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1、 可见光通信标准化白皮书可见光通信标准化白皮书 ( (20162016 年版年版) ) 编制单位:中国电子技术标准化研究院编制单位:中国电子技术标准化研究院 全国信息技术标准化技术委员无线个域网标准工作组全国信息技术标准化技术委员无线个域网标准工作组 二零一二零一六六年年二月二月II 目录目录 1. 前言. 1 1.1. 研究背景 . 1 1.2. 研究目标及意义 . 2 1.3. 主要编写单位和起草人 . 2 2. 可见光通信概念及应用. 3 2.1. 可见光通信概念 . 3 2.2. 可见光主要技术特点 . 3 2.3. 主要应用场景 . 6 3. 可见光通信的关键器件. 11 3.1.
2、可见光发射部件 . 11 3.1.1. PC-LED . 11 3.1.2. LED 驱动. 15 3.1.3. LED 照明. 15 3.2. 可见光接收部件 . 16 3.2.1. 概述 . 16 3.2.2. 硅基 PIN 光电探测器 . 17 3.2.3. 窄带 APD 光电探测器 . 18 3.2.4. 窄带滤光滤膜 . 18 3.2.5. 探测器电路 . 19 3.3. 光学天线 . 19 3.3.1. 可见光通信对光学天线的要求 . 19 3.3.2. 采用角度分集接收技术的光学天线设计 . 20 4. 可见光通信关键技术. 21 4.1. 可见光通信信道建模 . 21 4.1.
3、1. 白光 LED 频率响应模型 . 21 4.1.2. 蓝光滤波后 LED 频率响应模型 . 22 4.1.3. 各种 LED 的调制带宽 . 22 4.1.4. 多径反射建模 . 25 4.1.5. 小型室内场合信道测量与建模 . 26 4.1.6. 大型公共场合信道测量与建模 . 27 4.2. 可见光通信技术 . 29 4.2.1. 调制技术 . 29 III 4.2.2. MIMO 技术. 33 4.2.3. OFDM 技术. 36 4.2.4. 编码技术 . 39 4.2.5. 均衡技术 . 41 4.2.6. 复用技术 . 43 4.2.7. 多址接入技术 . 45 4.2.8.
4、 组网技术 . 46 5. 可见光通信标准化现状. 55 5.1. 可见光通信国外标准现状 . 55 5.1.1. JEITA 标准. 56 5.1.2. IEEE 802.15.7 标准. 57 5.1.3. 欧盟 OMEGA 标准 . 58 5.2. 可见光通信国内标准现状 . 60 6. 可见光通信产业化现状分析. 61 6.1. 现状综述 . 61 6.2. 国内现状 . 62 6.3. 国外现状 . 67 7. 可见光通信技术标准体系. 70 7.1 制定标准体系的目标 . 70 7.2 制定体系的研究思路 . 70 7.3 标准体系的制定原则 . 71 7.4 可见光通信标准研制建
5、议 . 72 1 1.1. 前言前言 1.1.1.1. 研究背景研究背景 随着无线技术在各行业的广泛应用,移动数据呈现爆炸式增长,有限的无线频谱资源越来越难以满足日益增长的无线频谱需求。另一方面,可见光通信(visible light communication,VLC)可以利用的可见光波段尚属空白频谱,无需授权即可使用,而 VLC 又具有照明和通信结合,无电磁干扰,绿色环保等优势,因此,VLC 作为解决最后一公里无线接入的一个重要手段,被认为是 5G 关键技术之一。 目前,现有的短距离无线通信以射频技术为主,但是,基于射频的无线通信技术的进一步发展受到频谱带宽和电磁干扰等因素的限制,这将影响
6、到新兴业务的广泛应用。随着 LED 照明技术的广泛应用推广,基于可见光 LED的通信日益受到关注。与传统照明光源相比,可见光 LED 不仅光电转换效率高、使用寿命长、绿色环保,而且具有调制性能好、响应时间短等优点。利用 LED 这些特性,在用作照明的同时,还可以把信号调制到 LED 可见光束上进行传输,实现光媒质的无线通信技术,即 LED 可见光通信技术。 使用 LED 可见光通信与传统的无线通信技术相比较,它有以下优点: (1)可见光 LED 基础设施分布广泛; (2)可见光对人体安全; (3)发射频率高,传输速率快; (4)无电磁干扰; (5)频谱较宽,且无需频率许可。由此可以看出,LED
