《可見光通信》的教學研究與實踐

李苑青 蔣宇飛

摘? 要：可見光通信作為一門通信工程專業的選修課，代表了通信的前沿技術，目前在國內專門開設這門課程院校不多。本課程采用理論加實驗的教學模式，旨在提高學生的歸納總結能力、數學建模能力、解決實際系統問題的能力，梳理通信專業的體系結構。在可見光通信課程的教學實踐中，對課程內容進行了合理的規劃，適當安排課時，梳理了課程的重點和難點。從概括到具體、從理論到仿真、從模擬到驗證，充分發揮學生的自主性、參與性和創新性，既加強了學生的數學模型推導能力又鍛煉了學生的算法實踐能力，實踐中得到了學生的好評。

關鍵詞：可見光通信;VLC;Lifi;通信課程教學研究;可見光通信實驗

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）05-0149-04

Abstract： Visible Light Communication as an elective course of communication engineering major， represents the frontier technology of communication technology. This course adopts the teaching mode of theory and experiment， aiming at improving students' ability of induction and summary， mathematical modeling and solving practical system problems， and sorting out the architecture of communication major. In the practice of "Visible Light Communication" teaching， the plan of course content is reasonable， the arrangement of class is appropriate， with combing the emphasis and difficulty in the course. From generalization to concrete， and theory to simulation， as well as the simulation to verify， the course gives full play to the students' autonomy， participation and creativity， which is aiming to strengthen the students' ability of mathematical model derivation and practice ability exercise the student's algorithm， that got the praise of the students in practice.

Keywords： Visible Light Communication; VLC; Lifi; research on communication course teaching; experiment of VLC

一、可見光通信課程開設的必要性

可見光通信（Visible Light Communication，VLC）采用LED作為光源，利用LED的高速明暗閃爍進行信息傳輸，是通信與照明的深度耦合[1]，目前，國內專門開設可見光通信選修課的院校不多。

（一）可見光通信的特點

可見光通信的概念在2000年提出之后，迅速獲得了世界各國的關注和支持，通常被稱為Lifi與Wifi進行比較，2011年更被《時代雜志》評為全球50大科技發明之一。從提出VLC的概念到現在，短短二十年間該技術得到了迅猛的發展。傳輸速率從10Mb/s的數量級提升到50Gb/s，從離線傳輸發展到實時傳輸，從低階調制發展到高階調制，從點對點傳輸升級到MIMO，技術發展日新月異。隨著LED器件和APD器件的不斷升級和相關算法的持續完善，可見光通信作為一種兼具照明和通信兩種功能的新模式，成為了通信行業發展的最具開創性的亮點和突破點之一。

由于可見光通信技術具有明顯的特點，國內外對其傾注了極大的熱情，使得其技術的發展一日千里，幾乎時時有新的突破。正是由于可見光通信技術的應用領域多樣，用戶數量巨大，具有很好的發展情景[1]。因此，在通信工程專業開設可見光通信的專業課程是十分必要的，有利于學生跟上時代發展的潮流，站在無線通信趨勢的前沿陣地。

（二）與無線通信課程的區別和聯系

無線通信是依靠自由空間來傳輸電磁波的通信方式，其信道模型研究比較成熟，信道的隨機時變和各種擴散（頻率擴散、時間擴散、角擴散）造成了各種選擇性衰落（時間選擇性衰落、頻率選擇性衰落、空間選擇性衰落），對抗各種衰落是無線通信系統的關鍵。本質上來說，可見光通信屬于無線通信的一種形式。可見光通信不同其他通信的特點在于，首先LED可見光通信為新興通信系統，其信道模型尚未完全確定，信道模型測量和建立處于探索階段，目前有了初步的研究。其次，LED存在限制帶寬，由于可見光本身的光源特性，LED的響應與信號傳輸速率相關。這兩個方面的特點，決定了可見光通信在信源編碼、信道建模等方面與其他通信方式在數學推導上的不同，但是其通信系統的基本構成與其他通信系統基本無異。

二、可見光通信的教學規劃

（一）課程內容規劃

課程的具體安排如下圖：

根據接受程度和實驗條件，課程可分為理論教學和實驗仿真兩部分，課時各一半。課程講述從概括到具體、從理論到仿真、從模擬到驗證。首先簡單概括的介紹LED、可見光通信到重點技術細節，掌握重要技術細節、推導數學過程，并計算機上模擬仿真，最后在testbed上進行驗證。整個過程持續兩個月左右的時間，每個星期一次理論課加一次實驗，留出充裕的時間給學生推導公式和消化內容。

