應用于可見光通信的上行鏈路方案探討

鄭重+劉璐+胡薇薇

中圖分類號：TN929.1 ? ?文獻標志碼：A ? 文章編號：1009-6868 （2014） 06-0008-004

摘要：

基于對采用射頻、可見光、780～950 nm紅外光作為可見光通信上行鏈路的分析，提出了采用1 550 nm激光作為可見光通信上行鏈路的全新方案，在典型室內應用場景下，與下行的可見光鏈路共同構成一套波分雙工全光通信鏈路，其上行鏈路可達1 Gb/s。1 550 nm激光上行鏈路同樣具有速率高、無電磁干擾、與保密性好等與可見光通信相一致的特點，可以成為可見光通信上行鏈路候選方案之一。

關鍵詞：? 可見光通信;發光二極管;上行鏈路;激光

Abstract：?This paper analyzes the features and feasibility of the uplink utilizing wireless radio frequency， visible light， and 780-950 nm infrared light for visible-light communication. In addition， a novel uplink scheme employing 1550 nm laser and avalanche photo diode is presented. This scheme maintains the advantages of high-speed， no electromagnetic interference， and enhanced security. The simulation results indicate that this uplink can achieve a data rate of 1 Gb/s.

Keywords：?visible light communication; light-emitting diode; uplink; laser

白光發光二極管（LED）相比于傳統光源具有更高的發光效率，綠色環保，正在逐步成為主要的照明光源。可見光通信將通信信號加載至室內照明白光LED上，通過高速光照強度變化來進行數據通信[1]。可見光通信無需新的電磁頻譜許可，也不會引入對其他設備的電磁干擾，還具有通信速率高、保密性好等優點[2-3]。室內白光照明LED一般固定于天花板特定位置，通過可見光對室內各終端進數據廣播，構成可見光通信的下行鏈路。現有的報道中多是此類單向可見光傳輸鏈路，然而一個完整的通信系統必須具有協同工作的上行鏈路。截至目前，可見光通信數據速率最高已經達到10 Gb/s[4]。為與可見光通信下行鏈路數據速率相匹配，上行鏈路需要具備較高的速率。此外，可見光通信系統一般面向短距離無線移動接入系統，因此上行鏈路也需為無線鏈路，且具有可移動性[5]。

1 可見光通信研究現狀

在可見光通信研究的早期階段，牛津大學的O'Brien和愛丁堡大學的Harald Haas組都已考慮到上行鏈路會是可見光通信的重要挑戰之一，并指出射頻、紅外光等可以作為上行鏈路。波士頓大學的TDC Little等提出并分析了Wi-Fi與可見光廣播系統相融合的方案，在該方案中，Wi-Fi與可見光廣播通信鏈路協同工作，相比于兩者單獨工作，實現了更高的傳輸速率[6]。臺灣國立交通大學C. W. Chow組通過時分雙工（TDD）的方式，實現了雙向可見光通信[7]。與之對應，復旦大學遲楠組展示了以RGB 3色LED中紅綠2個通道作為下行，藍色通道作為上行的波分雙工（WDD）可見光通信系統[8]。意大利比薩圣安娜高等學校的Cossu等展示了可見光與850 nm波段紅外光共同組成的雙向400 Mb/s點對點鏈路，但該鏈路為點對點鏈路，與實際場景所需的上行鏈路仍有差距[9]。在此研究基礎之上，本文提出了以1 550 nm激光作為上行鏈路的全新方案，在典型室內應用場景下，該方案至少可以提供1 Gb/s的上行鏈路速率，且具有安全性高、保密性好等諸多優點。

2 現有上行鏈路技術方案

現有研究已提出無線電波與無線光波兩大類上行鏈路用于可見光通信系統，無線電波主要以Wi-Fi為典型方案，而光波方案中又可以按照波段分為380～780 nm間的可見光波段與780～950 nm間的紅外光上行鏈路。各方案示意圖如圖1所示。我們將在下面各小節中介紹各方案并討論其技術特點。

