朱振坤
(湖北經(jīng)濟學院 信息與通信工程學院,湖北 武漢 430000)
受益于半導體技術的高速發(fā)展和LED照明的廣泛應用,VLC使用LED作為可見光光源,擁有LED反應速度快、不受電磁干擾及可靠性高等優(yōu)點,在照明的同時實現(xiàn)了無線通信[1]。從一百多年前貝爾提出photophone起,經(jīng)過各類激光器與LED的逐步發(fā)明與應用,VLC的概念在21世紀初被正式提出,并很快成為了歐、美、日等國家角逐通信技術的前沿陣地,國內(nèi)以中國科學技術大學為代表的高校和研究機構在VLC理論與實驗方面取得了諸多突出成果。但是,VLC現(xiàn)階段還未趨于成熟,在生活與工業(yè)中的推廣應用尚有許多技術難點需要解決。
無線通信系統(tǒng)邏輯上一般都由下行鏈路(downlink)和上行鏈路(uplink)兩部分組成,VLC作為無線通信的一種也同樣如此。以典型的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)為例,VLC基本結(jié)構如下。
下行鏈路由LED光源、光電檢測器(PD)及信號處理單元組成。其中,LED光源與信號處理單元組合可發(fā)射調(diào)制可見光,構成發(fā)射部分;PD與信號處理單元接收發(fā)射光并轉(zhuǎn)換處理獲得原始信息,構成接收部分。由于兩部分間存在多條光路徑,每種路徑上從發(fā)射到接收耗時不同,因而存在碼間干擾(ISI)。
相較于下行鏈路,uplink的LED光源發(fā)射面積和發(fā)射角要小得多,同時uplink的PD安裝在吊頂上,用來接收用戶光信號。除去上述區(qū)別外,uplink和downlink的組成結(jié)構基本相同。
實際使用的可見光網(wǎng)絡是由全雙工VLC系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡,全雙工VLC系統(tǒng)通過在通信雙方對稱配置上述uplink和downlink實現(xiàn)雙向同時工作。由于VLC系統(tǒng)中LED光源高速調(diào)制,人眼察覺不到燈光的明暗交錯,因而其通信功能對LED照明沒有影響。VLC系統(tǒng)一般設計采用強度調(diào)制直接檢測(IM-DD),這種方式的特征在于Optical receiver所接收到的光信號來自多個光源,即使部分光路徑被遮擋仍舊可以實現(xiàn)通信,大大提高了系統(tǒng)可靠性。
VLC由于光源的特殊性,表現(xiàn)出許多優(yōu)于傳統(tǒng)光通信(Optical Communication)和射頻通信(RF Communication)的特點。第一,不受許可證限制??梢姽獠辉跓o線電頻譜管制范圍內(nèi),因而不受許可證限制。第二,安全性??梢姽鈱θ嘶緵]有傷害,將照明使用的可見光作為通信介質(zhì)安全性極高。第三,保密性。在封閉空間內(nèi),可見光無法穿越磚墻,因而外界無法獲取通信內(nèi)容,可以有效防止信息外泄。第四,不會產(chǎn)生電磁干擾。這一點對于飛機和醫(yī)院極為重要,因為這些場合對于電磁干擾有著嚴格限制。此外,可見光資源豐富、發(fā)射功率高等均為VLC優(yōu)勢。然而,由于VLC通信路徑損失較大,性能受溫度影響較明顯,因而目前無法取代RF Communication。因此,如何克服這些劣勢成為了VLC研究的熱門課題。
智能交通是交通的物聯(lián)化體現(xiàn),通過將交通系統(tǒng)內(nèi)所有的信息采集與管理系統(tǒng)有機結(jié)合成一個整體,可以大幅提高運輸效率,降低交通負荷,智能交通系統(tǒng)(ITS)是未來交通系統(tǒng)的發(fā)展方向[2]。ITS中用于輔助駕駛員路況識別的圖像處理技術屬于核心技術之一,這也是VLC技術應用的一個新領域,VLC配合高分辨率、高速攝像機可以實現(xiàn)車輛與路邊預設裝置的通信,進而讓車主及時獲取障礙物、交通燈及其他車輛信息,以便做出適當行車調(diào)整,提高交通質(zhì)量與效率。目前制約VLC在ITS中推廣應用的主要因素是硬件設施成本過高,通信速度也有待進一步提高。
