基于VLC的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究＊

王 濤，胡文芳

（1.青海民族大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，青海 西寧810007；2.西寧市第二十八中學(xué) ，青海 西寧810007）

基于VLC的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究＊

王 濤1，胡文芳2

（1.青海民族大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，青海 西寧810007；2.西寧市第二十八中學(xué) ，青海 西寧810007）

可見光通信(VLC)技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其在室內(nèi)無線信號(hào)接入方面，能夠滿足用戶大數(shù)據(jù)量、高速率獲取的需求，基于VLC的無線局域網(wǎng)應(yīng)用潛力巨大。對(duì)VLC技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及研究成果進(jìn)行了簡(jiǎn)述，對(duì)基于VLC的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)及解決方案進(jìn)行了分析探討，提出在青藏高原地區(qū)發(fā)展應(yīng)用基于VLC的無線局域網(wǎng)具有經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效應(yīng)。

可見光通信；白光LED；無線局域網(wǎng)；電力線通信

1 概述

白光LED具有壽命長(zhǎng)、光效高、無輻射等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)響應(yīng)時(shí)間短，可進(jìn)行高速調(diào)制，從而催生了可見光通信技術(shù) （Visible Light Communication，VLC）。VLC技術(shù)在380～780nm可見光譜段進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,與傳統(tǒng)的射頻通信相比較，有很多優(yōu)勢(shì)：(1)無線電頻譜很多頻段已被占用，可見光頻譜不受使用許可證限制；(2)可見光波長(zhǎng)在定位上具有明顯優(yōu)勢(shì)；(3)收發(fā)器件設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉；(4)VLC可用于對(duì)電磁干擾敏感的特定場(chǎng)合，如飛機(jī)、醫(yī)院等場(chǎng)所；(5)可見光不能穿透建筑墻，安全性高，保密性好。因此，VLC技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，尤其在室內(nèi)無線信號(hào)接入方面，能夠滿足用戶大數(shù)據(jù)量、高速率獲取的需求，基于VLC的無線局域網(wǎng)應(yīng)用潛力巨大。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

日本是可見光通信技術(shù)研究的先行者，2000年日本慶應(yīng)義塾（KEIO）大學(xué)的Tanaka等人率先提出了室內(nèi)VLC技術(shù)[1]。2001年，Tanaka等人對(duì)比了可見光通信系統(tǒng)的OOK-RZ（on-off keying return-to-zero，歸零開關(guān)鍵控）和OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用)調(diào)制技術(shù)[2-3]。2003年，Komine提出了一個(gè)復(fù)用電力線的可見光通信系統(tǒng)[4]。同年，日本成立了可見光通信聯(lián)盟，旨在促進(jìn)可見光通信的產(chǎn)業(yè)化。2009 年，可見光通信聯(lián)盟展出了基于VLC技術(shù)的LED廣告牌。2012年Casio發(fā)布了一個(gè)蘋果應(yīng)用程序，利用該程序用戶可以利用VLC技術(shù)分享照片[5]。

美國(guó)和西歐也十分重視VLC技術(shù)的研究，其中英國(guó)愛丁堡大學(xué)、英國(guó)牛津大學(xué)、德國(guó)不萊梅大學(xué)、德國(guó)海因里希·赫茲通信工程研究所，德國(guó)弗朗霍夫電信研究所等科研機(jī)構(gòu)在提升傳輸速率和增加LED的調(diào)制帶寬等方面取得了許多突破。2008年，美國(guó)政府資助成立“智能照明”項(xiàng)目，投資1.85億美元，為期10年；2011年德國(guó)海因里希·赫茲通信工程研究所設(shè)計(jì)的VLC系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到500Mbps[6-7]。2011年，德國(guó)弗朗和夫電信研究所的Vucic等人利用DMT和QAM技術(shù)，單信道通信速率達(dá)到803Mbps[8]。2012年，意大利的圣安娜高等研究學(xué)院Khalid等人基于 DMT技術(shù)和1024QAM技術(shù)，采用雪崩光電二極管作為接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)了1Gbps的VLC數(shù)據(jù)傳輸最大速率[9]。

