室內可見光通信LEDs選擇及調制技術的分析

國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心 張 婧

引言

在室內光通信方面，采用LED為光源的可見光通信對人眼睛的傷害較小，同時能夠達到10W以上的光照功率，使室內通信獲得較高的信噪比。但實際應用該技術時，想要得到均勻的光照度和實現高速率通信，還要做好LEDs的選擇，并加強系統信號調制。因此，還應加強對室內可見光通信LEDs選擇及調制技術的分析，確保該技術優勢得到充分發揮。

1.室內可見光通信技術

在白光發光二極管照明技術取得快速發展的同時，無線光通信技術也隨之發展，促使室內可見光通信技術得以誕生。采用該技術，能夠利用可見光通信發射系統滿足室內照明和通信需求，使通信強度與光照度成正比，保證室內光照度得到均勻分布，同時提供良好通信。相較于其他技術，該技術擁有較高發射功率，同時能夠節約能源，因此得到了廣泛的應用。室內可見光通信技術的核心，在于可見光通信發射系統。從系統組成上來看，室內可見光通信系統由發射端、輸出端、基帶調制、基帶解調、驅動電路、光電轉換、LED陣列和接收檢測器構成。在系統工作時，數據將由發射端輸入，經過調制后進入驅動電路。電路會以較高頻率進行電流調整，利用電流強度變化進行信號強弱調節。經過LED陣列，電信號將被轉換為光信號發射。利用接收檢測器，可以對輻射的光信號進行接收，然后通過光電轉換獲得相應的電信號。經過解調后，可以進行相應數據的輸出。

2.室內可見光通信LEDs選擇

2.1 LEDs選擇問題的提出

在室內可見光通信系統中，LED作用即照明。按照國際照明標準，辦公室內桌面光照度應在300lx-1500lx范圍內，照明度分布越均勻越好，可以為人提供相對舒適的環境。相較于大功率單燈珠，小功率多燈珠照明更加均勻，即LEDs。但是，伴隨著燈珠的增多，由于各燈珠到接收端距離存在差異，所以會產生相應的光程差，導致系統出現碼間干擾ISI。因此在采用室內可見光通信技術時，需要完成LEDs的科學選擇，才能實現LED陣列合理布局。而在實際選擇時，在不同的室內場景下采用可見光通信技術，由于通信LED單元和接收端距離差距大小不同，所以受到的碼間干擾大小不同，還要實現不同的LEDs選擇。現階段，針對室內可見光通信技術，可以劃分為單終端和多終端兩種場景，需要完成各自場景下的LEDs選擇。

2.2 單終端場景下的選擇

在單終端場景下，可以進行位置較近的LED選擇，以便獲得更大的有用照明功率。同時，也應當盡量減小LED與接收端間的距離，以便通過減小干擾提高通信質量。在實際選擇時，可以采用有效比閾值的方法。從信號通信角度來看，每路信號存在積極和消極內容，比值為信號有效比，存在對應的閾值。各路信號由于擁有不同的光程差，達到接收端花費的時間不同，所以積極和消極成分存在一定差異，導致對應的有效比閾值存在差別。利用式（1），可以對LEDs單元有效比VRi進行計算。式中，di指的是單元與接收端距離，post是信號積極部分，nega為消極部分，t0為單元到接收端第一個光路信號到達時間，ti則為第i個光路達到時間，T和c為系數[1]。根據有效比大小，可以確定各LEDs單元參與通信與否。在有效比超出閾值的情況下，單元參與通信，否則不參與。由此可知，將有效比閾值設置的較小，更多的LED單元將參與通信，促使ISI提高，導致系統信噪比下降。設置較大的閾值，則會減少LED單元數量，降低信號有用功率，同樣也會導致系統信噪比下降。因此對于單終端的室內場景來講，想要獲得較好的信噪比，還要完成合適的有效比閾值選取。實際采用該方法進行LEDs選擇時，可以根據用戶所在位置進行有效比閾值的列舉，然后進行最佳信噪比的選擇。

2.3 多終端場景下的選擇

在多終端場景下，采用單終端的LEDs選擇方法，難以實現有效比閾值方案的一一列舉。因為在不同位置，不同終端有效比閾值不同，選取的LEDs也不盡相同，不同終端用戶之間通信會發生干擾，因此難以得到最終的統一結果。針對這一情況，還要完成適合多個終端同時通信的LEDs選擇，即確保所有用戶通信誤碼率不超出10-6，并且各用戶最小信噪比至少達到13.6dB。采用基于進化算法的LEDs選擇方法，可以完成所有終端中信噪比最小用戶的最佳LEDs狀態矩陣K*查找。如式（2）所示，矩陣K的因子為ki，用戶數為N。利用該目標函數，可以實現全局近似最優解的求解。

