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n 基于LED的室内可见光通信系统摘要: 可见光通信技术是一种新兴的无线光通信技术,随着白光LED的发明及应用,可见光通信技术得到了良好的发展。白光LED不仅可以提供室内照明,而且可以应用到无线光通信系统中满足室内个人网络需求。在照明方面,白光LED的节能、环保等特点被认为终将取代荧光灯、白炽灯等传统照明光源,成为下一代固体照明光源。与此同时,白光LED又具有响应时间短,加之其具有高速调制特性,可以设计出基于白光LED的室内可见光无线通信系统。由此设计出的基于白光LED的室内可见光无线通信系统,与传统的红外和无线电通信相比,具有发射功率高、无电磁干扰和无需申请频谱资源等优点。 论文主要对基于白光LED的室内可见光通信系统进行了研究。本文对白光LED的结构及发光原理,以及在其用作通信光源时的伏安特性、电光转换特性和光谱特性等物理特性做了较深入的分析。对白光LED用作通信时的辐射模式、光子出射机理及其数学模型等辐射特性做了理论上的探讨进而研究了通信系统的通信信道,对通信链路的构成进行了分析,给出了一种基于水平亮度和接收功率的光源布局方式。根据国际化标准,普通办公室照明要求光照度为300lx-1500lx。通过分析,本文给出的光源布局方式设计合理,符.关键词:白光LED;无线通信；可见光通信；无线光通信 The Visible Light Communication System Based on LEDAbstract: Visible light communication technology is an emerging wireless optical communication technology. The visible light communication technology has a good development with the invention and application of LED white light. White LED can not only provide indoor lighting, but also can be applied to wireless optical communication system network to meet the individual needs of the indoor. In the lighting, white LED has energy-saving, environmental protection and other features, that fluorescent, incandescent, and ot. Key words: White LED; wireless communication; Visible light communication; wireless optical communication1室内可见光通信技术日本是可见光通信技术研究的先行者，尤其以KEIO大学的研究者Tanaka、Komine和Sugiyama为代表率先开展了一系列基础性的理论研究。2000年，他们提出了利用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的思想，在接下来的几年里展开了多项研究分析。2008年，太阳诱电株式会社在“2008年日本电子高新科技博览会”上现场演示了采用自光LED的高速无线通信系统但是最大传输距离仅为20cm左右。2008年，美国政府资助成立“智能照明”项目。它是一个投资185亿美元为期lO年期的计划，涉及多家学院的30多位大学研究人员，包括伦斯勒理丁学院(RPI)、波士顿大学和新墨西哥大学。国内对基于自光LED的可见光通信研究起步较晚。