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20世紀(jì)90年代后期，隨著全光接入技術(shù)的發(fā)展和人們對高速無線寬帶通信的要求，一種信息容量大和部署靈活、維護(hù)方便、安全保密的無線光通信技術(shù)，得到了人們的極大關(guān)注，它為無線寬帶接入的快速部署提供一種靈活的解決方案，其應(yīng)用范圍已從軍用和航天領(lǐng)域邁入民用領(lǐng)域。

　　近幾年來，被譽(yù)為“綠色照明”的半導(dǎo)體(LED)照明技術(shù)發(fā)展迅猛，利用半導(dǎo)體(LED)器件高速點滅的發(fā)光響應(yīng)特性，將信號調(diào)制到LED可見光上進(jìn)行傳輸，使可見光通信與LED照明相結(jié)合構(gòu)建出LED照明和通信兩用基站燈，可為光通信提供一種全新的寬帶接入方式。

　　1 LED可見光無線通信的現(xiàn)狀

　　LED可見光無線通信分室外通信和室內(nèi)通信兩大類。

　　室外LED可見光無線通信技術(shù)目前主要應(yīng)用在智能交通系統(tǒng)(ITS)中，香港大學(xué)G.Pang等人在1998年提出了利用LED交通指示燈為車輛傳輸語音廣播信號，將語音信號通過OOK調(diào)制加至LED光源，實現(xiàn)了低速的無線LED可見光傳輸。日本KEIO大學(xué)Kitano等人在2003年提出了LED公路照明通信系統(tǒng)。Pang等人只對利用LED交通燈進(jìn)行語音傳輸展開研究，Kitano等人只在LED公路照明通信系統(tǒng)中分析了在不同的接收方向角和視場角下信噪比的好壞，以及在一定誤碼率下信噪比和接收數(shù)據(jù)率的關(guān)系，認(rèn)為LED可見光公路照明通信系統(tǒng)優(yōu)于紅外公路交通通信系統(tǒng)。

　　隨著智能交通系統(tǒng)研究的深入，又出現(xiàn)了LED交通燈、汽車前后LED燈之間構(gòu)成的交通燈至汽車和汽車前燈至汽車尾燈這兩類可見光通信系統(tǒng)。Okada等人提出利用二維LED陣列組成發(fā)射機(jī)和二維圖像傳感器組成接收機(jī)，來構(gòu)成并行LED可見光通信系統(tǒng)，并利用接收圖案的空間頻率分量特征對車輛進(jìn)行定距。Wook和Komine等人對交通燈至汽車的LED可見光通信系統(tǒng)進(jìn)行了分析后，認(rèn)為在系統(tǒng)中采用二維圖像傳感器的接收機(jī)性能優(yōu)于采用雪崩光敏二極管的接收機(jī)，并指出在一定條件下一盞交通燈最佳的LED單元燈數(shù)目是50×50。

　　室內(nèi)LED可見光無線通信技術(shù)主要應(yīng)用在室內(nèi)無線寬帶接入網(wǎng)中，日本KEIO大學(xué)的Tanaka等人和SONY計算機(jī)科學(xué)研究所的Haruyama在2000年提出了利用LED照明燈作為通信基站進(jìn)行信息無線傳輸?shù)氖覂?nèi)通信系統(tǒng)。他們以Gfeller和Bapst的室內(nèi)光傳輸信道為傳輸模型，將信道分為直接信道和反射信道兩部分，并認(rèn)為LED光源滿足Lambertian照射形式，且以強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(IM-DD)為光調(diào)制形式進(jìn)行了建模仿真，獲得了數(shù)據(jù)率、誤碼率以及接收功率等之間的關(guān)系，認(rèn)為當(dāng)傳送數(shù)據(jù)率在10Mbps以下的系統(tǒng)是可行的，碼間干擾(ISI)和多徑效應(yīng)是影響系統(tǒng)性能的兩大因素。2001年，Tanaka等人在原來的基礎(chǔ)上分別采用OOK-RZ調(diào)制方式與0FDM調(diào)制方式對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明：當(dāng)傳送數(shù)據(jù)率在100Mpbs以下時這兩種調(diào)制技術(shù)都是可行的，當(dāng)數(shù)據(jù)率大于100Mpbs時，0FDM調(diào)制技術(shù)優(yōu)于OOK_RZ調(diào)制技術(shù)。

　　2002年，Tanaka和Komine等人對LED可見光無線通信系統(tǒng)展開了具體分析，包括光源屬性、信道模型、噪聲模型、室內(nèi)不同位置的信噪比分布等，求出了系統(tǒng)所需的LED單元燈的基本功率要求，并分別以O(shè)OK-RZ、OOK-NRZ、m-PPM調(diào)制方式進(jìn)行仿真分析，得到了不同條件下的誤碼率大小。同年，Komine等提出了一套結(jié)合電力線載波通信和LED可見光通信的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，以SC-BPSK調(diào)制方式進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，結(jié)果表明：系統(tǒng)在數(shù)據(jù)率為1Mbps條件下是可行的。同年，Komine等研究了由墻壁反射引起的多徑效應(yīng)對LED可見光無線系統(tǒng)造成的影響，分別以O(shè)OK、2-PPM、4-PPM、8-PPM調(diào)制方式進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：8-PPM調(diào)制方式性能最佳。在數(shù)據(jù)率小于60Mbps，接收視場角小于50度的條件下，采用8-PPM調(diào)制方式可有效克服墻壁反射引起的多徑效應(yīng)。

