可见光通信应用前景与发展挑战-宋小庆

52,080004(2015)激光与光电子学进展Laser&OptoelectronicsProgress©2015《中国激光》杂志社080004-1可见光通信应用前景与发展挑战宋小庆赵梓旭陈克伟廖自力装甲兵工程学院,北京100072摘要白光发光二极管(LED)具有节能、可靠、寿命长、价格低以及高速调制等特性，可同时实现照明和可见光通信(VLC)双重功能。可见光通信具有安全节能、免电磁干扰、通信速率高以及精确定位等很多优势，应用前景广阔，是光通信领域的研究热点。故从定位导航、智能交通系统、高速传输、飞机和水下等场合对可见光通信应用前景及研究成果进行了综述，对可见光通信发展遇到的挑战及发展趋势进行了分析讨论。关键词光通信;可见光通信;白光LED中图分类号TN92文献标识码Adoi:10.3788/LOP52.080004VisibleLightCommunication:PotentialApplicationsandChallengesSongXiaoqingZhaoZixuChenKeweiLiaoZiliAcademyofArmoredForceEngineering,Beijing100072,ChinaAbstractWhiteilluminationlightemittingdiode(LED)hasthecharacteristicsofenergyefficiencies,reliability,longlifetimes,lowercostandhigh-speedmodulation.LEDcanbeusednotonlyasillumination,butalsosimultaneouslyasthesourceofvisiblelightcommunication(VLC).Duetotheadvantagessuchasenergysaving,noelectromagnetinterference,highcommunicationspeedandaccuracyposition,visiblelightcommunicationhaswideapplicationprospects.Itisahotresearchtopicinopticalcommunicationfield.TheVLCpotentialapplicationsandachievementsinindoorpositioningnavigation,intelligenttransportsystem,highspeedcommunication,airportandunderwaterareasarereviewed,andsomeofthechallengesandit′sdevelopmentdirectioninthefuturearealsodiscussed.Keywordsopticalcommunications;visiblelightcommunication;whiteLEDOCIScodes060.2605;060.4510;230.36701引言和白炽及荧光灯相比，白光发光二极管(LED)具有寿命长、光效高、功耗低、无辐射、安全性好、可靠性高等特点，被称为“绿色照明”并得到迅猛发展。白光LED在未来市场极具竞争力。世界范围内约140多亿的白炽灯转换成更节能的LED[1]。日本政府10年前就将LED作为21世纪照明技术[2]，中国政府也发布了在几年内逐步结束白炽灯的销售政策[3]。除了照明优势外，LED还具备响应时间短和高速调制等特性。白光LED高速调制所引起的光闪烁不容易被人眼察觉，可以在照明同时提供数据通信的功能。这种在380~780nm可见光谱段进行数据通信的技术简称为可见光通信(VLC)技术。VLC在中、短距离安全保密通信、高精度准确定位、交通运输通信和室内导航等领域具有很大潜力，尤其是可以替代射频(RF)解决“最后1m”的问题。和无线电波相比，可见光通信有很多优势：1)信息量在以摩尔法则发展，无线电频谱很多频段已被占用，VLC利用的是高于3THz且尚属于空白频谱的可见光频谱，不受使用许可证限制；2)可见光不能穿透建筑墙，相互邻近封闭单元中VLC信号不会相互干扰，安全性高，保密性好；3)可见光收发器件设备简单，价格低廉；4)可见光波长属于亚微米级，在准确方向定位上具有明显优势；5)VLC能够替代无线电在某些电磁干扰敏感的特定场合(如飞机、医院、核电站或者石油钻探等)中的应用。收稿日期:2015-01-15;收到修改稿日期:2015-02-19;网络出版日期:2015-07-07基金项目:总装重点实验室建设基金作者简介:宋小庆(1971—)，女，教授，主要从事车辆电子学及光通信等方面的研究。E-mail:[e-mail]52,080004(2015)激光与光电子学进展相比最明显的不足是可见光传输速率受通信距离限制相对明显。VLC采用非相干通信模式，VLC通信路径损失是距离的4次方，而相对RF来讲，损耗是距离的平方[4]。LED具有固有非线性电流-强度特性，性能随温度增加而急剧下降，输出光色以及设备寿命也快速减少。此外，灯光变暗会对传输功率和传输性能产生一定影响。这些不利因素限制了VLC的应用，VLC也不可能完全取代高速RF通信。如何充分利用VLC优势，克服不利因素以提升VLC通信性能是当今研究的热点。VLC技术最早于1999年由香港大学GranthamPang提出并针对VLC开展了音频传输的研究[5]。日本随后对VLC展开了积极深入的研究。2003年，可见光通信协会(VLCC)在日本成立。目前，越来越多的机构和组织致力于VLC关键技术的研究。典型的研究机构包括：欧洲项目家庭千兆接入网(OMEGA，HomeGigabitAccessNetwork)、美国光通信中心(UCL)、德国海因里希赫兹、夫琅禾费通信研究所、荷兰飞利浦公司、法国电信、牛津大学、澳大利亚莫纳什大学以及中国科学技术大学、复旦大学等。