基于LED的高速可见光通信

　　2000年，可见光通信(VLC)的概念被提出，在照明的同时也可用于高速通信。到2018年，半导体照明(普通发光二极管，即LED)普及率将达到80%。基于LED的可见光通信技术将站在巨人的肩膀上，有望为VLC提供新的解决方案。

　　与其他无线技术相比，VLC有以下明显的优势：

　　1)白光对人眼的伤害较小，室内白光LED的功率之和高达10 W以上，使VLC具备了非常高的信噪比，为实现高速通信打下了良好的基础;

　　2)白光和射频信号不存在相互干扰，无电磁污染，可应用于核电站、机舱、医院、工业控制等电磁敏感的环境中;

　　3)VLC兼具照明、通信和控制定位等功能，符合国家节能减排战略;

　　4)白光不可穿透墙壁甚至窗帘，因此VLC具有高度的保密性;

　　5)频谱无需授权即可使用，因此VLC应用灵活，既可以单独使用，也可以作为射频无线设备的有效备份。

　　VLC技术因其特殊优势，一问世便迅速获得世界各国的关注和支持。2000年，日本学者Tanaka等便提出并仿真了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统。VLC技术在10年间迅速发展，并取得了一个又一个突破性的进展。目前，国外的主流设备商和各大学、研究所等都在开展有关VLC技术的研究，具有代表性的研究小组主要有日本的松下，德国的海因里希赫兹研究所，美国的波士顿大学，中国的中国台湾交通大学、远东科技大学、暨南大学、北京邮电大学、复旦大学、华中科技大学等。

　　一个基于白光LED的VLC系统示意图如图1所示，该系统包括完整的发射、信道传输和接收三个部分。原始的二进制比特流经过预处理和编码调制之后，驱动LED，对LED进行强度调制，从而将电信号(E)转换为光信号(O)。

　　图1 基于白光LED的VLC系统示意图

　　Fig. 1 Diagram of VLC system based on white LED

　　限制VLC系统传输速率提高的主要原因在于白光LED有限的调制带宽，目前广泛使用的荧光粉LED的调制带宽一般小于10 MHz，因此如何提高LED的调制带宽和系统传输速率成为研究者们的研究重点。

　　为了提升VLC的传输效率，关键技术主要集中在光器件、材料及多维多阶的调制和编码方式几个方面，其中包括调制方式、编码/均衡技术、复用技术、更适合VLC的光器件、材料。因此，VLC的发展趋势主要有三个方面：

　　1、正交频分复用 (OFDM)、单载波频域均衡(SC-FDE)、无载波幅相(CAP)调制技术等;

　　2、包含网格编码、预均衡、后均衡，按软件硬件区分的软件均衡、硬件均衡;

　　3、频分复用、波分复用、多输入多输出(MIMO)技术等。

　　4、拥有更高带宽的micro-LED、GaAIAs蓝光探测器、LED阵列、光感探测器阵列等。

　　ACO：Asymmetrically Clipped Optical; DFTS: discrete fourier transform-spread; 2FFT:2 fast fourier transform; PTS: partial transmit sequence; SLM: selected mapping; PC: Parallel combinatory; SC-FDE: single-carrier

　　图2 基于LED的VLC的研究方向脉络图

　　Fig. 2 Research orientation diagram of LED based VLC

　　VLC经过10年的快速发展，其传输速率已经从最初的kbit/s级别达到了目前的9.5 Gbit/s。目前，VLC存在的三个明显的问题：

　　1、LED发射器的带宽有限。由于白光LED设计的初衷是用于照明而非通信，所以其调制带宽非常有限。特别对于目前市场上主流的照明产品(蓝光激发黄色荧光粉类型的白光LED)而言，响应缓慢的荧光粉会限制其带宽。目前市场上主流白光LED的10 dB带宽都不到20 MHz，严重影响了VLC系统容量的提升。

　　2、硅基光电接收器的敏感性较低。目前VLC普遍采用的硅基探测器主要对红外波段比较敏感，其响应度峰值在红外波段，而在蓝光波段响应度只有红外的1/4左右。

　　3、非线性失真。由于光电二极管传递曲线本身是非线性的，同时LED的频域响应也呈非线性，因此如何对非线性失真进行补偿也是亟待解决的问题。

　　今后的研究中，还需要针对以上几个问题进行深入研究，才可能突破VLC现有的速率瓶颈。在VLC实用化过程中，可见光组网和专用可见光集成芯片是未来限制VLC技术实用化的重要因素。随着可见光标准和可见光集成芯片水平的发展，VLC技术的实用化也将不再遥远。

　　参考文献： 中国光学期刊网

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