　　2003年以后，Komine等繼續(xù)對LED單元燈的設(shè)計布局、可見光傳播信道(分直達(dá)信道和反射信道兩部分)、室內(nèi)人員走動導(dǎo)致的反射陰影、墻壁反射光，碼間干擾對系統(tǒng)性能的影響等展開研究，并得出了不同接收視場角和不同數(shù)據(jù)傳送率下各因素對系統(tǒng)性能的影響曲線。同年，NTT公司的Douseki提出了光能LED無線通信系統(tǒng)，LED光既作為數(shù)據(jù)傳播的載體又作為能量源給系統(tǒng)供電。2005年，Komine等利用基于最小均方誤差算法的自適應(yīng)均衡技術(shù)來克服ISI，仿真表明在數(shù)據(jù)率為400Mbps以下時，F(xiàn)IR均衡器和DFE均衡器都可有效減少ISI的影響，當(dāng)數(shù)據(jù)率高于400Mbps時，DFE均衡器更能有效克服碼間干擾(ISI)。

　　2 LED可見光無線通信的關(guān)鍵技術(shù)

　　LED可見光無線通信系統(tǒng)分為發(fā)射部分和接收部分。發(fā)射部分包括：信號輸入和處理電路、LED可見光發(fā)射系統(tǒng)及其驅(qū)動電路。接收部分包括：接收光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號處理和輸出電路。LED可見光無線通信主要包括以下幾個方面的關(guān)鍵技術(shù)：

　　(1)光信號接收技術(shù)。在LED可見光通信系統(tǒng)中，存在著強(qiáng)烈的背景噪聲及電路固有噪聲的干擾，同時隨著傳輸距離的加大，接收機(jī)接收到的信號十分微弱，常常會導(dǎo)致接收端信噪比小于1。為了精確地接收信號，需要有選擇靈敏度高、響應(yīng)速度快、噪聲小的新型光電探測器;對所接收的信號進(jìn)行前置處理，需采用高效的光濾波器，以抑制背景雜散光的干擾，對信號進(jìn)行整形和去噪聲。

　　(2)調(diào)制、編碼以及解調(diào)技術(shù)。目前LED可見光無線通信系統(tǒng)大多采用強(qiáng)度調(diào)制(IM)的直接檢測(DD)非相干系統(tǒng)，編碼方式大多為二進(jìn)制OOK(開關(guān)鍵控)編碼。在實際光通信系統(tǒng)中，曼切斯特編碼的性能優(yōu)于OOK編碼;此外，二進(jìn)制OOK編碼通過光學(xué)鏈路一次只能發(fā)送一個比特，但比特流的傳送也可以以組的形式發(fā)送而不是一次一個，因此可采用光學(xué)組編碼形式如脈沖位置調(diào)制(PPM)來達(dá)到更高的發(fā)送速率，但PPM系統(tǒng)在解碼時對時鐘同步性要求較高。

　　(3)碼間干擾克服技術(shù)。在室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中，LED光源具有較大的發(fā)射功率和寬廣的輻射角，光線分布在整個房間。OOK編碼器輸出的矩形脈沖在傳播過程中，由于LED單元燈分布位置不同及大氣信道中存在的粒子散射導(dǎo)致了不同的傳輸延遲，光脈沖會在時間上延伸，每個符號的脈沖將加寬延伸到相鄰符號的時間間隔內(nèi)，產(chǎn)生碼間干擾(ISI)，導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化。通過可控的方式將ISI引入發(fā)射信號，采用抗擾動濾波器的相關(guān)電平編碼，可降低ISI的影響。

　　(4)自動切換技術(shù)。在室外LED可見光無線通信系統(tǒng)中，當(dāng)接收機(jī)(如汽車)從一個基站燈移動到另一個基站燈時，需要接收機(jī)能夠自動切換。切換操作既要能夠識別一個新基站又要將信令信號分派到新基站的信道上，設(shè)計者必須指定一個啟動切換的最恰當(dāng)?shù)男盘枏?qiáng)度，選擇恰當(dāng)?shù)那袚Q時間以避免不必要的切換同時保證在由于信號太弱而通信中斷之前完成必要的切換。為了保證這一點，基站在準(zhǔn)備切換之前先對信號監(jiān)視一段時間來進(jìn)行信號能量的檢測，這需由接收機(jī)輔助切換來完成。高速車輛只要幾秒就駛過了一個基站燈的覆蓋范圍，切換中心很快會因為不停地有高速用戶在不同基站燈間切換而不堪負(fù)荷，必須采用輔助切換技術(shù)減少切換中心介入切換的次數(shù)。