7、 可见光通信技术提供一种全新的数据通信方式,并具有多领域,多场景,多行业的应用发展前景,已引起国内外的广泛关注和研究。 2 1.2.1.2. 研究目标及意义研究目标及意义 本白皮书力图从应用、技术、产业、标准等角度,给出可见光通信的发展的整体轮廓,从技术和商业角度提出可见光通信的产业生态链;从发射部件、接收部件和光学天线给出可见光通信的关键器件,分析可见光通信发展的关键技术;同时提出在不断创新的应用下可见光通信的标准体系及近期急需研制的标准项目。 本白皮书立足于可见光通信发展所属的短距离无线通信从射频信号向光电信号等多元化发展的特点,介绍目前国内、国外主要的可见光通信标准、技术与应用方面的布局
8、与实践。 本白皮书的发布,旨在与业界分享我们在可见光通信领域的研究成果和实践经验,呼吁社会各界共同关注可见光通信的技术投入、标准建设与服务应用,共同推动可见光通信的发展。 1.3.1.3. 主要编写单位和起草人主要编写单位和起草人 主要参编单位:中国电子技术标准化研究院、中国电信研究院、解放军信息工程大学、北京大学、复旦大学、全电智领、清华大学、中兴通讯、北京邮电大学、深圳市海思半导体有限公司、浙江大学等。 主要的起草人:卓兰、韦莎、曾宇、李青、刘璐、迟楠、王超、张洪明、田辉、杨昉、刘培、胡微微、李晓、支周、李德建、钟杰、马原野、郑重、范博、周盈君等。 3 2.2. 可见光通信概念及应用可见光
9、通信概念及应用 2.1.2.1. 可见光通信概念可见光通信概念 可见光通信(VLC)是指采用白光 LED 作为光源,利用 LED 灯光承载的通信信号直接调制 LED 的发光强度来传输信息,无需光纤等有线信道的传输介质,在空气中直接传输光信号的通信方式。可见光通信是照明与通信的深度耦合。 2.2.2.2. 可见光主要技术特点可见光主要技术特点 VLC 用作室内无线接入具有如下优势: 1. 可见光具有 380nm780nm 405THz 的巨大带宽,是整个无线频谱的10,000 倍,可以实现高速无线接入,据报道有研究机构已经实现了10Gbps 的高速传输; 2. 可见光无电磁污染,可以用于机舱、医
10、院、核电站等对电磁干扰比较敏感的地方的无线接入; 3. 可见光无处不在,可见光通信技术利用人眼看不到的高速命案闪烁信号来实现信息传输,集照明、通信、智能控制于一体,节能绿色环保。 但采用 VLC 作无线接入,同时如下缺点: 1. 可见光不能穿透障碍物的阻挡,传输距离有限。现在所报道的 Gbps4 的传输,传输距离分米级,在小于 3m 的情况下,可以实现 100Mbps的传输; 2. 反向通信链路设计困难,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; 3. 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
11、可能 VLC 会无法正常通信。 基于 VLC 的上述优缺点,采用 VLC 的室内无线接入系统,并不会替代现有的无线通信接入系统,而是现有无线系统在某些特殊场景中的应用,或者是在现有的蜂窝无线通信接入系统上的一个有效的补充,VLC 将与现有的通信系统协同工作,共同为用户提供高速宽带接入服务。 另外,基于 VLC 的优缺点,可将可见光无线局域网需求分为两类: 1. 作为无线接入的替代,适用于不适合无线接入的场景,例如对电测辐射比较敏感的场景,对安全和保密通信要求比较高的场景,无线电波不可达而可见光可达的场景,我们称之为“可见光无线通信独立局域网”,这种网络中,全部由可见光通信提供网络通信,需要提供
12、由可见光通信支持的下行和上行链路; 2. 作为无线接入补充,适用于存在普通的无线接入的局域网,在无线频谱紧张的情况下,对无线局域网进行负载分流。这些场景包括家庭无线接入、点对点通信,我们称之为“可见光无线通信补充局域网”,这种网络中,可见光通信可以借助于其他通信方式实现上行传输。 5 按照可见光上行传输模式,可见光通信局域网可以进一步细分为:只有下行的广播网和同时具有上下行的通信网,这两种形态的网络在独立网和在补充网中都可能存在。最终,采用可见光的高速局域网会以四种形态出现。每种网络的应用场景如图 2-1 所示。 独立网补充网下行广播网上下行通信网机场航班信息广播机舱内视频广播告警信息广播家庭
