基于白光LED的無線通信技術(shù)

1、2015-2016學(xué)年第一學(xué)期通信系統(tǒng)引論結(jié)課論文題目：基于白光LED的可見光無線通信技術(shù)班級(jí)： 電氣合1203 學(xué)號(hào)： 3612XXX318 姓名： XXX 2015年12月31日8一、引言可見光無線通信又稱“光保真技術(shù)”，英文名LightFidelity（簡稱LiFi）是一種利用可見光波譜(如燈泡發(fā)出的光)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜聼o線傳輸技術(shù)。隨著無線通訊的普及，一些場所不適合使用無線電通訊，以及處于對(duì)電磁波對(duì)人體健康影響的考慮，開發(fā)一種新載體的無線通信技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的無線電通信技術(shù)作為補(bǔ)充是有必要的。隨著大功率白光LED的出現(xiàn)，大量的白光LED被用作照明光源。LED照明光源以其低功耗、易調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)

2、使可見白光成為一種優(yōu)秀的信息載體。二、概述1、基本特點(diǎn)可見光無線通信技術(shù)相較于傳統(tǒng)無線通信技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)可見光通信使用方便快捷。 尤其是室內(nèi)可見光通信中，用作通信的光源一般也做照明用，安裝簡易，不會(huì)帶來較多的麻煩。安裝在室內(nèi)任何地方都可以，可以很方便的實(shí)現(xiàn)無線傳輸。(2)可見光通信對(duì)人體沒有影響，不會(huì)對(duì)人體造成傷害。 由于其用于通信的信號(hào)光源就是平常用作照明的光源，屬于綠色通信，使用起來較為安全。(3)信號(hào)光源發(fā)射功率高。 基于對(duì)人眼和身體的安全考慮，普通無線光通信和射頻通信對(duì)發(fā)射功率都有一定的限制。而在可見光通信中， LED 光源跟自然光一樣，對(duì)發(fā)射功率沒有限制。因此可得到較高的發(fā)射

3、功率。(4)無電磁干擾。 像醫(yī)院、飛機(jī)上和空間站等，這些場合對(duì)電磁干擾有嚴(yán)格的限制，一般的射頻通信無法達(dá)到此要求，可見光通信無電磁干擾，能夠較好的應(yīng)用到以上場所。(5)不受無線電頻譜管制。然而可見光通信技術(shù)也因其傳播媒介的因素，也存在著一些問題：(1)可見光通信技術(shù)是一種視距寬帶通信技術(shù)，其傳輸距離與信號(hào)質(zhì)量之間關(guān)系成反比。當(dāng)傳輸距離超過一定的數(shù)值后，波束會(huì)變寬以至于難以被接收點(diǎn)正確接收。(2)由于實(shí)際應(yīng)用空間中，環(huán)境復(fù)雜，光線在空間中的傳播路徑多樣化，傳播路程各不相同，可能會(huì)導(dǎo)致不同路徑的光線之間相互干涉，影響傳輸效果。(3)可見光通信技術(shù)對(duì)天氣及室內(nèi)環(huán)境較為敏感。隨著白光 LED 的發(fā)明及

4、應(yīng)用，可見光通信技術(shù)得到了良好的發(fā)展，特別是室內(nèi)可見光通信技術(shù)的應(yīng)用。2、研究背景我國是世界的第二大發(fā)電大國，同時(shí)也是第二大電能消耗國，光照明用電量就己超過 1500 億千瓦時(shí)， 用于第四代綠色照明的白光 LED 在節(jié)約能源的同時(shí)，更為高速、寬帶的光無線接入提供了一種新途徑，也為解決現(xiàn)有無線電頻帶資源嚴(yán)重有限的困境提供了一種新思路?；诎坠釲ED的可見光無線通信技術(shù)是建立在白光基礎(chǔ)上的，與傳統(tǒng)的射頻通信相比，可見光無線通信不用申請頻譜證，也沒有電磁波千擾。并且由于其是可見光，在室內(nèi)用作通信時(shí)也可用于照明，在不影響照明的情況下可以實(shí)現(xiàn)通信。目前來說，已經(jīng)實(shí)用化的照明設(shè)備當(dāng)中，熒光燈的廢氣對(duì)環(huán)境造

