基于VLC的無線局域網系統關鍵技術研究＊

王 濤，胡文芳

（1.青海民族大學物理與電子信息工程學院，青海 西寧810007；2.西寧市第二十八中學 ，青海 西寧810007）

基于VLC的無線局域網系統關鍵技術研究＊

王 濤1，胡文芳2

（1.青海民族大學物理與電子信息工程學院，青海 西寧810007；2.西寧市第二十八中學 ，青海 西寧810007）

可見光通信(VLC)技術具有諸多優點，尤其在室內無線信號接入方面，能夠滿足用戶大數據量、高速率獲取的需求，基于VLC的無線局域網應用潛力巨大。對VLC技術的發展現狀及研究成果進行了簡述，對基于VLC的無線局域網系統中需要解決的關鍵技術及解決方案進行了分析探討，提出在青藏高原地區發展應用基于VLC的無線局域網具有經濟效益和環保效應。

可見光通信；白光LED；無線局域網；電力線通信

1 概述

白光LED具有壽命長、光效高、無輻射等諸多優點，同時響應時間短，可進行高速調制，從而催生了可見光通信技術 （Visible Light Communication，VLC）。VLC技術在380～780nm可見光譜段進行數據通信,與傳統的射頻通信相比較，有很多優勢：(1)無線電頻譜很多頻段已被占用，可見光頻譜不受使用許可證限制；(2)可見光波長在定位上具有明顯優勢；(3)收發器件設備簡單，價格低廉；(4)VLC可用于對電磁干擾敏感的特定場合，如飛機、醫院等場所；(5)可見光不能穿透建筑墻，安全性高，保密性好。因此，VLC技術應用前景廣闊，尤其在室內無線信號接入方面，能夠滿足用戶大數據量、高速率獲取的需求，基于VLC的無線局域網應用潛力巨大。

2 國內外發展狀況

日本是可見光通信技術研究的先行者，2000年日本慶應義塾（KEIO）大學的Tanaka等人率先提出了室內VLC技術[1]。2001年，Tanaka等人對比了可見光通信系統的OOK-RZ（on-off keying return-to-zero，歸零開關鍵控）和OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用)調制技術[2-3]。2003年，Komine提出了一個復用電力線的可見光通信系統[4]。同年，日本成立了可見光通信聯盟，旨在促進可見光通信的產業化。2009 年，可見光通信聯盟展出了基于VLC技術的LED廣告牌。2012年Casio發布了一個蘋果應用程序，利用該程序用戶可以利用VLC技術分享照片[5]。

美國和西歐也十分重視VLC技術的研究，其中英國愛丁堡大學、英國牛津大學、德國不萊梅大學、德國海因里希·赫茲通信工程研究所，德國弗朗霍夫電信研究所等科研機構在提升傳輸速率和增加LED的調制帶寬等方面取得了許多突破。2008年，美國政府資助成立“智能照明”項目，投資1.85億美元，為期10年；2011年德國海因里希·赫茲通信工程研究所設計的VLC系統已經達到500Mbps[6-7]。2011年，德國弗朗和夫電信研究所的Vucic等人利用DMT和QAM技術，單信道通信速率達到803Mbps[8]。2012年，意大利的圣安娜高等研究學院Khalid等人基于 DMT技術和1024QAM技術，采用雪崩光電二極管作為接收機，實現了1Gbps的VLC數據傳輸最大速率[9]。

我國VLC技術的研究起步較晚，大多處于實驗階段。2006年，暨南大學的陳長纓、胡國永等設計并實現了點對點的可見光通信系統[10]。2008年，該研究組利用白光LED陣列光源成功實現4Mb/s帶寬的數字視頻信號傳輸[11-12]。2007年，西安理工大學的丁德強、柯熙政設計了四光源最優布局方案[13]。2010年5月，在上海世博會上，中國科學院展示了一套VLC系統，可以同時接入3個用戶，傳輸速率2Mbps。2013年，復旦大學基于單載波頻域均衡（SC-FDE）技術實現了傳輸速率3.75Gb/s的VLC系統[14]。2015年，我國“可見光通信系統關鍵技術研究”獲得重大突破，實時通信速率提高至50Gbps。這些成果表明我國正在快速邁入可見光通信國際競爭的大舞臺。