13、视频广播会议室文件服务器商场广告信息投放医疗设备之间通信医院无线接入水下通信保密通信工业控制家庭无线接入设备与设备间直连通信家庭物联网虚拟现实 图 2-1 VLC 应用场景总体视图 半导体照明取代传统照明势在必行。当高亮度的白光发光二极管面世后,随着光效率的逐步提高,其应用从显示领域逐步扩展到照明领域,并且发展迅速。白光 LED 在照明市场的前景备受全球瞩目,它将成为 21 世纪的新一代光源,以替代白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯等传统光源。由于白光LED 应用照明市场的未来发展潜力巨大,全球 LED 照明光源市场每年成长 5%。 6 与传统的照明设备相比,白光 LED 具有功耗低、使用寿命长、
14、尺寸小、绿色环保等优点,被视为第四代节能环保型照明产品。白光 LED 的另外一个突出优点是响应时间非常短,因此可以用 LED 进行超高速数据通信。可见光无线通信技术是一种在白光 LED 技术上发展起来的新兴的光无线通信技术。与传统的射频通信和其他光无线通信相比,可见光通信具有发射功率高、无电磁干扰、节约能源等优点,因而可见光通信技术具有极大的发展前景。 2.3.2.3. 主要应用场景主要应用场景 由于 VLC 具有众多的优点,因此在很多领域都具有巨大的应用前景。VLC 的应用场景可分为室内和室外两种,室外主要用于智能交通系统,室内主要用于无线接入。 (1)照明与通信 白光 LED 可以同时被用
15、于照明与通信,因此信息可以在室内环境下进行广播,并同时满足照明的需求。如图 2-2 所示。 Internet家庭网关WiFi AP 或者Small Cell电力猫电力猫VLC发射机VLC发射机VLC发射机 图 2-2 基于 VLC 的智能家庭网络 7 (2)视觉信号与数据传输 信号灯在航海和地面交通等领域有着非常广泛的应用,它通过颜色的变化来给人们提供信号,而将数据通信与信号灯相结合则可以为交通管理提供更好的安全性和可靠性。目前,基于可见光通信的信号灯已有若干演示系统,如将数据由交通灯传递给汽车,或将数据在汽车与汽车之间传递等,如图 2-3 和图 2-4 所示。 图 2-3 飞机客舱内的 VL
16、C 应用 图 2-4 基于 VLC 的交通信号灯与车辆通信 8 (3)显示与数据通信 阵列常常被用于信息显示,如广告牌、信息板等。若将相应的信息调制到这些 LED 阵列上,则可便捷地将数据传递给用户手持终端。这种显示与通信相结合的系统在机场、博物馆等场所有着巨大的应用前景。 (4)室内定位 传统的卫星定位方法很难实现室内移动用户的精确定位,而可见光通信则可以将用户的位置信息通过照明设施来进行传递,从而实现精准的室内定位。目前,基于可见光通信的诸多室内定位方案已经被提出,日本的 VLC 则已经实现了基于超市环境下的室内定位实验如图 2-5 所示。 图 2-5 VLC 的室内定位应用 (5)室外交
17、通与车联网 车灯与交通信号灯(包括基于 LED 的交通指示牌)是 VLC 的天然载体工具。通过下图 2-6 所示的车与车、车与物的 VLC 通信,可以实现智能交通管理、车联网等应用。 9 图 2-6 室外可见光通信技术的实际应用模型 (6)医疗环境 可见光无电磁污染,可以用于医院等对电磁干扰比较敏感的地方的无线接入。VLC 技术可以用在医疗设备之间,特别是在某些不适合射频无线通信的医疗环境下,如图 2-7 所示。 图 2-7 VLC 的医疗环境应用 10 (7)复杂电磁环境 在复杂的电磁环境下,传统的无线通信手段受到限制,而可见光频段则不会受到低频的电磁干扰,体现出 VLC 的特殊优势,如图