我國(guó)VLC技術(shù)的研究起步較晚，大多處于實(shí)驗(yàn)階段。2006年，暨南大學(xué)的陳長(zhǎng)纓、胡國(guó)永等設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的可見光通信系統(tǒng)[10]。2008年，該研究組利用白光LED陣列光源成功實(shí)現(xiàn)4Mb/s帶寬的數(shù)字視頻信號(hào)傳輸[11-12]。2007年，西安理工大學(xué)的丁德強(qiáng)、柯熙政設(shè)計(jì)了四光源最優(yōu)布局方案[13]。2010年5月，在上海世博會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院展示了一套VLC系統(tǒng)，可以同時(shí)接入3個(gè)用戶，傳輸速率2Mbps。2013年，復(fù)旦大學(xué)基于單載波頻域均衡（SC-FDE）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了傳輸速率3.75Gb/s的VLC系統(tǒng)[14]。2015年，我國(guó)“可見光通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”獲得重大突破，實(shí)時(shí)通信速率提高至50Gbps。這些成果表明我國(guó)正在快速邁入可見光通信國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的大舞臺(tái)。

3 需要解決的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 發(fā)射接收模塊及專用芯片的壓縮和產(chǎn)業(yè)化

針對(duì)VLC系統(tǒng)發(fā)送端，需要研究如何設(shè)計(jì)LED光源模塊、LED光源驅(qū)動(dòng)模塊、主控模塊、調(diào)制和編碼模塊、耦合模塊、接口轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)放大模塊等，其中電源設(shè)計(jì)是LED光源驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)，選用合適的主控模塊以獲得穩(wěn)定的電流和電壓變化范圍，是保證LED光源安全工作和穩(wěn)定的關(guān)鍵。

針對(duì)VLC系統(tǒng)接收端，需要研究如何設(shè)計(jì)光電檢測(cè)模塊、主控模塊、信號(hào)放大模塊、濾波與整形模塊、解調(diào)與解碼模塊、接口轉(zhuǎn)換模塊。其中光電檢測(cè)模塊是完成光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵模塊，分別有基于PIN的、基于APD的、基于圖像傳感器的。基于PIN的接收機(jī)響應(yīng)快、靈敏度高、價(jià)格低廉。基于APD的接收機(jī)響應(yīng)更快、靈敏度更高、具有更高的信噪比、但價(jià)格較高。基于圖像傳感器的接收機(jī)響應(yīng)速度較慢、靈敏度相對(duì)較低，但是可以同時(shí)接收來自多個(gè)光源發(fā)送的數(shù)據(jù)。

目前室內(nèi)可見光通信實(shí)驗(yàn)中發(fā)射接收系統(tǒng)非常龐大，還沒有專用芯片組，所以相關(guān)模塊及芯片的壓縮和產(chǎn)業(yè)化，是VLC技術(shù)商用化的的首要難題。3.2 商用LED光源存在的問題及解決

LED是一種固體發(fā)光器件，工藝結(jié)構(gòu)上，通常采用熒光粉LED與紅綠藍(lán)(RGB)LED。熒光粉LED是利用藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生白光，成本和調(diào)制復(fù)雜度相對(duì)較低，但是調(diào)制帶寬也很低。RGB-LED是將紅、綠、藍(lán)三色LED芯片封裝在一起，將它們發(fā)出的光混合在一起得到白光。RGB-LED調(diào)制帶寬高，但成本和調(diào)制復(fù)雜度也相對(duì)較高。商用LED光源更多考慮照明使用，調(diào)制帶寬只有約3～50MHz，給系統(tǒng)容量的提升帶來很大限制，因此，提升LED調(diào)制帶寬也是要解決的關(guān)鍵技術(shù)。可以考慮從LED驅(qū)動(dòng)電路的預(yù)均衡技術(shù)、光源處的藍(lán)光過濾、接收端的后均衡技術(shù)、光MIMO技術(shù)等方面來解決。

3.3 支持高速率的調(diào)制技術(shù)

