室内白光LED照明通信的现状与展望.docx
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室内白光LED照明通信的现状与展望
室内白光LED照明通信的现状与展望
华侨大学工学院
专业：
光电子年级：
2011级姓名：
余兴强学号：
1195121045
摘要：
白光LED具有电光转换效率高、节能、可靠、使用寿命长、高速调制特性，是公认的下一代绿色照明产品。
室内白光LED照明通信是将LED照明技术和光通信技术相结合产生的一种新技术，这种通信的距离从数米到数十米，具有妥全节能、通信容量大等显著特点，作为一个全新的无线通信手段，已经引起国内外越来越多的关注，是今后无线通信的一个重要方向。
本文主要介绍了国内、外室内白光LED照明通信发展现状，分析了应解决的关键技术并预测了室内白光LED照明通信的发展趋势。
关键词：
可见光通信白光LED光无线通信
StatusandProspectswhiteLEDinteriorlightingcommunication
YuXingqiang
1195121045,Major2011
CollegeofOptoelectronicsHuaqiaoUniversity
Abstract：
WhiteLEDwithhighelectro-opticalconversionefficiency,energysaving,reliable,longlife,high-speedmodulationcharacteristics,isrecognizedasthenextgenerationofgreenlightingproducts.InteriorwhiteLEDlightingisLEDlightingtechnologycommunicationsandopticalcommunicationstechnologycombinedwithanewtechnologygeneratedfromsuchcommunicationsfromseveralmeterstotensofmeters,withaproperfull-saving,highcommunicationcapacityandothernotablefeatures,asanewwirelesscommunicationmeans,hasattractedmoreandmoreattentionathomeandabroad,isanimportantdirectionforfuturewirelesscommunicationdescribesthestatusquoofdomesticandforeignindoorlightingcommunicationDevelopment,whiteLED,analyzesthekeytechnologiestoberesolvedandtopredicttheindoorwhiteLEDthedevelopmenttrendoflightingcommunication.
Keywords：
Visiblelightcommunication；WhiteLED；OpticalWirelessCommunications
目录
绪论1
第1章Vcl简介2
1.1什么是VCL？
2
1.2VCL是怎么工作的？
2
1.3VLC的基本原理2
第2章室内白光LED照明通信发展现状3
2.1国外研究状况3
2.2国内研究状况5
第3章室内白光LED照明通信关键技术6
3.1大功率LED光源选择与布局6
3.2改善通信系统性能技术7
3.3大功率LED调制技术8
3.4可见光信道研究8
3.5光学发送、接收的研究9
第4章白光LED照明通信发展趋势10
结语10
参考文献11
绪论
室内白光LED通信是利用LED发出的人眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息。
它利用室内照明设备代替无线LAN局域网基站发射信号，其通信速度可达每秒数兆至数百兆比特，系统的通信距离达数米到数十米，能代替Wi-Fi无线通信，解决无线通信的“最后一米”问题。
因而具有广泛的研发前景，是当前光通信的研究热点之一。
LED照明通信属于自由空间光通信范畴，可分为室内可见光无线通信（IndoorOpticalWirelessCommunication）和室外可见光无线通信（OutdoorOpticalWirelessCommunic；a-tion）。