2006年，暨南大学的陈长缨、胡国永等提出基于白光LED照明光源的室内无线通信技术,设计并实现了点对点的通信系统。该系统通信距离为20cm，能够在10MHz的传输速率下，保证频率调制(FM)信号的正确传输。2008年。该研究组在前期工作的基础上，利用白光LED阵列光源解决了前期系统通信距离短、无法达到照明要求等问题实现了实用照明的室内可见光通信系统。系统性能得到了很大程度的提高成功实现4Mbs带宽的数字视频信号传输信号传输距离超过了25m。11室内可见光通信系统介绍室内VLC系统的一种典型设计如图l所示：由终端、可见光通信适配器、可见光通信集线器、白光LED光源、光电探测器及相应信号处理单元组成。系统分为前向链路和反向链路两部分每部分都包括了发射和接收部分。发射部分主要由白光LED光源和相应信号处理单元组成而接收部分主要由光电检测器和相应信号处理单元组成。可见光无线集线器是可见光通信网络中的核心组成部分，接收来自终端用户的信息同时分时段地将接收到的信息通过主光源以广播的方式发送出去。可见光通信适配器包括了前向链路的自光LED光源和反向链路的光电接收器，集合了发射和接收功能，负责将终端用户的信息调制成光信号和接收来自反向链路的光信号。天花板上安装的光电检测器接收来自用户的光信号，并转换成电信号送入可见光通信集线器。电信号经过可见光通信集线器的简单处理后，调制到白光LED光源上变成光信号以广播的方式发射出去。在接收端终端的可见光适配器将发给自己的信息解调出来送人终端用户，实现了局域网内的无线通信。12关键技术研究121高速调制驱动电路设计调制带宽是衡量LED的调制能力的参数关系到LED在无线光通信中的数据传输速度大小阁。其定义是在保证调制度不变的情况下当LED输出的交流光功率下降到某一低频参考频率值的一半时(一3dB)所对应的频率。从微观结构分析影响白光LED高速调制有两个因素：载流子寿命和结电容。LED因受两者的限制其调制的最高频率通常只有几十兆赫兹，从而限制了LED在高比特速率系统中的应用。但是，通过合理设计和优化驱动电路。LED也可以用于高速通信系统。由于实现简单VLC系统大多设计成光强度调制直接探测系统。白光LED高速调制驱动电路图设计如图2所示。该设计能够达到抑制电磁干扰、噪声干扰、温漂以及光功率补偿等目的。可以用于数字视频信号源码流传输。晶体管BGl和BG2组成发射极耦合式开关BG3和稳压二极管Dz组成恒流源电路，为LED支路提供稳定的驱动电流。由于该电路超越了线性范围工作。即使输入端过激励时。其仍没有达到饱和所以开关速率更高。理论上可传输300Mbs以上的数字信号。122白光LED照明光源布局设计单个LED发光强度和发光功率都比较小为了同时实现室内照明和通信双重功能LED照明光源应设计为多个自光LED组成的阵列。为满足基本照明需求，在系统设计中应首先考虑室内光照度的分布。要使通信效果达到最优必须根据房间的大小以及室内设施不同合理布局，使房间内的光强分布大致不变尽量避免盲区(光照射不到的区域)的出现。由于行人、设备等的遮挡。会在接收机表面形成“阴影”影响通信性能。对照明来讲，室内安装的照明灯越多可以降低“阴影”效应，使得接收功率大大增加，但多个不同的光路径会他僻ISI越严重。因此在达到室内照明标准的同时也婴孑虑ISI的影响合理安排LED阵列光源的布局尤为关键。123信道编码技术数字信号在传输过程中不可避免地受到各种噪声干扰导致传送的数据流产生误码从而使接收端出现异常现象。比如：图象跳跃、不连续、出现马赛克等。信道编码技术对数据流进行相应的处理使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力提高数据传输效寥，降低误码率并最终提高数据的通信距离。暨南大学陈长缨、赵俊提出一种适用于LED数字传输的mBnB分组编码技术。通常来说分组码是指将原始信息码字按m比特为单位进行分组根据一定规则用另外每组为n比特的码字来表示然后这些新的分组以NRZ码或RZ码的格式来传输。