（二）具體實施

1. 在課程內容上逐級推進

結合通信原理以及通信系統仿真這兩門專業必修課，先對可見光通信的基本系統框架和主要硬件構成做一個概括性的梳理，著重介紹系統中的獨特構件：發送端LED的非線性區間、接收端光電二極管（PIN和APD）的響應度表達式。可見光通信的速率取決于這兩個器件，是使可見光通信區別于其他無線通信的重要節點。正是由于LED的特殊性，可見光通信的信道并沒有明確的表達，但研究已解決了一部分信道問題，包括直射信道和反射信道，以及空間大小、材料等對信道的影響研究比較多。課程里通常以理想化的場景來建模，包括LED模型建模和LOS光信道建模。

除此之外，可見光的信號能量和噪聲分布亦有區別于其他無線通信信道的地方，這仍然是由于可見光的特性決定的。這些特性決定了，在單載波調制和多載波調制時，使用二進制振幅鍵控（OOK）、脈沖位置調制（PPM）調制、脈沖寬度調制（PWM）等模型結合的辦法來進行。而多載波調制使用的是DCO-OFDM的方式，即先將信號進行共軛處理后，再進行OFDM調制。這些是各種算法在可見光通信中的應用，由于基礎算法已經在前序課程中來了解過，在本課程只需要掌握其特殊用法即可，同理多輸入多輸出（MIMO）的系統構成也如此。

2. 在教學手段上豐富多樣

為了加深理解，在課程講述時，采用理論與實驗逐次進行的教學方式，具體內容安排如圖1。教學內容由淺至深，逐步推進，實施手段偏向于師生共同討論學習，加入頭腦風暴法，讓學生在參與中積極思考和理解問題。在具體動手實驗時，采用案例式教學和啟發式教學，給出具體的應用場景，老師只給出大致輪廓，讓學生在具體場景中解決技術問題、填充細節。充分發揮學生的自主性、參與性和創新性，教師發揮引導啟發，調動調控課堂氣氛的主導作用，學生根據教師提出的引導問題，積極搜索資料，自我組織為團隊研究討論，遇到困難即可與教師進行課堂互動問答，課堂氣氛活躍。這就有效地使學生成為課堂教學的主體，變被動學習為主動探索，最大限度地實現了師生教學互動。

3. 多樣化考核方式

課程取消期中和期末考試，改為實驗與公式推導相結合的方式來考核學生的最終教學效果。避免學生學習片面追求公式記憶，強化工程應用能力和實際動手能力。

（三）培養目標

通過本課程，希望培養學生三個方面的能力。包括：

1. 加強對相關知識的歸納總結能力

課程中，應用到的具體知識面寬，需要學生對前序課程有全面梳理和深入挖掘的能力。對接觸過的知識進一步的歸納總結，并將其利用起來，通過可見光通信這一門課程，將通信工程專業的專業基礎課體系串聯起來，如圖2。

課程引導學生回顧知識脈絡、歸納總結，梳理出通信專業的體系結構，這對學生來說是一個重新認識所學專業的機會。

2. 培養數學建模的能力

由于可見光通信的信道的不確定性，老師在課程中會給出若干種理想的模型，包括直射光模型，反射光模型等，并給出必須的空間參數如反射率、材料系數等，通過自行查閱參考文獻等方式，讓學生自主建立數學模型。

3. 解決實際通信系統問題的能力

可見光通信的特點，覆蓋在通信系統中的方方面面，其中關鍵在信源編碼和信道編碼上，在模擬仿真可見光通信的同時，必須融會貫通整個通信系統的各個模塊，包括編碼、誤碼率、調制解調等等。在這個過程中，通信的各個環節都有一些細節問題需要學生判斷和分析，老師只給出大致的方向或在關鍵模塊給出部分算法，大部分問題讓學生自行研判解決，這就大大提升了學生解決實際系統問題的能力。

三、教學重點與難點

在可見光通信中系統中，光源模型和信道模型在業界并沒有統一的標準，這兩項是可見光通信研究生的關鍵技術和技術難點，同樣的，在教學中這兩樣也是教學的重點和難點。除此之外，單載波調制和多載波調制技術由于算法本身是通信類課程的重難點之一。

（一）電子器件的光學特性及LED模型建模

信號源采用的LED本身具有獨特的物理特性，包括

1. LED的光譜特性：LED發出的光并不是單一波長，波長分布取決于其材料及結構等因素，盡管不同LED的光譜分布曲線位置和形狀不同，但都有一個相對發光強度最大處。

2. LED的熱特性：當電流流過LED時，其PN結的溫度將升高，勢必引起內部電子和空穴濃度，禁帶寬度和電子遷移率等微觀參數的變化，從而使LED光輸出，發光波長以及正向電壓等宏觀參數發生相應的變化。

3. LED的伏安特性：LED與普通整流二極管一樣，具有單向導電性和非線性特性，由LED伏安特性可知，要保持LED光源的穩定，在測量過程中一定要使用精密恒流源供電。

LED的限制帶寬決定了，在建模時不能按照理想化的數學模型來建模，必須考慮到LED實際器件本身的特性。式1是LED的響應公式：

h（t）=e? 式1

其中，h（t）為LED對時間的響應，ωc為截止頻率，P為調節參數，Tr、Tf分別為上升時間和下降時間。作為可見光通信的重要組成部分，LED的頻率響應特性決定了信號的有效帶寬，進而影響VLC系統的傳輸性能。

