大学的研究主要专注于新型LED及其在可见光通信方面的应用。2009年至2012年间，他们对新型微型LED及其阵列进行了研究，所研究的微型LED的3dB调制带宽最大值先后达到了245MHz和400MHz[42-45]。2013至2014年，他们将研究的新型LED应用于可见光通信系统中进行实验，系统速率先后达到了1.5Gbps和3Gbps[46,47]，这为未来高速可见光通信系统的实现奠定了坚实的基础。北京邮电大学硕士学位论文(节选)意大利比萨圣安娜大学的研究主要关注高速和非准直情况下的可见光通信系统。2012年，他们采用DMT调制方式，利用离线分析处理数据，完成了单个LED通信速率780Mbps和1Gbps的实验[48,49]。2013至2014年，他们对非准直情况下的可见光通信系统进行了研究，实验速率分别达到了200Mbps和250Mbps[50,51]。总体来看，欧洲的研究机构主要注重基础器件新型LED以及高速率可见光通信系统的研究。1.3美国方面美国政府于2008年10月开启资助一项名为―智慧照明(smartlighting)‖的计划，专门研究可见光通信技术，希望能够通过可见光光束(visiblelightbeams)来实现无线设备与LED照明设备之间的通信[52]，这项计划预计投资一亿八千五百万美元为期10年，有超过30所大学的研究人员参与，主要的研究机构有波士顿大学(BostonUniversity)、佐治亚理工学院(GeorgiaInstituteofTechnology)、加州大学河滨分校(UniversityofCalifornia,Riverside)等。其中，加州大学河滨分校于2010年建立了UC-Light（CenterforUbiquitousCommunicationbyLight）中心致力于用可见光连接所有类型的电子设备[53]。波士顿大学的研究人员对室内可见光通信系统中的一些关键性问题进行了研究，他们还提出了一些对现有可见光通信系统的改进方案。2010年至2011年，他们对室内可见光通信系统进行建模，仿真了光照强度、信噪比、误码率等参数在室内不同位置的分布[54,55]，还将聚光照明光源引入可见光通信系统以获得更好的性能[56]。2011年，他们研究了在人眼感受―关灯‖状态下如何实现可见光通信[57]。2012年至2013年，他们先后研究了对应用于可见光通信系统中的色移键控(ColorShiftKeying,CSK)调制技术、MIMO技术和小区缩放技术的改进，提出了具有更优性能的方案[58-60]。佐治亚理工学院的研究人员主要关注OFDM调制技术及其改进技术在可见光通信中的应用，并提出了一些相应的改进措施。2013年，他们对室内可见光通信OFDM调制系统中的PAPR（peak-to-averagepowerratios，峰均比)特点及其对系统性能的影响进行了分析[61]。之后，针对PAPR过大带来的信号失真和LED非线性效应，他们又分别研究了在OFDM调制下如何保持照明稳定性[62,63]，以及如何减小或完全避免PAPR过大对通信性能的不良影响[64]。总的来看，美国的研究人员主要关注可见光通信系统中一些关键点、关键问题的改进方案和创新。2国内研究现状相对于日本、欧洲和美国，我国VLC领域的研究起步较晚，与国外研究还北京邮电大学硕士学位论文(节选)存在一定差距。国内在可见光通信方面的研究机构主要有复旦大学、清华大学、北京邮电大学、南京邮电大学、东南大学、中科院半导体研究所等。复旦大学主要专注高速可见光通信系统的研究与实验。其中重点研究了MIMO-OFDM技术、RGB三色LED应用以及多用户系统的实现。从2012年到2013年，他们搭建的可见光通信系统离线处理数据，速率先后突破875Mbps、1.5Gbps[65-70]，并实现了一盏LED灯同时供4台计算机上网。2014年，他们在单个RGB三色构成的白光LED的基础上利用均衡技术，实现了最高3.25Gbps的通信速率[71]。他们搭建的可见光通信系统的速率在国内研究中一