寬帶可見光通信系統中關鍵技術研究

余冰雁　中國信息通信研究院技術與標準研究所寬帶網絡研究部工程師

網絡技術——寬帶光傳輸專題

寬帶可見光通信系統中關鍵技術研究

余冰雁中國信息通信研究院技術與標準研究所寬帶網絡研究部工程師

可見光通信（VLC）是一種利用照明LED光源進行無線數據傳輸的新興無線通信技術，它具有覆蓋廣泛、綠色無電磁輻射等優點，但在實現高速數據傳輸時還面臨物理帶寬有限、多光源間干擾等問題。本文從可見光通信的技術特點出發，提出了VLC應用的典型場景。OFDM和MIMO技術是實現高速VLC的兩項主要關鍵技術。本文先后研究了基于OFDM和MIMO的高速VLC系統中的關鍵技術，并對未來VLC的發展趨勢及未來研究熱點進行了分析。

高速可見光通信；OFDM調制技術；MIMO技術

1　引言

隨著近年來我國信息技術產業的高速發展，諸如高清視頻多媒體無線點播、高速無線數據傳輸等應用的數據流量需求呈現高指數增長的趨勢；與此同時，隨著物聯網、互聯網+、機器人等產業概念先后興起，相關產業應用不斷涌現，帶來新的無線通信業務需求。這些對現有高速無線通信手段的數據承載能力提出進一步的挑戰，也與有限的射頻頻譜資源形成愈發明顯的矛盾，開拓射頻之外的無線通信手段顯得尤為重要。

可見光通信（Visible light communication，VLC）是一種將照明LED燈作為信號發射機的無線光通信技術。由于照明LED燈芯具有半導體材料可高速調制的共性，故可以在照明光強基礎上疊加高速信號進行傳輸，同時在接收端利用光電探測器對光信號進行探測和后處理。當疊加的信號頻率足夠快，超過人眼可以分辨的頻率（100Hz以上）時，就不會對正常的照明功能產生影響。VLC技術的興起是建立在LED照明產業不斷快速發展的基礎上的，由于LED照明具有低碳環保和節能高效的特點，其已經被全球各地明確為下一代照明解決方案。包括我國在內的多個國家和地區在過去近10年來出臺了大量政策和規劃，以加快LED照明的發展和普及。到2015年，我國LED照明市場總產值已經達到4000億元人民幣，且依然保持高速增長態勢。LED照明的普及促使VLC技術在近年來獲得大量關注和快速進展。

VLC的典型應用場景是在室內環境中提供高速數據接入和用戶定位功能。由于在室內LED照明燈是幾乎必要存在的，這為VLC提供了良好的運行基礎，同時各個照明燈的覆蓋范圍有所不同，這使得VLC有潛力提供空分復用的大容量接入功能以及為用戶提供更精確的定位功能。相比可見光定位，高速可見光通信存在較多的關鍵技術瓶頸和難點，如照明LED的自然物理帶寬（3-dB帶寬）通常只有3～5MHz，如何利用有限的帶寬實現100Mbit/s甚至1Gbit/s量級的通信速率？又如在室內多個LED光源共同提供照明的場景下，如何在各LED光源的覆蓋交疊區域區分待收信號和干擾，甚至進一步利用MIMO技術實現空分復用提升系統容量？

為了更好地解決這些制約VLC實現高速通信的瓶頸問題，本文將從可見光通信的技術特點出發，研究高速VLC系統中的關鍵技術解決方案，分析其未來技術選擇和技術路線。

2　VLC的技術特點

2.1VLC的技術優勢

可見光通信作為一種利用照明LED光源作為信號發射機的無線通信技術，當用作室內高速接入時具有很多明顯的技術優勢：

（1）可見光的光譜覆蓋范圍為380～780nm，涵蓋405THz的帶寬，是常用射頻頻譜范圍的105倍，為實現高速通信提供了充足的帶寬保證。在可見光波段上，既可以利用副載波復用的技術進行高寬帶信號的傳輸，也可以利用波分復用技術，利用不同光譜的光并行傳送多路信號。

（2）可見光通信采用光作為承載信號的載體，沒有電磁污染，可以在飛機艙內、醫院監護室內、核電站等電磁敏感的環境下使用，也可以在隧道內、礦井下等電磁信號衰減嚴重的場所使用。同時，由于光對障礙物具有不可透過性，使得VLC在密閉空間具有高度的保密性，在空間點對點通信場景下也具有相比射頻通信高得多的保密性。