目前室内可见光通信主要集中在无线LAN局域网基站；而室外可见光通信主要用于智能交通系统（Intelli-gentTransportationSystems,ITS）从LED光源来分，可分为单色光LED通信和白光LED通信；从通信光学链路方面来分，可分为对准LED可见光通信（LineofSight,LOS）和非对准可见光通信（或称为漫反射可见光通信（nonLineofSight,norrLOS）。
可见光通信（VisibleLightCommunica-tion,VLC）技术最早于1999年由香港大学电子工程系的GranthamPang提出，日本KEIO大学的MaosaoNakaga-wa教授发展了该项技术，并于2003年12月成立了可见光通信协会，此后有很多研究小组从事该项技术研究。
该技术不仅盛行于亚洲，欧洲也有不少研究团队从事该技术研究。
如海因里希-赫兹、弗朗禾费通信研究所，Bremen大学，牛津大学工程系，荷兰菲利普公司，法国电信等研究团队。
该通信技术与传统的射频通信相比具有以下优点:
（l）相对激光通信，它对人眼非常安全；可见光资源丰富；（3）发射频率高，传输速率快；（4）不需要无线电频率证；（5）无电磁干扰。
基于上述特性室内白光LED照明通信具有广泛的前景。
目前该技术研究已经完成了验证工作，并逐步走向产品阶段，且有这方而的演示产品。
论文综述了室内白光通信的发展现状，分析了该技术在实际应用中需要解决的关键技术，并预测了其发展趋势。
第1章Vcl简介
1.1什么是VCL？
一直以来，在一个人的头顶上画一个闪亮的灯泡，被用来象征一个发明家的灵光乍现，但是德国物理学家哈拉尔德·哈斯（HaraldHaas）由灯泡本身“点亮”了奇思妙想：
依赖一盏小小的灯，将看不见的网络信号，变成“看得见”的网络信号。
该技术可利用标准光线无线传播数据，旨在挑战当前无处不在的WiFi网络标准。
这个过程被称为可见光通信（VLC），人们常把它亲切地称为“Lifi”,以示它能给目前以WiFi为代表的无线网络传输技术可能带来革命性的改变。
1.2VCL是怎么工作的？
组成：
光源：
LED灯，传输媒质：
空气
发射部分主要是由白光LED光源和相应的信号处理单元组成。
接收端主要包括能对信号光源实现最佳接收的光学系统，将光信号还原成电信号的光电探测器和前置放大电路，以及将电信号转换成可被除数终端识别的信号处理和输出电路。
图1vcl工作示意图
1.3VLC的基本原理
LED发光是一闪一闪的，因为闪动频率极高，我们的肉眼“功能”太差分辨不出来，这种闪动其实就是一种开、关过程，LED这一开一关就可以承担发送信息的任务了，比如，开就代表“1”，关就代表“0”，通过信息编码也就是0与1的各种组合，就可以通
过灯光来传递了。
灯光在空气中传输就类似于光纤通信中信息在光纤中传输一样，这就是LED可见光通信的基本原理。
LED作为半导体器件，这种高速的亮灭也就是开关的通断能力是它的特性，而普通的灯具如日光灯、白炽灯因为在亮灭的变化过程中非常容易被损坏，且亮灭变化动作太慢，因而不具备这种通信功能。
而LED灯则非常适合做可见光通信的光源，在照明的同时实现较高速率的光通信。
与其它照明设备相比，白光LED具有驱动电压低、功耗低、使用寿命长等优点则一种绿色环保的照器件，被视为第四代节能环保型照明设备。
LED在全球照明市场中所占据的比重正逐年递增。
因此，基于LED的VLC具有很大的发展前景和应用空间.
第2章室内白光LED照明通信发展现状
2.1国外研究状况
可见光LED照明通信，按照其工作方式有点对点通信、广播式覆盖和无线局域网络发射基站。
室内通信主要用于数据、语音通信室内局域网基站等；室外通信主要用于智能交通系统、街道照明、光移动基站、应急通信等。
最早提出可见光通信概念的是香港大学的GranthamPang，他于1999年提出了可见光通信技术的雏形，用100kHz的载波频率将CD音乐、电话等信号发送到个人耳机此方法无透镜接收的传输距离为40cm，有透镜接收的距离为200cm。
GranthamPang将上述系统用于交通系统，通过VCO（VoltageControlledOscillator）调制驱动441个超亮度红光LED阵列，其载频为100kHz，通过发送滤波器驱动LED交通灯他同时提出用LED进行语音广播、数据传输、交通灯控制，其室外传输距离可达20m。
2001年，他将该技术用于便携式设备的光无线数据通信链，采用192个超亮LED其数据发送比特率达19.2kBaud/s，接收波特率为57.6kBaud/s，传输曼彻斯特码速率达到28.8kbit/s。
