應(yīng)用于可見(jiàn)光通信的上行鏈路方案探討

鄭重+劉璐+胡薇薇

中圖分類號(hào)：TN929.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號(hào)：1009-6868 （2014） 06-0008-004

摘要：

基于對(duì)采用射頻、可見(jiàn)光、780～950 nm紅外光作為可見(jiàn)光通信上行鏈路的分析，提出了采用1 550 nm激光作為可見(jiàn)光通信上行鏈路的全新方案，在典型室內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景下，與下行的可見(jiàn)光鏈路共同構(gòu)成一套波分雙工全光通信鏈路，其上行鏈路可達(dá)1 Gb/s。1 550 nm激光上行鏈路同樣具有速率高、無(wú)電磁干擾、與保密性好等與可見(jiàn)光通信相一致的特點(diǎn)，可以成為可見(jiàn)光通信上行鏈路候選方案之一。

關(guān)鍵詞：? 可見(jiàn)光通信;發(fā)光二極管;上行鏈路;激光

Abstract：?This paper analyzes the features and feasibility of the uplink utilizing wireless radio frequency， visible light， and 780-950 nm infrared light for visible-light communication. In addition， a novel uplink scheme employing 1550 nm laser and avalanche photo diode is presented. This scheme maintains the advantages of high-speed， no electromagnetic interference， and enhanced security. The simulation results indicate that this uplink can achieve a data rate of 1 Gb/s.

Keywords：?visible light communication; light-emitting diode; uplink; laser

白光發(fā)光二極管（LED）相比于傳統(tǒng)光源具有更高的發(fā)光效率，綠色環(huán)保，正在逐步成為主要的照明光源?？梢?jiàn)光通信將通信信號(hào)加載至室內(nèi)照明白光LED上，通過(guò)高速光照強(qiáng)度變化來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[1]。可見(jiàn)光通信無(wú)需新的電磁頻譜許可，也不會(huì)引入對(duì)其他設(shè)備的電磁干擾，還具有通信速率高、保密性好等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。室內(nèi)白光照明LED一般固定于天花板特定位置，通過(guò)可見(jiàn)光對(duì)室內(nèi)各終端進(jìn)數(shù)據(jù)廣播，構(gòu)成可見(jiàn)光通信的下行鏈路?，F(xiàn)有的報(bào)道中多是此類單向可見(jiàn)光傳輸鏈路，然而一個(gè)完整的通信系統(tǒng)必須具有協(xié)同工作的上行鏈路。截至目前，可見(jiàn)光通信數(shù)據(jù)速率最高已經(jīng)達(dá)到10 Gb/s[4]。為與可見(jiàn)光通信下行鏈路數(shù)據(jù)速率相匹配，上行鏈路需要具備較高的速率。此外，可見(jiàn)光通信系統(tǒng)一般面向短距離無(wú)線移動(dòng)接入系統(tǒng)，因此上行鏈路也需為無(wú)線鏈路，且具有可移動(dòng)性[5]。

1 可見(jiàn)光通信研究現(xiàn)狀

在可見(jiàn)光通信研究的早期階段，牛津大學(xué)的O'Brien和愛(ài)丁堡大學(xué)的Harald Haas組都已考慮到上行鏈路會(huì)是可見(jiàn)光通信的重要挑戰(zhàn)之一，并指出射頻、紅外光等可以作為上行鏈路。波士頓大學(xué)的TDC Little等提出并分析了Wi-Fi與可見(jiàn)光廣播系統(tǒng)相融合的方案，在該方案中，Wi-Fi與可見(jiàn)光廣播通信鏈路協(xié)同工作，相比于兩者單獨(dú)工作，實(shí)現(xiàn)了更高的傳輸速率[6]。臺(tái)灣國(guó)立交通大學(xué)C. W. Chow組通過(guò)時(shí)分雙工（TDD）的方式，實(shí)現(xiàn)了雙向可見(jiàn)光通信[7]。與之對(duì)應(yīng)，復(fù)旦大學(xué)遲楠組展示了以RGB 3色LED中紅綠2個(gè)通道作為下行，藍(lán)色通道作為上行的波分雙工（WDD）可見(jiàn)光通信系統(tǒng)[8]。意大利比薩圣安娜高等學(xué)校的Cossu等展示了可見(jiàn)光與850 nm波段紅外光共同組成的雙向400 Mb/s點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路，但該鏈路為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路，與實(shí)際場(chǎng)景所需的上行鏈路仍有差距[9]。在此研究基礎(chǔ)之上，本文提出了以1 550 nm激光作為上行鏈路的全新方案，在典型室內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景下，該方案至少可以提供1 Gb/s的上行鏈路速率，且具有安全性高、保密性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。