2.1 射頻上行

傳統無線通信系統利用射頻作為載波來傳遞信息，可見光通信仍然可以采用射頻作為上行鏈路，如圖1（a）所示。目前室內無線局域網（WLAN）應用與部署最為廣泛、技術最為成熟的是Wi-Fi，即IEEE 802.11系列協議[10]。Wi-Fi技術包括IEEE 802.11 a/b/g/n/ac等適用于WLAN的協議標準，旨在為用戶提供無線寬帶數據接入[11]。現有移動終端大都安裝有Wi-Fi模塊，Wi-Fi熱點也已廣泛部署，然而當用戶數據量不斷增長時，接入信道時產生碰撞的幾率與退避等待時間都在不斷增加，因此可以由可見光通信系統來承載下行鏈路數據，而Wi-Fi用作上行鏈路。可見光通信一般為視距（LOS）鏈路，當接收機與LED發射源之間有障礙物遮擋時，Wi-Fi也可以短時間提供下行傳輸，以保證服務質量（QoS）。由此可以將可見光通信與Wi-Fi進行深入融合，共同組成異構網絡。由屋頂的LED提供其覆蓋范圍內的下行鏈路，組成一個個微微小區，而Wi-Fi提供整個大范圍的覆蓋與上行鏈路。此時可見光通信系統為原有的Wi-Fi系統提供了額外的數據帶寬，將大大提高整個系統的吞吐量[6]。

現有的射頻技術如Wi-Fi等已有成熟的技術標準，經過補充與融合，大都可以作為可見光通信的上行方案，由于原系統下行數據由可見光系統分擔，上行傳輸吞吐量可大幅提高。當可見光接收機處于被遮擋位置時，射頻鏈路可以短暫提供下行傳輸，以保證數據業務的實時性，甚至可以進行深度融合組成異構網絡。然而采用射頻上行方式將會與現有的系統產生干擾，占用已經十分擁擠的頻譜資源;此外，射頻上行會有電磁輻射，將無法用在電磁敏感環境，可見光通信的保密性也會大大減弱。因此，為保持可見光通信的優點，上行鏈路可以回歸光波作為載波，與可見光通信系統構成全光無線通信網絡。endprint

2.2 可見光上行

可見光通信系統下行是利用白光照明LED燈進行數據傳輸，因此上行亦可以利用可見光波段傳輸數據，如圖1（b）所示。在文獻[7]中，作者演示了40個LED陣列作為下行，1個單獨的LED作為上行的時分雙工的可見光通信鏈路。上下行鏈路經過精確同步與添加保護時間間隔后，上下行間和墻壁反射的干擾得到了抑制。時分雙工系統可以靈活地配置上下行和每個用戶的時隙長度，對于非對稱業務有很好的動態靈活性。

與時分雙工相對應，在文獻[8]中，作者展示了波分雙工的可見光雙向通信鏈路。文中的LED為RGB 3色LED，分別在紅（R）、綠（G）兩個通道上加載了32/64QAM-OFDM下行信號，而藍色（B）作為上行通道，加載了32/64QAM-OFDM信號，在66 cm的自由空間中實現了下行575 Mb/s與上行300 Mb/s的傳輸速率。文章指出探測器前端的濾光片能夠很好地抑制不同波長通道間的干擾，因此可以構成可見光波段內的波分雙工系統。但是3色LED只有R、G、B 3個固定通道，無法像TDD方式一樣靈活分配上下行速率。

室內可見光通信下行鏈路利用天花板上固定的照明LED發射信號，是在照明的基礎完成通信，然而當終端也使用可見光作為上行信號時需要利用LED向空間中發出一定強度的光照，有時LED發出的光并不是環境照明所必須的，甚至會對身處其中的人們產生視覺干擾，因此利用可見光作為上行鏈路只能用于某些特殊場景。采用時分雙工或波分雙工的可見光系統更適用于點對點間的雙向通信，在IEEE 802.15.7標準中也提出了利用可見光通信的雙向點對點鏈路形式[12]。

