基于VLC的無線局域網系統(tǒng)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(tǒng)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(yōu)點，尤其在室內無線信號接入方面，能夠滿足用戶大數(shù)據(jù)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(fā)展現(xiàn)狀及研究成果進行了簡述，對基于VLC的無線局域網系統(tǒng)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(qū)發(fā)展應用基于VLC的無線局域網具有經濟效益和環(huán)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(yōu)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(shù)據(jù)通信,與傳統(tǒng)的射頻通信相比較，有很多優(yōu)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(yōu)勢；(3)收發(fā)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(yī)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(shù)據(jù)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)[4]。同年，日本成立了可見光通信聯(lián)盟，旨在促進可見光通信的產業(yè)化。2009 年，可見光通信聯(lián)盟展出了基于VLC技術的LED廣告牌。2012年Casio發(fā)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?！ず掌澩ㄐ殴こ萄芯克聡ダ驶舴螂娦叛芯克瓤蒲袡C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?！ず掌澩ㄐ殴こ萄芯克O計的VLC系統(tǒng)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(xiàn)了1Gbps的VLC數(shù)據(jù)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(xiàn)了點對點的可見光通信系統(tǒng)[10]。2008年，該研究組利用白光LED陣列光源成功實現(xiàn)4Mb/s帶寬的數(shù)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(yōu)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(tǒng)，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(xiàn)了傳輸速率3.75Gb/s的VLC系統(tǒng)[14]。2015年，我國“可見光通信系統(tǒng)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(fā)射接收模塊及專用芯片的壓縮和產業(yè)化

針對VLC系統(tǒng)發(fā)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(wěn)定的電流和電壓變化范圍，是保證LED光源安全工作和穩(wěn)定的關鍵。

針對VLC系統(tǒng)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?；趫D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(fā)送的數(shù)據(jù)。

目前室內可見光通信實驗中發(fā)射接收系統(tǒng)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(yè)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(fā)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(fā)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(fā)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(tǒng)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(yōu)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(tǒng)應用。只有將PLC技術融合到VLC系統(tǒng)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(tǒng)。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(tǒng)中，實現(xiàn)兩種技術的結合。

3.5 數(shù)據(jù)的雙向傳輸技術

要實現(xiàn)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(xiàn)，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(fā)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(tǒng)。（3）文獻[17]提出不需要對現(xiàn)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(shù)據(jù)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(tǒng)如何解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}？已提出的解決辦法有：（1）在LED燈不發(fā)光等情況下，研究通過接通弱電流實現(xiàn)上網功能。（2）讓WiFi作為VLC無線局域網系統(tǒng)的補充技術，當燈光信號被阻擋的時候，實現(xiàn)無縫地切換至射頻通信系統(tǒng)。

4 結論

作為一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d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(fā)展，隨著我國半導體照明應用工程的推進，LED燈的應用區(qū)域越來越大。在青藏高

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

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TN929.1

教育部“春暉計劃”科研項目（Z2014013）。