这些机构在VLC的理论、算法、仿真及实验方面做出了突出性成果。但VLC的发展尚处于起步阶段，和成熟工业、生活以及军事应用之间还有一段距离，很多的技术难点亟需解决。2VLC基本链路及通信标准2.1VLC基本链路图1显示的是室内简单VLC示意图。一个典型VLC链路由发送器、传播信道和接收器组成。图1室内VLC基本链路Fig.1BasicindoorVLCchain2.1.1光源白光LED主要有三种类型：红绿蓝混合形成白光的RGB-LED、蓝光LED激发荧光粉后混合成白光的PC-LED以及在紫外LED表面通过红绿蓝荧光粉混合产生白光的UV-LED。UV-LED在白光形成中能量损耗大，光效低，实际应用中很少见[6]。对于PC-LED，蓝光LED的调制带宽大约是35MHz，受到黄光分量影响，其调制带宽只有几兆。为提高调制带宽，通常加入蓝光滤波器滤除黄光分量。PC-LED成本低，驱动简单，在照明中应用普遍。RGB-LED中三个LED可以独立调制。运用多路波分技术可以使得每个RGB-LED获得15MHz调制带宽。该类型LED价格昂贵，驱动相对复杂，具有高效灵活的照明效果以及较高调制带宽，在未来市场潜力很大。2.1.2接收器PIN二极管、雪崩二极管(APD)及图像传感器是VLC中用到的接收器。PIN光电二极管价格低、接收面积大、敏感度高以及对温度不太敏感，应用广泛。APD光电二极管接收敏感度高、接收面积小但价格昂贵。图像传感器能够在不相互干扰情况下同时获得图像和数据信息。由于图像传感器只检测LED传来像素的光强度，即使有多个光源同时传输数据，图像传感器仍能成功接收到它所要需要的数据。图像传感器尤其适合准确定位系统。2.2通信标准2007年，日本发布了JEITACP-1221“可见光通信系统”以及JEITACP-1222“可见光ID系统”。2009年，IrDA和VLCC联合制定了“IrDA可见光通信物理层技术要求”。欧洲OMEGA也在致力于家庭网络开发。但这些标准都没有充分考虑闪烁和调光问题。兼顾照明及节能，IEEE2012年批准了802.15.7标准[7]。252,080004(2015)激光与光电子学进展类应用：局域网通信(VLAN)、定位增强信息广播、高分辨力定位(自动定位)以及中等分辨力定位(室内导航)。该标准提供了高速VLC通信无闪烁可适应调光机制[8]，支持点到点以及星型等多种网络拓扑结构，并对双向通信和广播模式物理层和媒体存取控制(MAC)层进行了规定。其中，PHYI为室外低速通信应用，其传输速率为12~267kb/s，PHYII用于室内中速通信应用，传输速率为1.25~96Mb/s。PHYIII用RGB作为传输源和接收器，其速率范围为12~96Mb/s。IEEE802.15.7没有涉及到千兆速率。德国物理学家HaraldHaas提出了LightFidelity(Li-Fi)并进行标准化。该标准计划在未来达到10Gb/s传输速率。除了VLC可以在GPS所不能发挥作用的室内和峡谷等场合进行定位，还可以用于水下通信、军用装备通信、电力线通信(PLC)及以太网供电(PoE)链路综合等。为了能够让VLC充分发挥其应用潜力，更为广泛应用的VLC国际标准还需要进一步开发。3VLC应用前景3.1室内定位室内定位系统采用的RF、蓝牙以及超声等方式存在系统稳定性不高、响应时间长、电磁干扰大、精度和准确度较低等问题。VLC不受电磁干扰，可以通过室内固定光源实现快速准确定位和导航。未来的大商场、地下购物中心等地方可以通过基于VLC的智能行人自动支持系统的目标定位和引导，减少由于顾客找不到商品具体位置而带来的损失。类似的应用可拓展到机场、博物馆以及其他数字定位广播场合。VLC室内定位系统根据需求不同，其定位精度也不同。对于室内行人或者智障者导航类的定位，中等精度即可。但对于机器人等定位精度要求会更高。3.1.1室内行人导航文献[9]给出了帮助视觉障碍者识别位置的室内导航系统，如图2(a)所示，LED安装在天花板上，带有地磁传感器的智能手机挂在使用者脖子上，智能手机和耳机相连。手机通过可见光通信接收LED传来的ID信息，获取光源方向及定位信息；路径优化后并将结果传送到耳机引导行人。测试结果表明在1~2m范围内测试者能够准确定位和导航，并能在-59°~66°的范围内实现方向矫正。图2基于VLC的帮助视觉障碍者提供室内导航系统。(a)可见光进行室内导航组成结构图;(b)室内导航系统测试Fig.2Indoornavigationforthevisualimpairmentusingvisiblelightcommunication.(a)StructureofindoornagavitionwithVLC;(b)testingofindoornavagitatinprototype文献[10]给出了结合墙上标牌面板LED光源开发的VLC定位导航系统。该系统设计了滤波器以减少背景光的干扰。通过VLC，使用者手机接收标牌面板LED传来的导航信息。导航信息包括标牌面板位置信息以及视觉障碍者达到可下载的数据信息的最佳光强点。在该系统中导航信号的数据传输速率为62.5kb/s，而数据信息传输速率为1Mb/s。测试中，视觉障碍者可通过耳机接收约5m远处标牌面板上LED光传来的导航信号，当走到距离标牌面板约1m远时，由于光强度足够，所以视觉障碍者接收器能自动进行文本信息下载和存储。3.1.2室内准确定位在机器人及无人机(UVA)控制系统等很多应用中都需要精确定位。如何在保证系统复杂度不高的前提下获得高的定位精度是人们研究的热点。获取目标位置方法有很多，如测量信号到达角度(AOA)、到达时间(TOA)、到达时差(TDoA)以及接收到信号强度(RSS)等。文献[1