2003年Shogo.Kitano,Shinic；hiro.Haruyama,Masco.Na-kagawa为减少交通拥塞现象，采用模拟调制方法，提出将LED用于交通智能传输系统，认为这种通信是可行的，且优于红外光通信。
他们提出了LED道路照明通信系统的设想，该系统既能提供道路照明，可以完成高质量数据通信波士顿大学的ThomasLittle提出用LED取代白炽灯，并预测在未来的15年LED的广泛应用是不可避免的，它将主要
用于高清晰媒体、高速数据流传输、汽车间通信、室外数据传输试验、无线医疗监测系统。
可行性方而研究最多的是韩国人ChungGhiuLee和Jung-HunKim。
2006年他们用实验的方法证明高亮度照明LED光无线信道通信的可行性，并用7个LED发射信号、一个光电接收器，发送接收装置相距12cm，分别测量了红、绿、蓝LED的3dB带宽，获得了传输速率分别为1Mb/s,5Mb/s,10Mb/s的眼图，在10Mb/s的情况下，误比特率小于8*10-6，证明高亮度LED通信的可行性其实验系统采用PIN探测，其有效接收而积为8mm2，波长响应范围200nm-1100nm，峰值响应750nm，光电转换效率为0.45A/W，小信号的通带带宽为50MHz。
没有改进电路前，ChungGhiuLee用7个LED单行阵列组成调制系统，调制带宽为18MHz，通信距离为30cm，传输速率为10Mb/s，、改进电路后，将LED安装成5x2矩阵，光通信链路距离为90cm，传输速率为20Mb/s，并为无误码传输其研究结果表明用大功率LED作为室内可见光通信是可行的，但是大功率LED限制了通信的调制速率。
日本科技工作者是该项技术的首创人之一，他们在该技术的贡献率最大。
他们对室内LED可见光通信存在的问题做了较多的研究，这些问题如传输的多径效应（Multipath
Effect）、阴影效应（ShadowEffect）、码间干扰（IntersymbolInterference,ISI）等做了较多的研究其中，ToshihikoKo-mine所做的研究最突出，他采用数个LED灯在实验室既用于照明，又用于光无线通信。
他们研究了光信道的多径效应、阴影效应，并与其它的方法进行比较，他认为反射和码间干扰是影响通信质量的主要因素，而系统的码间干扰依赖于接收系统的FOV（FieldofView，半视场角）和通信传输速率，并预计高速数据传输可达1Gb/s。
ToshihikoKo-mine从通信信道出发，用仿真法研究了信道的信噪比分布J清况，实验表明在电功率为8.64w，光强度为1.56cd时，传输速率达到100kb/s。
ToshihikoKomine还研究了多个LED发光系统阴影效应，下行链路采用时分复用（TDMA）,当传输速率的在800Mb/时，通话易被人行阴影中断，用3个LED照明可以提高系统通信质量ToshihikoKomine}研究最小均方算法（LeastMeansquareAlgorithm,LMS）设计出的自适应均衡器，可以减少码间干扰（ISI）当数据传输速率为400Mb/s，采用反馈判决均衡（DecisionFeedbackEqualizer,DFE）和有限脉冲滤波器（FIR,FininteImpulse
Filter）较有效，当传输速率为500Mb/s，用反馈判决均衡法来抗码音干扰更为有效。
ToshihikoKomine还研究LED照明通信的多径效应，分析了通信系统的反射效应，当通信系统靠近墙壁位置时，由于反射信号增强，串扰信号因此增强，系统采用8-PPM（PulsePositionModulation）,FOV为50o,靠墙位置传输速率为60Mb/s，不靠墙位置的传输速率为90Mb/、他还提出了用电力载波线性数据传输（PowerLineCommunication,PLC）。
牛津大学工程系的Dominic0'Brien小组对该技术的研究较晚，主要集中在发送、接收均衡，多输入多输出系统及成像通信技术，并肯定了大功率LED调制速率仅有数兆的观点Brien于2008年提出LED既可以替代白炽灯、荧光灯照明，又可以用于传输信息的观点。
并对光源、接收装置、可见光信道进行了研究，通过采用光学滤波、发送均衡、接收均衡技术、光学多输入、输出技术来提高数据传输速率，通信传输速率有能力达到数兆比特每秒，并预测传输速率可以超过100Mb/s。
他们提出的多输入多输出通信，发射、接收均衡有较大的实际使用价值。
德国柏林的海因里一希赫兹、弗朗禾费通信研究所的GelenaGrubor,Klaus-DieterLanger提出用白光LED进行宽带信息传输，他们首先提出了大功率白光LED因调制带宽有限而限制了传输速率。
