可见光通信技术LIFI

1、2021/3/171可见光通信技术可见光通信技术2021/3/172可见光通信技术概述可见光通信技术概述可见光通信的主要分类LED可见光通信可以分成室外通信和室内通信两大类室外LED可见光通信技术目前主要应用在智能交通系统 (ITS:Intelligent Transportation Systems). 室内LED可见光无线通信技术主要应用在室内无线宽带 接入网中2021/3/173可见光通信技术概述可见光通信技术概述可见光通信的特点白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保 等优点,特别是其响应灵敏度非常高,可以用来进行超 高速数据通信。2021/3/174可见光通信技术概述可见光

2、通信技术概述可见光通信的特点 基于LED光源的可见光通信,与传统的射频通信和其他光无线通信相比,有以下突出优点: 1.可见光通信是绿色资源,不存在电磁辐光源有发光强度和发光功率两个基本特性参数。白光LED不幅射; 2.有光就可以进行通信,无通信盲区,方便快捷 3.可见光仅提供室内照明,还可以作为信号光源用以实现 室内无线数据通信发射功率高; 4.无需无线电频谱认证。2021/3/175可见光通信系统的组成可见光通信系统的组成发射部分主要包括将信号源信号转换成便于光信道传输 的电信号的输入和处理电路、将电信号变化调制成光载 波强度变化的LED可见光驱动调制电路。白光LED光源 发出的已调制光以很

3、大的发射角在空间中朝各个方向传 播。由于室内不受强背景光和天气的影响,光传播基本 上不存在损耗,但是由于LED光源个数较多,且具有较 大的表面积,因而在发射机和接收机之间存在若干条不 同的光路径,不同的光路径到达接收机的时间不同,将 引起所谓的码间干扰(ISI)。由于白光LED光源发出的是 可见光,且发散角较大。对人眼睛基本无害、无电磁波 伤害等优点,因而发射端可以具有较大的发射功率,使 得系统的可靠性大大提高。2021/3/176可见光通信系统的组成可见光通信系统的组成 该系统的接收部分主要包括能对信号光源实现最佳接收 的光学系统、将光信号还原成电信号的光电探测器和前 置放大电路、将电信号转

4、换成可被终端识别的信号处理 和输出电路。室内的光信号被光电检测器转换为电信号 ,然后对电信号进行放大和处理,恢复成与发端一样的 信号。该系统的上行链路与下行链路的组成除了使用的 光源不同外,其它基本一样。上行链路采用的光源仍然 由白光LED组成,只不过发射面积较小,且具有较小的 发射角,天花板上安装的光电检测器接收来自用户的光 信号。若将上述基本结构在通信双方对称配置,就可以 得到一个可以双向同时工作的全双工LC系统,由该系统 组成的网络称为可见光网络。2021/3/177可见光通信系统的组成可见光通信系统的组成2021/3/178可见光通信系统的组成可见光通信系统的组成从上图中,我们看到:可

5、见光通信系统由路由器（集 线器）、LED光源、接收器和信息终端（含适配器）等 组成。 可见光路由器是可见光通信网络中的核心组成部分,可 以接受来自信息终端用户的信息,同时分时段的将接收 到的信息通过主光源以广播的方式发送出去。2021/3/179可见光通信系统的组成可见光通信系统的组成可见光通信适配器包括下行链路的白光LED光源和上行 链路的光电接收器,具有发射和接受功能,且负责将终 端用户的信息调制成光信号,并接收来自下行链路的光 信号。 天花板上安装的光电检测器可以接收来自用户的光信号 ,并转换成电信号送入可见光通信路由器。电信号经过可见光通信路由器的简单处理后,调制到白 光LED光源上变

6、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接受的信息解调出来并 送入终端用户,即实现了局域网内的无线通信。2021/3/1710可见光通信系统的组成可见光通信系统的组成2021/3/1711白光白光LED光源的基本特性光源的基本特性 图所示是通过白光LED的调制信号与输出光功率的关系曲线。为了获得线性调制,使工作点处于输出特性曲线的赢线部分,必须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流Ib,这样就可以使输出的光信号不失真。2021/3/1712白光白光LED光源的基本特性光源的基本特性LED光源的脉冲编码数字调制 数字调制是用二进制数字信号“1”和“0”码对光源发 出的光

7、波进行调制。而数字信号大都采用脉冲编码调制 ,即先将连续的模拟信号通过“抽样”变成一组调幅的 脉冲序列,再经过“量化”和“编码”过程,形成一组 等幅度、等宽度的矩形脉冲作为“码元”,结果将连续 的模拟信号变成了脉冲编码数字信号。然后,再用脉冲 编码数字信号对光源进行强度调制,其调制特性曲线如图所示。2021/3/1713白光白光LED光源的基本特性光源的基本特性LED光源的脉冲编码数字调制 研究白光LED的线性特性、调制信号与输出光功率的关系,既是为了获得线性调制,也为开发白光LED的多管驱动阵列提供了一定参考。使工作点处于输出特性曲线的直线部分,一般需要在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电

8、流Ib,这样就可以使输出的光信号不失真。2021/3/1714调制方式调制方式为了尽可能提高系统的数据传输速率,需采用额外的措施来缓解系统带宽受物理器件限制的影响, 有效的缓解措施可总结为两类:一类是使用附加元件或使用均衡技术来缓解, 具体方法包括在接收端使用蓝色滤波片滤除响应慢的黄光元素,在LED的驱动电路模块中使用预均衡技术以及在接收机端使用后均衡技术第二类方法是使用效率更高的调制技术,即一个发送符号可传递尽可能多的信息2021/3/1715调制方式调制方式目前应用到可见光通信系统中的调制方式包括开关键控 、脉冲位置调制、子载波脉冲位置调制、变脉冲位置调制、色移键控和正交频分复用等.u开关

