和白熾及熒光燈相比，白光發(fā)光二極管(LED)具有壽命長、光效高、功耗低、無輻射、安全性好、可靠性高等特點(diǎn)，被稱為"綠色照明"并得到迅猛發(fā)展。白光LED在未來市場極具競爭力。世界范圍內(nèi)約140多億的白熾燈轉(zhuǎn)換成更節(jié)能的LED。日本政府10年前就將LED作為21世紀(jì)照明技術(shù)，中國政府也發(fā)布了在幾年內(nèi)逐步結(jié)束白熾燈的銷售政策。
除了照明優(yōu)勢外，LED還具備響應(yīng)時(shí)間短和高速調(diào)制等特性。白光LED高速調(diào)制所引起的光閃爍不容易被人眼察覺，可以在照明同時(shí)提供數(shù)據(jù)通信的功能。這種在380~780nm可見光譜段進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的技術(shù)簡稱為可見光通信(VLC)技術(shù)。VLC在中、短距離安全保密通信、高精度準(zhǔn)確定位、交通運(yùn)輸通信和室內(nèi)導(dǎo)航等領(lǐng)域具有很大潛力，尤其是可以替代射頻(RF)解決"最后1m"的問題。和無線電波相比，可見光通信有很多優(yōu)勢：1)信息量在以摩爾法則發(fā)展，無線電頻譜很多頻段已被占用，VLC利用的是高于3THz且尚屬于空白頻譜的可見光頻譜，不受使用許可證限制；2)可見光不能穿透建筑墻，相互鄰近封閉單元中VLC信號(hào)不會(huì)相互干擾，安全性高，保密性好；3)可見光收發(fā)器件設(shè)備簡單，價(jià)格低廉；4)可見光波長屬于亞微米級(jí)，在準(zhǔn)確方向定位上具有明顯優(yōu)勢；5)VLC能夠替代無線電在某些電磁干擾敏感的特定場合(如飛機(jī)、醫(yī)院、核電站或者石油鉆探等)中的應(yīng)用。
VLC和RF相比最明顯的不足是可見光傳輸速率受通信距離限制相對(duì)明顯。VLC采用非相干通信模式，VLC通信路徑損失是距離的4次方，而相對(duì)RF來講，損耗是距離的平方。LED具有固有非線性電流-強(qiáng)度特性，性能隨溫度增加而急劇下降，輸出光色以及設(shè)備壽命也快速減少。此外，燈光變暗會(huì)對(duì)傳輸功率和傳輸性能產(chǎn)生一定影響。這些不利因素限制了VLC的應(yīng)用，VLC也不可能完全取代高速RF通信。如何充分利用VLC優(yōu)勢，克服不利因素以提升VLC通信性能是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。
VLC技術(shù)最早于1999年由香港大學(xué)GranthamPang提出并針對(duì)VLC開展了音頻傳輸?shù)难芯俊Ｈ毡倦S后對(duì)VLC展開了積極深入的研究。2003年，可見光通信協(xié)會(huì)(VLCC)在日本成立。目前，越來越多的機(jī)構(gòu)和組織致力于VLC關(guān)鍵技術(shù)的研究。典型的研究機(jī)構(gòu)包括：歐洲項(xiàng)目家庭千兆接入網(wǎng)(OMEGA，Home Gigabit Access Network)、美國光通信中心(UCL)、德國海因里希赫茲、夫瑯禾費(fèi)通信研究所、荷蘭飛利浦公司、法國電信、牛津大學(xué)、澳大利亞莫納什大學(xué)以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等。這些機(jī)構(gòu)在VLC的理論、算法、仿真及實(shí)驗(yàn)方面做出了突出性成果。但VLC的發(fā)展尚處于起步階段，和成熟工業(yè)、生活以及軍事應(yīng)用之間還有一段距離，很多的技術(shù)難點(diǎn)亟需解決。而目前隨著我國LED產(chǎn)業(yè)快速爬升，目前已在“可見光通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”獲得了重大突破，實(shí)時(shí)通信速率提高至50gbps(比特每秒)，相當(dāng)于0.2秒就能完成一部高清電影的下載。
VLC基本鏈路及通信標(biāo)準(zhǔn)
1.1VLC基本鏈路
室內(nèi)VLC基本鏈路
光源
白光LED主要有三種類型：紅綠藍(lán)混合形成白光的RGB-LED、藍(lán)光LED激發(fā)熒光粉后混合成白光的PC-LED以及在紫外LED表面通過紅綠藍(lán)熒光粉混合產(chǎn)生白光的UV-LED。UV-LED在白光形成中能量損耗大，光效低，實(shí)際應(yīng)用中很少見。對(duì)于PC-LED，藍(lán)光LED的調(diào)制帶寬大約是35MHz，受到黃光分量影響，其調(diào)制帶寬只有幾兆。為提高調(diào)制帶寬，通常加入藍(lán)光濾波器濾除黃光分量。PC-LED成本低，驅(qū)動(dòng)簡單，在照明中應(yīng)用普遍。RGB-LED中三個(gè)LED可以獨(dú)立調(diào)制。運(yùn)用多路波分技術(shù)可以使得每個(gè)RGB-LED獲得15MHz調(diào)制帶寬。該類型LED價(jià)格昂貴，驅(qū)動(dòng)相對(duì)復(fù)雜，具有高效靈活的照明效果以及較高調(diào)制帶寬，在未來市場潛力很大。