3 需要解決的關鍵技術

3.1 發射接收模塊及專用芯片的壓縮和產業化

針對VLC系統發送端，需要研究如何設計LED光源模塊、LED光源驅動模塊、主控模塊、調制和編碼模塊、耦合模塊、接口轉換模塊、信號放大模塊等，其中電源設計是LED光源驅動的關鍵技術，選用合適的主控模塊以獲得穩定的電流和電壓變化范圍，是保證LED光源安全工作和穩定的關鍵。

針對VLC系統接收端，需要研究如何設計光電檢測模塊、主控模塊、信號放大模塊、濾波與整形模塊、解調與解碼模塊、接口轉換模塊。其中光電檢測模塊是完成光電轉換的關鍵模塊，分別有基于PIN的、基于APD的、基于圖像傳感器的。基于PIN的接收機響應快、靈敏度高、價格低廉。基于APD的接收機響應更快、靈敏度更高、具有更高的信噪比、但價格較高。基于圖像傳感器的接收機響應速度較慢、靈敏度相對較低，但是可以同時接收來自多個光源發送的數據。

目前室內可見光通信實驗中發射接收系統非常龐大，還沒有專用芯片組，所以相關模塊及芯片的壓縮和產業化，是VLC技術商用化的的首要難題。3.2 商用LED光源存在的問題及解決

LED是一種固體發光器件，工藝結構上，通常采用熒光粉LED與紅綠藍(RGB)LED。熒光粉LED是利用藍光激發黃色熒光粉產生白光，成本和調制復雜度相對較低，但是調制帶寬也很低。RGB-LED是將紅、綠、藍三色LED芯片封裝在一起，將它們發出的光混合在一起得到白光。RGB-LED調制帶寬高，但成本和調制復雜度也相對較高。商用LED光源更多考慮照明使用，調制帶寬只有約3～50MHz，給系統容量的提升帶來很大限制，因此，提升LED調制帶寬也是要解決的關鍵技術。可以考慮從LED驅動電路的預均衡技術、光源處的藍光過濾、接收端的后均衡技術、光MIMO技術等方面來解決。

3.3 支持高速率的調制技術

VLC中用到的調制技術有開關鍵控(OOK)、脈沖寬度調制（PWM）、脈沖位置調制(PPM)、多脈沖位置調制(MPPM)、差分脈沖位置調制(DPPM)、正交頻分復用（OFDM）、色移鍵控（CSK）等。OFDM是一種高效調制技術，具有頻譜效率高、帶寬擴展性強、抗多徑衰落、頻譜資源靈活分配等優點，采用OFDM結合MIMO是VLC目前的研究熱點技術，但是解決OFDM技術的自身缺陷仍然是關鍵問題：例如如何降低其峰均功率比等。適用于VLC中的OFDM技術主要有ACO-OFDM技術和DCO-OFDM技術，可以考慮在ACO-OFDM技術或DCO-OFDM技術的基礎上尋求性能更好的改進方法。

3.4 電力線通信與可見光通信的融合技術

電力線通信 (PowerLine Communication，PLC)是指依托電力線及其輸、配電網絡作為傳輸介質的通信技術和系統應用。只有將PLC技術融合到VLC系統中，才能真正將基于VLC的無線局域網推廣應用。PLC和VLC兩種技術相結合，可構建新的寬帶接入系統。PLC的可靠性問題，PLC與VLC的融合技術，是需要解決的關鍵技術，可以考慮將電力線通信中的QCA6410芯片融合到可見光通信系統中，實現兩種技術的結合。

3.5 數據的雙向傳輸技術

要實現基于VLC的無線局域網，設備或多用戶的接入是一個亟待解決的問題。目前VLC 技術主要解決了下行鏈路。上行鏈路如何更好實現，還有待研究，解決方案有以下幾種：（1）文獻[15]提出在筆記本或手機等移動設備安裝LED燈及調制、發射模塊，建立雙向VLC。（2）文獻[16]提出了以RGBLED中紅綠2個通道作為下行、藍色通道作為上行的波分雙工(WDD)可見光通信系統。（3）文獻[17]提出不需要對現有移動設備做太多硬件升級，上行鏈路仍然采用無線（Wi-Fi）通信的方式。（4）文獻[18]提出采用下行VLC、上行紅外光通信的方案。

3.6 燈光受阻或無燈光時的數據傳輸解決方案

當室內燈光受到陰影影響時，或者不需要打開燈光時，VLC系統如何解決數據傳輸的問題？已提出的解決辦法有：（1）在LED燈不發光等情況下，研究通過接通弱電流實現上網功能。（2）讓WiFi作為VLC無線局域網系統的補充技術，當燈光信號被阻擋的時候，實現無縫地切換至射頻通信系統。

