室內可見光通信調制與解調技術的研究進展

(重慶三峽學院 電子與信息工程學院，重慶 404100)

0 引 言

近年來，發光二極管(Light Emitting Diode，LED)的廣泛應用及其功能的日趨完善，給人類社會帶來了翻天覆地的變化，其影響已經滲透到人們日常生活的各個領域。與傳統的白熾燈相比，LED具有發光效率高、能耗低、壽命長和成本低廉的優勢，因此世界各國開始啟動了白熾燈淘汰計劃，LED成為下一代照明技術已是大勢所趨。與此同時，LED還具有調制性能好和響應速度快的特性，基于LED的可見光通信(Visible Light Communication，VLC)系統正逐步引起研究人員和業界的關注[1-2]。

VLC最早由德國物理學家Harald Hass提出，他指出VLC系統的重要特征是：利用LED的快速響應特性可實現信號的高速調制和發送。室內VLC(Indoor VLC，IVLC)系統不僅能夠滿足日常照明要求，還支持室內信息數據的收發和傳輸。與傳統的WiFi和藍牙等室內短距離無線通信技術相比，IVLC系統具有如下技術優勢：(1) 頻譜資源豐富，無需申請頻段使用執照；(2) 電磁輻射極小，使用過程綠色安全；(3) 收發信號過程不易受其他種類電磁波干擾，保密性好；(4) 傳輸速率高，可用帶寬大，符合未來無線通信的發展要求。

目前，世界各國正在推動第五代(5G)移動通信產業化工作，其中一個關鍵要求是必須實現更高的數據傳輸速率；當前VLC系統樣機最高可達到1～10 Gbit/s的傳輸速率，超越了5G移動通信系統對無線數據傳輸速率的要求，已經引起國內外研究人員的極大興趣，成為了當前無線通信領域研究的關鍵技術之一。為了提高IVLC系統中信號的收發性能和傳輸速率，選擇合適的調制解調技術尤為重要。國內外大量研究人員在IVLC系統中嘗試了各種調制與解調技術的仿真或實驗研究，從最開始的開關鍵控(On-Off Keying，OOK)、脈沖幅度調制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)以及脈沖位置調制(Pulse Position Modulation，PPM)等技術，到近年來備受研究人員青睞的正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)、無載波幅相調制(Carrierless Amplitude-Phase，CAP)和離散多音調制(Discrete Multi-Tone，DMT)等技術都從不同程度上提升了室內無線信號的傳輸速率和頻帶利用率[3-9]。

本文闡述了IVLC系統的一般模型，著重介紹了我們搭建過的系統模型和研究廣泛的若干新型調制解調技術(OFDM、CAP和DMT技術等)，從提升IVLC系統調制帶寬的角度考慮，還依據香農公式分析了多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技術，并對IVLC系統在未來應用中的發展趨勢和所面臨的挑戰進行了分析。

1 系統模型

設計或搭建一個IVLC通信系統，首先需要對該系統進行建模。面對室內較為復雜的下行傳輸鏈路，為方便開展相關研究工作，早期研究人員一般只考慮視距鏈路或一次反射徑下行鏈路傳輸光載無線信號的情況。我們構建了以LED作為光源，實現音頻信號無線傳輸的IVLC系統，如圖1所示。實驗結果表明，在接收靈敏度>-32 dBm時，接收光載無線信號的誤碼率(Bit Error Ratio，BER)<1×10-6，如圖2所示[10]。

圖1 端到端的IVLC仿真系統

IVLC系統主要由光發射機(Transmitter，Tx)、信道和光接收機(Receiver，Rx)3部分組成，其一般系統模型如圖3所示[11-12]。原始的二進制數據流經過預處理和調制之后加載到LED上，并對LED進行強度調制直接檢測(Intensity Modulation/Direct Detection, IM/DD)，將電信號轉換為光信號進行傳輸。光信號經過信道傳輸后到達Rx，Rx中的PD將光信號轉換為電信號。最后對接收電信號進行解調及解碼，從而恢復為原始數據信號。我們前期分析了在單徑和多徑瑞利信道中可見光信號的收發特性，研究了基于白光LED作為光源，采用瑞利衰落信道傳輸以及應用3種不同基于正交幅度調制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)生成的OFDM(QAM-OFDM)信號的IVLC系統。實驗結果證明，在同一收發系統中，可見光QAM-OFDM信號調制階數越高，其BER性能越差。在相同調制階數和接收信噪比(Signal Noise Ratio，SNR)的條件下，單徑瑞利衰落信道下的BER性能低于二徑瑞利衰落信道。在實際應用中，相比于16QAM-OFDM信號，8QAM-OFDM信號具有更高的頻帶利用率，并且在收發端的數字信號處理過程中更容易實現[13]。