2.3 780～950 nm紅外光上行

采用780～950 nm紅外光的上行鏈路與可見光上行鏈路類似，如圖1（c）所示。780～950 nm紅外光是早期紅外通信技術的主要波段，該波段與硅基探測器的峰值波段相吻合，具有較高的探測效率。紅外LED成本低廉，驅動電路簡單，因此早期的低速紅外通信鏈路多選擇LED而非激光二極管（LD）作為光源，但是紅外LED發光譜較寬，調制帶寬僅有數兆赫茲，可達到的數據速率較低。此外紅外LED發射功率半角大約在15°到30°之間，遠小于可見光LED的發射功率半角，因此光束較為集中[13]，780～950 nm波段內的紅外光與可見光相接近，也是人眼較為敏感的波段，需要嚴格限制發射功率。紅外通信標準主要由紅外數據組織（IrDA）制訂，最早的版本為1996年制訂完善的IrDA通信協議，定義了最高速率為4 Mb/s的半雙工連接標準。之后IrDA又相繼制訂了速率達1 Gb/s的Giga-IR標準。由于受發射功率限制，這些標準定位于移動終端的點對點間的直接傳輸，通信距離大多在1 m以內，難以直接用作室內可見光通信上行鏈路[14]。

在文獻[9]中，GiulioCossu等人使用中心波長在850 nm處的紅外LED作為可見光通信的上行鏈路，以RGB 3色LED中藍色通道作為可見光通信的下行鏈路，該實驗中上下行均采用了離散多音頻調制（DMT），接收端采用雪崩光電二極管（APD）探測器，其前端分別放置了473 nm（帶通10 nm）和805 nm長波通濾光片，構成波分雙工系統，前置濾光片消除了上下行間的干擾，且抑制了背景噪聲，實現了2 m距離間的400 Mb/s雙向通信。

780～950 nm紅外通信受人眼安全以及成本限制，大都采用紅外LED。紅外LED成本低廉，發射機結構簡單，便于移動終端使用。但是受紅外LED調制帶寬限制，上行鏈路速率較低。另一方面，紅外LED光束較為集中，需要進行簡單的瞄準并限制發射功率在人眼安全范圍內，因此終端的移動性與鏈路質量會受到限制。

3 1 550 nm激光上行新方案

在目前的研究基礎之上，我們提出了采用1 550 nm激光作為載波的全新可見光通信上行鏈路方案，與下行的可見光鏈路共同構成一套波分雙工全光通信鏈路，如圖2所示。

相比于780～950 nm波段上行鏈路采用的紅外LED僅有的數兆赫茲響應帶寬，1 550 nm波段的激光器擁有可達數百兆赫茲到數十吉赫茲的響應帶寬[15]，可以達到更高的傳輸速率。1 550 nm波段的探測器為InGaAs材料，相比于硅基的780～950 nm探測器具有更高探測效率，可達0.75～0.95 A/W。此外1 550 nm激光器還具有較窄的譜線寬度，因此在接收機前端可以通過窄帶濾光片將絕大部分背景干擾光濾除。

雖然1 550 nm波段已經遠離可見光范圍，但是對于無線激光上行鏈路，必須考慮人眼安全功率范圍。根據國際電工委員會（IEC）規定，用于上行鏈路的激光器必須為1類或1M類激光產品，對于1 550 nm波段來說，在10 s的接觸時間內，1 000 W/m2為安全接觸量，約是780～950 nm波段接觸量的40倍[16]，因此，1 550 nm波段可以具有更大的發射功率以達到更好的鏈路質量。

上行鏈路可以有直射鏈路、擴散鏈路和散射鏈路3種方案[17]。直接鏈路由激光器直接對準位于屋頂的APD探測器。這種方式光束較為集中，具有很高的能量效率與鏈路質量。然而直接鏈路需要精確的瞄準機制，發射結構會比較復雜。擴散鏈路在激光器前端放置一個光學擴散透鏡，將激光器出射光的功率半角擴散至15°至30°，此時在建立鏈路時，不再需要精確的對準，發射裝置可以得到簡化。以上兩種鏈路都是LOS鏈路，路徑損耗較小，具有較高的能量效率，且背景噪聲很低。與之相對應的第3種是非視距（Non-LOS）鏈路，激光器發出的光并不直接對準接收機，光束經過墻壁或天花板的散射到達接收機，因此無需瞄準機制。Non-LOS鏈路具有很高的魯棒性和移動性，當室內有障礙物或者人員走動產生遮擋時，依舊能保持鏈路暢通。然而Non-LOS鏈路具有較大的路徑損耗，需要在確保人眼安全的前提下，適當增加發射功率，能量效率較低。綜上所述，擴散鏈路具有較高的能量效率，且無需復雜的瞄準結構，較為適用于可見光上行鏈路，下面我們對其進行具體分析。endprint