VLC中用到的調(diào)制技術(shù)有開關(guān)鍵控(OOK)、脈沖寬度調(diào)制（PWM）、脈沖位置調(diào)制(PPM)、多脈沖位置調(diào)制(MPPM)、差分脈沖位置調(diào)制(DPPM)、正交頻分復(fù)用（OFDM）、色移鍵控（CSK）等。OFDM是一種高效調(diào)制技術(shù)，具有頻譜效率高、帶寬擴(kuò)展性強(qiáng)、抗多徑衰落、頻譜資源靈活分配等優(yōu)點(diǎn)，采用OFDM結(jié)合MIMO是VLC目前的研究熱點(diǎn)技術(shù)，但是解決OFDM技術(shù)的自身缺陷仍然是關(guān)鍵問題：例如如何降低其峰均功率比等。適用于VLC中的OFDM技術(shù)主要有ACO-OFDM技術(shù)和DCO-OFDM技術(shù)，可以考慮在ACO-OFDM技術(shù)或DCO-OFDM技術(shù)的基礎(chǔ)上尋求性能更好的改進(jìn)方法。

3.4 電力線通信與可見光通信的融合技術(shù)

電力線通信 (PowerLine Communication，PLC)是指依托電力線及其輸、配電網(wǎng)絡(luò)作為傳輸介質(zhì)的通信技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用。只有將PLC技術(shù)融合到VLC系統(tǒng)中，才能真正將基于VLC的無線局域網(wǎng)推廣應(yīng)用。PLC和VLC兩種技術(shù)相結(jié)合，可構(gòu)建新的寬帶接入系統(tǒng)。PLC的可靠性問題，PLC與VLC的融合技術(shù)，是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，可以考慮將電力線通信中的QCA6410芯片融合到可見光通信系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)兩種技術(shù)的結(jié)合。

3.5 數(shù)據(jù)的雙向傳輸技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)基于VLC的無線局域網(wǎng)，設(shè)備或多用戶的接入是一個(gè)亟待解決的問題。目前VLC 技術(shù)主要解決了下行鏈路。上行鏈路如何更好實(shí)現(xiàn)，還有待研究，解決方案有以下幾種：（1）文獻(xiàn)[15]提出在筆記本或手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備安裝LED燈及調(diào)制、發(fā)射模塊，建立雙向VLC。（2）文獻(xiàn)[16]提出了以RGBLED中紅綠2個(gè)通道作為下行、藍(lán)色通道作為上行的波分雙工(WDD)可見光通信系統(tǒng)。（3）文獻(xiàn)[17]提出不需要對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)設(shè)備做太多硬件升級(jí)，上行鏈路仍然采用無線（Wi-Fi）通信的方式。（4）文獻(xiàn)[18]提出采用下行VLC、上行紅外光通信的方案。

3.6 燈光受阻或無燈光時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸解決方案

當(dāng)室內(nèi)燈光受到陰影影響時(shí)，或者不需要打開燈光時(shí)，VLC系統(tǒng)如何解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}？已提出的解決辦法有：（1）在LED燈不發(fā)光等情況下，研究通過接通弱電流實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)功能。（2）讓W(xué)iFi作為VLC無線局域網(wǎng)系統(tǒng)的補(bǔ)充技術(shù)，當(dāng)燈光信號(hào)被阻擋的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)無縫地切換至射頻通信系統(tǒng)。

4 結(jié)論

作為一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d技術(shù)，VLC技術(shù)在實(shí)用化中還有許多技術(shù)難題需要解決，但不論基于VLC的無線局域網(wǎng)的應(yīng)用面臨什么困難，都不能阻擋這一新技術(shù)的發(fā)展，隨著我國(guó)半導(dǎo)體照明應(yīng)用工程的推進(jìn)，LED燈的應(yīng)用區(qū)域越來越大。在青藏高

原地區(qū)，為落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，為建立一個(gè)節(jié)能環(huán)保，電磁輻射少的高原生態(tài)環(huán)境，需要大力推廣綠色照明，研究和發(fā)展應(yīng)用基于VLC的青藏高原地區(qū)無線局域網(wǎng)，對(duì)維護(hù)低碳環(huán)保、電磁輻射少的高原生態(tài)環(huán)境具有重要意義，將會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效應(yīng)。

[1]Tanaka Y,Haruyama S,Nakagawa M.Wireless Optical Transmissions with White Colored LED for Wireless Home Links.Proceedings of 11th IEEE International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications(IMRC). London∶IEEE Press,2000∶1325-1329.

