打开文本图片集
摘 要
本文介绍白光LED照明通信系统的原理、研究进展情况，探索利用该系统构建室内无线局域网通信系统的方法，并分析了系统的可行性及需要解决的关键技术，讨论了一些可能的解决方案。
【关键词】白光LED LED照明 可见光通信 室内无线局域网
1 引言
白光LED照明通信是一种近距离可见光通信技术，其利用对LED灯光的调制进行信息和控制指令传输。白光LED在满足室内照明的同时，可以被用作通信光源实现室内无线高速数据传输。目前，商品化的白光LED功率可达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。
将LED照明灯组成可见光无线通信系统的研究工作，在日本首先开展，并得到日本政府的重视。Tanaka等人在2000年提出了利用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。2001年，Tanaka等人在原来的基础上分别采用归零开关键控（OOK_RZ）调制方式与OFDM调制方式对系统进行了仿真，结果表明：当传送数据率在100Mbps以下时这两种调制技术都是可行的，当数据率大于100Mbps时，OFDM调制技术优于OOK_RZ调制技术。
2002年，Tanaka和Komine等人对LED可见光无线通信系统展开了具体研究。包括光源属性信道模型、噪声模型、室内不同位置的信噪比分布等，求出了系统所需的LED单元灯的基本功率要求。同年Komine等研究了由墙壁反射引起的多径效应对可见光无线系统造成的影响，结果表明：在数据率小于60Mbps，接收视场角小于50度的条件下，采用8-PPM调制方式可有效克服墙壁反射引起的多径效应。同年，Komine等提出了一套结合电力线载波通信和LED可见光通信的数据传输系统。之后，Komine等继续对LED单元灯的设计布局、可见光传播信道（分直达信道和反射信道两部分）、室内人员走动导致的反射阴影、墙壁反射光，码间干扰对系统性能的影响等展开研究，并得出了不同接收视场角和不同数据传送率下各因素对系统性能的影响曲线。2005年，Komine等利用基于最小均方误差算法的自适应均衡技术来克服码间干扰（ISI）。仿真表明在数据率为400Mbps以下时，FIR均衡器和DFE均衡器都可有效减少ISI的影响，当数据率高于400Mbps时，DFE均衡器更能有效克服ISI。
目前德国西门子公司和海因里希·赫茨研究所利用LED实现了每秒可达500兆比特的无线信息传输速率。
国内在可见光通信方面的研究起步较晚，暨南大学光电工程系的陈长缨教授对LED发光特性、室内通信链路和信道模型进行了初步的研究。中国科学院半导体研究所研发了半导体照明信息网，在国内首次实现了基于半导体照明的网络接入和多种电器的光学无线控制。目前，该系统的网络接入速率已达2Mbps，并可同时控制微波炉、空调、电视、DVD机、安防摄像头等多种家用电器，这预示着我国踏上了近距离可见光通信国际竞争的大舞台。
总之，白光LED照明通信在国外也还出在起步和探索阶段，但其应用前景非常看好，不仅可以用于室内无线接入，还可以为城市车辆的移动导航及定位提供一种全新的方法。本文介绍白光LED照明通信系统的原理、研究进展情况，提出利用该系统构建室内无线局域网通信系统，并分析了系统的可行性及需要解决的关键技术，讨论了一些可能的解决方案。
2 系统结构
与传统的通信和控制方式相比，白光LED照明通信系统具有很大优势：兼具照明、通信和控制功能，具有能耗低、购置设备少等优势；无电磁污染，适用于飞机、医院、工业控制等射频敏感领域；绿色环保、方便快捷，无须无线电频率许可，无须开挖管道的市政许可，便携性强，便于维护，适合在智能家居、智能交通等领域应用；适合水下通信，基于蓝绿光LED灯的半导体照明信息网技术可用于水下高带宽通信；具有更大的带宽潜力，能够达到每秒几百兆甚至更高的接入速度；适合信息安全领域应用，只要有可见光不能透过的障碍物阻挡，半导体照明信息网内的信息就不会外泄。因此在多个领域具有潜在的应用价值。
考虑在室内条件下有线通信保障较为复杂，且由于空间限制，线缆布局受到很大的制约，由于频繁接插带来的接口的不稳定等因素使得有线通信保障具有很大的局限性。无线通信虽然可以避免有线通信的一些限制但也会带来新的困难，如电磁信号的屏蔽问题，无线信号之间的干扰问题等都是网络的不稳定因素。而可见光通信无疑会给这种应用需求带来新的解决方案。图1表示室内的采用LED照明通信系统进行通信的示意图。系统的通信链路包括发射机，传播信道和接收机三个部分。
