白光LED光通信的关键技术研究.doc

白光LED光通信的关键技术研究 可见光通信是一项新兴的基于白光LED的无线光通信技术。可见光通信系统可以实现照明和通信的双重功用。通过分析影响白光LED通信性能的因素，对白光LED通信中提高系统整体性能的若干关键技术进行了分析讨论，为改善白光LED通信系统性能提供进一步努力的参考依据。 　　一、引言 　　可见光通信技术(Visible Light Communication，简称VLC)是随着白光LED照明技术的发展而兴起的无线光通信技术，可分为室内可见光通信和室外可见光通信两大类。白光LED具有功耗低、寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，被认为终将取代荧光灯、白炽灯等传统照明光源，成为下一代固体照明光源。同时与传统照明光源相比，白光LED又具有响应时间短、高速调制的特性，因此可以设计出基于白光LED的室内可见光无线通信系统和网络，实现照明和通信的双重作用。目前，可见光通信大多处于实验阶段，虽然整体系统已有实现，但与可见光通信的实用还有一定的距离，系统的各项性能有待进一步优化。 　　二、系统发展概述 　　近年来，中日欧美的研究人员对基于白光LED照明光源的可见光通信的展开了面向应用的研究。其中作为美国国家科学基金的十年规划，2008年美国政府动员30所大学及科研机构，投入1850万美元的启动资金开展了该领域的科技攻关。但由于该项技术综合性强，技术难度大，目前全面掌握核心技术并能够做到在世界级展会上现场演示样机的仅有中国暨南大学与日本太阳诱电公司两家。 　　2004年，Takakuni等对基于白光LED灯的整体通信系统进行了初步实验研究，该系统[1]利用桌面LED照明台灯向用户提供广播信息，结构简单，但系统通信距离较短，数据传输速率较低。2008年，太阳诱电株式会社在“东京国际消费电子博览会”上现场演示了采用白光LED的高速无线通信系统，最大数据传输速率可达100Mbit/s[2]。该系统实现了双向全双工高速通信，但是最大传输距离仅为0.2m左右。当通信距离超过0.2m时，随着通信距离的增加，系统的误码率增大。 　　2006年，暨南大学的陈长缨 [3]、胡国永[4]等提出利用白光LED照明光源用作室内无线通信，设计并实现了近距离(0.2m)、点对点的白光LED通信系统。该系统成功实现了10MHz的传输速率下，FM信号的传输。暨南大学陈长缨研究团队在前期工作的基础上，利用白光LED阵列光源解决了前期系统通信距离短、无法达到照明要求等问题，设计并实现了具备实用照明功能的室内白光LED通信系统。该系统成功实现4Mbit/s带宽的数字多媒体音视频信号使用白色可见光进行传输，信号传输距离超过了2.5m，2008年12月，项目通过了广州市科技计划项目成果验收，2009年11月在深圳高交会上展出并公开进行现场实机演示。2010年4月开始，暨南大学这套白光LED照明-通信兼用系统作为我国唯一的白光LED通信科技创新成果选送上海世博会，在“沪上生态家”城市案例馆向全世界公开展示。 　　三、提高白光LED通信系统性能的相关技术 　　阵列光源的布局设计 　　在VLC系统中，光源的布局是影响系统性能的一个关键因素。光源布局需要考虑两个方面，一方面是组成白光LED阵列光源的内部LED灯的排布(个数及排列)，另一方面是室内LED的整体布局(个数及室内分布)。通过两方面的合理布局可以使室内光分布同时满足照明和通信的需要。 　　在设计照明-通信的室内光源时，为符合照明场所国际标准的亮度分布要求，LED光源最终设计成白光LED的阵列形式。组成每个LED阵列所需的白光LED的总个数取决于LED间隔的大小，间隔过大或过小，都会影响光照度的均匀性。间隔的取值，应平衡中心区域光强度与所需LED个数。LED的排列需要考虑接收面的照度要求和光强分布。LED的数目和排列需合理设计，在达到室内照明标准的同时，也要考虑码间串扰(ISI)的影响。 　　在室内VLC系统中，要使通信效果达到最优，须根据房间的大小以及室内设施，使房间内同一水平面上分布的光功率变化最小，尽量避免通信盲区(光照射不到的区域)的出现。由于行人、设备等的遮挡，会在接收机表面形成“阴影”，影响通信性能。对照明来讲，室内安装的照明灯越多，可以降低“阴影”效应，同时接收功率大大增加，但多个不同的光路径会使得ISI越严重。 因此，合理安排 LED阵列光源的布局尤为关键[5]。 　　有关阵列光源中LED灯的排布以及LED照明光源的整体布局设计方案，国内外不少研究人员进行了理论设计和计算机仿真，这里不再赘诉。 　　驱动电路优化设计 　　调制带宽是衡量LED的调制能力的参数，是LED用于无线光通信的重要参数之一，它关系到LED的数据传输速度大小。 　　LED的调制带宽主要受有源区载流子复合寿命和PN结结电容的影响。在白光LED