4 結論

作為一種極具發展潛力的新興技術，VLC技術在實用化中還有許多技術難題需要解決，但不論基于VLC的無線局域網的應用面臨什么困難，都不能阻擋這一新技術的發展，隨著我國半導體照明應用工程的推進，LED燈的應用區域越來越大。在青藏高

原地區，為落實科學發展觀，為建立一個節能環保，電磁輻射少的高原生態環境，需要大力推廣綠色照明，研究和發展應用基于VLC的青藏高原地區無線局域網，對維護低碳環保、電磁輻射少的高原生態環境具有重要意義，將會帶來巨大的經濟效益和環保效應。

[1]Tanaka Y,Haruyama S,Nakagawa M.Wireless Optical Transmissions with White Colored LED for Wireless Home Links.Proceedings of 11th IEEE International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications(IMRC). London∶IEEE Press,2000∶1325-1329.

[2]Komina T,Tanaka Y,Hamyama S,et al.Basic study on visible light communications using Light emitting Diode Illumination [J].Proc.of ISM OT 2001∶45-48.

[3]Tanaka Y,Komine T,Haruyama S,et al.Indoor Visible Communication utilizing Plural White LEDs as Lighting[C].In Proceedings of 12th IEEE International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications(IMRC), San Diego∶IEEE Press,2001∶81-85.

[4]Komine T,Nakagawa M.Integrated system of white LED visible-light communication and power line communication [J].IEEETrans.onConsumerElectronics,2003,49(1)∶71-79.

[5]吳瑕.基于LED的室內可見光通信系統的研究與設計[D].華中師范大學通信與信息系統碩士學位論文,2014∶2-6.

[6]Grubor J,Langer K D,Lee,S C J,et al.Wireless high-speed data transmission with phosphorescent white-light LEDs [C].33rd European Conference and Exhibition on Optical Communications,2007∶1-2.

[7]Grubor J,D.Efficient signal processing in OF DM-basedindoor optical wireless links[J],J.Netw.,2010,5(2)∶197-211.

[8]Vucic J,Kottke C,Nerreter S,et al.513 Mbit/s visible light communications link based on DMT-modulation of a white LED[J].J.Lightwave Technol.,2010,28(24)∶3512-3518.

[9]Vucic J,Kottke C,Habel K,et al.803Mbit/svisible light WDM link based on DMT modulation of a single RGB LED luminary [C],2011and the National FiberOptic Engineers Conference on Optical Fiber Communication Conference and Exposition (OFC/NFOEC),2011∶1-3.

[10]胡國永,陳長纓,陳振強.白光LED照明光源作室內無線通信研究[J].光通信技術,2006,(7)∶46-48.

[11]傅倩,陳長纓.改善室內可見光通信系統性能的關鍵技術[J].自動化與信息工程,2010,02∶4-7.

[12]駱宏圖,陳長纓,趙慧珊等.基于白光LED室內可見光通信關鍵技術[J].光通信技術.2011,02∶32-36.

[13]丁德強,柯熙政.VLC系統的光源布局設計與仿真研究[J].光電工程,2007,34(l)∶131-134.

[14]Chi Nan,Wang Yuanquan,Wang Yiguang,et al.Ultra-High speed singlered–green–blue light-emitting diode-based visible light communication system utilizing advanced modulation for mats[J].Chinese Optics Letters,2014,12(1)∶1-4.

[15]WANG Y,SHAO Y,SHANG H,et al.Proceedings of Optical Fiber Communication Conference,Optical Society of America, 2013[C].California∶OSA,2013∶OTh1G.3.

[16]Chi N,Wang Y Q,Wang Y G,et al..Ultrahigh-speed single red-green-blue lightemitting diode-based visible light communication systemutilizing advanced modulation formats [J].Chin OptLett,2014,12(1)∶010605.

[17]COSSU G,CORSINI R,KHALID A M,et al.Proceedings of Optical Fiber Communication Conference,Optical Society of America,2014[C].California∶OSA,2014∶Th1F.2.

[18]LANGER K D,VUI J.Proceedings of 11th International Conferenceon Transparent Optical Networks,2009[C].Azores∶IEEE,2009∶1-6.

TN929.1

教育部“春暉計劃”科研項目（Z2014013）。