2 現(xiàn)有上行鏈路技術(shù)方案

現(xiàn)有研究已提出無(wú)線電波與無(wú)線光波兩大類上行鏈路用于可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，無(wú)線電波主要以Wi-Fi為典型方案，而光波方案中又可以按照波段分為380～780 nm間的可見(jiàn)光波段與780～950 nm間的紅外光上行鏈路。各方案示意圖如圖1所示。我們將在下面各小節(jié)中介紹各方案并討論其技術(shù)特點(diǎn)。

2.1 射頻上行

傳統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng)利用射頻作為載波來(lái)傳遞信息，可見(jiàn)光通信仍然可以采用射頻作為上行鏈路，如圖1（a）所示。目前室內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）應(yīng)用與部署最為廣泛、技術(shù)最為成熟的是Wi-Fi，即IEEE 802.11系列協(xié)議[10]。Wi-Fi技術(shù)包括IEEE 802.11 a/b/g/n/ac等適用于WLAN的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，旨在為用戶提供無(wú)線寬帶數(shù)據(jù)接入[11]?，F(xiàn)有移動(dòng)終端大都安裝有Wi-Fi模塊，Wi-Fi熱點(diǎn)也已廣泛部署，然而當(dāng)用戶數(shù)據(jù)量不斷增長(zhǎng)時(shí)，接入信道時(shí)產(chǎn)生碰撞的幾率與退避等待時(shí)間都在不斷增加，因此可以由可見(jiàn)光通信系統(tǒng)來(lái)承載下行鏈路數(shù)據(jù)，而Wi-Fi用作上行鏈路。可見(jiàn)光通信一般為視距（LOS）鏈路，當(dāng)接收機(jī)與LED發(fā)射源之間有障礙物遮擋時(shí)，Wi-Fi也可以短時(shí)間提供下行傳輸，以保證服務(wù)質(zhì)量（QoS）。由此可以將可見(jiàn)光通信與Wi-Fi進(jìn)行深入融合，共同組成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。由屋頂?shù)腖ED提供其覆蓋范圍內(nèi)的下行鏈路，組成一個(gè)個(gè)微微小區(qū)，而Wi-Fi提供整個(gè)大范圍的覆蓋與上行鏈路。此時(shí)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)為原有的Wi-Fi系統(tǒng)提供了額外的數(shù)據(jù)帶寬，將大大提高整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量[6]。

現(xiàn)有的射頻技術(shù)如Wi-Fi等已有成熟的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)補(bǔ)充與融合，大都可以作為可見(jiàn)光通信的上行方案，由于原系統(tǒng)下行數(shù)據(jù)由可見(jiàn)光系統(tǒng)分擔(dān)，上行傳輸吞吐量可大幅提高。當(dāng)可見(jiàn)光接收機(jī)處于被遮擋位置時(shí)，射頻鏈路可以短暫提供下行傳輸，以保證數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性，甚至可以進(jìn)行深度融合組成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。然而采用射頻上行方式將會(huì)與現(xiàn)有的系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，占用已經(jīng)十分擁擠的頻譜資源;此外，射頻上行會(huì)有電磁輻射，將無(wú)法用在電磁敏感環(huán)境，可見(jiàn)光通信的保密性也會(huì)大大減弱。因此，為保持可見(jiàn)光通信的優(yōu)點(diǎn)，上行鏈路可以回歸光波作為載波，與可見(jiàn)光通信系統(tǒng)構(gòu)成全光無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。endprint

2.2 可見(jiàn)光上行

可見(jiàn)光通信系統(tǒng)下行是利用白光照明LED燈進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此上行亦可以利用可見(jiàn)光波段傳輸數(shù)據(jù)，如圖1（b）所示。在文獻(xiàn)[7]中，作者演示了40個(gè)LED陣列作為下行，1個(gè)單獨(dú)的LED作為上行的時(shí)分雙工的可見(jiàn)光通信鏈路。上下行鏈路經(jīng)過(guò)精確同步與添加保護(hù)時(shí)間間隔后，上下行間和墻壁反射的干擾得到了抑制。時(shí)分雙工系統(tǒng)可以靈活地配置上下行和每個(gè)用戶的時(shí)隙長(zhǎng)度，對(duì)于非對(duì)稱業(yè)務(wù)有很好的動(dòng)態(tài)靈活性。