圖3 IVLC系統模型

2 VLC系統中的調制與解調技術

為改善VLC系統的傳輸性能，近年來研究人員嘗試了多種調制技術。Kwon等人使用OOK減輕VLC系統中由于調光引起的性能衰減，他們所提出的方案優于現有的時分復用方案[14]；Zhang等人將多LED相移開關鍵控(Multi-LED Phase-shift OOK，MP-OOK)調制應用于并行傳輸，使得帶寬效率為傳統OOK調制的n倍(n為LED的數量)，MP-OOK具有比其他高階調制格式更好的抗非線性性能[15]；Li等人使用PAM方案針對VLC系統實現預均衡，與NRZ碼調制相比，PAM方案可以帶來更高的頻譜效率[16]；Biagi等人將MIMO技術與PPM相結合，可以在不降低鏈路可靠性的情況下提高數據速率[17]。

隨著大數據時代的到來，大數據接入對通信帶寬的需求日益劇增，個人大數據業務應用需求也日益加劇。為進一步提高IVLC的傳輸速率和系統性能，需要引進更加先進的調制技術。當前應用最廣泛的調制技術主要包括OFDM、CAP和DMT技術等。

2.1 OFDM調制與解調

OFDM技術是一種能夠高效利用帶寬資源的調制技術，屬于多載波調制技術中的一種。OFDM技術可以有效地抵抗多徑干擾，在保證系統傳輸可靠性的同時大大提高頻帶利用率。OFDM的基本原理是將一個高速數據流轉換為多個低速子數據流，以并行方式在多個相互正交的子載波上傳輸。每個子信道可看成平坦型衰落，可降低或消除碼間串擾(Inter Symbol Interference，ISI)。OFDM系統框圖如圖4所示。

圖4 OFDM系統框圖

早在2001年，中川實驗室的研究人員就討論了在VLC系統中引入OFDM調制方式的必要性[18]。但由于VLC信號具有非負性，雙極性OFDM信號不能直接加載到LED上，于是研究人員提出多種新型基于LED的OFDM調制技術，例如非對稱限幅直流偏置光OFDM(Asymmetrically Clipped DC-Biased Optical-OFDM，ADO-OFDM)、直流偏置OFDM(DC-Biased Optical-OFDM，DCO-OFDM)、基于哈特利的單極性OFDM、離散余弦變換OFDM和非對稱與對稱限幅光OFDM等[19-24]。2015年， 牛津大學研究團隊采用bit-loading OFDM技術以及三色波分復用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)VLC信道，實現了10.4 Gbit/s的數據傳輸[25]；2016年，Figueiredo等人利用DCO-OFDM技術設計了一個傳輸速率為50 Mbit/s、傳輸距離為0.5 m的VLC系統，其BER<3.8×10-3[26]；2017年，Islim等人同樣采用DCO-OFDM技術，將VLC系統傳輸速率提高至了11.12 Gbit/s[27]。

2.2 DMT調制與解調

DMT技術相比于OFDM技術最主要的不同在于如何將信號調制到可見光載波上。在IVLC系統中采用OFDM技術進行調制時，需先將信號序列進行逆離散傅里葉變換(Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT)，然后再經過數字載波調制后才能加載到可見光載波上。而DMT技術在進行IDFT之前已經對信號進行了對稱變換延長，使其序列具有共軛對稱性。根據傅里葉變換的對稱原理，具有共軛對稱性的序列，其傅里葉變換或逆傅里葉變換后必定為實數序列。因此，經過DMT調制之后的序列，只需再經過直流偏置就可以將信號加載到可見光載波上[28]。

DMT技術作為一種基于OFDM調制解調方式的改進技術，也可以實現矢量信號的實數光電調制與解調過程。該技術具有OFDM技術的一般特點，不僅能夠提高頻帶利用率，還可抵抗多徑衰落和ISI，因而DMT技術可以有效保證IVLC系統的穩定性。采用DMT技術收發OFDM光載無線信號的過程如圖5所示。

圖5 DMT調制與解調過程

2012年，Kottke等人設計了一種基于DMT調制技術的VLC系統，其傳輸速率可達806 Mbit/s；之后，該團隊將WDM和DMT技術相結合，實現了第1條基于三原色共同交集成像LED(Red-Green-Blue LED，RGB-LED)的Gbit/s級鏈路，傳輸速率達到1.23 Gbit/s，BER為2×10-3[29-30]；同年，Khalid等人利用DMT技術設計了一種千兆級IVLC方案，信號傳輸速率最高可達3.4 Gbit/s[31]；2018年，復旦大學研究團隊采用DMT技術和預/后均衡的技術，設計了一種傳輸速率為10.72 Gbit/s、傳輸距離為1 m的VLC系統[32]。