5、成一定的污染，并且使用年限不長，壽命較短且不易調(diào)制。白熾鎢絲燈泡耗電量高，易碎。高壓鈉燈燈耗電量高，效率低且使用壽命短。隨著白光LED成本日益降低，其在日常照明設(shè)施中占有愈來愈多的份額，是實(shí)現(xiàn)可見光通信技術(shù)的最佳選擇。三、基本結(jié)構(gòu)基于白光LED的可見光通信系統(tǒng)，是利用白光發(fā)光二極管等發(fā)出的高頻閃爍信號(hào)來傳輸信息的，將經(jīng)過調(diào)制的因特網(wǎng)信號(hào)通過LED發(fā)射出去。該系統(tǒng)能夠覆蓋室內(nèi)燈光達(dá)到的范圍，電腦不需要信號(hào)線纜連接。利用專用的、 能夠接發(fā)信號(hào)功能的電腦以及移動(dòng)信息終端，只要在室內(nèi)燈光照到的地方，就可以長時(shí)間下載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。 下圖是基于白光LED的可見光無線通信系統(tǒng)組成框圖及系統(tǒng)示意圖?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)

6、組成框圖白光LED可見光通信系統(tǒng)示意圖可見光通信技術(shù)作為一種無線的光通信方式，其系統(tǒng)包括下行鏈路和上行鏈路兩部分。下行鏈路包括發(fā)射和接收兩部分。其發(fā)射部分主要包括將信號(hào)源信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于光信道傳輸?shù)碾娦盘?hào)的輸入和處理電路、將電信號(hào)變化調(diào)制成光載波強(qiáng)度變化的LED可見光驅(qū)動(dòng)調(diào)制電路。下行鏈路由發(fā)射模組和接收模組兩部分構(gòu)成。其發(fā)射模組主要由白光 LED 光源和相應(yīng)信號(hào)處理單元組成。白光 LED 光源以很大的發(fā)射角發(fā)出調(diào)制光向空間中各個(gè)方向傳播。 由于室內(nèi)幾乎不受強(qiáng)背景光和天氣的影響，光傳播基本上不存在損耗。但是由于 LED光源個(gè)數(shù)較多，且具有較大的表面積，因而在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間存在若干條不同的光路

7、徑，不同的光路徑到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間不同，將引起碼間干擾(ISI)。由于白光 LED 光源發(fā)出的是可見光，且發(fā)散角較大，對(duì)眼睛幾乎沒有影響，因而可以通過提高光源的發(fā)射功率以提高系統(tǒng)的可靠度。發(fā)射模組該系統(tǒng)的接收部分主要由光電檢測器和相應(yīng)信號(hào)處理單元組成。室內(nèi)的光信號(hào)被光電檢測器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、解調(diào)處理恢復(fù)成正常的因特網(wǎng)信號(hào)。接收模組該系統(tǒng)的上行鏈路與下行鏈路的組成除了使用的光源不同外，其它基本一樣。上行鏈路采用的光源仍然由白光 LED組成，只不過發(fā)射面積較小，且具有較小的發(fā)射角(光束經(jīng)過簡單準(zhǔn)直，類似于手電筒)，天花板上安裝的光電檢測器接收來自用戶的光信號(hào)。按照上述結(jié)構(gòu)配

8、置，就可以組成一個(gè)全雙工可見光無線通信系統(tǒng)。 由于白光 LED 的亮度很高，且信號(hào)調(diào)制速率遠(yuǎn)高于人眼所能識(shí)別的24幀的頻率，因而人的眼睛完全感覺不到光的閃爍。故此，在白光LED可見光無線通信系統(tǒng)中，白光 LED 可兼具通信與照明的雙重功能。四、關(guān)鍵技術(shù)1、室內(nèi)光源的布局實(shí)際應(yīng)用中，由于各個(gè)房間的空間布局、大小多種多樣，因而要使通信效果達(dá)到最優(yōu)，須使房間內(nèi)的光強(qiáng)分布均勻，也應(yīng)盡量避免通信盲區(qū)(光照射不到的區(qū)域)的出現(xiàn)。要達(dá)到這個(gè)目的，必須根據(jù)不同的房間，合理的安排LED光源的布局。就具體房間具體分析布局方案。2、消除碼間干擾技術(shù)在可見光無線通信系統(tǒng)中，安裝在天花板上的LED燈通常是由多個(gè)發(fā)光LE

9、D 的陣列組成，因而具有較大的表面積。另一方面，為了達(dá)到較好的照明和通信效果，防止“陰影”影響，一個(gè)房間通常安裝多個(gè)LED燈。不同的光信號(hào)到達(dá)接收機(jī)會(huì)產(chǎn)生碼間干擾(ISI),極大地降低了系統(tǒng)的性能。針對(duì)可見光無線通信系統(tǒng)中碼間干擾(ISI) 的起因不同，主要采用以下方式來削弱碼間干擾：運(yùn)用部分響應(yīng)技術(shù)、采用均衡濾波器、采用正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）技術(shù)等。3、高靈敏的接收技術(shù)在LED可見光通信系統(tǒng)中，存在著強(qiáng)烈的背景噪聲及電路固有噪聲的干擾，同時(shí)隨著傳輸距離的加大，接收機(jī)接收到的信號(hào)十分微弱，常常會(huì)導(dǎo)致接收端信噪比小于 1。為了精確地接收信號(hào)，需要選擇靈敏度高、響應(yīng)速度快、噪聲小的新型光電探