圖3為1 550 nm激光上行鏈路示意圖，假設在一個6.0×6.0×3 m3的屋子內，接收機位于天花板中心位置。在發射端，激光器經過透鏡進行擴束，用朗伯模型對其進行建模[13]：

[Ro=（m+1）2πcosm?] ? ? （1）

其中[m]與功率半角[?12]的關系為[m=-ln2/ln（cos?12）]。對于是直接鏈路，僅計入LOS鏈路損耗而直接忽略由屋頂和墻壁散射造成的其他多徑光束，因此接收光功率可以表示如下：

其中[ηT]和[ηR]為發射機與接收機光學前端的透過率，[Pt]為發射功率，[A]為探測器的有效接收面積，[ψc]為可視角（FOV），[?]為偏離角，[ψ]為發射機與接收機連線與垂直方向間的夾角。

為提高接收靈敏度，我們采用APD作為探測器，那么接收信號[S]可以表示為：

[S=R2P2rM2] ? ? （3）

其中[R]為光電探測效率，[M]是APD的雪崩增益。

對于LOS鏈路，由于忽略了多徑信號影響，碼間串擾（ISI）同樣可以忽略，因此接收信號的噪聲可以看做是由散彈噪聲和熱噪聲相加而組成的白噪聲，其方差可以表示為：

[N=σ2shot+σ2thermal] ? ? （4）

散彈噪聲由APD探測器引入，其表達式為：

[σ2shot=[2eRPrM2+x+2e（Iamb+Id）M2+x]B ]

其中[e]為電子常數，[x]是雪崩增益因子，[Iamb]是背景光電流，[Id]為探測器的暗電流，B為接收帶寬。熱噪聲由電子的隨機熱運動產生，為簡化處理，熱噪聲可以由熱噪聲密度（[iamp]）與帶寬的乘積來計算：

[σ2thermal=i2amp?B] ? ? （6）

由公式（1）到公式（6）可以得到信噪比的表示為：

根據公式（7）和香農公式，考慮上行發射機位于屋內角落處（0，0 ）處最不利情境下，可得直射點位于天花板不同位置時鏈路的理論容量，結果如圖4所示。仿真所用的參數見表1。

由仿真結果可知：在500 MHz的帶寬條件下，上行鏈路在大約12.3 m2的瞄準誤差范圍內速率可達1 Gb/s，這將與可見光下行系統相匹配，構成全光雙工鏈路。如果進一步擴展激光器的調制帶寬至數吉赫茲，上行鏈路速率甚至可以與下行速率對等達到數吉比特每秒。雖然1 550 nm激光器成本較高，但隨著技術進步，其成本將會逐漸下降至可接受范圍。

4 結束語

以Wi-Fi為代表的室內射頻技術是現有的成熟技術方案，作為可見光通信上行鏈路時，通過與可見光下行鏈路進行協作，大大提高了鏈路總容量。Wi-Fi能夠提供數百兆比特每秒的上行鏈路數據，在一般互聯網業務中，能夠與可見光通信10 Gb/s的下行數據速率相匹配，或進一步與可見光通信進行深度融合組成異構網絡。然而采用射頻上行方案都會引入電磁干擾，且保密性較差，難以體現出可見光通信系統無需占用新的頻譜與保密性好等特點。與射頻對應的光波上行的方案中，可見光上行方案中可見光不再是照明光的一部分，有時會成為視覺干擾，只能用于一些特定場景。而780～950 nm波段的紅外光無視覺干擾，但仍舊靠近可見光波段，人眼對其敏感，因此采用紅外LED作為發射源，受調制帶寬與發射功率限制，覆蓋范圍與傳輸速率有限。在現有研究基礎之上，我們提出采用1 550 nm激光作為載波的全新可見光通信的上行鏈路方案，與下行的可見光鏈路共同構成一套波分雙工全光通信鏈路，初步分析其上行鏈路可達1 Gb/s，與可見光下行鏈路的速率相匹配。1 550 nm激光上行鏈路由于其速率高與保密性好等特點，可以成為可見光通信上行鏈路候選方案之一。

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