2.3 CAP調制與解調

CAP調制技術是一種新型多維多階調制技術，最早在1975年由貝爾實驗室的研究人員提出，具有較高的頻譜效率以及較低的復雜度，目前廣泛引起業界的研究興趣[33- 35]。CAP調制技術以QAM技術為基礎，主要解決了QAM技術難以實現的問題。相較于傳統的QAM或OFDM技術，CAP調制技術采用一對具備正交性的數字濾波器對基帶信號進行脈沖成型生成兩路實信號疊加之后進入信道。與OFDM技術相比，CAP調制不需要進行離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform，DFT)，極大地減少了計算復雜度和簡化了系統結構，因此CAP調制更適用于低復雜度的室內無線通信系統。CAP調制與解調過程如圖6所示。

圖6 CAP調制與解調過程

2015年，復旦大學的研究人員利用基于Volterra技術的盲均衡技術來拓展LED的帶寬，并在此基礎上實現了64CAP的離線傳輸實驗，傳輸速率為3.25 Gbit/s。由于不采用訓練序列，該系統大大地提高了頻譜利用率。同年，他們使用級聯的線性和非線性混合后均衡技術，成功實現了8 Gbit/s的VLC信號傳輸[35]。

2.4 MIMO技術

在IVLC系統中，由于LED的調制帶寬有限，僅采用不同的調制技術來提升系統性能還遠遠不夠，還需引入其他技術以增強IVLC系統的性能。此外，由于IVLC系統不僅要滿足室內數據的接入與傳輸，還需要提高室內照明亮度和范圍，依據香農公式，通過增加覆蓋單元數量、信道數量、帶寬以及SNR可提高信道容量。因此，基于信道數量增加的MIMO技術成為了最直接有效的改進技術[36- 39]。

式中：Csum為信道容量；Cells為覆蓋單元數量；Channels為信道數量；Bi為帶寬；Pi為信號功率；Ni為噪聲功率。在基于MIMO技術的IVLC(MIMO-IVLC)系統中，利用多個LED陣列和多個PD來改善系統性能，提高了系統的安全性和其安裝的便利性。圖7(a)所示為一種典型的4×4 MIMO-IVLC系統模型。該系統采用4個LED陣列傳輸4組不相關數據(同時兼顧室內照明)，然后由4個PD組成的接收陣列接收每個LED陣列所發送出的光信號。系統的工作原理如圖7(b)所示。

圖7 4×4 MIMO-IVLC系統模型及其工作原理

早在2009年，Zeng等人就提出了一種成像MIMO系統，數據傳輸速率可達到幾百Mbit/s，特殊情況下可達到Gbit/s級[38]；2013年，Chen等人研究了一種預編碼多用戶MIMO-IVLC系統，在發射機中進行預編碼之后，不同用戶的數據由多個LED陣列發送，從而能夠消除多用戶之間的干擾，其實驗證明，當單個LED的功率>10 mW、BER=10-6時，室內大范圍的傳輸速率可達100 Mbit/s[39]；2015年，Nuwanpriya等人提出了兩種新穎的使用角度分集接收機的設計來構建MIMO-IVLC通信系統，實驗表明，采用角度分集技術構建的MIMO-VLC系統具有很好的性能[40]；2018年，Chen等人利用非正交多址(Non-orthogonal Multiple Access，NOMA)技術提升了多用戶MIMO-IVLC系統的傳輸速率。實驗結果表明，采用NOMA和歸一化增益差功率分配方法可以顯著提高MIMO-IVLC系統的傳輸速率[41]。

2.5 小結

在IVLC系統的發展歷史中，為提高系統性能，已經有大量研究人員在IVLC系統中嘗試了多種不同的調制解調技術，從最開始的OOK、PAM和PPM等技術，到目前廣泛應用的OFDM、DMT以及CAP等技術。前幾種調制技術的實現方式簡單，可以滿足低速率要求，但都有各自的弊端。比如，在OOK方案中，系統速率嚴重受限，系統也不夠靈活[12]；PAM技術對接收機的靈敏度要求較高，實現較困難；PPM技術雖然可以帶來較高的功率效率，但是會限制系統的吞吐量，在增加調制階數的情況下甚至還會降低帶寬效率[42]。而當前應用廣泛的OFDM和DMT等多載波調制技術不僅可以提高頻帶利用率，還能有效抵抗多徑衰落和ISI，系統的穩定性更好，并且相比于OFDM技術，DMT技術可以直接將已調信號加載到可見光載波上進行傳輸，可以更好地利用系統的調制帶寬；CAP技術相比于前兩種多載波調制技術，具有技術簡單、不需復雜的IDFT/DFT、峰值比更低和更高的頻帶利用率等諸多優勢，但CAP技術不具備前兩者的多載波特性，無法根據信道特性自適應地選擇編碼方式，靈活性相對較差[43]。