18、2-8 所示。 图 2-8 复杂电磁环境下的 VLC 11 3.3. 可见光通信的关键器件可见光通信的关键器件 3.1.3.1. 可见光发射部件可见光发射部件 3.1.1.3.1.1. PCPC- -LEDLED(phosphorphosphor- -converted light emitting diodeconverted light emitting diode,荧光转换发光二极管荧光转换发光二极管) LED 即发光二极管,由一个 PN 结组成。P 型半导体中空穴为多数载流子,N 型半导体中电子为多数载流子。当 PN 结外加正向电压时,外电场与内电场作用,总的效果是削弱内电场,从而使空
19、穴和电子可以再向对方区域扩散形成稳定的电流。此时高能态的电子与空穴复合时就把多余的能量以光的形式释放出来,释放的能量 hE(h 为普朗克常数, E 为光子频率)相当于半导体材料的带隙能量 Eg。在发光二极管的 PN 结上加反向电压,由于内电场被加强,阻止了多数载流子的扩散运动,电路就不能导通从而不能发光。 可见光通信中主要采用在蓝光 LED 上涂上荧光粉,蓝光激发荧光粉发出黄绿光,和蓝光一起构成白光。白光 LED 作为光源,其光谱特性如图 3-1 所示。下文所提白光 LED 都属于这一种。 12 图 3-1 白光 LED 的光谱 白光 LED 的光通量和电流之间呈近似的线性关系,如图 3-2
20、所示。这种LED 有一个缺点,就是当增大前向电流时,蓝光功率会因为电流的增大而增大,而黄绿色荧光功率不会同比例增加,因而导致 LED 所发光色温上升,向冷色调光偏移,这是固体照明中不希望看到的。 图 3-2 白光 LED 的光通量和电流 13 如图 3-3 所示,白光 LED 的伏安特性接近于指数函数,而且伏安特性会受到温度的影响,当温度上升时,前向电流将增大,如图 3-4 所示。 图 3-3 白光 LED 的伏安特性 图 3-4 白光 LED 伏安特性的温度效应 由白光 LED 的光特性和电特性可以看到,LED 的光通量和前向电流直接相关。如果采用恒压方式控制 LED 的亮度,那么对控制有很
21、高的精度要求,14 因为电压的微小变化将引起前向电流的巨变,从而导致 LED 亮度和色温的明显变化。所以,恒流方式是控制 LED 亮度的首选方式。 在恒流方式下,如果采用恒流的大小来控制 LED 的明暗,将会带来色温的变化。一种更好的选择是采用恒流脉冲来驱动 LED,用脉冲的占空比来控制 LED 的亮度,如图 3-5 所示。因为人眼的余辉效应,当脉冲的频率高于200Hz 后,人眼基本察觉不到灯光的闪烁。 图 3-5 LED 的驱动电流 用电流脉冲驱动 LED 的方式不但适合于固体照明,而且可以用于可见光通信中,例如 LED 光功率的强度调制(OOK 和 PPM)。LED 产生的白光不同于以往传
22、统荧光灯产生的在可见光谱上频谱较宽的白光,LED 白光要么是经荧光粉转换的蓝光,要么是由不同波长的窄光谱 LED 合成的白光。因此,LED亮度调节可以被重新定义为包含各段光谱的强度调节,也被称为颜色强度控制(color intensity control)。 目前,用于描述 LED 特性的主要包括发送模式、光通量、灯颜色、显色能力。LED 的发送模式主要取决于 LED 光学封装和灯具的样式。而其他的属性则可以通过 SPD(spectral power distribution,光谱功率分布)推导得出。SPD 反映了光在不同波长上的输出强度,提供了与光谱的相关信息。 PC-LED 不同的材料的
23、PN 结制作的 LED 发出不同颜色的光,比如 GaAsP,其发光颜色为红色,但经过多年的发展,已经可以发出红橙黄绿蓝等多种颜15 色。照明中使用的白光,是多种颜色光的混合而成的光,比如蓝光+黄光,蓝光+绿光+红光。 3.1.2.3.1.2. LEDLED 驱动驱动 LED 照明采用直流供电,在 AC220V 供电情况下,采用开光电源解决 AC /DC 转换。220V 交流电经过低通滤波与桥式整流,得到一个未稳压的直流电压,对此直流电压进行有源功率因数校正,提高电源功率因数。直流电压再经过逆变器成为符合要求的高频方波脉冲电压,整流滤波后变成直流电压输出。 3.1.3.3.1.3. LEDLED
