可見光通信的多接入及應用發展

張 穎，王彥生

(西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048)

可見光通信的多接入及應用發展

張 穎，王彥生

(西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048)

可見光通信作為一種新興的綠色健康的通信方式，得到了廣泛關注。憑借其獨特的優勢，未來可見光通信必定是一種在各個領域大放異彩的可靠的通信方式。分析了多用戶檢測對多接入的可見光通信多址干擾的抑制作用，以及OFDM對多徑干擾的抑制作用。列舉了當下研究熱門的可見光應用場景，如：水下可見光通信、煤礦井下報警預警系統、室內定位等，希望為未來可見光通信的研究提供一定的參考。

可見光通信；多址干擾；水下可見光通信；室內定位

Abstract: Visible light communication as a kind of green and healthy new emerging communication mode has been gained comprehensive attention.In the future, with its unique advantage it must shine in all fields as a reliable way of communication. This paper analyzes the inhibitory effect of multi-user detection to multi-access visible light communication multiple access interference, and inhibition of OFDM to multipath interference. It enumerates the current research hot visible application scenario, such as visible light communication underwater and indoor positioning. We hope to provide certain reference for the future study of visible light communication.

Key words:visible light communication; multiple access interference; visible light communication underwater; indoor positioning

0 引言

自從2000年可見光通信(Visible Light Communication,VLC)的概念被提出以來，借助著白色發光二極管(LED)光源的發展以及自身獨特的優勢而迅速發展。目前，國內外研究機構投入大量人力物力對可見光通信技術開展研究[1-2]。因為有限的調制帶寬，起初可見光通信的傳輸速率僅為幾十kb/s，到現在發展到幾十Gb/s，之所以發展如此迅速，主要原因有：可見光是利用LED發出的光源，在兼顧照明的同時進行高速通信。白色發光二極管(LED)面世后，發光效率逐步提高，其應用領域逐步從顯示擴展到照明。與傳統的照明設備相比，白光LED具有驅動電壓低、功耗低、使用壽命長等優點[3-4]，是一種綠色環保的照明器件，被視為第四代節能環保型照明設備。由于白光LED具有很高的響應靈敏度，因此可以被用于進行高速的數據通信。可見光通信是在白光LED技術上發展起來的一種新型的無線光通信技術。并且可見光通信具有高速率性、無電磁輻射、高密度、低成本、頻譜豐富、高保密性等技術優勢，能夠在一些無法使用射頻傳輸的場合，如飛機機艙、醫院、井下石化工廠及軍事應用場合等發揮它的作用，保障這些電磁嚴苛區域的信息傳輸安全。隨著科技進步，無線頻譜資源被日益耗盡。可見光通信頻段在400 THz～800 THz之間，比目前的無線射頻通信頻段高出近一萬倍，所以可見光通信搶占空白頻譜資源，有效利用資源，可以與現代無線通信相互補充與兼容，對于緩解日益緊張的頻譜資源具有重大的意義。

1 可見光通信相關技術

1.1 OFDM調制技術

正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)是一種比較高效的調制技術，它能有效地抑制多徑干擾。可見光通信由于是通過LED光源進行信息的傳輸，光源易受物體的反射，形成多徑干擾。OFDM技術適宜應用到可見光通信。圖1為OFDM調制系統框圖。

圖1 可見光OFDM調制系統框圖

OFDM技術基本原理是將高速串行的數據流分成多路相對低速的并行數據流，調制到每個子信道上并行傳輸，這樣每個子信道的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道可以將其看成是平坦性衰落。這種并行傳輸大大擴展了符號的脈沖寬度，提高了系統的抗多徑衰落的能力。文獻[5]中采用OFDM調制方式，成功實現了VLC連接，在1.5 m自由空間傳輸時達到2.0 Gb/s。

1.2多接入可見光通信多用戶檢測技術

目前，可見光通信的研究主要聚焦于點對點的通信研究，一方面從LED結構、驅動電路設計等方面拓展LED有限的調制帶寬，目前較為廣泛使用的熒光粉LED的調制帶寬不足10 MHz，所以提高調制帶寬是研究者們的主要研究點。另一方面通過優化調制、編碼方式并結合高靈敏的接收技術來克服因多徑傳輸帶來的碼間干擾問題，在兼顧LED照明的同時提高VLC系統的信息傳輸速率，增大信息傳輸距離。

隨著可見光通信的發展，多接入的形式勢必會成為新的發展方向。光碼分多址(OCDMA)是將碼分多址(CDMA)與光通信技術相結合的一種通信方式，可以實現多個用戶同時接入同一信道。由于可見光屬于非相干光，因此只能使用單極性的擴頻碼進行擴頻，單極性的擴頻碼相較于雙極性的擴頻碼相關性能較差，存在嚴重的多址干擾。考慮同步的情況下，假設用戶數為M，所有用戶地址碼具有單位能量，則接收機的輸入信號為：

(1)

式中，λk、bk、ck分別表示發送光功率、發送信息比特值及該用戶k的擴頻碼字，λn為背景光噪聲功率。經傳統解擴輸出為：

(2)

由式(2)可以看出，若不同用戶之間的擴頻碼字相互正交，即ρmk=0，多址干擾項就為0，也就不存在多址干擾，所以消除多址干擾的根本方法是找到完全正交的碼字或者盡量正交的碼字。但是找到完全正交的碼字構造較為艱難，較為積極的辦法就是多用戶檢測。