在IVLC系統中采用不同的調制技術可以在一定程度上提高系統的性能，但并不能很好地適用于所有場景，因此研究人員還研究了一些解決特定問題的調制解調方案。比如，由于IVLC信道與無線信道相比具有較大的信道相關性，傳統的MIMO技術難以滿足通信系統的性能需求，因此Mesleh等人提出了一種可應用于IVLC系統的空間調制(Spatial Modulation,SM)技術，在提高系統頻譜效率的同時還可以避免MIMO-VLC系統中的信道干擾[44]；此外，由于雙極性OFDM信號不能直接加載到LED上，為了保證VLC信號的非負性，研究人員還提出了基于VLC的ADO-OFDM和DCO-OFDM等調制技術，而這些技術對于接收端的硬件復雜性要求較高，系統實現困難，因此Fernando和Tsonev等人在此基礎上繼續研究，相繼提出了一些基于負信號翻轉調制策略的Flip-OFDM調制技術、基于極性編碼策略的單極性OFDM調制技術和增強型單極性OFDM調制技術等[45-46]。這些改進后的調制方案都可以在一些特定的情況下提升系統性能。

3 發展趨勢及面臨的挑戰

由于可見光不能穿透墻壁或不透明的障礙物，因此VLC系統的保密性得到保障，可以有效地防止信息的泄漏。同時，室內LED光功率在滿足人眼安全規定的情況下實現數據傳輸，相比于其他無線傳輸方式更加綠色健康。IVLC技術可以在滿足日常照明的同時實現室內數據接入，因此可以作為未來室內無線接入技術的一種補充。截止至2020年，中國的數據總量將占到全球總量的21%，大數據接入作為寬帶通信發展戰略的關鍵技術對通信帶寬的需求劇增[42]。依據現有發展趨勢，傳統的室內通信系統將無法滿足多種類大數據終端業務的接入部署需求。傳統無線通信(WiFi、紅外通信和藍牙)信號在傳輸過程中，傳輸速率低、收發質量差和耗費成本高。而IVLC系統成本相對更低，且可以支持更高速率、更大帶寬的大數據傳輸和接入，部署簡單快捷，只要有LED燈就能實現室內無線通信過程，可作為未來的智能家居數據傳輸技術之一。

然而，由于LED中固有的帶寬和對應接收光載無線信號的硅基探測器靈敏度的限制，以及室內空間障礙物對信號傳輸的影響，IVLC技術最終走向實用依舊面臨著許多挑戰。我們需要考慮解決的相關問題是：(1) 基于LED調制生成的VLC信號高頻部分衰減嚴重，響應帶寬較窄；(2) 硅基探測器在紅外波段敏感，藍光波段接收信號靈敏度較低；(3) 收發天線端需要透鏡組支持，會使得系統體積較大，不利于集成；(4) IVLC系統作為獨立通信體系，需要大量光電器件，接口配置較難。

在IVLC系統中，除了可以采用不同的調制解調技術或MIMO技術等方式提升系統性能之外，未來還可以嘗試在很多其他方向展開研究。比如，運用均衡技術可以有效地擴展VLC系統調制帶寬；采用高階調制格式也可以提高系統傳輸速率，但對接收機的靈敏度要求也會提高，因此研究人員也可以對應用于VLC系統中的器件材料(如LED材料和PIN材料等)進行研究；IVLC系統作為獨立通信體系，將需要大量的光電器件，所以未來的發展方向也將會朝著高度集成化演進。

4 結束語

20余年來，IVLC技術憑借自身的獨特優勢，已經迅速發展成為當前室內無線通信領域研究的熱點。其原因是，IVLC系統不僅節約能源，還可以有效緩解室內無線頻譜資源日趨緊張的問題。在即將到來的5G時代，基于LED的IVLC系統將與射頻通信和毫米波通信等多個波段之間協同實現全波段通信集中架構無線網絡，以滿足目前室內大數據接入的高速率要求，而通過對調制解調技術開展持續探索，也將進一步提升室內無線通信接入信號的調制帶寬、傳輸速率和接收靈敏度，具有重要的研究意義。我們相信，在未來的5G時代，IVLC技術將與WiFi、藍牙和蜂窩移動(4G和5G)等通信技術融合并互為補充，在航空、航海、高鐵、地鐵、室內導航和井下作業等領域帶來創新應用和價值體驗。