10、測器；對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行前置處理，需采用高效的光濾波器，以抑制背景雜散光的干擾，對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形和去噪聲。為了有效抑制噪聲，接收濾波器常要求具有窄帶濾波特性?？墒牵诳梢姽鉄o線通信系統(tǒng)中，信號(hào)能量與噪聲一同分布在整個(gè)可見光譜中，這樣一來信號(hào)光和噪聲將同時(shí)被濾除，達(dá)不到真正濾去噪聲的目的，濾波后的光信號(hào)的信信號(hào)的信噪比依然很低。所以，要實(shí)現(xiàn)高靈敏接收，更重要的是研究新的濾波技術(shù)及新型濾波器，比如匹配濾波、特殊光柵濾波器等。4、自動(dòng)切換技術(shù)在室內(nèi) LED 可見光無線通信系統(tǒng)中，當(dāng)接收機(jī)從一個(gè)基站(房間)移動(dòng)到另一個(gè)基站時(shí)，需要接收機(jī)能夠自動(dòng)切換。切換操作既要能識(shí)別一個(gè)新基站又要將信令信號(hào)分派到新基站

11、的信道上，設(shè)計(jì)者必須指定一個(gè)啟動(dòng)切換的最恰當(dāng)?shù)男盘?hào)強(qiáng)度，選擇恰當(dāng)?shù)那袚Q時(shí)間以避免不必要的切換，同時(shí)保證在由于信號(hào)太弱而通信中斷之前完成必要的切換。因此，基站在準(zhǔn)備切換之前先對(duì)信號(hào)監(jiān)視一段時(shí)間來進(jìn)行信號(hào)能量的檢測，這需由接收機(jī)輔助切換來完成。五、總結(jié)白光 LED 室內(nèi)無線通信，是一種新興的無線光通信技術(shù)。國內(nèi)對(duì)白光 LED 應(yīng)用在無線通信中起步較晚。制約白光LED 室內(nèi)無線通信系統(tǒng)性能的因素很多，本文的研究工作雖然已考慮了很多因素，但也只是其中的一部分。要想更全面地進(jìn)行系統(tǒng)分析，就必須建立更完善的系統(tǒng)模型，通過更深入地分析才能實(shí)現(xiàn)。所以，本論文的研究工作仍有一些不足之處需進(jìn)一步的研究和改善。作者

12、認(rèn)為基于1)將正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM） 調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到白光 LED 光通信中具有良好的發(fā)展前景。在有線信道下， 正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，但將其應(yīng)用到白光 LED光通信系統(tǒng)，還需解決數(shù)據(jù)同步、接收端信號(hào)檢測等問題，設(shè)置出一種使用于白光LED光通信的正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）調(diào)制和解調(diào)方案硬件系統(tǒng)。2)對(duì)LED可見光信道進(jìn)行深入分析?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)具有與紅外無線通信不同的信道沖激響應(yīng)，這兩種系統(tǒng)中引起碼間干擾（ISI）的原因也不相同，需要對(duì)多光源、時(shí)變信道環(huán)境下的可見光通信系統(tǒng)的信道沖激響應(yīng)和不同光路徑引起的 ISI 作深入研究，從而解決碼間干擾（ISI）的影響。3)為

13、城市車輛提供一種移動(dòng)導(dǎo)航及定位方法。將光接收機(jī)安裝在道路邊或汽車上，而汽車和路燈照明基本上都采用LED燈，組成交通控制無線網(wǎng)絡(luò)。通過這種無線網(wǎng)絡(luò)給汽車提供導(dǎo)航，定位，以及各條道路的具體路況。這是LED可見光無線通信技術(shù)應(yīng)用在交通的智能交通系統(tǒng)。室內(nèi)可見光無線通信技術(shù)目前仍處于初始階段，白光 LED就照明而言具有較大的優(yōu)勢，也具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，它是一種綠色、節(jié)能的照明光源。相信隨著白光LED價(jià)格的大幅度下降，白光 LED 在照明擁有絕對(duì)的主導(dǎo)市場，而通信技術(shù)與白光LED結(jié)合的研究將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展，屆時(shí)將會(huì)在通信領(lǐng)域起著非常重要的作用。另外，白光LED無線光通信系統(tǒng)在未來5G通信網(wǎng)絡(luò)中扮演非常重要的角色，從而得到迅速的發(fā)展。參考資料劉宏展, 呂曉旭, 王發(fā)強(qiáng),等. 白光LE