MIMO 技術的可見光通信系統(tǒng)探討

倪獻明

（杭州昱華科技有限公司，杭州 311422）

可見光通信是一種新型技術，其憑借發(fā)光二極管（也即LED）通過光線在強度方面的變化，可以傳遞信息，所以該項技術的應用，能夠實現(xiàn)照明與信息傳輸?shù)碾p重目的，值得大力推廣，被應用在日常生活領域。

1 概述

1.1 可見光通信系統(tǒng)

可見光通信屬于無線光通信的范疇，一共由兩部分組成，一是發(fā)射部分，二是接收部分，對于發(fā)射部分而言，這部分的光源多采用LED，而對于接收部分而言，這部分的光源采用的是光電二級管PIN[1]。伴隨著用戶對通信需求的不斷變化，可見光通信的應用前景日益廣闊，且因其獨特的優(yōu)勢，贏得了廣大用戶的青睞，具體來講，較之傳統(tǒng)的通信方式，可見光通信有以下優(yōu)點：第一，在使用過程中不會產(chǎn)生輻射，能夠為用戶的身體健康提供可靠性保障；第二，使用白光LED，其自帶的高能量能夠延伸原有的信號覆蓋范圍，增加通信面積；第三，發(fā)射功率較高；第四，無需提前辦理無線電頻譜證；第五，不會產(chǎn)生電磁干擾；第六，就LED 本身而言，這種構件單體體積較小，所以還具有便于安裝的優(yōu)勢；第七，兼具使用壽命產(chǎn)于能耗較少的優(yōu)點，且在低壓供電下也能穩(wěn)定運行，能夠有效減輕電網(wǎng)輸送電壓力。

1.2 MIMO 技術

1.2.1 概述

MIMO 技術于1908年被提出，是“多輸入多輸出”的英文簡稱[2]。通常來講，若是通信過程中存在多個路徑，一般會導致信號衰落，給通信系統(tǒng)的正常運行帶來不便，但是基于MIMO技術構造下的通信系統(tǒng)，多徑傳輸反而是助益其高效運行的有利因素。在應用MIMO 技術改善通信系統(tǒng)之前，無線通信系統(tǒng)多使用的是單輸入單輸出（也即SISO 技術），不論是發(fā)射端還是接收端，都是一根天線；而在應用了MIMO 技術之后，可以使用多根天線搭建相互獨立的信道，用以傳輸不同的數(shù)據(jù)，所以在總傳輸功率相等的條件下，應用MIMO 技術搭建的通信信道要比單輸入單輸出的通信信道具有更大的傳輸容量，所以，基于該項技術具有信道容量、頻譜利用以及傳送性能等方面的獨特特征，MIMO 技術具有如下優(yōu)點：第一，即使不使用均衡技術與調制技術等復雜的技術，也能提升通信系統(tǒng)原有的傳輸速率；第二，即使通信系統(tǒng)的收端未處于精確對準條件，通過使用MIMO 技術，也能讓系統(tǒng)正常工作，所以從一點程度上來講也是降低實際使用難度的一種表現(xiàn)。因此，通過將MIMO 技術應用在通信系統(tǒng)中，不僅能夠實現(xiàn)系統(tǒng)的分工運行，也即由收發(fā)光學系統(tǒng)負責映射，由硬件電路負責指向與跟蹤；也能及時關閉微小區(qū)的光源，降低功耗；還能巧用發(fā)射機陣列，使其發(fā)揮最大的效用，發(fā)射相異的數(shù)據(jù)流，增加系統(tǒng)容量。所以在通信系統(tǒng)中應用MIMO 技術，既有其必要性，也有其可行性。

1.2.2 應用于可見光通信系統(tǒng)的關鍵技術

將MIMO 技術應用于可見光通信系統(tǒng)中，需要注意以下幾點關鍵技術：第一，光源選擇。光源選擇方面，因為不同光源在光功率、光照度以及輻射強度等性能方面都有所差異，而這些差異對光通信系統(tǒng)會產(chǎn)生直接的影響，所以MIMO 技術的應用，首當其沖要關注的技術要點便是光源的選擇，也只有擇出恰當?shù)墓庠矗侥茏尮夤β时３衷谶m當?shù)姆秶瑸樵鰪姲l(fā)射信號這一能力提供支撐；第二，光源布局。光源布局也會影響通信系統(tǒng)的性能，所以需要巧妙的設計光源的布局，以便達到可見光通信與室內(nèi)光照明的雙重目的；第三，除上述兩項技術之外，諸如LED 燈的數(shù)量、接受視角（也即FOV）和碼間干擾（也即ISI）等問題也不容忽視[3]。