接收器
PIN二極管、雪崩二極管(APD)及圖像傳感器是VLC中用到的接收器。PIN光電二極管價(jià)格低、接收面積大、敏感度高以及對(duì)溫度不太敏感，應(yīng)用廣泛。APD光電二極管接收敏感度高、接收面積小但價(jià)格昂貴。圖像傳感器能夠在不相互干擾情況下同時(shí)獲得圖像和數(shù)據(jù)信息。由于圖像傳感器只檢測LED傳來像素的光強(qiáng)度，即使有多個(gè)光源同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，圖像傳感器仍能成功接收到它所要需要的數(shù)據(jù)。圖像傳感器尤其適合準(zhǔn)確定位系統(tǒng)。
1.2通信標(biāo)準(zhǔn)
2007年，日本發(fā)布了JEITACP-1221"可見光通信系統(tǒng)"以及JEITACP-1222"可見光ID系統(tǒng)"。2009年，IrDA和VLCC聯(lián)合制定了"IrDA可見光通信物理層技術(shù)要求"。歐洲OMEGA也在致力于家庭網(wǎng)絡(luò)開發(fā)。但這些標(biāo)準(zhǔn)都沒有充分考慮閃爍和調(diào)光問題。兼顧照明及節(jié)能，IEEE2012年批準(zhǔn)了802.15.7標(biāo)準(zhǔn)。
IEEE802.15.7對(duì)VLC定義了4類應(yīng)用：局域網(wǎng)通信(VLAN)、定位增強(qiáng)信息廣播、高分辨力定位(自動(dòng)定位)以及中等分辨力定位(室內(nèi)導(dǎo)航)。該標(biāo)準(zhǔn)提供了高速VLC通信無閃爍可適應(yīng)調(diào)光機(jī)制[8]，支持點(diǎn)到點(diǎn)以及星型等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)雙向通信和廣播模式物理層和媒體存取控制(MAC)層進(jìn)行了規(guī)定。其中，PHYI為室外低速通信應(yīng)用，其傳輸速率為12~267kb/s，PHYII用于室內(nèi)中速通信應(yīng)用，傳輸速率為1.25~96Mb/s。PHYIII用RGB作為傳輸源和接收器，其速率范圍為12~96Mb/s。IEEE802.15.7沒有涉及到千兆速率。德國物理學(xué)家HaraldHaas提出了LightFidelity(Li-Fi)并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃在未來達(dá)到10Gb/s傳輸速率。除了VLC可以在GPS所不能發(fā)揮作用的室內(nèi)和峽谷等場合進(jìn)行定位，還可以用于水下通信、軍用裝備通信、電力線通信(PLC)及以太網(wǎng)供電(PoE)鏈路綜合等。為了能夠讓VLC充分發(fā)揮其應(yīng)用潛力，更為廣泛應(yīng)用的VLC國際標(biāo)準(zhǔn)還需要進(jìn)一步開發(fā)。
面臨的主要問題
1.1 VLC通信速率的提高
可見光LEDs最大挑戰(zhàn)是VLC的數(shù)據(jù)通信速率。為了提高通信速率，除了需要在LED器件上進(jìn)行突破外，還可通過其他技術(shù)手段進(jìn)行提升。如運(yùn)用調(diào)制、波分復(fù)用、均衡、光多輸入多輸出(MIMO)以及這些方法的混合使用。
編碼調(diào)制技術(shù)
為了克服白光LED的調(diào)制帶寬的局限，必須深入探究頻帶利用率高、抗干擾性能好的調(diào)制復(fù)用技術(shù)。目前常見調(diào)制編碼有開關(guān)鍵控(OOK)、脈沖位置調(diào)制(PPM)、多脈沖位置調(diào)制(MPPM)、差分脈沖位置調(diào)制(DPPM)等。相對(duì)于OOK調(diào)制方式，后三種利用率更好些。PPM具有自提取同步信號(hào)，適合低信噪比的場合。MPPM帶寬效率和功率效率均較高。OFDM是一種高效調(diào)制技術(shù)，具有頻譜效率高、帶寬擴(kuò)展性強(qiáng)、抗多徑衰落、頻譜資源靈活分配等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今世界研究熱點(diǎn)之一。早在2001年，日本提出在VLC中引入OFDM調(diào)制方式的必要性。