led可見(jiàn)光通信_(tái)led可見(jiàn)光通信技術(shù)_led可見(jiàn)光通信傳輸距離

LED可見(jiàn)光通信簡(jiǎn)介

可見(jiàn)光通信技術(shù)是一種在白光LED發(fā)明及應(yīng)用后發(fā)展起來(lái)的新興的無(wú)線光通信技術(shù)。LED不僅可以提供室內(nèi)照明，而且可以應(yīng)用到無(wú)線光通信系統(tǒng)中滿足室內(nèi)個(gè)人網(wǎng)絡(luò)需求。

可見(jiàn)光通信的工作原理

可見(jiàn)光通信技術(shù)是指利用半導(dǎo)體（LED）器件高速點(diǎn)滅的發(fā)光響應(yīng)特性，將LED發(fā)出的用肉眼察覺(jué)不到的高速速率調(diào)制的光載波信號(hào)來(lái)對(duì)信息進(jìn)行調(diào)制和傳輸，然后利 用光電二極管等光電轉(zhuǎn)換器件接收光載波信號(hào)，并獲得信息使可見(jiàn)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，它是一種在白光LED技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的 新興的無(wú)線光通信技術(shù)f61。白光LED具有功耗低、使用壽命長(zhǎng)、尺寸小、綠色環(huán)保等 優(yōu)點(diǎn)，特別是其響應(yīng)靈敏度非常高，園此可以用來(lái)進(jìn)行超高速數(shù)據(jù)通信。

可見(jiàn)光數(shù)據(jù)通信發(fā)射端是根據(jù)傳遞資料將電信號(hào)變調(diào)，再利用LED轉(zhuǎn)換成光信號(hào) 發(fā)送出去，接收端利用受光元件接收光信號(hào)，再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)解調(diào)當(dāng) 成信號(hào)資料讀取。在波長(zhǎng)方面因?yàn)槭遣捎每梢?jiàn)光，所以波長(zhǎng)從藍(lán)光的380nm一直到紅 光的780nm范圍”J。

傳統(tǒng)的光通信是利用不可見(jiàn)光來(lái)進(jìn)行通信傳輸，大多是采用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外光， 在這一部份，已經(jīng)相當(dāng)成熟．而相匹配的標(biāo)準(zhǔn)也廣被業(yè)界所采用?？梢?jiàn)光數(shù)據(jù)通信會(huì) 限制收信區(qū)域，LED點(diǎn)光源可見(jiàn)光無(wú)線通信器完全排除傳統(tǒng)高頻無(wú)線電磁波對(duì)人體與 周邊電子機(jī)器干擾的疑慮，非常適合應(yīng)用在道路誘導(dǎo)、展示導(dǎo)游、智能型道路交通系 統(tǒng)OTS）、醫(yī)院、室內(nèi)信息傳輸?shù)认薅臻g的資料傳輸?shù)阮I(lǐng)域。

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可見(jiàn)光通信的發(fā)展

可見(jiàn)光通信的起源最早可追溯到19世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)Alexander Graham Bell提出采用可見(jiàn)光為媒介進(jìn)行通信，但是當(dāng)時(shí)既不能產(chǎn)生一個(gè)有用的光載波，也不能將光 從一個(gè)地方傳到另外一個(gè)地方。到1960年激光器的發(fā)明，光通信才有了突破性的發(fā)展， 但研究領(lǐng)域基本上集中在光纖通信和不可見(jiàn)光無(wú)線通信領(lǐng)域。直到近幾年，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(diǎn)滅的發(fā)光響應(yīng) 特性，將信號(hào)調(diào)制到LED可見(jiàn)光上進(jìn)行傳輸，使可見(jiàn)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。隨著白光 LED的迅速發(fā)展?？梢?jiàn)光通信也逐漸發(fā)展起束櫸i。

LED可見(jiàn)光通信可以分成室外通信和室內(nèi)通信兩大類。室外LED可見(jiàn)光通信技術(shù) 目前主要應(yīng)用在智能交通系統(tǒng)（ITS：Intelligent Transportation Systems） ，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(yǔ)音廣播信號(hào)，將語(yǔ)音 信號(hào)通過(guò)OOK調(diào)制加至LED光源，實(shí)現(xiàn)了低速的無(wú)線LED可見(jiàn)光傳輸。中川研究 室的科研人員在2003年提出了LED公路照明通信系統(tǒng)IluJ。G．Pang等人只對(duì)利用LED 交通燈進(jìn)行語(yǔ)音傳輸展開(kāi)研究，中川研究室的科研人員則在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(chǎng)角下信噪比的好壞，以及在一定誤碼率下信嗓比和 接收數(shù)據(jù)率的關(guān)系，認(rèn)為L(zhǎng)ED可見(jiàn)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(jiàn)光通信系統(tǒng)。