多用戶檢測[6]即將所有的用戶信息均看做有用信息，利用其他信息對目標用戶信息進行數據解調。接收端采用多個相關接收機和相應的擴頻碼進行相關接收，多用戶檢測器的輸出就是包括目標用戶在內的所有接收到的估測各用戶的數據比特。對于靜態環境下的可見光通信，在信道環境穩定的情況下，解相關檢測[7]和最小均方誤差[8-9](MMSE)檢測即能達到通信要求。從圖2中可以看出經過解相關檢測以及MMSE檢測之后，誤碼率有明顯改善。

而在復雜的通信環境之下，自適應的盲多用戶檢測是有效的方法。可以根據系統信道的突變情況及時調整信道參數，快速收斂到最佳狀態。從圖3中可知，在第1 000次迭代時突然出現強干擾，盲多用戶檢測能使信干比快速收斂到最佳狀態，從而抑制多址干擾。

圖2 解相關和MMSE檢測

圖3 自適應盲多用戶檢測

2 可見光通信主要應用

可見光通信憑借其獨特的優勢而在不同場合的應用中大放異彩，目前水下可見光通信技術、煤礦井下可見光通信技術、室內定位等方面都取得了一定的研究成果。

2.1水下可見光通信

由于傳統無線射頻通信信號在水中衰減嚴重，藍光在海水中具有良好的傳輸特性，使得可見光通信在水下的優勢比較明顯，引起了廣大研究者們的興趣。文獻[10]提出了一種基于藍光LED的水下雙向通信測試系統的設計方案，完成了系統的硬件設計，并且進行了有效的水下實驗。其水下系統結構圖如圖4所示。水下可見光通信在5 m的距離內實現了雙向可靠通信，為以后水下可見光通信打下了基礎。

圖4 水下可見光雙向通信系統結構框圖

文獻[11]分析了光束在海水光學信道中的吸收特性和散射特性，根據不同波長下的不同雜質和不同雜質濃度下的信道衰減特性，建立了激光信號海水信道傳輸模型。水下可見光通信技術發展迅速，為海洋環境監測和軍事需要提供了理論支持。水下可見光通信提高了水下通信的可靠性，是未來可見光通信發展的一個重大方向。

2.2煤礦井下的可見光通信

由于煤礦井下的環境特殊性，沒有外界背景光的干擾，給井下可見光通信提供了獨特的優勢。文獻[12]將可見光通信、紅外通信及電力線通信技術相結合，構建了煤礦井下的可見光通信系統，實現了井下人員定位、上行報警和下行廣播預警等功能。與原有的井下通信定位系統相比，井下可見光通信提高了傳輸可靠性，保證了井下人員的安全。其接入設備和移動設備的通信過程如圖5所示。

圖5 井下定位系統接入設備和移動設備通信過程

2.3室內定位[13]

由于室內面積小、非直達抑制算法復雜、成本相對較大、定位精度偏低等因素，傳統無線定位系統并不是室內定位的最佳選擇。可見光通信技術憑借其綠色健康、成本低廉、光源直達等優勢，在室內定位系統領域具有良好的發展前景。從目前國內外關于VLC定位技術的研究現狀來看，其主要有以下幾種方法。

2.3.1幾何定位法

幾何定位法主要有三邊定位法、三角定位法和雙曲線定位法，下面主要闡述三邊定位法。三邊定位法就是首先選取三個不在同一直線上的參考點，測量待測點到三個參考點的距離，以參考點為圓心，以測量距離為半徑作出三個圓的交點就是待測點,如圖6所示。

圖6 三邊定位

對于距離的測量方法有信號到達時間(Time Of Arrival,TOA)、信道到達時間差(Time Difference Of Arrival,TDOA)、信號往返時間(Return Time Of Flight,RTOF)、信號強度(Received Signal Strength,RSS)。

TOA測量信號到達的時間t通過公式R=c·t可得到，然后通過公式(3)可得待測點。

(3)

可見光通信信號通常采用強度調制直接檢測。接收端可以利用光電檢測器對信號的能量進行檢測，將其與特定環境下的傳輸損耗模型相對應，從而計算出距離，故RSS方法也適應于可見光通信。

2.3.2圖像傳感器成像法

圖像傳感器成像法[14]的示意圖如圖7所示。平行于圖像傳感器加入一面透鏡，根據圖中幾何關系可由式(4)所示方程組計算得到待測點位置坐標。

圖7 圖像傳感器成像法示意圖

(4)

式中，f是透鏡的焦距，mij(i,j=1,2,3)是旋轉矩陣M的元素，可由式(5)中方程組確定，入射光與x、y、z軸所形成的角度分別為ω、φ、θ。

(5)

通過公式(4)、(5)可得出待測點坐標，從而完成定位。

3 結論

可見光通信技術已經成為人們研究無線通信領域的一個新的突破點，未來多接入的可見光通信勢必進入到各家各戶。本文對多接入的可見光通信消除多徑干擾及多址干擾進行了簡單的探討。OFDM調制能較好地抑制多徑干擾。在靜態和動態的通信環境下分析了不同的多用戶檢測技術的應用對多址干擾的抑制性能。對于以后的多接入可見光通信起到一定的借鑒意義。列舉了熱門的可見光通信應用場景，比如：水下可見光通信、煤礦井下報警預警系統、室內定位等應用。特別是可見光對于水下通信的優勢，藍光衰減緩慢，水下可見光通信勢必會成為日后研究的一大重點。

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The multiple access and application development of visible light communication

Zhang Ying, Wang Yansheng

(Faculty of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

TN929.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.18.006

張穎，王彥生.可見光通信的多接入及應用發展[J].微型機與應用，2017,36(18)：18-21.

2017-03-25)

張穎(1982-)，女，博士，講師，主要研究方向：可見光通信，Ad Hoc網絡拓撲等。

王彥生(1990-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：可見光通信多址干擾消除。E-mail：1377283162@qq.com