VLC安全性與不會產(chǎn)生電磁干擾這兩大優(yōu)勢使其在航空應用中大放異彩,最新的商用飛機上應用VLC后,進一步降低了通信設備設施的重量和成本,波音公司已將VLC推廣應用納入到了長遠規(guī)劃中。航空應用中,VLC可以在照明的同時輔助乘客進行閱讀,并可以通過座位間的VLC網(wǎng)絡實現(xiàn)對講和娛樂交互。
目前,室內(nèi)定位系統(tǒng)主要采用的是Bluetooth、RF和Ultrasonic,這些方式的通病在于會產(chǎn)生較大電磁干擾,穩(wěn)定性不高,且難以實現(xiàn)搞定度定位。VLC的諸多優(yōu)勢克服了這些不利因素。有專家稱,未來VLC將應用在購物中心、機場及博物館等場所,指導顧客可以利用手機端接收墻面固定位置LED光源發(fā)射的信號,快速尋找想要的商品和想去的地方,大大提升相關場所的人性化水平。文獻[3]中設計的基于RRS室內(nèi)定位系統(tǒng),在59 mm范圍進行測試,精確定位水平高達95%。
無線電波在水下傳播會大幅衰減,并且會對許多海洋生物造成干擾。因此,需要開發(fā)一種通信方式克服水下衰減和電磁干擾。NUS和MIT等高等院校已聯(lián)合開展了水下可見光通信研究,并已獲得了初步成果,在30 m距離內(nèi)達到了1.2 Mb/s的傳輸速度。
市面上大多數(shù)LED光源調(diào)制帶寬較窄,幅頻響應呈低通特性,尤其是非線性的電光功率轉(zhuǎn)換,成為制約VLC高速傳輸?shù)淖畲蠖贪?。雖然已經(jīng)研發(fā)出了高性能RGB LED,可以在一定程度上克服VLC光源自身不足。但是,造價過高、控制復雜等問題依然無法使RGB LED在VLC大規(guī)模推廣使用。
多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO)是下一代移動通信的核心技術,MIMO可以克服VLC調(diào)頻帶寬有限的短板,大幅提高系統(tǒng)容量。目前,MIMO研究主要集中在自由空間光通信中。與自由空間光通信不同,VLC核心應用領域在室內(nèi),與光鏈路高度相關,VLC能否與MIMO完美融合有待進一步論證,VLC的MIMO模型優(yōu)化和改進課題也由此而來。
高質(zhì)量的光接收端探測器是增大VLC系統(tǒng)傳輸距離的前提條件,目前廣泛使用的多是紅外光電探測器,如APD、PIN等。而VLC無法使用這類探測器,需要針對性的開發(fā)新型高質(zhì)量光電探測器。
Downlink是當前VLC研究的熱門,對于uplink相關研究較少,作為VLC系統(tǒng)基本組成結(jié)構的一部分,uplink是VLC技術推廣應用不可越過的一道坎。目前,存在的三種uplink方案都有不利因素:紅外方向性過強,射頻通信要求發(fā)射端與接收端都具備無線接收機,可見光通信過程中照明可能會對用戶造成干擾,且對準較為困難。
分析與設計VLC系統(tǒng)時,首先應建立可見光信道模型,完善模型可以輔助選擇最佳LED光源布局和光亮度,以減少盲區(qū),降低ISI。對于許多對數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高的應用領域,完善可見光信道模型顯得極其重要。
在新一代的光通信領域中VLC必然會占有重要一席,因而歐美、日本、中國的許多科研院所都投入了巨大資源進行VLC關鍵技術研究,也取得了一些模擬仿真的階段性成果;但是,距離實際應用還有很長的一段距離。未來VLC技術將逐步滲透到智能交通、航空、室內(nèi)定位和水下應用等領域。目前,面臨的主要發(fā)展挑戰(zhàn)主要集中在LED光源非線性效應、MIMO模型、光電探測器、uplink及可見光信道模型等方面。在相關人員的不斷努力下,可見光通信光電模塊將伴隨相關行業(yè)的發(fā)布而推廣應用至各類移動終端和光源中。我國VLC起步雖然較晚,但得益于優(yōu)秀的LED產(chǎn)業(yè)基礎和科研機構的投入,已逐步走到了行業(yè)前列。未來在逐步擴大自主知識產(chǎn)權研究成果范圍的基礎上,將致力于行業(yè)標準制定和搶奪相關專利空白,占領知識經(jīng)濟高地,實現(xiàn)VLC產(chǎn)業(yè)化。