24、 照明照明 可见光通信主要是控制 LED 开关驱动电源,来驱动 LED 的高速开关,携带调制信息实现通信,同时实现照明功能。在高速开光的过程中,不能影响照明,照明的要求用下列照度(Lx)、照度均匀度、眩光和显色指数、频闪参数来等描述。以商场为例,不同的场景对 LED 照明指标要求有所不同。具体见表 3-1。 16 表 3-1 不同商业场所的照明需求 3.2.3.2. 可见光接收部件可见光接收部件 3.2.1.3.2.1. 概述概述 在可见光通信系统的接收端,光电探测器起到很重要的作用,它的原理是基于光电效应,将光辐射信号转变为电信号。光电探测器的主要指标有响应度、灵敏度、光谱响应范围、感光面积
25、等。在可见光通信系统的接收端,光电探测器起到很重要的作用,它的原理是基于光电效应,将光辐射信号转变为电信号。 满足可见光通信系统要求的光电探测器一般具有以下特点: 1. 工作响应范围应该集中在可见光工作波长范围,对于一定的入射光信号功率,光电检测器应能输出尽可能大的光电流。光电二极管的响应度和量子效率也是对可见光通信系统的通信性能进行分析的重要参数; 17 2. 响应速度快,具有较好的线性关系,以保证信号失真尽量小; 3. 低噪声,器件本身对信号的影响尽可能低; 4. 可靠性高,较高的使用寿命等。 硅基的 PIN 光电二极管波长响应范围约 400-1100nm,适合做可见光的检测,而且由于硅微
26、电子工艺兼容性好,所以已经成为单片集成硅光接收器中硅光电探测器的主流,绝大多数系统均采用 PIN 光电二极管。 可见光通信系统中选择光电二极管时,要考虑到的因素有:响应时间越短,性能越好;灵敏度指单位光功率照射后转换成的光电流的强度,灵敏度越高越好;等效面积通过透镜对光电二极管的增益后得出,接收光的范围越大越好,但考虑到尺寸大小,也要结合实验场景选择等效面积。主要的光电二极管厂商有滨松、First Sensor 等。 3.2.2.3.2.2. 硅基硅基 PINPIN 光电探测器光电探测器 硅基 PIN 型光电二极管结构简单、响应速率快,在可见光波段具有较高的响应度。此外硅基材料可与 CMOS
27、工艺兼容,能够将光电探测器与放大电路进行集成,形成一体化器件。室内可见光通信应满足 3 至 10 米的通信距离要求,照明用的 LED 光束较为发散,在接收端光信号强度较弱,因此可见光通信需要大面积、高响应度的光电探测器,而 PIN 探测器的探测面积与响应速率是一对矛盾体,探测面积越大,响应速率越慢。为了提高蓝绿光波段的探测灵敏度,要求光电探测器采用特殊工艺以增强蓝绿光波段的响应度。 18 3.2.3.3.2.3. 窄带窄带 APDAPD 光电探测器光电探测器 硅基雪崩光电二极管(APD)在 PIN 结构的基础上加入了雪崩增益层,光电流通过强电场的加速进入雪崩增益层,进而引发雪崩电流,使得原来的
28、光电流信号得到放大,响应度可以提高到几十倍甚至数百倍。APD 型光电探测器具有很高的接收灵敏度,可以使可见光通信距离更远,但是其制作工艺复杂、成本较高,且需要较为复杂的外围电路以产生高压偏置并进行温度补偿。 3.2.4.3.2.4. 窄带滤光滤膜窄带滤光滤膜 白光 LED 按照其发光原理可分为蓝光-荧光和红绿蓝三色两种类型,蓝光-荧光型 LED 由蓝色 LED 激发能够产生黄绿色的荧光物质,共同混合为白光,荧光物质响应速率很低,3dB 带宽在 1MHz 以下,难以满足高速通信要求,而蓝光 LED 芯片通过电路均衡技术可以扩展至百 MHz 以上,因此对于蓝光-荧光型 LED 发射系统,需要在探测
29、器前方放置窄带蓝色滤光膜以滤除荧光部分。 而对于红绿蓝三色 LED 芯片,采用红绿蓝三色通道可以构成波分复用系统,提高系统总的容量,因此需要在相应的探测器前分别放置红绿蓝单色滤光膜以实现通道间的滤波和隔离。 19 3.2.5.3.2.5. 探测器电路探测器电路 光电探测器需要有匹配的前置放大电路对光电流进行放大,为了获得高灵敏度的接收,需要采取技术措施抑制前置放大电路的噪声。对于 APD 光电二极管,需要额外为其提供高压偏置电路使其能够发生雪崩增益,并进行温度补偿电路以确保 APD 工作于稳定状态。此外,前置放大电路输出的信号还可以经过均衡电路以拓展接收带宽,实现后端均衡。 3.3.3.3.