2.1 信源
白光LED可以采用红、绿、蓝LED混合产生期望的颜色或者采用单个LED（通常是蓝色）激励黄磷涂层产生白光，混合光源的方法能够实现LED光变化，也能够实现不同的数据在单个光源上进行传输。但是，保持光颜色的平衡是困难的且设备复杂。单个LED的方法比较简单，因此对于通常的应用更具优势。
图2a）是高亮LED的发射光谱，其LED峰值在440nm，荧光谱很宽且波长大于该值。图2b）表示这两部分光谱的小信号频率响应。可以看出，白光的带宽约为2MHz，蓝光部分的带宽约为10MHz。这是因为荧光的延时较长，因此整个带宽受到限制。因此采用这种设备实现高速通信极具挑战性。
2.2 VLC信道
室内LED光源配置于房间的顶部。通信终端可以放置在屋里任何地方的桌面上。信道由视线信道和反射信道组成。这两种信道可以单独建模并组合合并来获得终端的接收功率。采用LOS和散射信道组合的方式获得整个信道，其计算出来的接收端的信噪比是很高的，因此满足阅读的光照条件能够同时保证通信的功率需求。信道的带宽由LOS和散射部分的和决定，在典型的室内环境，可以获得至少88MHz的带宽。信道的带宽明显要高于信源的带宽，因此不需要特殊的处理。
2.3 接收机
接收机包含光部件来收集和汇聚光线到接收机的光电探测器上，将光线转换成光电流，然后经过放大和数据恢复。光部件通常是透镜或者是非成像聚能器，具有的最大增益受辐射常数的限制，因此光电探测器的尺寸需要尽可能大。若LED调制带宽小于90MHX，则LED的带宽就限制了系统的数据速率。因此接收机的限制不是很大。
3 关键技术
由于白光LED照明通信系统是较新的技术，面临许多技术上的难点需要解决：
3.1 增加数据速率
由于单芯片白光LED光源的带宽较窄，因此需要采用一定的方法来提高通信的带宽。最简单的办法是在接收机端采用蓝光滤波器。这样可以在一定程度上增大通信带宽，但这也会导致接收功率的降低。也可以采用发端和（或）接收端的均衡技术，或采用带宽效率高的调制技术来利用信号的高信噪比特性。另外，对于高数据速率，也可以采用多个LED进行并行数据传输。
3.1.1 发端均衡
模拟均衡技术可以用于补偿白光LED在高频段的快速滚降效应。可以采用LED阵列，每个LED用谐振技术获得特定的峰值输出频率。仔细选择一定数目的输出频率可以获得期望的输出响应。采用16LED的阵列得到25MHz的带宽，实现数据速率为40Mb/s的非归零（NRZ）开关键控（OOK）信号。对单个设备，可以采用更为复杂的均衡技术，得到数据速率为80Mb/s的（OOK_NRZ）信号。
3.1.2 接收端均衡
发射均衡的缺点是LED的驱动电路（通常需要几百毫安）需要调整，在一定的覆盖区域内，需要多个这样的信源，调整起来代价很高。另外，许多信号的能量并没有转换成光能辐射，因此降低了能源的使用效率。接收端均衡将复杂度放在接收机上。采用简单的一阶模拟均衡，证明了其可以提高数据速率。采用更为复杂的方法可以获得更高的数据速率。
3.1.3 高阶调制
高SNR，低带宽信道通常适合采用带宽效率高的高阶调制结构。证明采用离散多音调制（DMT）可以获得100Mb/s的速率。目前，在该领域的研究较少，需要进一步研究来评估模拟均衡加简单调制或复杂调制加有限信道带宽的性能。
3.1.4 并行通信（光MIMO）
在大部分照明应用中，通常采用多个LED获得所需的光照强度。这就可以用每个LED上传输不同的数据。在接收端，需要一个检测阵列，这样就构成一个多入多出（MIMO）系统。无线MIMO技术可以用于这种光传输系统来缓解收发阵列之间的相对位置排列要求。证明该系统允许多信道数据通信，且不需要对每个信源采用单独的检测器。
可以看出，增加数据速率的方法有许多，可以将这些技术组合运用可以产生超过100Mb/s的数据速率。
3.2 上行链路
VLC采用照明光源适合于广播应用，但与分布式的发射机结构建立起上行链路是个问题。采用红外传输实现上行链路，提出一种后向反射结构，后向反射器将一部分入射光反射回发射端，该反射波束经过调制建立起终端到基站的数据路径。虽然该案会降低速率，但很实用。采用VL与RF结合的方式，下行链路采用VLC，而上行链路采用RF，这也会降低RF信道的负载，包括总的网络性能。