室內(nèi)LED可見(jiàn)光無(wú)線通信技術(shù)主要應(yīng)用在室內(nèi)無(wú)線寬帶接入網(wǎng)中，2000年，中川 研究室的研究人員TanakaYuichi等就基于室內(nèi)白光LED通信光源的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的 信道進(jìn)行了初步的數(shù)學(xué)分析和模擬計(jì)算，分析了白光LED照明燈用作室內(nèi)照明用途的 同時(shí)作為通信光源的可能性。其后的研究也都是類似的理論分析報(bào)道。但是已有的研 究多針對(duì)LED照明光源布局設(shè)計(jì)，基于白光LED照明光源的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的整體 設(shè)計(jì)分析還不完善。

2003年lO月成立的可見(jiàn)光通信聯(lián)合體（VLCC：Visible Light CommunicationsConsortium），成立初期以加盟企業(yè)為主要對(duì)象，VLCC針對(duì)可見(jiàn)光通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化 與應(yīng)用普及化進(jìn)行各種工作小組活動(dòng)，至2007年1月為提升可見(jiàn)光通信知名度，包含 東芝等公司在內(nèi)有23家會(huì)員公司正式展開(kāi)工作小組活動(dòng)，具體內(nèi)容分別是攜帶終端、 光卷標(biāo)（Tag）的檢討，并成立可見(jiàn)光ID標(biāo)準(zhǔn)化工作小組?？梢?jiàn)光通信是照明器具與看板 等周邊設(shè)備常用的通信技術(shù)，為了使可見(jiàn)光通信普及化，必需建立各種終端機(jī)器都能 夠應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范，目前VLCC已經(jīng)制定兩種規(guī)范，分別是可見(jiàn)光通信系統(tǒng)規(guī)范VLCC．STD．001及低速通信可見(jiàn)光ID用規(guī)范VLCC．STD．003。

適用范圍是對(duì)以可見(jiàn)光 當(dāng)作媒體的通信系統(tǒng)，尤其是系統(tǒng)分成物理層與應(yīng)用上位層時(shí)，規(guī)定物理層部份適用 范圍，包括接收端的發(fā)光元件、接收端的受光元件與發(fā)光元件的自由空間界面f”。 2004年10月在日本干葉召開(kāi)的影像、信息及通信的綜合展會(huì)（CEATEC）l-，由國(guó)際可見(jiàn)光通信協(xié)會(huì)的多家成員所進(jìn)行的一系列展示活動(dòng)，向世人證實(shí)了采用基于LED 的照明來(lái)向手持式和車載計(jì)算裝置傳送高速數(shù)據(jù)所擁有的諸多好處。將數(shù)據(jù)添加到隨 處可見(jiàn)的照明設(shè)備（包括帶照明的標(biāo)志、交通信號(hào)燈及室內(nèi)照明設(shè)備）所產(chǎn)生的可見(jiàn) 光，然后通過(guò)擴(kuò)充RF技術(shù)而為人們營(yíng)造一個(gè)更加廣闊的無(wú)線通信世界。

室內(nèi)LED可見(jiàn)光通信的關(guān)鍵技術(shù)

VLC作為一種無(wú)線的光通信方式，其系統(tǒng)包括下行鏈路和上行鏈路兩部分。下行 鏈路包括發(fā)射和接收兩部分。其發(fā)射部分主要包括將信號(hào)源信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于光信道傳 輸?shù)碾娦盘?hào)的輸入和處理電路、將電信號(hào)變化調(diào)制成光載波強(qiáng)度變化的LED可見(jiàn)光驅(qū) 動(dòng)調(diào)制電路。白光LED光源發(fā)出的已調(diào)制光以很大的發(fā)射角在空間中朝各個(gè)方向傳播。

由于室內(nèi)不受強(qiáng)背景光和天氣的影響，光傳播基本上不存在損耗，但是由于LED光源 個(gè)數(shù)較多，且具有較大的表面積，因而在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間存在若干條不同的光路 徑，不同的光路徑到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間不同，將引起所謂的碼間干擾（ISI）。由于白光

LED光源發(fā)出的是可見(jiàn)光，且發(fā)散角較大。對(duì)人眼睛基本無(wú)害、無(wú)電磁波傷害等優(yōu)點(diǎn)， 因而發(fā)射端可以具有較大的發(fā)射功率，使得系統(tǒng)的可靠性大大提高。

該系統(tǒng)的接收部分主要包括能對(duì)信號(hào)光源實(shí)現(xiàn)最佳接收的光學(xué)系統(tǒng)、將光信號(hào)還 原成電信號(hào)的光電探測(cè)器和前置放大電路、將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可被終端識(shí)別的信號(hào)處理 和輸出電路。室內(nèi)的光信號(hào)被光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大和處 理，恢復(fù)成與發(fā)端一樣的信號(hào)。該系統(tǒng)的上行鏈路與下行鏈路的組成除了使用的光源 不同外，其它基本一樣。上行鏈路采用的光源仍然由白光LED組成，只不過(guò)發(fā)射面積 較小，且具有較小的發(fā)射角，天花板上安裝的光電檢測(cè)器接收來(lái)自用戶的光信號(hào)。若 將上述基本結(jié)構(gòu)在通信雙方對(duì)稱配置，就可以得到一個(gè)可以雙向同時(shí)工作的全雙工 VLC系統(tǒng)，由該系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡(luò)稱為可見(jiàn)光網(wǎng)絡(luò)。