　　(5)無線信道傳輸技術(shù)。LED可見光無線通信系統(tǒng)的信號傳輸信道是隨機(jī)信道，LED可見光的波長與大氣中的塵灰、氣體分子、大霧、雨滴的尺寸相近甚至更小，容易產(chǎn)生光的散射及吸收造成信號的嚴(yán)重衰減，陽光等背景光也會對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響。要保證在隨機(jī)信道下的正常工作，還必須對LED可見光傳輸信道作更深入的研究。目前在對室內(nèi)信道進(jìn)行分析時，都是采用Gfeller和Bapst的分析模型，將信道分成直射信道和墻壁反射信道兩部分進(jìn)行研究，但對背景光、散射等未作分析。因此建立恰當(dāng)?shù)氖彝鈧鬏斈Ｐ秃褪覂?nèi)傳輸模型將有助于對系統(tǒng)展開深入的研究。

　　(6)信道復(fù)用技術(shù)。為了使多個終端能共享一條高速信道，須采用信道復(fù)用技術(shù)。在光通信領(lǐng)域，主要有光波分多址技術(shù)(OWDMA)、光時分多址技術(shù)(OTDMA)及光碼分多址技術(shù)(OCDMA)。OCDMA是在光域內(nèi)的一種擴(kuò)頻技術(shù)，可以動態(tài)分配帶寬資源實現(xiàn)光信號的直接復(fù)用與交換，保密性好，抗干擾能力強(qiáng)，是具有廣闊前景的多址技術(shù)。在LED可見光通信中可采用非相干OCDMA系統(tǒng)。

　　高速LED可見光無線通信系統(tǒng)還包括相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、噪聲抑制等技術(shù)。對于光通信系統(tǒng)來說，接收光場采用非相干檢測。由于光電檢測本質(zhì)上是隨機(jī)性的，在建立光探測器的輸出模型時，電子釋放時間、電子計數(shù)以及增益都是隨機(jī)變量，這種過程是散彈噪聲過程，接收機(jī)噪聲通過獲得散彈噪聲極限的條件來克服。

　　3 LED可見光無線通信的發(fā)展趨勢

　　LED可見光無線通信，現(xiàn)階段主要應(yīng)用在室內(nèi)局域網(wǎng)和智能交通系統(tǒng)中，未來LED可見光無線通信技術(shù)將向以下幾方面發(fā)展。

　　(1)室內(nèi)LED可見光通信采用OFDM調(diào)制技術(shù)、CDMA接入技術(shù)及分組編碼技術(shù)具有良好的發(fā)展前景，但采用OFDM調(diào)制技術(shù)時，幅度不斷變化的OFDM信號工作在大信號幅度時可能會驅(qū)動功放進(jìn)入非線性區(qū)產(chǎn)生失真。其次，目前LED燈分多芯片和單芯片兩種，采用OFDM調(diào)制技術(shù)、CD-MA接入方式下采用何種芯片能達(dá)到更高的傳信率和更少的誤碼率還有待研究。還有目前LED可見光無線通信系統(tǒng)研究主要是針對下行鏈路，系統(tǒng)上行鏈路研究還有待深入。

　　(2)由于LED照明基站燈安裝在天花板、公路兩旁或交通樞紐上，鋪設(shè)新的通信電纜成本太高，如與電力線載波通信結(jié)合在一起，利用電力線來傳輸通信信號可大幅降低投資成本。在日本等發(fā)達(dá)國家已得到了廣泛應(yīng)用，南京聯(lián)通也在一些小區(qū)里開通了10M帶寬的電力線上網(wǎng)業(yè)務(wù)。LED可見光無線通信與電力線載波通信相結(jié)合將是未來的發(fā)展趨勢。

　　(3)LED可見光無線通信技術(shù)可為城市車輛的移動導(dǎo)航及定位提供一種全新的方法。汽車照明基本上都采用LED燈，將光接收機(jī)安裝在道路邊或汽車上，組成汽車至交通控制中心(連接著道路邊的光接收機(jī))、路燈至汽車或汽車至汽車的通信鏈路，可為夜間行駛車輛進(jìn)行導(dǎo)航、定位，并且能夠讓駕駛員即時知道各條道路的車輛流量，這也是LED可見光無線通信在智能交通系統(tǒng)中的發(fā)展方向。

　　4 結(jié)束語

　　面對用戶的迅速增加及人們對高速、寬帶的多媒體通信的需求，電磁波的可用頻帶范圍已變得越來越有限，而LED可見光無線通信使用光頻段傳輸信息具有寬廣的通信帶寬，避免了電磁干擾沖突又無需申請頻段使用執(zhí)照，能滿足下一代多媒體通信的要求。隨著具有節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長等優(yōu)點的LED照明燈的普及，以及各種關(guān)鍵技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，LED可見光無線通信有望成為新的通信傳輸方式及下一代室內(nèi)無線通信技術(shù)。是一個有待大力進(jìn)行研究并具有極大應(yīng)用價值的領(lǐng)域。