因而他们研究的重点在于如何提高调制带宽，提出了多电平调制方法，该观点比较切合实际·Bremen大学的HanyElgala主张采用强度调制方法对LED进行调制，同样提出了正交频分复用技术用于可见光通信。
南洋理工大学的DamonW.K.along,GeorgeChen从光源的模型出发提出了白光LED的布局存在最优分布的观点并且设训一出实验系统既可以照明又可以发射1kHz正弦
信号，实验表明接收信号的信噪比边11.8dB,误比特率为10-4。
2.2国内研究状况
国内在白光LED照明通信研究领域相对于国外较晚，2006年以来成为研究的热点，主要研究成果发表于2008年，且大部分集中在理论方而研究。
最早的文献见于2006年2月的半导体光电杂志，西安理工大学柯熙政、丁德强对LED可见光通信的关键技术进行了探讨。
2006年6月杭州电子科技大学的周洋研究了LED可见光无线通信的现状和发展方向。
2009年华南师范大学刘宏展在光无线通信上发表了白光LED照明的可见光通信的现状及发展。
下文对国内有较大影响的几个课题组的研究情况和研究成果进行介绍。
2008年江苏大学朱娜、仲启端、朱江课题组分别分析了OOK.PPM.MPPM调制方式，用分析法和仿真法证明了MPPM调制特性优于OOK.PPM，并且研究了LED照明通信的接收方法，提出采用空间分集接收和时间分集接收来抗信道衰落和码间干扰。
仲启端把空间分集和信号相似性比较原则相结合，采用等增益合并方法，舍去相似性小的信号支路，解决LED交通灯和车辆间通信信号衰减和通信距离短的问题。
江晓明提出信道模型的表示方法，研究物理层的调制、多址和优化接收问题。
其主要研究和仿真表明:
对于低速（小
于10Mb/s）的室内LED可见光传输数据，可任意使用OOK简单调制技术，对于高速（50Mb/、以上）需要复杂的调制接收技术。
张立提出了采用有保护间隔的正交频分复用调制方式抑制多径效应对通信性能的影响，仿真结果表明该调制技术能抑制多径效应影响。
暨南大学陈振强、陈长缨、胡国永课题组对LED的光源特性、通信链路、系统信道模型进行了研究，用仿真法对室内无线通信的基本理论进行了分析探讨}22}。
于志刚就不同路径引起的码间干扰问题提出用角度分集接收方法来提高信噪比和克服码间干扰，并给出技术方案中接收器的布局模型。
通信实验系统采用直射式通信链路，采用LED白光照明，分别进行5MHz,10MHz调制解调，LED发射.PIN接收相距5cm时的传输波形清晰，背景噪声极弱，该系统能够以10MHz的调制速率稳定运行。
赵俊对LED光照度分布函数进行了分析，构建了最佳间距的白光LED阵列光源。
长春理工大学的宋正勋课题组对OFDM研究较多，刘冬彦、云文岳、姜玲玲和张华对OFDM调制技术进行了研究，提出了自适应OFDM调制方式的方案，能根据信道的优劣选择恰当的调制解调方式。
魏承功对LED照明灯室内布局方法进行了研究，并进行仿真研究，引入正交频分复用调制解调方案减弱多径效应带来的码间干扰。
第3章室内白光LED照明通信关键技术
室内白光LED照明通信系统在现有的技术条件下需解决的关键技术有:
（l）光源的选择与布局.
（2）改善通信系统性能技术。
（3）大功率白光LED的调制。
（4）可见光信道研究。
（5）光学发射、光学接收技术研究。
3.1大功率LED光源选择与布局
在室内白光照明通信中，LED光源起重要作用。
作为光源，它必须具有高亮度、散热小、功耗低、辐射范围广、电光转换率高、使用寿命长、调制性能好等优点根据GB50034-2004国际建筑照明光源色温满足办公室、教室、阅览室、诊室等场所应该为3300~5300K,照度标准值为300-500lx,照明功率密度现行标准为8-11w/m2，体育场馆则要求更高。
因此选择LED光源应以色温、电光转换率、光强及调制性能为主要因素。
同时兼顾光源的布局，最佳LED灯的个数问题，因为它们直接影响通信的质量。
光源布局需要合理选择LED个数，确定LED间距第一，满足室内照明要求，光照度在300-15001x间第二，要求室内光强尽量变化不大，照明避免有盲区存在。
第三，满足照明有均匀性要求在设训一光源布局时，可以根据LED的参数训一算照射而的光照度。
尽管国内外在很多学者在这方而做了大量研究工作，至今还没有一个很可靠、工程上能实用的光源布局方案提出。
3.2改善通信系统性能技术
室内白光LED通信存在传输的多径效应、阴影效应、码间串扰以及通信距不长等问题。
这些问题严重影响着通信的性能。
光在信道中传输会产生散射和反射现象，光线沿不同路径从光源进入接收机，这种现象对通信产生的影响称为多径效应。
该效应在接收解调时产生码间干扰，所谓码间干