3.3 兼容性问题
大多数情况下，VLC必须遵守一定的非通信的标准。这些标准包括眼睛安全标准，照明规范或者是交通信号和信号灯的要求。VLC标准必须符合通信和照明的一些要求。这点与其他的通信标准有很大的不同，因此也会带来各种各样的问题。目前VLC的研究在多个领域的研究有所进展，日本VLCC制定了几种国标，IEEE 802.15c的VLC研究小组也已启动。但VLC通信的主要难点在于与其他相关的团体建立联系，以保证与任何技术相兼容。
4 结论
总之，基于白光LED照明通信系统的实用化研究仍然在进行当中，但因其兼备无线通信的灵活性与局域空间通信的安全性，因此该系统在公安等政府部门信息系统中具有良好的应用前景，同时该技术符合网络融和的发展方向，具有更为广阔的应用空间。
参考文献
[1]T.Komine，J.H.Lee，S.Haruyama，et al.Adaptive equalization for indoor visible-light wireless communication systems[J].The 11th Asia-Pacific Conference on Communications （APCC 2005） October 2005，294-298.
[2]Lumileds：Luxeon design guides，，2006.
[3]Zeng，L.Le-Minh，H.O"Brien，D.C.Lee，K.Jung，D.and Oh，Y.‘Improvement of Date Rate by using Equalization in an Indoor Visible Light Communication System’.accepted for presentation at IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications，2008.
[4]O"Brien，D.C.Zeng，L.Le-Minh，H.et al.Visible light communications：Challenges and possibilities，IEEE Personal，Indoor and Mobile Radio Communications，2008.
[5]Le-Minh，H.O"Brien-Dc，Faulkner，G.Zeng，L.and Lee，K.‘High-Speed Visible Light Communications Using Multiple-Resonant Equalization’，accepted for publication in IEEE photonics technology letters，2008.
[6]Le-Minh，H.O"Brien-Dc，Faulkner，G..Zeng，L.Lee，K.Jung，D.J.and Oh，Y.‘80 Mbit/s Visible Light Communications Using Pre-Equalized White LEDs’.Submitted to ECOC，2008.
[7]O"Brien-Dc，Zeng，L.Le-Minh，H.and Faulkner，G.‘VLC with whitelight LEDs：strategies to increase data-rate’，Presented at IEEE 802.15c meeting Jacksonville，Fl，USA，May，2008.
[8]IEEE：IEEE 802.15 WPAN Visual Light Communication Study Group （IGvlc）.
[9]Komine-T，Haruyama-S，and Nakagawa-M：‘Bidirectional visible-light communication using corner cube modulator’.Proc.Wireless and Optical Communication （WOC）.Banff，Canada.IASTED.24 July，2003.
作者单位
山东省实验中学2013级8班 山东省济南市 250001