2005年，西班牙的Gonzalez等提出了一種利用自適應(yīng)OFDM調(diào)制，可根據(jù)當(dāng)前信道狀況調(diào)整各子信道分配的比特和功率，提高整個(gè)系統(tǒng)傳輸效率。長春理工大學(xué)研究學(xué)者近年來也對(duì)OFDM調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了研究，可以根據(jù)信道優(yōu)劣選擇恰當(dāng)?shù)腛FDM調(diào)制解調(diào)方式。OMEGA論證了基于正交頻分復(fù)用/正交振幅調(diào)制(OFDM/QAM)技術(shù)的3m以上距離進(jìn)行84Mb/s光無線通信數(shù)據(jù)傳輸。OFDM在光無線通信系統(tǒng)中的缺點(diǎn)是直流(DC)成分導(dǎo)致的功效低。OFDM在高效調(diào)制的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致帶寬通信系統(tǒng)復(fù)雜以及影響照明均勻等問題。為了進(jìn)一步提升傳輸速率，DMT技術(shù)逐步受到關(guān)注。建立了一種基于DMT的VLC系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果證明DMT在有限帶寬限制下顯著提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。目前DMT技術(shù)方面研究工作做得不是很多，尚需要進(jìn)一步深入研究。但如何選擇適合可見光的調(diào)制技術(shù)是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題。
收發(fā)器均衡及濾波技術(shù)
對(duì)發(fā)送端模擬均衡可補(bǔ)償白光LED在高頻下的快速衰減，使得熒光粉LED調(diào)制帶寬擴(kuò)展到25MHz。發(fā)送器均衡的不足之處在于驅(qū)動(dòng)電路需要被調(diào)制以及部分信號(hào)沒有被轉(zhuǎn)化為光而導(dǎo)致能量沒有被充分利用。相對(duì)接收器來說，均衡處理是復(fù)雜的。通過非歸零碼-開關(guān)鍵控(NRZ-OOK)技術(shù)，讓藍(lán)光濾波移走慢黃光的部分，從而使得帶寬增加到100Mb/s并具有很高的照明亮度。由于強(qiáng)烈的背景噪聲及電路固有噪聲的干擾，隨著傳輸距離的加大，可見光通信系統(tǒng)中接收信號(hào)可能會(huì)十分微弱。為了精確接收信號(hào)，需要采用高效光濾波器抑制背景雜散光干擾。因?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)中的信號(hào)能量與噪聲同時(shí)分布在整個(gè)可見光譜中，濾波后信噪比不高，研究高效濾波技術(shù)及新型濾波器是提高光通信性能的有效方法。
并行通信(OMIMO)技術(shù)
和無線電系統(tǒng)類似，并行通信(OMIMO)通過在并行多路接收器和發(fā)送器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過空間復(fù)用實(shí)現(xiàn)高速傳輸，增大光無線通信系統(tǒng)的吞吐量。OMIMO技術(shù)是提升VLC通信速率和通信質(zhì)量的重要途徑。Brien首次在VLC中提出了OMIMO模型。2011年Dambul提出了成像OMIMO結(jié)構(gòu)。目前MIMO技術(shù)潛力的發(fā)揮主要還受到芯片水平的限制。文獻(xiàn)[29]報(bào)道了一個(gè)關(guān)于4×450Mb/sMIMOVLC通信實(shí)驗(yàn)。慶應(yīng)義塾大學(xué)(KeioUniversity)報(bào)道了1Gb/s并行傳輸?shù)母拍钚哉撟C實(shí)驗(yàn)：運(yùn)用MIMO技術(shù)，通過576LEDs陣列向256接收器陣列發(fā)送數(shù)據(jù)，每個(gè)LED發(fā)送的數(shù)據(jù)速率為5Mb/s。如何更好地利用室內(nèi)VLC系統(tǒng)的空間資源，獲取更高的復(fù)用增益有待進(jìn)一步去研究。
2.2可見光信道模型的完善建立及LED光源布局的優(yōu)化