30、光学天线光学天线 3.3.1.3.3.1. 可见光通信对光学天线的要求可见光通信对光学天线的要求 LED 的发光光强分布一般符合朗伯发光模型,单位面积接收到的光强与接收距离成反比,与入射角的余弦以及收发机连线与 LED 的光轴间角度的余弦成正比,与接收面积成正比。为保证高质量的接收,同时降低用户终端的光学对准要求,需要可见光通信系统具有宽视场接收能力,确保在室内不同空间位置能够接收到信号。室内光源分布优化仿真表明,接收机视场扩大到100,足以满足可见光通信系统的宽视场需求。光学天线的口径需要经过合理优化,既保证足够的接收能量,又便于安装其于移动终端。此外,对于同一空间布置多发射机的 MIMO
31、传输方式,需要光学天线将不同发射机的 LED的成像进行分离,使各路信号能够无干扰传输。 20 3.3.2.3.3.2. 采用角度分集接收技术的光学天线设计采用角度分集接收技术的光学天线设计 实现角度分集接收的光学天线结构主要分为多光学天线与单光学天线两种结构。多光学天线分集接收即多个天线配置在不同的方位角,构成广角接收系统;而单个光学天线,仅有一个镜头构成,例如广角镜头或鱼眼镜头。这些实现角度分集接收的光学天线具有较宽的视场角,可将视场角内不同入射方向的光线进行分离,成像为分离的光斑。与光电探测器阵列结合后,可构成空分复用系统或 MIMO 通信系统,实现多路信号的并行传输,提升信道容量。 21
32、 4.4. 可见光通信关键技术可见光通信关键技术 4.1.4.1. 可见光通信信道建模可见光通信信道建模 4.1.1.4.1.1. 白光白光 LEDLED 频率响应模型频率响应模型 白光 LED 频率响应模型作为可见光信道的重要组成部分,LED 的频率响应特性决定了信号的有效带宽,进而影响 VLC 系统的传输性能。 目前商品化白光 LED 据光谱成份主要分成两大类:(1)蓝色光 LED 芯片+黄绿色荧光粉激发白光;(2)将红、绿、蓝(RGB)三种 LED 芯片封装在一起,混合产生白光。对第一类 LED,由于黄色荧光粉的响应速度较慢,导致 LED 的调制带宽很低。第二类 RGB 混合型白光 LE
33、D 可以提供极高的光谱带宽,但是由于成本较高且调制电路复杂,目前尚未广泛用于 VLC 系统设计。实验所用白光 LED 多为第一类 LED。通过导频信号测得的白光 LED 频率响应(dB)如图 4-1 所示,信号高频成分有明显的衰减。 图 4-1 可见光通信系统白光 LED 相应 00-40-35-30-25-20-15-10-50频率(MHz)响应幅度(dB)22 使用 NRZ 信号对白光 LED 频率响应进行测试观察。NRZ 信号进行 4 点/比特采样后,频谱如图 4-2(a)所示。经过白光 LED 调制,高频信号明显被衰减,信号频谱如图 4-2(b)所示。 (a)(b
34、)-60-40-20020406000.20.40.60.81频率(MHz)归一化响应幅度-60-40-20020406000.20.40.60.81频率(MHz)归一化响应幅度 图 4-2 白光 LED 调制前后的信号频谱 4.1.2.4.1.2. 蓝光滤波后蓝光滤波后 LEDLED 频率响应模型频率响应模型 由于白光 LED 带宽十分受限,因此在信号探测之前加入一块蓝光滤片,可以滤除响应慢的黄光分量,从而将荧光粉 LED 的调制带宽从 2.5MHz 提高到 14MHz。 4.1.3.4.1.3. 各种各种 LEDLED 的调制带宽的调制带宽 调制带宽表征了 LED 的调制能力,是 LED
35、用于可见光通信的一个重要参数和衡量系统性能的重要指标。LED 的响应频率决定了可见光通信系统的调制带宽,直接关系到数据传输速率大小。LED 的调制带宽主要受有源区载流子复合寿命和 PN 结结电容的影响。作为一种特殊的二极管,LED 具有与普通23 二极管相似的伏安特性曲线,如图 4-3 所示。LED 单向导通,当正电压超过阈值 VA时,进入工作区,可近似认为电流与电压成正比。 工作区反向死区IVABCV0CD反向击穿区AV 图 4-3 LED 的伏安特性曲线 LED 的调制能力可以由其光功率-电流曲线(如图 4-4 所示)描述,LED的调制深度 m 定义为: 0IIm 其中:0I为偏置电流,I
36、为峰值电流和偏置电流之差。光调制深度描述了交流信号与直流偏置之间的关系,调制度越高,越容易被探测到光信号,光接收端所需的光功率越低。目前大多数实验的驱动能力可以达到百分之几到百分之十几的调制度,但是如果一味追求高调制度可能会导致调制带宽的降低,同样影响系统性能。 24 PI0I 图 4-4 LED 的 P-I 曲线 LED 的调制带宽决定了通信系统的信道容量和传输速率,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(3dB)的频率就是 LED 的调制带宽。LED 的调制带宽受响应速率限制。 LED 调制特性的测量实验平台如图 4-5 所示,主要包