（3）照明LED的泛在性為VLC的普及提供了基礎，節省了大量布設技術設施的成本。在室內照明中，室內各點光照度的一致性、均勻性是照明設計的必要考慮因素，這點也同時保證了VLC系統中接收端在室內各點時接收信號功率的一致性，使得接收端的信號強度在通常情況下不會出現頻繁的大尺度衰落，有助于簡化系統設計、提升系統性能。

2.2VLC的技術難點

盡管VLC技術存在諸多天然優勢，但當它用于高速無線接入時，依然存在一些技術和性能上的難點，這主要包括：

（1）照明LED的自然物理帶寬較小，常用的照明LED光源的3-dB帶寬通常只有3～5MHz，在此帶寬基礎上實現高速數據傳輸面臨挑戰。在技術方面需要一方面盡量擴展可用數據傳輸帶寬，一方面優化資源在頻帶上的分配策略。

圖1　室內可見光通信應用場景

（2）室內多光源照明場景下，相鄰光源之間信號干擾明顯。為了實現照明一致性，相鄰光源之間存在明顯的覆蓋交疊區，在交疊區域內的信號存在相互干擾的問題。在實現高速VLC時，需要考慮抑制此類干擾的技術方案；進一步需要考慮通過空分復用轉化干擾為增益，利用相鄰的多個光源同時并行傳輸信息，提高通信速率。

（3）在VLC系統中，環境干擾問題明顯。一方面環境中的背景光有可能工作在和VLC系統相同的光譜波段，會為系統引入明顯的背景光噪聲；另一方面環境中其他物體的移動可能會造成VLC鏈路的暫時中斷，影響數據傳輸的連續性，同時對鏈路快速恢復技術提出較高的要求。

2.3VLC應用場景分析

由于VLC具有諸多明顯的優勢和技術挑戰，加之它與照明的天然結合，VLC的主要應用場景可以歸納為如圖1所示的情況。在室內環境下，照明LED為室內的智能設備提供高速接入的能力；如果在一間房屋內同時存在多個光源，多個光源之間需要協同配合，實現設備的高速接入；同時，VLC需要與Wi-Fi、光纖接入網、電力線通信等已有通信手段融合，共同實現家庭接入的功能。

3　寬帶VLC關鍵技術路線

3.1VLC技術研究進程

針對VLC的典型應用場景及其在技術、器件特點和性能方面的難點，當前針對高速VLC的研究主要集中在以下3方面：

（1）正交頻分復用（OFDM）調制技術、多輸入多輸出（MIMO）技術等高速通信技術的理論研究。

（2）OFDM中抑制信號峰均功率比（Peak-to-Average Power Ratio，PAPR）、MIMO中優化資源分配算法等系統優化算法研究。

（3）探索新型照明LED材料以及研究照明通信一體化等新興課題研究。在OFDM調制技術方面，有許多研究精力被投入到探索和實現更高的調制階數、功率以及更大帶寬上，也有部分研究關注于各類高效的光OFDM實現方案。在MIMO技術方面，成像MIMO和非成像MIMO技術均被廣泛研究，其中成像MIMO增益較強，非成像MIMO具有視場角較大、系統器件的復雜度低等優點。由于OFDM和MIMO技術均能直接、明顯地提升VLC系統容量，并且兩種技術可以相互配合實現疊加，因此本文主要對這兩種關鍵技術開展研究。

3.2基于OFDM技術的寬帶VLC研究

基于OFDM的VLC系統十分適用于高速傳輸的應用場景，這是由于OFDM能有效地提高帶寬利用效率、解決碼間干擾問題、通過功率分配機制提高能量利用效率。

圖2是一個典型的基于OFDM的VLC系統框圖，二進制信號依次通過星座映射、串/并轉換、功率分配、反傅里葉變換（IFFT）實現正交調制，在經過并/串轉換和數/模轉換后即可注入LED。由于在VLC中用光強表示信號，要求信號必須是非負實數，故與傳統的射頻OFDM發射機不同，在基于OFDM的VLC發射機中，需要加入紅圈標識的共軛對稱模塊。在該模塊中，將符號向量進行對稱共軛后與原信號合并組成新的向量，由于其共軛對稱的特點，IFFT結果的虛部為0，從而使得待發射信號滿足實數性的要求。