采用該方法，其實是對生物進化過程中的自然選擇和遺傳機制進行模擬，是趨于全局優化的概率搜索算法，將擁有良好適應性的個體保留下，將差的個體淘汰，確保好的個體向后代遺傳特性。為適應環境，個體將產生發生變異的概率。經過迭代，將得到優良群體。在選擇LEDs，LED的狀態矩陣為個體，即優化對象，不同個體擁有不同LED通信狀態模式。狀態矩陣因子則為個體等位基因，其長為LED單元個數。種群為個體結合，在分析過程中可以設定種群規模固定，從而使優化過程得到一定程度的簡化。為從群體中進行遺傳個體的選擇，同時降低算法復雜性，可以采用輪盤方法選擇算子，即根據個體適應度與種群其他個體適應度和比值進行個體選擇。采用單點交叉方法，可以對個體等位基因進行交叉，完成個體變異操作[2]。為終止算法，需要預先完成總進化代數的設定。

3.室內可見光通信的調制技術

在室內可見光通信方面，除了LED列陣布局為重點，還要加強數據調制。因為想要實現LED驅動，需要對原始二進制比特流進行預處理和編碼調制，才能將電信號轉化為光信號。而目前室內采用的白光LED等LED調制帶寬通常不超出10MHz，導致系統傳輸速率受到了較大限制，因此還要加強調制技術研究。

3.1 正交頻分復用調制技術

在室內可見光通信方面，正交頻分復用調制技術應用較為廣泛，可以獲得較高的頻譜效率，同時降低信號復雜度。采用該技術，可以利用相互正交數字濾波器進行信號調制，無需進行信號復數轉換或借助調制器等完成信號調制。室內可見光通信系統復雜度較低，適用于采用該種調制技術。從技術原理上來看，采用該技術可以結合原始采樣周期信號進行調制信號獲取，即將整形濾波器信號和正交濾波器信號相加。經過光信道傳輸后，可以得到與濾波后信號相匹配的信號。將原始信號進行符號周期編碼，則能得到復數信號，然后實現信號序列采樣分析。通過插入0，則能完成頻譜多次延拓，實現信號同相正交分量的分離，最終得到調制信號。采用該種調制技術，能夠降低信號計算復雜度，并且能夠利用簡單的結構實現信號調制，滿足室內可見光通信需求[3]?，F階段，在可見光通信領域，采用該種調制技術能夠實現可見光通信速率的大幅度提升，在50m范圍內可以達到1.8Gbit/s可見光傳輸速率。聯合采用非線性后均衡技術，則能將速率提升至4.5Gbit/s。因此在室內可見光通信方面，采用該種調制技術可以滿足通信速率要求。

3.2 自適應多載波調制技術

自適應多載波調制技術為新型高效調制編碼技術，在室內可見光通信中應用可以對多徑干擾進行抵抗，保證室內受干擾的通信信號得到可靠接收，所以能夠使信號頻帶利用率得到提高。在做出不同LEDs選擇后，采用該技術也能將高速串行數據轉換為低速并行數據，將各單元信號調制到各子信道上，保證各信道帶寬不超出要求。采用該技術，能夠使信號脈沖寬度得到有效擴展，所以能夠對多徑衰落進行抵抗。采用該技術在信號接收時實現正交信號分離處理，也能使信道間的碼間干擾得到減小。而采用傳統頻分復用技術，在各子載波間，應保持一定的頻率間隔，以免發生串擾，因此將導致系統頻率利用率低下。采用自適應多載波調制技術，可以利用數字信號處理算法完成載波生成和接收，可以使系統結構得到簡化，所以能夠更好的滿足室內光通信需求[4]。在信號調制的過程中，采用該技術將利用自適應比特功率加載算法，結合系統發射二進制相位信號估算載波的信噪比，然后實現比特分配。利用差分接收機，則能對采集的數據進行同步解調，完成信號誤碼率的計算。針對白色LED室內可見光通信系統，采用該技術在1.5m空間內進行信號傳輸時，可以達到2Gbit/s傳輸速率。

4.結論

通過分析可以發現，在室內可見光通信技術應用時，還應完成LEDs的合理選擇，才能保證室內光照度均勻。在此基礎上，想要確保室內通信良好，還要加強調制技術的應用。因此，通過加強對系統LEDs選擇和調制技術的研究，能夠為室內可見光通信技術的應用推廣提供良好的技術支撐。