37、括光信号发射端和接收端。在发射端,首先对从函数发生器产生的正弦波信号进行放大,以提高实验所需的 LED 调制深度;随后,将放大后的信号加载到由恒流源驱动的LED 直流偏置电流上,这样 LED 就能够发出明暗闪烁的调制光信号;在接收端,主要是对光电检测器的光电流进行放大处理,并输出到示波器上。 25 图 4-5 LED 调制带宽测试系统 LED 的调制带宽主要受到自身结构所限,各家厂商制作 LED 的材料不同,生产工艺也不一样,因此调制特性存在较大差异。只有测量更多的大功率LED,才能找出调制特性最佳的型号。由于大功率 LED 调制带宽的测量平台实际上是一个简单的可见光通信系统,对调制带宽的测量
38、相当于测量系统的电-光-电信道频率响应带宽,因此实验中还可以通过改进发射端接收端电路和光路来补偿 LED 的带宽,进而提升整个系统的频响特性,以此提高系统的传输速率。 4.1.4.4.1.4. 多径反射建模多径反射建模 在室内光无线通信中,很多因素都会影响通信信道的特性,如通信链路格局、路径损耗、多径色散产生的时延等。这些信道特性决定了通信系统设计的许多方面,如调制,编码技术的设计,发射功率,接收灵敏度的选取,另外,我们还要考虑发射光束形态,接收滤波器、接收面积及接收视角等条件参数对于光无线通信系统实现的影响,而它们也要参考信道特征属性来确定。因此,要想实现高速率高可靠性的通信,室内光无线通信
39、信道的特性分析是不可缺少的一部分。 26 在室内可见光通信系统中,固定在天花板上的 LED 在提供照明的同时进行数据传输,因此它的通信链路满足无线光通信的两种形式:直射式视距链接和漫射链接,如图 4-6 所示。在直射式视距链路中,接收端和发射端是对准的,这种链路的优点是具有较高的功率利用率,但它要求链路收发两端对准,一旦传输路径中出现障碍物就会阻断通信。因此,这种方案适用于无阻隔条件下的点对点通信。在漫射链路中,为了使系统不受阴影效应的影响,降低收发两端的指向要求,接收视角一般较大,可以实现收发两端的持久通信,光功率也会较均匀的分布在整个室内,但是链路中的多径效应会限制信号传输速率。 发射端接
40、收端光信号发射端接收端光信号直射视距链接漫射链接d1d2dFOVFOV 图 4-6 可见光通信两种链接方式:直射和漫射 4.1.5.4.1.5. 小型室内场合信道测量与建模小型室内场合信道测量与建模 对于无线通信系统来说,对信道建立一个精确的模型是实现可靠通信的关键。对于可见光通信系统也概莫能外。甚至可以这样说,无线通信系统发射端与接收端的所有技术都是为了对抗信道对所传输信号造成的形变。 27 目前,关于可见光通信在室内外各种复杂环境下的信道测量与建模的工作还很欠缺,只有少量的研究结果。尤其是在有强光干扰、烟雾和灰尘遮挡的环境下的信道干扰模型,更是需要亟待解决的问题。因此,需要研究室内外各种复
41、杂环境下可见光通信信道的传输模型以及干扰模型,并在此基础上进行信道容量的理论估算,为进一步的试验系统的研制奠定基础。 一般来说,在室内外场景可见光通信系统的信道模型有乘性噪声、加性噪声与多径时延这几个要素。 研究内容分为几个方面: 1. 链路预算模型:静态特性建模,随距离变化的模型及参数; 2. 信道干扰强度:动态特性,可见光噪声对接收信号的影响; 3. 测量参数包括光通量、光强角分布、传输速率、传输距离、可见光通信信道的频谱功率分布、多径效应影响、信道损耗等; 4. 信道传输部分实验:包括传输频率实验、传输波形实验、传输频率传输波形传输距离传输衰减等四维因素的相关曲线实验及相关系数分析、传输
42、中相关环境温度、湿度、环境亮度、物体反射率等对传输衰减的影响程度检测及分析。 4.1.6.4.1.6. 大型公共场合信道测量与建模大型公共场合信道测量与建模 室内可见光通信具有广泛存在的基础设施。对于大型公共场合,如大型商场、候车厅及机场等,其照明设施也具有实现可见光通信的可行性,可以为公共场所智能化管理提供了一个新的思路和参考。同时随着技术的进步与方案的优化,照明设施实现光通信的意义将不仅限于此,其将彻底颠覆对于28 照明终端的原有价值定义,照明设施将不在局限于提供照明功能,而将作为一个遍布公共场所的通信接入点而存在,为智慧城市的实现提供新的发展方向和动力。但是,这种场景下的可见光信道往往会
43、收到不确定人流的影响、障碍物已经随机光污染的干扰等等,其信道呈现出一定的随机性。其建模工作主要是针对典型场合,如机场、商场中,对其信道衰落进行测量,分析数据,拟合曲线,给出概率分布模型。主要实验方案: 1. 信道概率分布:针对不同营业时间的场景进行测量,拟合数据得到概率分布模型;相关因素包括季节、气候、天气、时段、人流; 2. 典型统计参数:根据数据,利用已有模型,如 log-normal, gamma-gamma,K-student 等,验证模型,给出典型场景下的统计参数;相关因素包括相干时间,信道均值、信道方差、信道相关性、影响因素、简化模型,利弊因素,布设要求。 这些研究工作,对于未来可