在基于OFDM的VLC系統中需要重點解決信號PAPR過高和比特功率分配算法的問題。照明LED具有明顯的非線性特征，在LED的準線性區，發光強度隨著輸入電壓正比例變化，但在輸入電壓過大或者較小的時候，發光強度會出現飽和或者截止的情況，如圖3所示。與此同時，原生的OFDM信號具有較高的PAPR，在LED非線性模型下，為了保證信號不出現較強的非線性失真，只能將信號平均功率控制在較低的水平，這種情況是不利于提升信號質量、提高接收端信噪比的。為了解決這個問題，有必要對OFDM信號進行修改和調整，控制其PAPR，從而有效地提升系統容量。常用的限制PAPR的技術手段包括限幅法、壓縮擴展法、部分傳輸序列等。此外，在OFDM參數設計時，可以在滿足其他約束條件的前提下將OFDM子載波數目控制得盡量少，因為子載波數目較少時，信號PAPR相對較小。

圖2　基于OFDM的VLC系統框圖

圖3　典型LED的非線性特性

典型LED光源的另一個特點是頻率衰減較為明顯。通常有藍色燈芯配合黃色熒光粉組成的LED光源只具有3～5MHz的3-dB帶寬，如果在接收端加入藍光濾光片抑制響應較慢的熒光粉分量，對應的3-dB帶寬可以提升至近10MHz，但是會相應地損失部分接收功率，如圖4所示。如果不對原生OFDM信號進行任何處理就將其調制到LED光源上，那么信號的高頻部分會明顯比低頻部分承受更高的衰減，使得在高斯白噪聲環境下，高頻部分的信噪比明顯較差。為了彌補這種由于頻率衰減而導致的接收端信噪比不均衡的狀態，可以在OFDM信號生成的時候使用比特功率分配技術。在比特進行星座映射時，根據各個子載波對應的頻率衰減程度，在衰減較小的低頻子載波上分配較多的比特（即較高的調制階數）和功率，在衰減較大的高頻子載波上分配較少的比特和功率，這使得功率的利用效率更高，系統可達的最大傳輸速率得以提升。如果信號帶寬較寬（如超過50MHz），那么LED光源對于最高頻子載波和最低頻子載波的衰減值差距將會較大（超過20dB），此時為了保證高頻子載波的信號質量，對于接收機靈敏度、模數轉換器（ADC）量化精度的要求都會大大提高。為了降低系統成本和復雜度，可以采用均衡技術，將LED的低頻衰減增加，并對高頻衰減進行補償，實現相對平穩的頻響特性。

圖4　典型LED的頻響特性

3.3基于MIMO技術的寬帶VLC研究

MIMO技術是指使用多個發射端和接收端進行聯合通信的技術，是提升無線通信系統的通信速率的一種重要手段。在室內可見光通信領域，由于很多室內照明系統中會包含多個照明LED燈，而每個燈都可以作為VLC的發射端，因此MIMO也會很自然地被考慮應用于室內VLC中。在VLC系統中的MIMO技術可以按照發射端信號承載方式分為分集式MIMO和復用式MIMO，也可以按照接收端形態分為成像MIMO和非成像MIMO。

分集式MIMO的系統結構和幀結構如圖5所示。在發射端，多個LED發送一致的信號，接收端的多個接收天線（即多個獨立的光電探測器）接收到的信號可以通過最大比合并（MRC）或者等增益合并（EGC）等方式進行合并處理。這種分集方案的優勢在于系統結構簡單、復雜度低，而且能夠有效地提高信號質量，提升系統穩定性。在分集式MIMO中，各個LED光源采用相同的幀結構，均是“訓練序列+數據包”的形式。

圖5　分集式MIMO系統結構和幀結構

復用式MIMO的系統結構和幀結構如圖6所示。在發射端，每個LED分別發送不同的信號，在接收端，不同的接收天線可以接收來自不同光源的信號，因此通過訓練序列的輔助可以獲得系統的信道矩陣，進而可以對接收信號進行迫零（ZF）或者最小均方誤差（MMSE）解調。復用式MIMO方案由于采用了多個光源并行發送數據，故它的優勢在于可以大大提高系統傳輸速率。由于接收端在解調信號時需要得知每個接收天線相對于每個LED光源的響應，因此復用式MIMO的信號幀結構中，需要為每個LED光源留出一塊專用的訓練時隙，此時隙內只有一個特定的LED發送訓練序列。在每個LED完成訓練序列發送后，各LED可以同時發送不同的數據包。