[2]Komina T,Tanaka Y,Hamyama S,et al.Basic study on visible light communications using Light emitting Diode Illumination [J].Proc.of ISM OT 2001∶45-48.

[3]Tanaka Y,Komine T,Haruyama S,et al.Indoor Visible Communication utilizing Plural White LEDs as Lighting[C].In Proceedings of 12th IEEE International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications(IMRC), San Diego∶IEEE Press,2001∶81-85.

[4]Komine T,Nakagawa M.Integrated system of white LED visible-light communication and power line communication [J].IEEETrans.onConsumerElectronics,2003,49(1)∶71-79.

[5]吳瑕.基于LED的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].華中師范大學(xué)通信與信息系統(tǒng)碩士學(xué)位論文,2014∶2-6.

[6]Grubor J,Langer K D,Lee,S C J,et al.Wireless high-speed data transmission with phosphorescent white-light LEDs [C].33rd European Conference and Exhibition on Optical Communications,2007∶1-2.

[7]Grubor J,D.Efficient signal processing in OF DM-basedindoor optical wireless links[J],J.Netw.,2010,5(2)∶197-211.

[8]Vucic J,Kottke C,Nerreter S,et al.513 Mbit/s visible light communications link based on DMT-modulation of a white LED[J].J.Lightwave Technol.,2010,28(24)∶3512-3518.

[9]Vucic J,Kottke C,Habel K,et al.803Mbit/svisible light WDM link based on DMT modulation of a single RGB LED luminary [C],2011and the National FiberOptic Engineers Conference on Optical Fiber Communication Conference and Exposition (OFC/NFOEC),2011∶1-3.

[10]胡國(guó)永,陳長(zhǎng)纓,陳振強(qiáng).白光LED照明光源作室內(nèi)無線通信研究[J].光通信技術(shù),2006,(7)∶46-48.

[11]傅倩,陳長(zhǎng)纓.改善室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)[J].自動(dòng)化與信息工程,2010,02∶4-7.

[12]駱宏圖,陳長(zhǎng)纓,趙慧珊等.基于白光LED室內(nèi)可見光通信關(guān)鍵技術(shù)[J].光通信技術(shù).2011,02∶32-36.

[13]丁德強(qiáng),柯熙政.VLC系統(tǒng)的光源布局設(shè)計(jì)與仿真研究[J].光電工程,2007,34(l)∶131-134.

[14]Chi Nan,Wang Yuanquan,Wang Yiguang,et al.Ultra-High speed singlered–green–blue light-emitting diode-based visible light communication system utilizing advanced modulation for mats[J].Chinese Optics Letters,2014,12(1)∶1-4.

[15]WANG Y,SHAO Y,SHANG H,et al.Proceedings of Optical Fiber Communication Conference,Optical Society of America, 2013[C].California∶OSA,2013∶OTh1G.3.

[16]Chi N,Wang Y Q,Wang Y G,et al..Ultrahigh-speed single red-green-blue lightemitting diode-based visible light communication systemutilizing advanced modulation formats [J].Chin OptLett,2014,12(1)∶010605.

[17]COSSU G,CORSINI R,KHALID A M,et al.Proceedings of Optical Fiber Communication Conference,Optical Society of America,2014[C].California∶OSA,2014∶Th1F.2.

[18]LANGER K D,VUI J.Proceedings of 11th International Conferenceon Transparent Optical Networks,2009[C].Azores∶IEEE,2009∶1-6.

TN929.1

教育部“春暉計(jì)劃”科研項(xiàng)目（Z2014013）。