基于LED的高速可見光通信

　　2000年，可見光通信(VLC)的概念被提出，在照明的同時也可用于高速通信。到2018年，半導體照明(普通發光二極管，即LED)普及率將達到80%。基于LED的可見光通信技術將站在巨人的肩膀上，有望為VLC提供新的解決方案。

　　與其他無線技術相比，VLC有以下明顯的優勢：

　　1)白光對人眼的傷害較小，室內白光LED的功率之和高達10 W以上，使VLC具備了非常高的信噪比，為實現高速通信打下了良好的基礎;

　　2)白光和射頻信號不存在相互干擾，無電磁污染，可應用于核電站、機艙、醫院、工業控制等電磁敏感的環境中;

　　3)VLC兼具照明、通信和控制定位等功能，符合國家節能減排戰略;

　　4)白光不可穿透墻壁甚至窗簾，因此VLC具有高度的保密性;

　　5)頻譜無需授權即可使用，因此VLC應用靈活，既可以單獨使用，也可以作為射頻無線設備的有效備份。

　　VLC技術因其特殊優勢，一問世便迅速獲得世界各國的關注和支持。2000年，日本學者Tanaka等便提出并仿真了利用LED照明燈作為通信基站進行信息無線傳輸的室內通信系統。VLC技術在10年間迅速發展，并取得了一個又一個突破性的進展。目前，國外的主流設備商和各大學、研究所等都在開展有關VLC技術的研究，具有代表性的研究小組主要有日本的松下，德國的海因里希赫茲研究所，美國的波士頓大學，中國的中國臺灣交通大學、遠東科技大學、暨南大學、北京郵電大學、復旦大學、華中科技大學等。

　　一個基于白光LED的VLC系統示意圖如圖1所示，該系統包括完整的發射、信道傳輸和接收三個部分。原始的二進制比特流經過預處理和編碼調制之后，驅動LED，對LED進行強度調制，從而將電信號(E)轉換為光信號(O)。

　　圖1 基于白光LED的VLC系統示意圖

　　Fig. 1 Diagram of VLC system based on white LED

　　限制VLC系統傳輸速率提高的主要原因在于白光LED有限的調制帶寬，目前廣泛使用的熒光粉LED的調制帶寬一般小于10 MHz，因此如何提高LED的調制帶寬和系統傳輸速率成為研究者們的研究重點。

　　為了提升VLC的傳輸效率，關鍵技術主要集中在光器件、材料及多維多階的調制和編碼方式幾個方面，其中包括調制方式、編碼/均衡技術、復用技術、更適合VLC的光器件、材料。因此，VLC的發展趨勢主要有三個方面：

　　1、正交頻分復用 (OFDM)、單載波頻域均衡(SC-FDE)、無載波幅相(CAP)調制技術等;

　　2、包含網格編碼、預均衡、后均衡，按軟件硬件區分的軟件均衡、硬件均衡;

　　3、頻分復用、波分復用、多輸入多輸出(MIMO)技術等。

　　4、擁有更高帶寬的micro-LED、GaAIAs藍光探測器、LED陣列、光感探測器陣列等。

　　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

　　圖2 基于LED的VLC的研究方向脈絡圖

　　Fig. 2 Research orientation diagram of LED based VLC

　　VLC經過10年的快速發展，其傳輸速率已經從最初的kbit/s級別達到了目前的9.5 Gbit/s。目前，VLC存在的三個明顯的問題：

　　1、LED發射器的帶寬有限。由于白光LED設計的初衷是用于照明而非通信，所以其調制帶寬非常有限。特別對于目前市場上主流的照明產品(藍光激發黃色熒光粉類型的白光LED)而言，響應緩慢的熒光粉會限制其帶寬。目前市場上主流白光LED的10 dB帶寬都不到20 MHz，嚴重影響了VLC系統容量的提升。

　　2、硅基光電接收器的敏感性較低。目前VLC普遍采用的硅基探測器主要對紅外波段比較敏感，其響應度峰值在紅外波段，而在藍光波段響應度只有紅外的1/4左右。

　　3、非線性失真。由于光電二極管傳遞曲線本身是非線性的，同時LED的頻域響應也呈非線性，因此如何對非線性失真進行補償也是亟待解決的問題。

　　今后的研究中，還需要針對以上幾個問題進行深入研究，才可能突破VLC現有的速率瓶頸。在VLC實用化過程中，可見光組網和專用可見光集成芯片是未來限制VLC技術實用化的重要因素。隨著可見光標準和可見光集成芯片水平的發展，VLC技術的實用化也將不再遙遠。

　　參考文獻： 中國光學期刊網

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