在MIMO接收機方面有非成像接收機和成像接收機兩種主要類型。由于VLC采用光強承載信號，而為了提高MIMO系統的性能增益必須要求接收端各個天線接收的信號之間存在明顯差異性，故非成像接收機通常采用角度分集接收的方式，即各個接收天線的朝向不同，如圖7左圖所示。而如果采用成像MIMO接收機，成像透鏡能將信號發射端的不同LED光源映射到下方接收天線陣列的不同的陣元上，各接收天線接收信號的差異性容易得到滿足，如圖7右圖所示。非成像MIMO系統實現較為簡單，無需配備透鏡系統，系統體積較小，視場角較大；成像MIMO系統實現較為復雜，通常體積較大，但是它對于各發射光源的區分性好于非成像MIMO接收機，能獲得更高的系統性能增益。

圖6　復用式MIMO的系統結構和幀結構

圖7　非成像接收機（左）和成像接收機（右）

4　寬帶VLC發展趨勢展望

OFDM和MIMO技術是實現高速VLC系統的基本關鍵技術，隨著對VLC技術的科學研究不斷深入，上述問題相應的技術解決方案也在不斷優化。至今為止，采用單個商用LED光源、基于OFDM技術的VLC可達速率已經超過2Gbit/s，而采用MIMO技術的VLC可達速率已經突破50Gbit/s，這也證明了VLC在理論上具有成為高速接入手段的可行性。但與此同時，在VLC規模性普及使用之前，還有一些關鍵問題需要解決。比如，在用戶終端移動的狀態下動態維持系統資源分配的問題、用戶終端從某一光源下移動至另一光源下的切換問題、相鄰光源指之間干擾抑制問題、VLC 與Wi-Fi和電力線載波等已有通信方式異構融合的問題、VLC鏈路臨時被阻隔時切換至備用通信手段的問題以及鏈路恢復后通信功能快速恢復的問題等。這些問題尚未有明確的、共識的技術手段可以適用，還需要相關領域的科研人員不斷深入挖掘和嘗試，得到合理的解決方案。盡管VLC在產業化的道路上依然存在諸多問題，但仍要看到高速VLC存在典型的應用場景和需求，它面臨的技術挑戰如移動切換、網絡資源優化、異構網絡融合等均是當前熱門的研究方向，研究的可行性已被從各方面進行論證，相關課題已經被列入國家近期重點研究計劃的范疇內，在未來幾年內有望獲得突破性進展。因此，有理由相信隨著VLC技術的不斷進步，它終會成為能和已有接入技術融合互補的新興高速接入手段。

5　結束語

本文從可見光通信的技術特點出發，分析了VLC的技術優勢和技術難點，并提出了VLC應用的典型場景。在此場景下，OFDM和MIMO技術是實現高速VLC的兩項主要關鍵技術。本文先后研究了基于OFDM和MIMO的高速VLC系統中非線性與PAPR的問題、比特功率分配問題、分集式與復用式MIMO問題、成像/非成像接收機的問題。進而，本文對未來VLC的研究發展趨勢進行了分析概述，指出VLC終會成為與已有接入技術融合互補的新興高速接入手段。

［1］余冰雁.基于照明LED的室內高速可見光通信關鍵技術研究［D］北京：清華大學，2015.

［2］Armstrong.OFDM for Optical Communications［J］.Journal of.Lightwave Technology，，2009，27（1）：189-204.

［3］中國電子技術標準化研究院.可見光通信標準化白皮書［R］中國電子技術標準化研究院，2016.

Research on the key technologies of broadband visible light communication

YUB inyan

Visible light communication（VLC）is a kind of emerging wireless communication method which adopts lighting LED as its transmitter.VLC benefits from the advantages of ubiquitous coverage area and no electromagnetic radiation，however，the problems of constraint bandwidth and interference between neighbor LEDs make it a challenge to realize a high data rate transmission by VLC.In this paper，typical application scenarios for VLC is proposed，both of OFDM and MIMO which are key technologies for high speed VLC are researched.In addition，the research tendency of VLC in the future is analyzed in this paper.

visible light communication；OFDM modulation；MIMO technology

（2016-06-27）