常用的信道编码有182B(曼彻斯特码)、384B、586B、688B等。mBnB码的优点有：功率谱形状较好；连0连1个数有限，没有基线漂移问题；提供可靠的误码监测和字同步手段。实验证明经过688B编码后光信号在通信距离r=-0525m范围内受LED的个数、电阻及串口模块分频的影响不大。利用688B编码技术可以保证本系统中数据高速传输的同时使信号传输距离超过25m。而且可以通过对数据采用高低两种不同码表的方法来克服mBnB码译码时会造成误码增值的缺点。如图3所示以一个12bit的原始数据为例，介绍688B编码实现过程。124正交频分复用(OFDM)技术OFDM是一种应用于无线环境下的高速传输技术具有很强的抗多径能力，已经在高速无线光通信中获得了广泛应用。早在2001年日本庆应大学中川研究室就提出了为提高传输的数据率在VLC中引入OFDM调制方式的必要性。OFDM技术的主要思想：在频域内将所给信道分成多个正交子信道在每个子信道上使用子载波进行调制，并且各子载波并行传输。使得每个子信道相对平坦并且在每个子信道上进行的是窄带传输信号带宽小于信道的相干带宽IL81。因此就可以大大消除ISI。在可见光通信OFDM系统中首先要对信号源电信号进行OFDM编码然后加一直流偏置对LED光源进行调制。由于在发射端将串行的高速数据并行地调制到多个正交的副载波上降低了码速率增加了信号脉冲的周期减弱了多径传播引起的ISI的影II句i9l。另一方面可以通过在OFDM信号间加入保护隔进一步减弱ISI的影响。然而，OFDM还存在这样的缺点：当数据信息在深衰落子信道传送各子载波使用的相同的发射功率和调制方式时，这个深衰落子信道的误码率会增大。那么即使其它子信道的误码率很小整个系统的通信性能会因其中的任何子信道的不良通信而恶化。2005年西班牙的0G0nzalez等人提出了一种利用自适应OFDM信号提高通信能力和减小多径效应的方案克服这个缺点。自适应OFDM调制可以根据当前信道状况调整各子信道分配的比特和功率在信道条件好的子信道中传输较多的比特数和更多的能量。相反在深衰落子信道中，系统将不传信息或减少该子信道的数据传输的比特数。实验表明，通过这样的自适应调整后有效地减弱无线光信道中噪声的影响整个系统的传输效率会有很大的提高125光码分多址(OCDMA)技术采用光码分多址技术141来区分不同用户的信息。在可见光无线局域网中所有的终端用户都共用相同的主光源，因此不同的用户信号必须具有不同的特征，这样适配器接收时才能将不同用户信号分割开。OCDMA给每一个用户分配一个单独的地址码。数字信号在各自的地址码上进行编码在接收机上通过相应的序列进行解码。采用OCDMA技术还能大大提高了系统的抗噪声能力。可以把信号从噪声很强的环境中检测出来126分集接收技术分集接收技术的提出是为了提高VLC系统的信噪比。克服高速通信中码间干扰的影响。分集接收的思想就是在接收机处的不同方向上安装多个光电探测器。对多个探测器接收到的信号进行比较选取信噪比最大的信号进行通信。在分集接收系统中两个关键的下作是：信号的选取方式和光电探测器的布局。在信号的选取上，对于低速率的白光LED通信系统直接将多个探测器接收到的信号通过一个加法器进行简单相加然后将相加后的信号送进接收机进行滤波解调和解码等处理大大提高了信噪比：当通信系统的传输速率高于100Mbs时。由于码间串扰的影响不能将信号直接相加。必须设计专门的控制电路对信道进行自动判决和选择。原理如图4所示。对各个探测器转换后的电压图4高速率分集接收探测器原理框图信号进行实时采集采样再送入电压比较器进行比较找出电压值最大的信道此信道即为要进行通信传输的信道。同时比较器输出控制信号将相应的信道选通。对于光电探测器的布局在接收机的不同方向上安装多个光电探测器且均匀分布于一个半球面上，这样在减少探测器个数的同时又提高了接收效果。如此，只要不是整个接收机被遮住通信就不会中断。