可見光無線信道模型的建立是分析和設(shè)計(jì)可見光通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。LED燈光空間布局、空氣環(huán)境等也會(huì)對(duì)信道模型和通信性能產(chǎn)生影響。為提升VLC通信效率，必須對(duì)LED燈的個(gè)數(shù)、空間布局及光亮度進(jìn)行合理的選擇，盡可能避免盲區(qū)和多徑延遲產(chǎn)生碼間干擾(ISI)。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所利用大功率白光LED照明燈，采用OOK-NRZ調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)了多燈同時(shí)調(diào)制、大范圍覆蓋下的90kb/s、局部小范圍285kb/s的單向下行通信速率。為優(yōu)化LED光源的布局，對(duì)光鏈路視距信道損耗進(jìn)行了理論分析，對(duì)LED光源建模并進(jìn)行光線追跡仿真，為多燈聯(lián)合調(diào)制和基于網(wǎng)格的照明調(diào)制的不同應(yīng)用提供了分析依據(jù)。提出通過優(yōu)化LED半功率角的布局來提高室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)性能的方法。該方法不需要調(diào)節(jié)LED的功率，比較適合工程運(yùn)用，對(duì)于提高可見光通信系統(tǒng)的信噪比、降低信噪比的波動(dòng)有明顯效果。目前很多學(xué)者開展的室內(nèi)LED可見光無線信道分析，基本上均采用Gfeller和Bapst關(guān)于紅外通信信道的分析模型，對(duì)背景光、散射等所產(chǎn)生的影響尚未作深入分析。如何進(jìn)行合理的LED布局優(yōu)化、建立完善的可見光通信模型并計(jì)算及測量信道的單位脈沖響應(yīng)，是當(dāng)今VLC的研究的難點(diǎn)之一。
上行鏈路技術(shù)
牛津大學(xué)的Brien和愛丁堡大學(xué)的Harald Haas課題組很早就考慮到上行鏈路是可見光通信的重要挑戰(zhàn)之一，并指出射頻、紅外光等可以作為上行鏈路。由于射頻上行會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，無法用在電磁敏感環(huán)境，且也會(huì)減弱VLC通信的保密性。紅外上行也面臨一些列技術(shù)難度：紅外LED光束較為集中，需要進(jìn)行簡單瞄準(zhǔn)并將發(fā)射功率限制在人眼安全范圍內(nèi)；由于紅外LED調(diào)制帶寬受限導(dǎo)致上行傳輸速率較低；可見光與紅外無線通信的信道沖激響應(yīng)不同，這兩種系統(tǒng)中引起的碼間串?dāng)_(ISI)原因各異等。故需要對(duì)多光源、時(shí)變信道環(huán)境下的可見光無線通信(VLC)系統(tǒng)的信道沖激響應(yīng)和不同光路徑引起的ISI開展深入研究。美國的智能照明計(jì)劃正在研究具有發(fā)收一體的白光LED技術(shù)，LED燈將作為收發(fā)器實(shí)現(xiàn)全雙工通信。展示了以RGBLED中紅綠2個(gè)通道作為下行、藍(lán)色通道作為上行的波分雙工(WDD)可見光通信系統(tǒng)。但可見光LED作為上行鏈路的一個(gè)突出問題是對(duì)人產(chǎn)生視覺干擾，因此利用可見光作為上行鏈路只能用于某些特殊場景。
新LED器件
市場上固態(tài)LED燈主要是從滿足照明角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)通信性能并沒有給予充分考慮。理想特性的LED對(duì)VLC通信性能至關(guān)重要。實(shí)際通信應(yīng)用中效果較好的是商業(yè)化產(chǎn)品與技術(shù)(COTS)LED器件。基于連續(xù)增長的LED光源以及Gb/s數(shù)據(jù)傳輸速率的需求，少量大型高功率氮化鎵(GaN)的發(fā)光二極管也可以同來滿足VLC通信的高速傳輸需求。2014年，Tsonevn等基于OFDM技術(shù)通過氮化鎵微米發(fā)光二極管(mLED)搭建了3Gb/s傳輸速率的VLC通信鏈路。此外，有機(jī)可見光作為光無線通信領(lǐng)域中一個(gè)獨(dú)立技術(shù)正在迅猛發(fā)展。和LED相比，有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)具有靈活性、可彎曲性、成本低等很多優(yōu)點(diǎn)。它正被應(yīng)用到在高清晰度電視(HDTV)的高端顯示產(chǎn)品和智能手機(jī)上，引起了科學(xué)家們的高度關(guān)注。由于有機(jī)半導(dǎo)體電荷遷移性比無機(jī)半導(dǎo)體的電荷遷移性要低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，使得帶寬受限從而限制了傳輸速度。這也是有機(jī)可見光無線通信面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。