接收端發揮作用的是光電探測器，是一種把光輻射信號轉換為電信號的器件，其工作原理是基于光輻射與物質的作用所產生的光電效應，一般采用PIN和APD作為接收器。PIN硅光電平面二極管具有結電容小，渡越時間短，靈敏度高，溫度不敏感，適合場合受限制較少等優點，而且廉價，體積小，重量輕，可靠性好，因此在光通信領域有著廣泛的應用。而APD不同于PIN光電探測器，因為它通過重復電子電離的過程提供了固有的電流增益，使得靈敏度的增加，課程驗證實驗時采用的就是APD模塊。

（二）LOS光信道建模

由于可見光通信的信道模型沒有統一，因此在教學上采用理想化的模型來建立信道模型。假設可見光通信空間內所有反射面都是理想朗伯漫反射，輻射模式與光的入射角無關，如圖3。

圖3 LOS光信道的模型

即單LED單PD組成的室內無線光信道的單位沖激響應可以分解為：

h（t;S，R）=h（0）（t;S，R）+（k）（t;S，R）? ? 式2

其中前一項是LOS信道對沖激響應的貢獻，當LED和PD之間的距離遠遠大于PD光敏面的尺寸時，第一項可以近似表示為：

h（0）（t;S，R? ? 式3

其中，FOV為視場角。

（三）信道編碼

課程只對室內可見光通信的通信鏈路作概要性的闡述（如圖4）及具體的公式及其推導過程做簡要的介紹，由于這部分本來就是技術難點和關鍵，在課程講述時作為研討型課題與同學們共同探討。實驗時，給出具體的模型與公式，讓學生在實踐中體會和挖掘具體細節。

圖4 可見光信道

（四）單載波/多載波調制

通信中調制與解調技術已日漸成熟，并且常用于各類通信手段中，在可見光通信中，通常采用其中的OOK、PPM、PWM相結合進行單載波調制。多載波調制是，目前用得最多的就是OFDM技術。OFDM信號是一個雙極性信號，這對于光信號而言是不符合的，因為光強不能出現負值，因此對于光OFDM信號，解決方案就是在電光轉換時候為OFDM信號上加一個DC的直流偏置，使得雙極性信號變為單極性信號，即DCO-OFDM技術，這是可見光通信區別于其他通信技術的關鍵技術之一。

（五）TEST BED的搭建

目前，在國內可見光通信系統搭建的實例較少，課程借鑒了英國愛丁堡大學教授Harald Haas團隊的TestBed作為模型，利用高清晰度示波器、高速任意波形發生器（AWG）、搭配高頻的LED和雪崩二極管APD作為信號源和接收端，搭建了一個實際的測試系統，如圖5。

在實踐中，要求學生從頭至尾能夠完成通信系統的模擬仿真，同時能夠對硬件電路有較強的操作能力和經驗，才能到這個TESTBED上進行實際驗證，由于測試系統的易損性，最后只有5%左右的學生能夠得到驗證的機會。

四、實際遇到的問題及解決方案

（一）TESTBED的穩定性

在測試系統中，高速傳輸需要帶寬大的LED，而這種LED在市場上很難買到，只能通過廠家定制。另外，由于高頻器件本身極其易損，以及高速AWG本身的特點，學生在系統任一環節出現問題，都有可能導致測試系統的崩潰甚至損壞。這給最后的驗證環節帶來了極大的不便。但是，查找問題本身也是課程培養的之一，因此，在不影響高清晰度示波器、高速AWG兩種大型設備的前提下，課程充分給與學生試錯的機會。

（二）數學模型理解及應用

數學公式推導在實際問題中的應用是學生的最大瓶頸。在實踐中，采用引導式教學的方式來解決這一問題。首先保證學生在數學上能夠消化買一個參數的含義，再算法編程時，給出大體框架，要求學生往里填充關鍵函數即可，這樣既保證了實驗的目的又保證了實驗的效率。

五、結束語

在理論與實踐配合、突出實踐、面向實際問題的基本思想的指引下，通過不斷的教學研究與探索，結合教學實踐中遇到的問題，構建符合學生認識能力的培養、強化學生工程實踐能力的教學模式及層次化實踐體系，為培養新型通信人才起積極的作用。

參考文獻：

[1]遲楠.LED可見光通信技術[M].清華大學出版社，2013.

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[3]田敏，鄧紅濤，鐘福如，等.《通信原理》課程實踐體系的改革與實踐[J].武漢大學學報（理學版），2012（58）：191-193.