关于探测器的个数和布局，需要根据具体环境和通信性能的要求来决定。在高速通信中采用分集接收技术系统的信噪比平均提高了2dB。并且有效克服接收机位置改变、室内人员走动和物体阴影对通信系统的影响。2 可见光通信链路设计可见光无线局域网中采用的是主光源与用户光源相结合的光源配置方案，为了达到最好的通信效果，就需要对主光源和用户光源进行合理的配置。可见光通信链路如图4所示。从图中可以看出，光链路的建立均采用的是方向性的直射链路(LOSLightof-Sight)。LOS链路设计可以使光程损耗达到最小，受周围光噪声的影响也最小，因此它可以使发射功率的利用率达到最大，极大地提高了系统的可靠性。同时也可以看出，接收机与发射机之间既存在直射路径，又存在多次反射路径。文E5对房间内某点的归一化冲击响应进行了研究，指出直射光、第一次反射光、第二次反射光与总的接收光的比率分别为：9516 、357 、127 。这表明，在可见光无线局域网中通信的性能主要受直射光的影响。本文也只考虑直射光的影响。3 .LED照明实现可见光通信的创新思路社会向基于固态照明的大功率LED的不断发展，一种大胆的创新思路出现在一些有远见的工程师脑海中。他们的建议是：为何不让LED通/断切换得足够快以致于人眼无法分辨，从而也用它们来传送数据？中国照明网技术论文LED照 这个建议就是可见光通信(VLC)的理论基础。在足够先进的技术支持下，每种新的LED灯具也能以有线方式接入骨干网络，使室内任何设备实现无所不在的无线通信，并且不增加已经拥挤不堪的射频带宽负担。许多工业、标准组织和得到大力资助的政府机构正在研发可见光通信。可见光通信的前景非常广阔，因为传统照明市场达数万亿美元，并且向固态照明的转变已经开始。据Strategies Unlimited公司预测，今年LED照明市场将超过10亿美元，到2014年有望增长到约73亿美元。中国照明网技术论文LED照明 当然，固态照明的重点在于降低温室气体排放，因为LED灯的功耗比目前的标准照明产品要低很多。但巨大的市场已经激发几乎每个主要的电子研究组织投入可见光通信应用的开发。中国照明网技术论文LED照明 大多数可见光通信应用并不是要取代其它无线技术，如蓝牙、Wi-Fi、WiMax和LTE，其应用目标是当前的射频无线通信无法实施的场合，比如医院和飞机等应用这种场合下射频可能干扰生命攸关的设备中的信号；机器人-它们可以使用头灯中的虚拟路标进行导航进而实现信息传送；标牌-当手机相机指向它时可以提供额外的信息。中国照明网技术论文LED照明 日本的可见光通信联盟成员包括卡西欧、NEC、松下电气工程、三星、夏普、东芝以及NTT Docomo等电信运营商，该联盟正致力于推进IEEE 802.15无线个人局域网标准委员会增加“.7”工作，以期将可见光通信提升到与射频和红外线相同的无线状态。802.15.7委员会刚刚在工作组级别批准了目前草案版的无线VLC标准，“但我们仍有许多问题要解决。”Intel实验室科学家、IEEE 802.15.7委员会技术编辑Rick Roberts指出。中国照明网技术论文LED照明 “让IEEE感到兴趣的原因是LED的广泛普及。目前的LED技术主要用于照明，但如果无线市场也被开发出来，从过去的经验我们知道需要对互操作性进行标准化。”Roberts表示，“我们的标准化工作始于2008年，并有望于明年完成标准的定稿。”中国照明网技术论文LED照明 据Roberts介绍，801.15.7委员会的首要任务是推行照明第一、通信第二的标准。“可见光通信是能用肉眼看到的唯一一种无线通信信号，因此不能影响他人。他指出，“例如，可见光通信不适合遥控，因为人们通常在光线较暗的室内观看电视。你不希望看到遥控器发出闪烁的光线吧？用LED进行通信不会造成光线闪烁，而且可见光通信必须适应人们平时使用照明源的方式，比如光线调节。”