在VLC系統(tǒng)中，白光LED具有通信與照明的雙重作用，這是因?yàn)榘坠釲ED的亮度很高，且調(diào)制速率非常高，人的眼睛完全感覺(jué)不到光的閃爍。VLC系統(tǒng)大多設(shè)計(jì)成 光強(qiáng)度調(diào)制／直接檢測(cè)系統(tǒng)，采用曼徹斯特編碼和00K調(diào)制方式。在 IM／DD系統(tǒng)中，由于存在多個(gè)光源，每個(gè)接收機(jī)都會(huì)接收到來(lái)自不同方向的光信號(hào)， 因而不會(huì)因?yàn)槟硹l光路徑被遮擋而導(dǎo)致通信中斷，保證了通信的可靠性。

當(dāng)前，LED可見(jiàn)光通信主要包括以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：

1）可見(jiàn)光信道研究

可見(jiàn)光通信系統(tǒng)具有與紅外無(wú)線通信不同的信道沖激響應(yīng)，兩者具有不同的特性， 這兩種系統(tǒng)中引起ISI的原因也不相同，需要對(duì)多光源、時(shí)變信道環(huán)境下的VLC系統(tǒng) 的信道沖激響應(yīng)和不同光路徑引起的ISI作深入研究，從而解決ISI的影響。

2）碼間干擾克服技術(shù)

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)致不同的傳輸延遲，光脈沖會(huì)在時(shí)間上延伸，每個(gè)符號(hào)的脈沖將加寬延伸到相鄰符號(hào)的時(shí)間間隔內(nèi)， 產(chǎn)生碼間干擾（ISI），導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化Ⅲ1。

3）光源的選擇與布局

在可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中，光源起著至關(guān)重要的作用。作為室內(nèi)照明設(shè)備，它必須具有亮度高、散熱小、功耗低、輻射范圍廣等特點(diǎn)。另一方面，作為光通信系統(tǒng)的光源， 它必須具有使用壽命長(zhǎng)、調(diào)制性能好、響應(yīng)靈敏度高、發(fā)射功率大等優(yōu)點(diǎn)。綜合以上 兩個(gè)方面，目前能滿足要求的最好選擇就是白光LED。實(shí)際系統(tǒng)中，由于各個(gè)房間的 大小以及室內(nèi)設(shè)施不盡相同，因而要使通信效果達(dá)到最優(yōu)，須使房間內(nèi)的光強(qiáng)分布大 致不變，盡量避免通信盲區(qū)（光照射不到的區(qū)域）的出現(xiàn)。要達(dá)到這個(gè)目的，必須根據(jù)不 同的房聞，合理的安排LED燈的布局。

4）最佳LED照明燈個(gè)數(shù)

在VLC系統(tǒng)中，通常安裝在室內(nèi)的LED燈具有一個(gè)較大的輻射角，以盡可能地 覆蓋整個(gè)房間。但是由于行人、設(shè)備等的遮擋，會(huì)在接收機(jī)表面形成“陰影”，影響通 信性能。因此就需要將這種“陰影”的影響降至最低。對(duì)于照明來(lái)講，室內(nèi)安裝的照明 燈越多，室內(nèi)的亮度就越高，照明效果越好，同時(shí)接收功率也會(huì)大大增加。但是單純 地增加LED燈的個(gè)數(shù)，雖然能夠解決“陰影”問(wèn)題，卻并不能使系統(tǒng)的通信性能達(dá)到最 佳。這是因?yàn)椋煌墓庠磁c接收機(jī)之淵具有不同的光路徑，多個(gè)不同的光路徑會(huì)引起多徑延遲產(chǎn)生碼間干擾。因而可知，LED燈的個(gè)數(shù)越多，ISI越嚴(yán)重，必須合理地選 擇LED燈的個(gè)數(shù)。

5）調(diào)制、編碼以及解調(diào)技術(shù)

目前可見(jiàn)光通信系統(tǒng)大多采用強(qiáng)度調(diào)制（IM）的直接檢測(cè)（DD）非相干系統(tǒng)，編碼方式大多為二進(jìn)制OOK（開(kāi)關(guān)鍵控）編碼。但由于OFDM可以有效地對(duì)抗多徑傳播所造成 的符號(hào)間干擾，其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度比采用均衡器的單載波系統(tǒng)小很多。因此采用OFDM調(diào) 制技術(shù)具有良好的發(fā)展觸景。