扰就是其它码元落在当前判决的码元内，导致判决出错，是影响通信质量的直接原因。
一般来说，单颗LED不可能完成室内照明通信，那么就会选用多颗LED作为发射装置，选择的LED数量越多，尽管能解决通信距离问题,但是效应越明显。
对会多径效应的办法可以采用分集接收。
分集方式分为空间分集、时间分集、角度分集、频率分集。
抗多径效应的另外一种方法为合并方式，合并方式有选择式合并、等增益合并、最大比值合并。
朱娜采用空间分集、时间分集来抗信道多径效应。
江晓明用合并方式来抗多径和衰落。
曹家年、于志刚用角度分集接收方法来提高信噪比和抗码间扰，上述分集接收方法仅限于理论研究，仅用仿真方法论证各种分集方法的可行性。
正交频分复用是一种高效调制技术，它具有较强的抗多径传播和频率选择性衰落的能力以及较高的频谱利用率，也是当前研究的热点之一。
用该方案能够减弱多径效应带来的码间干扰，但会形成复杂通信系统，提高系统的成本，其是否满足照明的均匀性尚未有文献证实室内人员走动、设备遮挡会在接收机表而而形成阴影，这种现象称为阴影效应。
它影响通信性能，甚至中断通信，因此需要将阴影的影响降到最低。
解决阴影效应的方法同样可以用多个LED照明，所以将无线通信的MIMO（Multi-inputMulti-output）技术用于可见光通信也是热点之一。
ToshihikoKomine提出采用3个LED照明可以提高系统通信质量。
虽然这个办法能解决阴影效应问题，但光源越多，不同光源于接收器有不同路径，光线经过不同路径则会产生不同延迟，从而产生码间干扰。
因此增加照明灯个数不能使通信系统功能达到最佳。
3.3大功率LED调制技术
白光LED作为新一代光源具有极好的前景，但它对电源的要求比较苛刻首先，现在的白光LED需要驱动电压为3.4-3.6V左右，驱动电流为1000-1500mA，如果用多个LED并联，那么驱动电流成倍数增长。
LED的驱动方式有线性结构、电容式开关结构、电感式开关结构。
这些驱动方式大部分针对手机、掌上电脑、大液晶显示屏等产品，现在市场大电流驱动芯片都不足以驱动大功率LED来进行室内可见光通信，如凌特公司的LT3021输出电压为0.2V,输出电流为500mA,LTC3215输出电流700mA；美信公司MAX8630Y输出电流只有125mA，且它们工作频率只有数兆赫兹。
而国内很多文献采用的是普通LED，正向导通电压为25V，电流范围5-75mA其次，LED的辐射模型基本采用Lambertian模型，它的模型决定了采用LED的个数、布局，与信道的模型、传输误码率直接相关。
最后，实用上限传输速率为10Mb/s，那么LED的调制带宽至少要达10MHz以上。
德国柏林的海因里希-赫兹、费朗禾费通信研究所和Dominic；0'Brien证实了大功率LED的调制带宽只有数兆，如何提高LED调制带宽是可见光通信需要解决的关键技术之一。
通信调制编码采用强度调制直接探测方式，主要调制编码有OOK（开关键控）.PPM（脉冲位置调制，PulsePositionModulation）、MPPM（多脉冲位置调制，Multi-PulsePositionModulation）,DPPM（差分脉冲位置调制，DifferentialPulsePositionModulation）相对于OOK调制方式，后而三种具有更高的传信率和能量利用率，PPM能够从自身信号中提取同步信号，DPPM和MPPM实现相对于PPM复杂些，且解调比较困难。
MPPM不但可以改善带宽效率，而且可以改善功率效率，采用MPPM调制更为合理、更优于其它调制方法。
以上方法是红外光无线通信的成熟技术，那么如何选择适合可见光调制解调方法则是当前履待解决的关键技术。
3.4可见光信道研究
由于可见光通信技术是随着LED技术的兴起而产生的新技术。
在通信信道研究方而一般借鉴室外红外通信模型，因此，国际公认的信道模型测量和建立还处于探索阶段。
红外通信信道模型最早由FritzR.Gfeller于1979年在其文献中提出，他以红外激光的漫反射信为对象，对漫反射表而的接收光能、多径散射、背景光进行了研究。
其后JohnR.Barry提出用信道的频率响应描述信道特征，认为信道的直流增益是信道特征的重要参量，得到直流增益的表达式。
并用迭代方法模拟信道多径反射，但没有考虑脉冲时间展宽效应。
1997年Perez--Jiolenez对信道的统计模型进行了研究:
Lopez-Hernandez发现了一种新的快速算法（DUSTIN算法）。
1998年Perez-Jimenez对自己早期算法进行了
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