中国照明网技术论文LED照明 图1：就像刹车灯告诉司机要停车一样，VLC可以向发动机控制单元发送相同的消息以避免碰撞中国照明网技术论文LED照明VLC为创意应用开辟空间 中国照明网技术论文LED照明 可见光通信有望形成一系列新的应用，虽然用Wi-Fi或红外也能实现，但通过可见光实现会更加方便或更加安全。例如，与相邻射频信号之间的互相干扰可能会限制Wi-Fi的使用，而可见光基本上不存在干扰问题；相邻光束可以交相通过，只要它们的目的地不同就可以了。出于安全考虑，有些地方禁止使用射频通信，比如医院和飞机。可见光通信在这些场合是理想的替代技术，因为LED照明早已在使用，而可见光通信又不会干扰传送重要任务的系统信号。同时，可见光通信也具有高数据容量的潜力。中国照明网技术论文LED照明 “可见光通信可以实现各种类型的新应用，”Roberts表示，“我特别喜欢的是智能LED指示牌，它能显示乔家餐厅，但如果你拿出移动设备并指向这个指示牌时，还可以下载到更多的信息-例如餐馆的地址、菜单甚至优惠券等。你必须展开你的想象力，新的可能应用确实有很多。”中国照明网技术论文LED照明 三星公司正在基于LED的背光LCD平板显示器中试验使用可见光通信，以便用户能下载从产品信息到网站地址的所有信息。“我们相信LCD背光通信是可见光通信的绝佳应用之一，因为LCD背光源正在转向使用LED。”三星公司LCD业务部副总裁Scott Birnbaum表示。 中国照明网技术论文LED照明就像IEEE在2008年开始自己的标准化努力一样，美国国家科学基金会也看中了“这道光”，并在旗下的智能照明工程研究中心(ERC)计划中增加了VLC研究项目。中国照明网技术论文LED照明 智能照明ERC是一个投资1,850万美元的10年期计划，涉及多家学院的30多位大学研究人员，包括伦斯勒理工学院(RPI)、波士顿大学和新墨西哥大学。“由于整个社会都在向固态照明发展，我们正在考虑用LED光能做的所有东西。”PRI学院教授、智能照明研究中心总监Robert Karlicek表示，“我们想知道以前认为永远不可能的事中哪些事我们能做，并判断需要创建什么样的设备、需要采用哪类系统架构才能实现一个先进的照明系统的更多功能。”中国照明网技术论文LED照明 Karlicek设想使照明系统的照明功能也变得更加智能，方法是利用可见光通信向照明系统本身增加环境参数。“我们想知道用LED还能做什么事以便向社会提供更多的价值，并提供新的机会。”他指出，“举例来说，我能想象室内照明器具相互间通信从一个灯到另一个灯，它们之间利用低速率信号使颜色标准化并提供均匀一致的光线。”中国照明网技术论文LED照明 智能照明ERC研究人员正在寻求控制LED照明的所有方面，包括颜色、密度、能源使用、极化和调制，以便形成新的应用。这些新应用包括从使用固态照明、到提供数据通信来控制人体生理节奏，或在每天的指定时间提供最健康的光照。ERC还在研究可见光在生物传感、医疗诊断和治疗方面的用途。中国照明网技术论文LED照明 参与了智能照明ERC项目的波士顿大学专注于在特殊场合使用可见光通信实现传统的数据通信，比如在飞机上。可见光通信能够利用多个独立的并行数据连接，比如来自不同视线的连接，或在相同视线上复接不同频率的可见光。这样，观看同一部电影的所有人能够共享公共广播连接，或者将独立的数据流馈送给观看不同电影的各个观众。中国照明网技术论文LED照明 在工厂车间，同样的功能允许移动机器人使用可见光通信在仓库中导航，可以利用头顶灯检查它们的位置，还能相互之间直接通信以避免碰撞。同样，汽车可以通过读取交通信号灯广播的坐标保持正确的行驶方向。汽车到汽车间的可见光通信有助于避免碰撞，并防止交通拥堵。