與時(shí)分雙工相對(duì)應(yīng)，在文獻(xiàn)[8]中，作者展示了波分雙工的可見(jiàn)光雙向通信鏈路。文中的LED為RGB 3色LED，分別在紅（R）、綠（G）兩個(gè)通道上加載了32/64QAM-OFDM下行信號(hào)，而藍(lán)色（B）作為上行通道，加載了32/64QAM-OFDM信號(hào)，在66 cm的自由空間中實(shí)現(xiàn)了下行575 Mb/s與上行300 Mb/s的傳輸速率。文章指出探測(cè)器前端的濾光片能夠很好地抑制不同波長(zhǎng)通道間的干擾，因此可以構(gòu)成可見(jiàn)光波段內(nèi)的波分雙工系統(tǒng)。但是3色LED只有R、G、B 3個(gè)固定通道，無(wú)法像TDD方式一樣靈活分配上下行速率。

室內(nèi)可見(jiàn)光通信下行鏈路利用天花板上固定的照明LED發(fā)射信號(hào)，是在照明的基礎(chǔ)完成通信，然而當(dāng)終端也使用可見(jiàn)光作為上行信號(hào)時(shí)需要利用LED向空間中發(fā)出一定強(qiáng)度的光照，有時(shí)LED發(fā)出的光并不是環(huán)境照明所必須的，甚至?xí)?duì)身處其中的人們產(chǎn)生視覺(jué)干擾，因此利用可見(jiàn)光作為上行鏈路只能用于某些特殊場(chǎng)景。采用時(shí)分雙工或波分雙工的可見(jiàn)光系統(tǒng)更適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)間的雙向通信，在IEEE 802.15.7標(biāo)準(zhǔn)中也提出了利用可見(jiàn)光通信的雙向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路形式[12]。

2.3 780～950 nm紅外光上行

采用780～950 nm紅外光的上行鏈路與可見(jiàn)光上行鏈路類似，如圖1（c）所示。780～950 nm紅外光是早期紅外通信技術(shù)的主要波段，該波段與硅基探測(cè)器的峰值波段相吻合，具有較高的探測(cè)效率。紅外LED成本低廉，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，因此早期的低速紅外通信鏈路多選擇LED而非激光二極管（LD）作為光源，但是紅外LED發(fā)光譜較寬，調(diào)制帶寬僅有數(shù)兆赫茲，可達(dá)到的數(shù)據(jù)速率較低。此外紅外LED發(fā)射功率半角大約在15°到30°之間，遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光LED的發(fā)射功率半角，因此光束較為集中[13]，780～950 nm波段內(nèi)的紅外光與可見(jiàn)光相接近，也是人眼較為敏感的波段，需要嚴(yán)格限制發(fā)射功率。紅外通信標(biāo)準(zhǔn)主要由紅外數(shù)據(jù)組織（IrDA）制訂，最早的版本為1996年制訂完善的IrDA通信協(xié)議，定義了最高速率為4 Mb/s的半雙工連接標(biāo)準(zhǔn)。之后IrDA又相繼制訂了速率達(dá)1 Gb/s的Giga-IR標(biāo)準(zhǔn)。由于受發(fā)射功率限制，這些標(biāo)準(zhǔn)定位于移動(dòng)終端的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)間的直接傳輸，通信距離大多在1 m以內(nèi)，難以直接用作室內(nèi)可見(jiàn)光通信上行鏈路[14]。

在文獻(xiàn)[9]中，GiulioCossu等人使用中心波長(zhǎng)在850 nm處的紅外LED作為可見(jiàn)光通信的上行鏈路，以RGB 3色LED中藍(lán)色通道作為可見(jiàn)光通信的下行鏈路，該實(shí)驗(yàn)中上下行均采用了離散多音頻調(diào)制（DMT），接收端采用雪崩光電二極管（APD）探測(cè)器，其前端分別放置了473 nm（帶通10 nm）和805 nm長(zhǎng)波通濾光片，構(gòu)成波分雙工系統(tǒng)，前置濾光片消除了上下行間的干擾，且抑制了背景噪聲，實(shí)現(xiàn)了2 m距離間的400 Mb/s雙向通信。

780～950 nm紅外通信受人眼安全以及成本限制，大都采用紅外LED。紅外LED成本低廉，發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于移動(dòng)終端使用。但是受紅外LED調(diào)制帶寬限制，上行鏈路速率較低。另一方面，紅外LED光束較為集中，需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的瞄準(zhǔn)并限制發(fā)射功率在人眼安全范圍內(nèi)，因此終端的移動(dòng)性與鏈路質(zhì)量會(huì)受到限制。