9、键控NRZ-OOK光源开启表示”1”,光源关闭表示”0”2021/3/1716调制方式调制方式u脉冲位置调制由于在接收机需要时隙同步和码元同步,PPM收发机结构较OOK收发机复杂2021/3/1717调制方式调制方式u正交频分复用(OFDM)OFDM带宽效率高, 并且可以克服多径效应和符号间干扰.在可见光通信系统中使用OFDM技术,那么系统的数据传输性能将提升,抵抗多径干扰能力也将被加强2021/3/1718可见光通信的关键技术可见光通信的关键技术信道编码技术mBnB分组编码技术是 一种适用于 LED数字传输 。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

10、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1B2B（曼 彻斯特码）、3B4B、5B6B、6B8B等。2021/3/1719可见光通信的关键技术可见光通信的关键技术信道编码技术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 6B8B 编码后,光信号在通 信距离 r=0.5 2.5m 范围内受 LED 的个数、电阻及串 口模块分频的影响不大。利用 6B8B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 2.5m。而且,可以通过对数据采用高低两种不同

11、码表的 方法来克服 mBnB码译码时会造成误码增值的缺点。2021/3/1720可见光通信的关键技术可见光通信的关键技术信道编码技术 如图所示,以一个12bit的原始数据为例,介绍6B8B编码实现过程2021/3/1721可见光通信的关键技术可见光通信的关键技术光码分多址(OCDMA)技术采用光码分多址技术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 OCDMA

12、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。2021/3/1722可见光通信的关键技术可见光通信的关键技术分集接收技术分集接受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2021/3/1723可见光通信的关键技术可见光通信的关键技术分集接收技术在分集接收系统中,两个关键的工作是: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,

13、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100MB/S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2021/3/1724可见光通信的关键技术可见光通信的关键技术分集接收技术2021/3/1725可见光通信的关键技术可见光通信的关键技术分集接收技术对各个探测器转换后的电压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

14、,这样在减少探测器个数的同时又提高了接受效果.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2021/3/1726主要应用主要应用 办公室办公室Li-Fi以低廉的成本解决了办公室上网问题人人克享100Mbps连接,数据经过加密2021/3/1727主要应用主要应用 医院医院Li-Fi可以轻松解决两个问题:手术室可以有照明用的设备,就具备了使用Li-Fi的条件.Li-Fi的频谱是Wi-Fi的1万倍,不会影响

15、到医疗设备的使用2021/3/1728主要应用主要应用 汽车汽车交通指示灯能发送路况信息2021/3/1729主要应用主要应用 飞机飞机飞机上的Li-Fi服务.据传,飞机上每位乘客可以使用最高9.8Mbps的连接2021/3/1730主要应用主要应用 海底海底估计主要为需要在海底开展科研工作的科学家们服务2021/3/1731LIFI的优势的优势一、建设便利,光源易得人们可以利用已铺设好的电灯设备电路,在需要接入网络的地方植入一个芯片即可.例如高速公路上的路灯,人们在高速行驶的车上能轻易的接收到路灯传来的信号2021/3/1732LIFI的优势的优势在家里,打开台灯就可以下载歌曲;在餐厅,坐在

16、有灯光的地方就可以发微博;即便是在水下,只要有灯光照射就可以上网2021/3/1733LIFI的优势的优势二、传输速度快 可见光的频谱带宽是目前电磁波带宽的10000倍.目前据报道,实验室测试最高速度可达1Gbps.2021/3/1734LIFI的优势的优势三、绿色健康,低能耗人们无时无刻都处在”光”这环境中,可见光对于人类来说是绿色的,无辐射伤害的一种物质.因此用光来作为无线通信的媒质,是一种对人类更健康,更可取的方向.同时用光来通信能减低能耗,因为不需要像基站那样提供额外的能耗.就算是在白天,只要把作为”热点”的灯的亮度降低人眼所觉察不到的程度即可,在夜晚的时候可以作为数据传输和照明的作用

17、2021/3/1735LIFI的优势的优势四、安全 对于电磁波来说,其可以穿透物体进行传播,从安全角度上来看,这可能会被截取而泄露信息.但对于LiFi来说,可见光只能延直线传播,不会穿透墙体的物体.数据只往人们所设定的方向传播,有利于信息的安全性2021/3/1736LIFI的局限性的局限性环境干扰环境光源有时候会工作在同样的光谱频段,这时候如果环境光源比较强,很有可能LIFI会无法正常通信,信/干燥比(SINR)太差2021/3/1737LIFI的局限性的局限性解决方式:对于环境干扰问题,LIFI系统中使自行研制的窄带滤镜,可以一定程度上避免背景光的干扰;对于室内的电磁干扰,噪声主要在1MHz已下,他们在系统中也避开了这个频段.要实现高速的传输速度,还需要在空间内布置更多用了的中继站,以保证传输的稳定性2021/3/1738LIFI的局限性的局限性反向通信从LED灯泡发射信号到手机上的光电二极管只解决了问题的一半,如何从手机发信号回去才能保证通信链路畅通(当然可以用无线电欧诺更新作为补充,不过这让这个技术的标准化变得很难)2021/3/1739LIFI的局限性的局限性解决方式:而针对数据上行,可采用了两套系统,分别是可见光上行和红外上行.所谓可见光上行,即需要