中国照明网技术论文LED照明 图2：LED灯同时用于照明和通信有助于实现普适计算，于室内的每个设备都可用独立数据流中国照明网技术论文LED照明 图3：目前无线网络的部署使用Wi-Fi，它依赖于网络电缆和接入点，但未来系统可以利用现有的有线基础设施将数据发送给LED灯，并作为无处不在的新接入点中国照明网技术论文LED照明 图4：在机场使用LED通信可以减少地面冲突，因为LED可以在机场照明基础设施、地面车辆和飞机之间提供信号中国照明网技术论文LED照VLC实现之路中国照明网技术论文LED照明 波士顿大学教授Thomas Little是智能照明中心的高级研究员和副总监，他正在试验不同的调制方案，包括使用标准二元码的编码器、非归零编码器、脉冲码调制和脉冲密度调制。据他宣称，只要数据速率大于900kHz，所有这些方案工作时都不会产生闪烁光。Little领导的小组还在研究如何在没有直接视线的情况下可靠地收发信号，这要求使用反射信号且同时不能产生互调干扰。中国照明网技术论文LED照明 “我们想要使网络的安装像拧装灯泡一样容易。”Little表示。他的实验室目前为止已经完成了40多个原型，这些原型正在一些工业合作伙伴那里进行评估。中国照明网技术论文LED照明 波士顿大学的智能照明实验室已经建立了多个演示装置，可以用来演示如何使灯具同时具有照明功能和数据通信功能。例如，通过连线传输的以太网信号可以从一个灯具路由到另一个灯具，并由LED调制来自以太网装置的数据信号。中国照明网技术论文LED照明 “我们想要解决的问题是，如何以很低的成本提供较高的数据速率，从而使可见光通信能够成为照明基础设施的一个部分。”Little表示。中国照明网技术论文LED照明 通过在设备中安装LED发射器，从用户设备(如智能手机或笔记本电脑)到以太网集线器的信号可以用可见光来实现。但Wi-Fi仍可用于到以太网集线器的回传信号并获得同样的优势，因为来自用户的回传信号(例如通过按键)通常是低带宽的信号。中国照明网技术论文LED照明 作为工作的一部分，新墨西哥大学正在集中精力研究创新的设备架构-致力于提高效率和LED的开关速度，以求达到GHz的带宽。到目前为止，教授Steve Hersee已经发明了一种可扩展的工艺用于制造基于纳米线的LED。新墨西哥大学准备将这个技术许可给产业界中国照明网技术论文LED照明 “我们使用相同的氮化镓材料，但不像普通LED那样所有层都平躺在水平面上，它们将以同轴方式缠绕在中央纳米线周围，使得器件具有高得多的效率，并允许以高得多的速率进行调制。”Hersee指出，“这将使固态照明发生根本的变化。纳米线包含零缺陷，而传统LED中使用的传统水平氮化镓膜每平方厘米有数百万个缺陷。”中国照明网技术论文LED照明 纳米线宽度从100nm到500nm不等，在基底上的垂直列中可以生长到5至10um高。第一批原型最近才生产完，但新墨西哥大学希望在今年年底前有更多的公司获得许可。中国照明网技术论文LED照明 今年7月在RPI学院将举办NSF赞助的一次展会，届时将评估目前为止的最新工艺，并且为2011年制定新的里程碑。NSF计划到2018年截止，到那时，NSF希望拥有智能照明标准和技术，并能让每个新的固态照明装置像可见光通信集线器一样完成双重任务。中国照明网技术论文LED照明4.应用前景目前室内无线通信能满足要求的最好选择就是白光LED。白光 LED在提供室内照明的同时，被用作通信光源有望实现室内无线高速数据接入。目前，商品化的大功率白光LED功率已经达到5W，发光效率也已经达到90lm/W，其发光效率（流明效率）已经超过白炽灯，接近荧光灯。白光LED的光效超过100lm/W并达到200lm/W（可以完全取代现有的照明设备）在不久的将来即可实现。因而LED照明光通信技术具有极大的发展前景，已引起人们的广泛关注和研究。 可见光通信有四大优点。第一，使用可见光检测位置，精确度之高是电磁波无法超越的。第二，能够以较低的价格实现高速传递。第三，能够有效利用照明设备等已有设施。第四，由于能够看见发光场所和进行方向，因此能够清楚知道信息将传递到哪里，以及是从哪里传来的。总之，凡是用LED进行照明和指示的设备加上通信的功能即可衍生出新用途：在博物馆、展会等场馆内，参观者只要手持相应的接收设备(如手机)，就可以随时随地接