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白光LED无线通信的研究进展

作者:照明设计来源:http://www.lcsjzx.com/网址:http://www.lcsjzx.com/
文章附图

目前 Wi-Fi 作为无线数据传输的主要技术,利 用的是射频信号,随着用户对无线互联网需求的不 断增长,可用的射频频谱带宽越来越少。而可见光 频谱并没有得到利用,其频谱宽度是射频频谱的1 万倍。

可见光无线通信简称 LiFi ( Light Fidelity) , 是一种利用可见光波谱进行数据传输的全新无线传 输技术,具有极大的发展前景。 可见光无线通信是利用快速的光脉冲无线传输 信息,根据不同速率在光中编码信息。由于 LED 的 发光强度,人眼不会注意到光的快速变化。

只要在 灯中植入一个微小的芯片,就能变成类似于 AP ( WiFi 热点) 的设备,使终端随时能接入网络,实 现通信需要。 从可以获得的资料来看,可见光通信技术正处于起步阶段,LiFi具备其独有的优势,但不可避免 地存在急需在未来攻克的难题。本文介绍了可见光 无线通信关键技术、自身优势和应用领域,分析了 LiFi与Wifi之间的优劣关系,最后初步探讨了该技 术需要攻克的问题以及发展趋势。


1关键技术

1.1高速调制驱动电路设计

调制带宽是衡量led调制能力的主要参数,关 系到LED在无线光通信中的数据传输速率大小。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_低频参考频率值的_半时 (-3dB)所对应的频率。从微观结构分析,影响白 光LED高速调制有两个因素:载流子寿命和结电 容。LED因受两者的限制,其调制的最高频率通常 只有几十MHz,从而限制了 LED在高比特速率系统中的应用。不过,通过合理设计和优化驱动电路, LED也可以用于高速通信系统。由于实现简单, VLC系统大多设计成光强度调制/直接探测系统。


北京理工大学郭倩等m针对室内可见光通信系 统的应用需求,设计了雪崩光电二极管(APD)探 测电路组件,如图1所示。APD信号接收子系统具 有增益高、功耗低、可靠性好、体积小、对微弱信 号的接收能力强以及通信距离远的特点,在室内可 见光通信领域将具有很高的实际应用价值。王瑞 伟0提出了一种低花费的集成接收机制作方案,提 出了_种新型的基于引线键合技术的二维光电检测 阵列制备方法。李联冠0基于室内可见光通信系统 的研究,设计了具有_定增益带宽的接收电路,如 图2所示。根据调制方式,驱动电路选择电流源驱 动。合理的驱动电路设计可以尽量提高输出光功率 和传输距离,从而提高系统性能。西安邮电大学尚 建荣,针对目前可见光通信存在的光源调制频率低、 功耗大和传输距离短等问题,研究了模拟和数字调 制驱动电路,提出了一款基于DD311的驱动电路, 能支持多颗大功率LED串接应用。

1.2白光led光源布局设计

单个LED发光强度和发光功率都比较小,为了 同时实现室内照明和通信双重功能,LED照明光源 应设计为多个白光LED组成的阵列。为满足基本照 明需求,在系统设计中应首先考虑室内光照度的分 布。要使通信效果达到最优,必须根据房间的大小 以及室内设施不同合理布局,使房间内的光强分布 大致不变,尽量避免盲区的出现。

由于各个LED发射端到接收端的距离差而引起的多径效应对通信系统的影响,江苏大学张立等人 提出采用有保护间隔的正交频分复用(OFDM)调 制方式来抑制多径效应对通信性能的影响,研究结 果表明有保护间隔的OFDM信号有很强的抗多径效 应能力5。因此不难看出,OFDM调制适合应用在 高速的室内可见光通信系统中。臧景峰63提出照明 光源布局设计与接收光功率分布的关系,对强度调 制直接检测方式的室内VLC系统中信噪比和多径效 应引起的码间串扰进行分析,提出采用光分集接收 技术克服码间串扰和提高信噪比,并给出光检测器 阵列布局的模型。曹家年7针对背景光噪声和多径 效应,设计并研究了适用于LED照明通信系统的角 度分集系统,并对3种主要分集合并方式进行的对 比测试,MRC方式表现出了最好的性能。丁德强8 在_种相似度较高的白光LED发光模型的基础上, 给出了室内可见光通信系统多白光LED阵元发射天 线的设计方法。丁德强还分析了布局设计与接收光 功率分布的关系,并给出了房间内的四个通信光源 的最优化布局设计69。LED灯光空间布局、空气环 境等也会对通信性能产生影响。为提升通信效率, 必须对LED灯的个数、空间布局及光亮度进行合理 的选择。如何进行合理的LED布局优化、建立完善 的可见光通信是当下一大难题。而上述研究成果, 为进一步研究奠定了良好的基础。

1.3信道编码技术

数字信号在传输过程中不可避免地受到各种噪 声干扰,导致传送的数据流产生误码,从而使接收

端出现异常现象,比如图象跳跃、不连续、出现马 赛克等。信道编码技术对数据流进行相应的处理, 使系统具有_定的纠错能力和抗干扰能力,提高数 据传输效率,降低误码率,并最终提高数据的通信 距离。

暨南大学陈长缨、赵俊提出一种适用于LED数 字传输的mBnB分组编码技术。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_定规则用另外每组为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182B (曼彻斯特码)、384B、 586B、688B等。mBnB码的优点有:①功率谱形状 较好;②连〇连1个数有限,没有基线漂移问题; ③提供可靠的误码监测和字同步手段。实验证明, 经过688B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688B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码 表的方法来克服mBnB码译码时会造成误码增值的 缺点。如图3所示,以一个12bit的原始数据为例, 介绍688B编码实现过程。


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