2 非成像型MIMO 技術類可見光通信

2.1 發(fā)射端設計

該類通信系統(tǒng)的發(fā)射端在設計的時候需要注意以下要點：第一，選擇信號燈。最適宜這類通信系統(tǒng)的信號燈是LED，究其原因，是LED 具有光功率-電流曲線，也即常見的P-I 曲線，出于帶寬的考慮，若想滿足通信與照明的雙重功能，選擇LED 信號燈是構建可見光通信系統(tǒng)的關鍵；第二，設計發(fā)射裝置。如前文所言，功能齊備的可見光通信系統(tǒng)由接收端與發(fā)射端兩個部分組成，所以設計發(fā)射端是完善可見光通信系統(tǒng)的應有之義，因此借助LED 型照明燈排列發(fā)射數(shù)據(jù)信號的陣列必不可少。

2.2 接收端設計

接收端在設計時同樣需要注意兩項要點：第一，PIN。PIN管在可見光通信系統(tǒng)之中的應用，主要是為了實現(xiàn)光信號與電信號之間的轉換，所以為了能夠將量子效率提升到極致，一是需要減少光子發(fā)射，二是需要減少光子的吸收，三是需要讓耗盡層要足量的長度，在此思路的引導下，技術人員逐漸研發(fā)出了PIN 光電二級管，且因其響應速度快、噪聲小和暗電流小的優(yōu)勢，被廣泛采用于光通信之中；第二，接收端。MIMO 技術在光通信系統(tǒng)中的應用，還需設計接收端，對此，需要使用光電接收器件設計接收天線陣列，設計時天線應當呈正方形分布，邊長應當在0.1m左右，加之光電接收器件會產(chǎn)生微弱響應電流，會影響檢測結果，所以還需要在此陣列的后端安裝前置放大電路，解決這一問題。

3 成像型MIMO 技術類可見光通信

3.1 發(fā)射端設計

對于成像型通信系統(tǒng)，其內(nèi)的發(fā)送機往往由白光LED 構成，而白光LED 又必須借助藍光LED 的的作用來激發(fā)黃磷，達到生成白光的目的，加之黃磷的響應速率較慢，所以通信系統(tǒng)的帶寬多被限制在2.5MHz 左右，所以為了將帶寬提升至預期的14MHz，就必須憑借藍色發(fā)光元件的功效，來實現(xiàn)這一目的。除此之外，在進行成像型通信系統(tǒng)發(fā)射端的設計時，要注意計算H矩陣，簡單的說，光在依賴LED 進行傳播時，矩陣中的每一個LED 都會和接收機存在視距（LOS）與漫射，然后會通過墻壁的發(fā)射進行進一步的光傳播，一般來講，漫射部分即使發(fā)揮了最大功效，也比LOS 處于最弱狀態(tài)下的接收能力低7dB，所以在設計成像型通信系統(tǒng)的發(fā)射端時，要尤為重視LOS 部分。

3.2 接收端設計

接收端設計需著重關注兩個方面，一方面是接收機，在成像型通信系統(tǒng)中，接收機一般由探測器、光學聚光元件以及前置放大器這三個部分組成，通過這三部分的配合，方能讓接收端具備應有的功效；另一方面是需要重視信號恢復的問題，成像型通信系統(tǒng)在進行數(shù)據(jù)傳輸時，需要使用均衡器與低通濾波器將數(shù)據(jù)流結合起來，然后用此數(shù)據(jù)流與發(fā)送數(shù)據(jù)流作比，估算信噪比（BER）[4]，而之所以能夠得到這一新數(shù)據(jù)，是因為：第一，通過互相關，能夠得出發(fā)射、接收數(shù)據(jù)流兩類數(shù)據(jù)之間的時延，從而從此處著手，通過調整波形的方法，來消除時延；第二，能夠有效整合比特時間內(nèi)所能接收到的所有能量；第三，借助最大似然估計法可以找到發(fā)射的比特；第四，可以用估計值與發(fā)送的信號得出誤碼。

4 結束語

MIMO 技術在可見光通信系統(tǒng)之中的應用，既有利于增加室內(nèi)照明的覆蓋面積和亮度，使用戶獲得良好的光照需求，也有利于提升信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性，基于此項考慮，有必要且要意義實現(xiàn)兩者的融匯發(fā)展。