44、见光通信在大型场所的大规模应用提供一定的理论依据: 1. 可见光通信光源实验及检测(包括:LED 光源的电压、电流、功率、发光效率、光强、光通量、亮度、照度、有效照射角度及照射面积、中心波长、色坐标;发光效率维持率、色坐标稳定度等); 2. 可见光通信驱动电源实验及检测(实验及检测内容包括:输入电源电压范围、输入电源频率范围、电源输出电压及对载频的影响、电源输出电流及对载频的影响、恒流源稳定度及对载频的影响、恒压源稳定度对载频的影响、PWM 电源调节频率及对载频的影响、电源效率及对载频的影响、电源内高频谐波及对载频的影响等); 29 3. 音频、图像、视频的信号调制:包括对各种信号调制方式的实
45、验、因调制误差所产生的噪声、调制信噪比,各种调制方式的技术先进性分析,各种调制方式的经济性分析。 4.2.4.2. 可见光通信技术可见光通信技术 4.2.1.4.2.1. 调制技术调制技术 4.2.1.1.4.2.1.1. 概述概述 近些年来,可见光无线通信技术发展迅速,从几十兆比特每秒到500Mb/s 再到吉比特每秒,传输速率不断提升。其中选择合适的调制格式是提高传输速率重要的途径之一,适合可见光无线通信系统的调制技术主要有:开 关 键 控 (On off keying, OOK ) 、 脉 冲 位 置 调 制 (Pulse position modulation, PPM)、直流偏置光正交
46、频分复用调制(DC-biased optical orthogonal frequency division multiplexing, DCO-OFDM)、非对称修剪光正交频分复用调制(Asymmetrically clipped optical OFDM, ACO-OFDM)以 及 脉 冲 幅 度 调 制 离 散 多 音 ( Pulse amplitude modulated discrete multitone, PAM-DMT)、单载波频域均衡(single carrier- frequency domain equalization , SC-FDE) 和 无 载 波 幅 度 相 位
47、 调 制 (carrierless amplitude and phase,CAP)等。表 4-1 统计了近几年来采用不同调制方式的可见光无线通信的传输实验。 30 表 4-1 无线可见光通信系统传输实验统计 LEDLED 调制方案调制方案 实验速率实验速率 传输距离传输距离 研究机构研究机构 白光 OOK-NRZ 1022 b/s 2000m 可见光通信联盟 白光 OOK-NRZ 40 Mb/s, BER610 2m 牛津大学 白光 OOK-NRZ 100 Mb/s 3m 中川实验室 蓝光 OOK-NRZ 100 Mb/s, BER910 0.1m 三星电子 蓝光 DMT-QAM 200 M
48、b/s, BER310 2m 海因里希-赫兹研究所 白光 DMT-QPSK 220 Mb/s, BER310 1m 牛津大学 蓝光 DMT-QAM 513Mb/s, BER32 10 0.27m 海因里希-赫兹研究所 RGB DMT-WDM 803 Mb/s, BER32 10 0.12m 海因里希-赫兹研究所 RGB OFDM 875 Mb/s, BER33.8 10 0.66m 复旦大学 蓝光 DMT-QAM 1 Gb/s, BER31.5 10 0.1m 圣安娜高等研究学院 白光 MIMO-OFDM 1.1 Gb/s, BER32 10 0.05-0.12m 牛津大学 50um 氮化镓
49、OFDM 3 Gb/s, BER32 10 0.05m 爱丁堡大学 RGB QAM-WDM 3.25 Gb/s, BER33.8 10 0.01m 复旦大学 RGB DMT-WDM 3.4 Gb/s, BER310 0.1m 圣安娜高等研究学院 4.2.1.2.4.2.1.2. 单输入单输出单载波调制单输入单输出单载波调制 由于受到 IM/DD 方式的约束,可见光无线通信系统的发射信号是非负的光功率信号。在平坦衰落信道中,利用直流偏置可以将射频无线通信系统中的调制方式应用到可见光无线通信系统中,主要包括:直流偏置 PAM、直流偏置 PPM、直流偏置正交幅度调制(Quadrature ampli
50、tude modulation, QAM)。SC-FDE 调制方式的频谱效率与 OFDM 一致,运算复杂度也与 OFDM 一致,但是其两次 FFT 均在接收端完成,发射端结构简单。单载波系统避免了OFDM 系统所引入的高 PAPR 问题,因而对 LED 灯、功放、光电探测器的线性31 要求明显降低,可有效地减小 VLC 信道对信号的非线性影响。CAP 调制是QAM 调制的一个变种多阶编码调制技术,其可以仅通过模拟或数字滤波器实现调制,能够实现灵活的子带划分和高阶调制,减少了计算的复杂性和系统结构,是一种低成本、高频谱效率、低功耗的调制方法。 4.2.1.3.4.2.1.3. 单输入单输出多载波