3 1 550 nm激光上行新方案

在目前的研究基礎(chǔ)之上，我們提出了采用1 550 nm激光作為載波的全新可見(jiàn)光通信上行鏈路方案，與下行的可見(jiàn)光鏈路共同構(gòu)成一套波分雙工全光通信鏈路，如圖2所示。

相比于780～950 nm波段上行鏈路采用的紅外LED僅有的數(shù)兆赫茲響應(yīng)帶寬，1 550 nm波段的激光器擁有可達(dá)數(shù)百兆赫茲到數(shù)十吉赫茲的響應(yīng)帶寬[15]，可以達(dá)到更高的傳輸速率。1 550 nm波段的探測(cè)器為InGaAs材料，相比于硅基的780～950 nm探測(cè)器具有更高探測(cè)效率，可達(dá)0.75～0.95 A/W。此外1 550 nm激光器還具有較窄的譜線寬度，因此在接收機(jī)前端可以通過(guò)窄帶濾光片將絕大部分背景干擾光濾除。

雖然1 550 nm波段已經(jīng)遠(yuǎn)離可見(jiàn)光范圍，但是對(duì)于無(wú)線激光上行鏈路，必須考慮人眼安全功率范圍。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）規(guī)定，用于上行鏈路的激光器必須為1類或1M類激光產(chǎn)品，對(duì)于1 550 nm波段來(lái)說(shuō)，在10 s的接觸時(shí)間內(nèi)，1 000 W/m2為安全接觸量，約是780～950 nm波段接觸量的40倍[16]，因此，1 550 nm波段可以具有更大的發(fā)射功率以達(dá)到更好的鏈路質(zhì)量。

上行鏈路可以有直射鏈路、擴(kuò)散鏈路和散射鏈路3種方案[17]。直接鏈路由激光器直接對(duì)準(zhǔn)位于屋頂?shù)腁PD探測(cè)器。這種方式光束較為集中，具有很高的能量效率與鏈路質(zhì)量。然而直接鏈路需要精確的瞄準(zhǔn)機(jī)制，發(fā)射結(jié)構(gòu)會(huì)比較復(fù)雜。擴(kuò)散鏈路在激光器前端放置一個(gè)光學(xué)擴(kuò)散透鏡，將激光器出射光的功率半角擴(kuò)散至15°至30°，此時(shí)在建立鏈路時(shí)，不再需要精確的對(duì)準(zhǔn)，發(fā)射裝置可以得到簡(jiǎn)化。以上兩種鏈路都是LOS鏈路，路徑損耗較小，具有較高的能量效率，且背景噪聲很低。與之相對(duì)應(yīng)的第3種是非視距（Non-LOS）鏈路，激光器發(fā)出的光并不直接對(duì)準(zhǔn)接收機(jī)，光束經(jīng)過(guò)墻壁或天花板的散射到達(dá)接收機(jī)，因此無(wú)需瞄準(zhǔn)機(jī)制。Non-LOS鏈路具有很高的魯棒性和移動(dòng)性，當(dāng)室內(nèi)有障礙物或者人員走動(dòng)產(chǎn)生遮擋時(shí)，依舊能保持鏈路暢通。然而Non-LOS鏈路具有較大的路徑損耗，需要在確保人眼安全的前提下，適當(dāng)增加發(fā)射功率，能量效率較低。綜上所述，擴(kuò)散鏈路具有較高的能量效率，且無(wú)需復(fù)雜的瞄準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，較為適用于可見(jiàn)光上行鏈路，下面我們對(duì)其進(jìn)行具體分析。endprint

圖3為1 550 nm激光上行鏈路示意圖，假設(shè)在一個(gè)6.0×6.0×3 m3的屋子內(nèi)，接收機(jī)位于天花板中心位置。在發(fā)射端，激光器經(jīng)過(guò)透鏡進(jìn)行擴(kuò)束，用朗伯模型對(duì)其進(jìn)行建模[13]：

[Ro=（m+1）2πcosm?] ? ? （1）

其中[m]與功率半角[?12]的關(guān)系為[m=-ln2/ln（cos?12）]。對(duì)于是直接鏈路，僅計(jì)入LOS鏈路損耗而直接忽略由屋頂和墻壁散射造成的其他多徑光束，因此接收光功率可以表示如下：

其中[ηT]和[ηR]為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)光學(xué)前端的透過(guò)率，[Pt]為發(fā)射功率，[A]為探測(cè)器的有效接收面積，[ψc]為可視角（FOV），[?]為偏離角，[ψ]為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)連線與垂直方向間的夾角。

為提高接收靈敏度，我們采用APD作為探測(cè)器，那么接收信號(hào)[S]可以表示為：

[S=R2P2rM2] ? ? （3）

其中[R]為光電探測(cè)效率，[M]是APD的雪崩增益。

對(duì)于LOS鏈路，由于忽略了多徑信號(hào)影響，碼間串?dāng)_（ISI）同樣可以忽略，因此接收信號(hào)的噪聲可以看做是由散彈噪聲和熱噪聲相加而組成的白噪聲，其方差可以表示為：

[N=σ2shot+σ2thermal] ? ? （4）

散彈噪聲由APD探測(cè)器引入，其表達(dá)式為：

[σ2shot=[2eRPrM2+x+2e（Iamb+Id）M2+x]B ]

其中[e]為電子常數(shù)，[x]是雪崩增益因子，[Iamb]是背景光電流，[Id]為探測(cè)器的暗電流，B為接收帶寬。熱噪聲由電子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，為簡(jiǎn)化處理，熱噪聲可以由熱噪聲密度（[iamp]）與帶寬的乘積來(lái)計(jì)算：

[σ2thermal=i2amp?B] ? ? （6）

由公式（1）到公式（6）可以得到信噪比的表示為：

根據(jù)公式（7）和香農(nóng)公式，考慮上行發(fā)射機(jī)位于屋內(nèi)角落處（0，0 ）處最不利情境下，可得直射點(diǎn)位于天花板不同位置時(shí)鏈路的理論容量，結(jié)果如圖4所示。仿真所用的參數(shù)見(jiàn)表1。

由仿真結(jié)果可知：在500 MHz的帶寬條件下，上行鏈路在大約12.3 m2的瞄準(zhǔn)誤差范圍內(nèi)速率可達(dá)1 Gb/s，這將與可見(jiàn)光下行系統(tǒng)相匹配，構(gòu)成全光雙工鏈路。如果進(jìn)一步擴(kuò)展激光器的調(diào)制帶寬至數(shù)吉赫茲，上行鏈路速率甚至可以與下行速率對(duì)等達(dá)到數(shù)吉比特每秒。雖然1 550 nm激光器成本較高，但隨著技術(shù)進(jìn)步，其成本將會(huì)逐漸下降至可接受范圍。

4 結(jié)束語(yǔ)

以Wi-Fi為代表的室內(nèi)射頻技術(shù)是現(xiàn)有的成熟技術(shù)方案，作為可見(jiàn)光通信上行鏈路時(shí)，通過(guò)與可見(jiàn)光下行鏈路進(jìn)行協(xié)作，大大提高了鏈路總?cè)萘?。Wi-Fi能夠提供數(shù)百兆比特每秒的上行鏈路數(shù)據(jù)，在一般互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中，能夠與可見(jiàn)光通信10 Gb/s的下行數(shù)據(jù)速率相匹配，或進(jìn)一步與可見(jiàn)光通信進(jìn)行深度融合組成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。然而采用射頻上行方案都會(huì)引入電磁干擾，且保密性較差，難以體現(xiàn)出可見(jiàn)光通信系統(tǒng)無(wú)需占用新的頻譜與保密性好等特點(diǎn)。與射頻對(duì)應(yīng)的光波上行的方案中，可見(jiàn)光上行方案中可見(jiàn)光不再是照明光的一部分，有時(shí)會(huì)成為視覺(jué)干擾，只能用于一些特定場(chǎng)景。而780～950 nm波段的紅外光無(wú)視覺(jué)干擾，但仍舊靠近可見(jiàn)光波段，人眼對(duì)其敏感，因此采用紅外LED作為發(fā)射源，受調(diào)制帶寬與發(fā)射功率限制，覆蓋范圍與傳輸速率有限。在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)之上，我們提出采用1 550 nm激光作為載波的全新可見(jiàn)光通信的上行鏈路方案，與下行的可見(jiàn)光鏈路共同構(gòu)成一套波分雙工全光通信鏈路，初步分析其上行鏈路可達(dá)1 Gb/s，與可見(jiàn)光下行鏈路的速率相匹配。1 550 nm激光上行鏈路由于其速率高與保密性好等特點(diǎn)，可以成為可見(jiàn)光通信上行鏈路候選方案之一。

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